風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電及其并網(wǎng)技術(shù) PART 1 風(fēng)力發(fā)電概況 風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔可再生能源 最近20年在世界范圍內(nèi)迅猛發(fā)展歐盟目標(biāo)在2020年風(fēng)電占整個(gè)能源的比例達(dá)到20 還需新增風(fēng)電裝機(jī)容量100 200GW 美國(guó)能源目標(biāo)是在2030年通過發(fā)展風(fēng)力發(fā)電增加20 這樣也需要新增裝機(jī)容量300GW 在我國(guó)從2004年開始 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展階段 2010年 風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到41GW 計(jì)劃在2020年達(dá)到100GW 風(fēng)力發(fā)電概況 風(fēng)力發(fā)電概況 在過去幾年中 盡管海上風(fēng)電提速 但是陸上風(fēng)電仍然是風(fēng)電開發(fā)的重點(diǎn) 占全部風(fēng)電裝機(jī)的98 以上 海上風(fēng)電僅占1 3 左右 風(fēng)機(jī)的大型化傾向抬頭 世界前十名企業(yè)都在大力研發(fā)5MW以上的風(fēng)機(jī) 10MW的風(fēng)機(jī)預(yù)計(jì)會(huì)在2015之前下線 從技術(shù)路線發(fā)展趨勢(shì)來看 大型化促使了直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展 風(fēng)力發(fā)電概況 我國(guó)風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r 風(fēng)力發(fā)電概況 全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)前十名的國(guó)家 風(fēng)力發(fā)電概況 歐洲最新開發(fā)的風(fēng)力發(fā)電機(jī) 風(fēng)力發(fā)電概況 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展趨勢(shì) 風(fēng)力發(fā)電開發(fā)的背景和意義 PART 2 風(fēng)力發(fā)電開發(fā)的背景和意義 風(fēng)力發(fā)電是電力可持續(xù)發(fā)展的最佳戰(zhàn)略 技術(shù)創(chuàng)新使風(fēng)電技術(shù)日益成熟 具有強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的推廣能減少資源消耗和環(huán)境污染 減少溫室氣體等有害氣體的排放 緩解全球變暖 保護(hù)環(huán)境 有著巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益 風(fēng)力發(fā)電開發(fā)的背景和意義 我國(guó)擁有豐富的陸上與海上風(fēng)能資源 適宜大規(guī)模開發(fā)風(fēng)力發(fā)電 國(guó)家發(fā)改委2009年3月公布的 關(guān)于組織實(shí)施可再生能源和新能源高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)的公告 中明確指出風(fēng)力發(fā)電是 可再生能源和新能源高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)重點(diǎn)領(lǐng)域 我國(guó)風(fēng)能資源主要集中在 三北 地區(qū) 大多遠(yuǎn)離負(fù)荷中心 我國(guó)積極推進(jìn)大基地大電網(wǎng)的風(fēng)電開發(fā)模式 一批百萬千萬級(jí) 千萬千萬級(jí)風(fēng)電基地正在規(guī)劃 風(fēng)力發(fā)電開發(fā)的背景和意義 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型 PART 3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型 風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型概述 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型 1 定速型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 雙速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)4極 6極600KW 125KW單速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)4極750 800 850 1300KW特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 并網(wǎng)方便 功率因數(shù)低 捕捉風(fēng)能效果較差 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型 2 變速型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型 2 1直驅(qū)型變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 勵(lì)磁型全功率直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 永磁型全功率直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 無齒輪增速 便于維護(hù) 故障率低 但是電機(jī)體積龐大 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型 直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組 永磁或電勵(lì)磁多極同步發(fā)電機(jī) 直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組裝置 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型 2 2多級(jí)增速型變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 通過齒輪增速 電機(jī)體積小 增加系統(tǒng)維護(hù)和故障率 典型的機(jī)型是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型 2 3半直驅(qū)型變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 通過1級(jí)齒輪增速 電機(jī)體積較小 降低系統(tǒng)維護(hù)和故障率 是折中方案 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型 一級(jí)行星齒輪箱9 1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速 190rpm 極數(shù) 72極 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型 個(gè)500 325rpm永磁同步發(fā)電機(jī) 葉片通過緊耦合主軸和單級(jí)多輸出軸齒輪箱 驅(qū)動(dòng)多個(gè)中速永磁發(fā)電機(jī) 每個(gè)發(fā)電機(jī)有獨(dú)立的變頻器 輸出通過直流母線連接在一起 再通過網(wǎng)側(cè)逆變裝置連接到電網(wǎng) 2 4多發(fā)電機(jī)型機(jī)組 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制 PART 4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)是風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率 可以通過適當(dāng)?shù)目刂?使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速可變 使風(fēng)力機(jī)的尖速比處于或接近于最佳值 從而最大限度的利用風(fēng)能 風(fēng)力機(jī)的輸出功率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行分三個(gè)階段 1 起動(dòng)階段 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)撵o止上升到切入速度 在切入速度以下 發(fā)電機(jī)并沒有工作 機(jī)組在風(fēng)力作用下作機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)不涉及發(fā)電機(jī)變速的控制 2 在變速運(yùn)行階段 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速被控制以跟蹤風(fēng)速的變化 從而獲取最大的能量 3 功率恒定階段 在額定風(fēng)速以上 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械和電氣極限要求轉(zhuǎn)子速度和輸出功率維持在限定值以下 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主控制框圖 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制 永磁直驅(qū)式同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)常采用全功率變流裝置并網(wǎng) 全功率變流裝置采用交 直 交變頻系統(tǒng) 使發(fā)電機(jī)組工作頻率與電網(wǎng)頻率相互獨(dú)立 能量全部通過變流器傳輸至電網(wǎng) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制 在直驅(qū)式永磁同步全功率變流器中 機(jī)側(cè)變流器常采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制策略 實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流與勵(lì)磁電流獨(dú)立控制 轉(zhuǎn)矩指令由主控系統(tǒng)發(fā)出 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器常采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略 實(shí)現(xiàn)有功無功的解耦控制 同時(shí)另有直流側(cè)母線電壓控制來實(shí)現(xiàn)直流環(huán)節(jié)電壓的恒定 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)變流器控制原理 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略與直驅(qū)式網(wǎng)側(cè)變流器控制策略相同 機(jī)側(cè)變流器常采用定子磁場(chǎng)定向矢量控制策略 實(shí)現(xiàn)定子側(cè)有功無功解耦控制 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制 雙饋式風(fēng)力發(fā)電是在雙饋式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子中施加轉(zhuǎn)差頻率的電壓 或電流 進(jìn)行勵(lì)磁 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的幅值 頻率和相位 實(shí)現(xiàn)定子恒頻恒壓輸出 當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率fm變化時(shí) 控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率f2確保定子輸出頻率f1恒定 設(shè)p為極對(duì)數(shù) 則有 f1 fm f2 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響 PART 5 1 增大調(diào)峰 調(diào)頻難度 風(fēng)電的反調(diào)峰特性增加了電網(wǎng)調(diào)峰的難度 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響 風(fēng)電的間歇性 隨機(jī)性增加了電網(wǎng)調(diào)頻的負(fù)擔(dān) 電網(wǎng)負(fù)荷 風(fēng)機(jī)發(fā)電 3 風(fēng)機(jī)抗擾動(dòng)能力差 影響電網(wǎng)安全運(yùn)行 在系統(tǒng)發(fā)生小擾動(dòng)時(shí) 風(fēng)電機(jī)組退出運(yùn)行 使電網(wǎng)承受第二次沖擊 導(dǎo)致事故擴(kuò)大 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響 2 加大電網(wǎng)電壓控制難度 隨著大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng) 電網(wǎng)運(yùn)行控制出現(xiàn)了很大困難 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過度依賴系統(tǒng)無功補(bǔ)償 限制了電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性 4 增加電網(wǎng)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)風(fēng)電的間歇性 隨機(jī)性增加了電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn) 風(fēng)電機(jī)組在系統(tǒng)故障后可能無法重新建立機(jī)端電壓 失去穩(wěn)定 從而引起地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定破壞 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響 風(fēng)電并網(wǎng)需考慮的因素 風(fēng)電場(chǎng)無功容量 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)調(diào)節(jié)方式 功率因數(shù)調(diào)節(jié)或電壓調(diào)節(jié) 系統(tǒng)故障時(shí)風(fēng)電場(chǎng)保持并網(wǎng)的能力 跟蹤有功功率變化率和減出力 風(fēng)電場(chǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行過程中需具備的能力 風(fēng)機(jī)的穿越故障能力 風(fēng)電場(chǎng)爬坡能力 風(fēng)電場(chǎng)為系統(tǒng)穩(wěn)定提供無功功率支持的能力 風(fēng)電場(chǎng)響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化自動(dòng)調(diào)節(jié)出力的能力 與電網(wǎng)保護(hù)配置及整定相互配合的能力 風(fēng)電場(chǎng) 大型 黑啟動(dòng)能力 風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)通信能力 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響 風(fēng)電場(chǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行過程中需具備的能力 風(fēng)機(jī)的穿越故障能力 風(fēng)電場(chǎng)爬坡能力 風(fēng)電場(chǎng)為系統(tǒng)穩(wěn)定提供無功功率支持的能力 風(fēng)電場(chǎng)響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化自動(dòng)調(diào)節(jié)出力的能力 與電網(wǎng)保護(hù)配置及整定相互配合的能力 風(fēng)電場(chǎng) 大型 黑啟動(dòng)能力 風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)通信能力 風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主為電網(wǎng)提供可供電網(wǎng)分析計(jì)算用的詳細(xì)風(fēng)電場(chǎng)模型及參數(shù) 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障穿越 PART 6 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障穿越 中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司已頒布風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定 規(guī)定的風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求為 1 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20 額定電壓時(shí)能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行625ms的低電壓穿越能力 2 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90 時(shí) 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行 此外 該規(guī)定還明確強(qiáng)調(diào)當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的負(fù)序電壓不平衡度2 短時(shí)4 情況下 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能持續(xù)不脫網(wǎng)正常運(yùn)行 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障穿越 各國(guó)電網(wǎng)公司出臺(tái)的低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障穿越 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障穿越保護(hù) 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生跌路故障時(shí) 由于變流器容量的限制 會(huì)出現(xiàn)機(jī)側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器能量不平衡 會(huì)引起直流側(cè)過電壓與過電流 當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)發(fā)生跌落故障時(shí) 多余的有功能量可以通過不同方式的泄放電阻得以消耗 如在直流側(cè)串聯(lián) 并聯(lián)泄放電阻模塊或在電機(jī)交流側(cè)串聯(lián) 并聯(lián)泄放電阻模塊 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障穿越 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障穿越保護(hù) 由于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要功率回路直接與電網(wǎng)相連 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障電壓驟降時(shí) 定子電壓和電網(wǎng)電壓之間的差值電壓加在定子電阻和漏感上 定子回路就會(huì)產(chǎn)生很大的瞬態(tài)故障電流 并進(jìn)一步引起轉(zhuǎn)子回路的過壓和過流 若故障發(fā)生前電機(jī)運(yùn)行在超同步狀態(tài)時(shí) 還會(huì)引起變流器直流側(cè)母線過電壓 單純靠控制策略的改進(jìn)將難以實(shí)現(xiàn)大值低電壓穿越 需要通常采用投入保護(hù)電路的方法來實(shí)現(xiàn)故障穿越 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障穿越 被動(dòng)式Crowbar完全是一種自我保護(hù)形式的電路 不能在電網(wǎng)故障切除后迅速切除 主動(dòng)式Crowbar電路采用IGBT等可關(guān)斷器件可以在其動(dòng)作后的任意時(shí)刻切斷轉(zhuǎn)子回路的Crowbar保護(hù)電路使得風(fēng)機(jī)變流器重新開始工作 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障穿越保護(hù) 湖南大學(xué)風(fēng)電團(tuán)隊(duì)的相關(guān)工作 PART 7 湖南大學(xué)風(fēng)電團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作 在直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì) 兆瓦級(jí)風(fēng)電變流控制系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障穿越技術(shù)以及風(fēng)電系統(tǒng)電力電子變流技術(shù)和控制技術(shù)領(lǐng)域積累了深厚的理論基礎(chǔ)和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)防科研課題及相關(guān)的國(guó)家重大課題 取得了一系列成果發(fā)表相關(guān)科研論文100多篇 申請(qǐng)和獲得發(fā)明專利10項(xiàng)獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng) 教育部提名國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng) 部省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng) 部省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)3項(xiàng) 部省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng) 湖南大學(xué)風(fēng)電團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作 正在進(jìn)行和完成的主要項(xiàng)目 湖南大學(xué)風(fēng)電團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì) 與湘潭電機(jī)合作完成2MW永磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)工作 電磁設(shè)計(jì) 湖南大學(xué)風(fēng)電團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是電機(jī)設(shè)計(jì)中電磁設(shè)計(jì)的后續(xù)步驟 其目的是解決機(jī)械部分的設(shè)計(jì)問題 對(duì)它的要求是從結(jié)構(gòu)上來保證電機(jī)的性能 制造時(shí)的經(jīng)濟(jì)合理和運(yùn)行可靠性 湖南大學(xué)風(fēng)電團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作 試驗(yàn)數(shù)據(jù) 湖南大學(xué)風(fēng)電團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作 2MW風(fēng)力發(fā)電變流器的開發(fā) 軟件程序的開發(fā) 程序流程圖 湖南大學(xué)風(fēng)電團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作 變流器調(diào)試 湖南大學(xué)風(fēng)電團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 湖南大學(xué)風(fēng)電團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作 在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電故障穿越方面的研究 控制策略的研究 正負(fù)序d q軸雙電流環(huán)控制策略 正序d q軸單電流環(huán)控制策略 利用比例諧振控制器能對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行無差調(diào)節(jié)的特點(diǎn) 將其與傳統(tǒng)比例積分控制器相結(jié)合 在正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下 實(shí)現(xiàn)對(duì)正負(fù)序電流進(jìn)行控制 無需正負(fù)序分解 湖南大學(xué)風(fēng)電團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建 雙PWM變流器功率單元部分采用兩臺(tái)2 2kW丹佛斯F302型變頻器背靠背連接 控制系統(tǒng)采用DS1103dSPACE控制器 直流側(cè)泄放回路采用將200歐姆電阻接在網(wǎng)側(cè)變流器制動(dòng)端口處 變壓器一次側(cè)W相與電網(wǎng)N線相連在二次側(cè)產(chǎn)生不平衡電壓 湖南大學(xué)風(fēng)電團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作 對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析 雙PI電流環(huán) 單PI RES電流環(huán) 采用單PI RES電流環(huán)時(shí)動(dòng)態(tài)性能明顯優(yōu)于采用雙PI電流環(huán) 這是因?yàn)椴捎秒pPI電流環(huán)