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风电机组的并网技术

一、变速恒频风力发电系统

变速恒频风力发电系统的出现

早期风电系统中大多采用恒速恒频风电系统,恒速恒频风电系统的发电机转速保持不变,其运行范围比较窄,因此逐步被后来的变速恒频系统所取代。

变速恒频指在风力发电过程中发电机的转速可随风速变化,而通过其他控制方式来得到恒频电能。可按照捕获最大风能的要求,在风速变化的情况下实时地调节风力机转速,使之始终运行在最佳转速上,从而提高机组发电效率,优化风力机的运行条件。

变速恒频风力发电系统结构

1、风力机把风能转化为动能。

2、齿轮箱将风力机的低转速转化为发电机运行所需高转速。

3、发电机把风力机输出的机械能转变为电能。

4、发电机侧变流器将发电机发出的变频交流转换为直流。

5、直流环节的电压控制一般为恒定。

6、网侧变流器使直流电转变为三相正弦波交流电,并能有效的补偿电网功率因数。

7、变压器把电能变为高压交流电。


变速恒频风力发电系统结构


变速恒频风力发电系统分类

在变速恒频风电系统中,主要有以下几种风电系统:

永磁直驱风力发电系统、绕线转子型异步双馈风力发电系统、异步电机风力发电系统、无刷双馈风力发电系统

目前应用较为广泛且较有发展前景的主要是双馈式和永磁直驱式。永磁直驱式风电系统是未来风电系统发展的一个重要方向。

1、永磁直驱风力发电系统

优点:风轮与永磁同步发电机直接相连,无需升速齿轮箱;转子为永磁式结构,无需励磁绕组,因此不存在励磁绕组的损耗,提高了效率;转子上没有滑环,运行更加安全可靠。

缺点:永磁体增加了电机的成本,永磁物质具去磁性,并且电机的功率因数不可控。


2、绕线转子型异步双馈风力发电系统

优点:减小了逆变器损失,因为逆变器功率只需为整个系统总功率的1/4,这是因为变流器只需要控制转子滑差功率;减小逆变器和电磁噪声滤波损失;在外部扰动下,双馈电机具有更好的鲁棒性和可靠性。

缺点:就是双馈电机使用滑环,需要定期维修,这极为不方便,尤其是用于海上风力发电时。




3、异步电机风力发电系统

优点:异步电机相当结实,无电刷,可靠,经济而普遍;整流器可产生用于电机的可调励磁。快速瞬态响应;当有剩余容量时,逆变器可作为无功或谐波补偿器。

缺点:复杂的系统控制(FOC),其性能依靠对于电机参数的了解,而电机参数是随温度和频率而变化;为满足电机磁场需要,定子侧变流器容量要比额定功率高30~40%。

4、无刷双馈风力发电系统

这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制,降低变频器的容量外,还可实现有功、无功功率的灵活控制,对电网而言可起到无功补偿的作用。同时发电机本身没有滑环和电刷,既降低了电机的成本,又提高了系统运行的可靠性。

变速恒频机组的控制

变速恒频风力发电机组的运行分三个阶段:

1、起动阶段。发电机转速从静止上升到切入速度。在切入速度以下,发电机并没有工作,机组在风力作用下作机械转动,并不涉及发电机变速的控制。

2、在变速运行阶段。发电机转速被控制以跟踪风速的变化,从而获取最大的能量。

3、功率恒定阶段。在额定风速以上,风力发电机组的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持在限定值以下。

变速恒频风力发电机组的主控制框图

根据变速风力发电机组在不同区域的运行将基本控制策略确定为:

低于额定风速时,通过对变频器进行控制,从而控制发电机的电磁转矩,以改变发电机的转速,从而能在在变速运行区域跟踪曲线,风力发电机受到给定的功率-转速曲线控制,获得最大能量。风力机在高于额定风速时,进入功率恒定区,通过对桨距角和发电机的电磁转矩的控制,跟踪曲线,并保持输出稳定。


二、基于双PWM的永磁直驱式风力发电系统的并网控制

永磁直驱式风力发电系统

1、交-直-交变频系统

由于风速的随机性,输入到发电机的能量也在不断地变化,然而,同步发电机的转速和电网频率之间是刚性耦合的,不可直接并网。现在一般采取的方法是在同步发电机和电网之间采用交-直-交变频系统,使得这一问题得到解决,该系统有以下优点:

由于采用交-直-交变频系统,使发电机组工作频率与电网频率相互独立,因此不必担心并网时可能出现的失步问题。发电机可以运行在不同转速下,最大限度地捕捉风能。

采用变频装置进行输出控制,并网时没有电流冲击,对系统几乎没有影响。

2、基于双PWM的永磁直驱风力发电系统

采用PWM整流器可以对功率因数进行控制,从而降低了发电机的铜耗和铁耗,并且PWM整流器可提供几乎为正弦的电流,因而减少了发电机侧的谐波电流。直流环节并有一大电容,可维持电压恒定。电网侧串联电感可用于滤波。通过控制系统的控制,将永磁电机发出的变频变幅值电压通过网侧逆变器转化为可用的恒频电压,并达到俘获最大风能的目的。




3、永磁直驱变速恒频风力发电系统控制




◆ 控制方法

对于发电机侧的整流器,在同步旋转(d,q)坐标系中采取电流矢量解耦控制,从而可以独立控制有功无功电流,实现无静差控制。控制结构如前图所示,采用速度外环,电流内环双环控制方式。其中外环速度参考值由最大功率点跟踪算法得出,它根据发电机实际转速和输出有功功率的变化得出一个最优的参考速度,发电机在该转速下运行便能获得最大的能量。

参考速度w*与实际电机速度w相比较,通过比例积分    控制器得到有功电流参考iq*。令无功电流参考id=0,由于发电机转矩T=kiq,即发电机电磁转矩与有功电流iq成正比,可以通过调节iq跟从iq*来控制发电机转矩,从而改变发电机转速w,保证发电机转速为给定的最优转速的w* 。

通过逆变器控制,保持了直流电压的恒定,使其能稳定的向电网输送电能,并且通过电流内环解耦控制,逆变器输出电流与电网电压的频率始终为一致,在电网正常运行时,当无功需求为0时能保持功率因素为一,并且在特殊情况时能向电网提供无功功率。

其中给定直流电压Ud*与实际检测到的直流连接环电压Ud相比较,所得误差信号经比例积分控制器调节产生有功参考电流iq*,而无功功率外环产生无功电流id*。电压环外环控制直流电压稳定,可以使逆变器稳定地向电网传输功率,而无功功率环控制逆变器输出无功功率,从而满足电网对于无功功率的要求。电流内环依然采用基于旋转坐标轴的解耦控制,采用比例积分调节器作为电流环的控制器。


通过电流内环的调节作用可得到控制整流器所需的电压信号,采用SPWM调制法对其进行调制,即信号波与三角载波进行比较得开关信号Su,Sv,Sw对IGBT开关进行关断和开通,即可实现控制目的。也可以采用空间矢量PWM调制法(SVPWM)对其进行调制。无论是在减小电动机电流谐波损耗,消除转矩波动,提高控制系统性能,还是从逆变器直流侧电压利用率方面看,采用空间矢量方法调制都具有明显的优势。

采用Matlab7.0中Simulink根据PWM整流器的数学模型以及控制模型对系统进行建模仿真。取仿真参数为电机侧交流电压为500v,频率为10赫兹,给定直流电压U*为1300v,电网侧交流电压为220V,频率为50赫兹。

◆ 仿真结果


在PWM控制下实际的直流电压Udc迅速跟从给定的Udc*=1300V,保持了直流连接电压为恒定值。

发电机输出的电压Ueu和电流ieu,其频率为10赫兹,从图中可以看出,通过0.06秒时间的调节,电流迅速稳定下来,与发电机输出电压相位保持一致,即发电机侧的功率因数为1。

电网侧输出电压Usa和输出电流isa,由图可以看出,经过逆变器的控制,输出电流由原来的10赫兹变为50赫兹,与电网频率完全同步,并且同电网电压相位也保持一致,功率因数控制为一。

在0~0.1秒时,电网侧给定交流电流的幅值大小为给定is*=20A,在0.1秒以后,突然变化为25A。从图可以看出当给定is*发生变化时,通过直接电流PWM控制,电网电流的幅值能即时从20A变化到25A,跟从给定电流的变化,具有非常好的调节效果。


三、风电并网对电网的影响

1、影响

随着越来越多的风电机组并网运行,风力发电对电网的影响也越来越受到人们的广泛关注。风力发电原动力是不可控的,它的出力大小决定于风速的状况。从电网的角度看,并网运行的风电机组相当于一个具有随机性的扰动源,会对电网电能质量和稳定性等方面造成影响。

(1) 电压波动和闪变

(2) 谐波污染问题

(3) 对电网稳定性的影响

2、改善风力发电并网性能的一些措施

● 静止无功补偿器(SVC)

利用静止无功补偿器(SVC) 减小风力发电功率波动对电网电压影响。风电场是一个发出有功功率、吸收无功功率的特殊元件, 风电场的电压往往很低,利用SVC改善系统电能质量和提高系统的稳定性是一个有效的措施。目前TRC- FC型SVC在国内外风电场已得到了广泛的应用。

● 有源电力滤波器(APF)

近年来,采用电力晶体管(GTR) 和可关断晶闸管(GTO) 及脉宽调制(PWM) 技术等构成的有源滤波器, 可对负荷电流作实时补偿,有效地抑制了电压波动和闪变。

● 超导储能装置(SMES)

通过采用基于GTO的双桥结构换流装置, SMES可以在四象限灵活地调节有功和无功功率, 为系统提供功率补偿, 跟踪电气量的波动。充分利用SMES有功无功综合调节能力, 可以降低风电场输出功率的波动, 稳定风电场电压, 提高系统的稳定性。SMES是一种有源的补偿装置,与SVC相比其无功补偿量对接入点电压的依赖程度小,在低电压时的补偿效果更好。

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