風(fēng)電場接入分析.ppt

1、風(fēng)力發(fā)電機組模型及其控制,第二章,謝 樺,聯(lián)系方式：51687109 電氣樓611 ,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,Contents,風(fēng)力機分類概述 恒速風(fēng)機的原理及控制 雙饋風(fēng)機的原理及控制 直驅(qū)式風(fēng)機的原理及控制,重點：主流風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)、運行特點和控制方法。 難點：風(fēng)電機組的并網(wǎng)控制。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機分類概述,以速度控制為標準，把風(fēng)力機分為恒速和變速兩種主要的類型。 恒速風(fēng)機又可以分為失速型、槳距可控型和主動失速型。 變速風(fēng)機現(xiàn)在常見的型號有雙饋電機（DFIG）和直驅(qū)式

2、永磁同步電機（DMSG）。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機分類概述,風(fēng)力發(fā)電機,Induction Generator 感應(yīng)發(fā)電機,Induction Generator 感應(yīng)發(fā)電機,Induction Generator 感應(yīng)發(fā)電機,無無功控制,有無功控制,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機分類概述,恒速風(fēng)機 恒速風(fēng)機多采用鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機并通過變壓器直連電網(wǎng)。因為鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機經(jīng)常從電網(wǎng)吸收無功功率，所以此類型風(fēng)力機使用電容器組來進行無功功率補償，使用軟啟動器獲得更平穩(wěn)的電網(wǎng)電壓。 無

3、論恒速風(fēng)力機使用哪種功率控制原理，風(fēng)的波動都要轉(zhuǎn)化成機械波動，進而轉(zhuǎn)化成電功率波動。弱電網(wǎng)中，這些波動會引起連接點電壓波動。恒速風(fēng)力機從公共電網(wǎng)中吸收的無功功率隨電壓波動變化（除非有電容器組），增加了電壓波動和傳輸線損耗。因而，此類型的主要缺點是它不支持任何速度控制，需要剛性電網(wǎng)，其機械約束也必須能容忍高機械應(yīng)力。 恒速風(fēng)機又可以分為失速型、漿距可控型和主動失速型。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機分類概述,失速型 失速控制是傳統(tǒng)類型，早在20世紀80年代和90年代就被許多丹麥風(fēng)力機制造商采用（即上風(fēng)向失速調(diào)節(jié)型三槳葉風(fēng)力機）。相對低廉

4、的價格、簡單和堅固耐用的特性使其十分流行。但是失速控制型風(fēng)力機不能實現(xiàn)輔助啟動，這意味著無法控制風(fēng)力機功率。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機分類概述,槳距可控型 槳距控制型風(fēng)力機已經(jīng)商業(yè)化。它的主要優(yōu)點是可控功率、可控啟動和緊急停車。主要缺點是高風(fēng)速時即使很小的風(fēng)速變化也會導(dǎo)致很大的輸出功率波動。槳距機構(gòu)的反應(yīng)速度不足以避免這樣的功率波動。槳葉調(diào)節(jié)能補償風(fēng)的緩慢變化，但陣風(fēng)情況是不能補償?shù)摹?返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機分類概述,主動失速型 主動失速控制基本上具備了所有失速

5、調(diào)節(jié)型風(fēng)力機的電能質(zhì)量特性。主動失速控制能使全系統(tǒng)得到更好的利用，槳葉和輪轂的靈活組合也使其具備緊急停車和啟動功能。缺點是槳距機構(gòu)及其控制器的成本較高。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機分類概述,變速風(fēng)機 變速風(fēng)力機在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)都能達到最大氣動效率。變速運行使它可以連續(xù)地調(diào)節(jié)（加速或減速）風(fēng)力機轉(zhuǎn)速以適應(yīng)風(fēng)速v的變化。這種方式下，葉尖速比在對應(yīng)最大功率系數(shù)的設(shè)定值上保持恒定。與恒速系統(tǒng)相比，變速系統(tǒng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)矩相當恒定，風(fēng)速變化被發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化所吸收。 變速風(fēng)力機的電氣系統(tǒng)比恒速風(fēng)力機更復(fù)雜。它的典型配置是感應(yīng)或同步發(fā)電機，通過

6、功率變換器并網(wǎng)。功率變換器控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速；即，風(fēng)速變化引起的功率波動主要通過風(fēng)輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速，從而通過風(fēng)力機轉(zhuǎn)子速度變化吸收。 變速風(fēng)力機的優(yōu)點在于增強了能量捕獲能力，改善了電能質(zhì)量以及減小了風(fēng)力機的機械應(yīng)力；缺點是有電力電子設(shè)備損耗，需要使用更多器件和因使用電力電子設(shè)備而增加成本。 變速風(fēng)力機類型的引入增加了可應(yīng)用發(fā)電機類型，也提供了發(fā)電機類型與功率變換器類型組合的自由度。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機分類概述,轉(zhuǎn)子電阻可調(diào)的感應(yīng)發(fā)電機 此類型對應(yīng)的是含可變轉(zhuǎn)子電阻的有限變速風(fēng)力機，丹麥風(fēng)力機制造商Vestas公司在20世紀90年代

7、中期開始使用。 它用繞線感應(yīng)發(fā)電機直接并網(wǎng)；用電容器組進行無功功率補償；用軟啟動器使并網(wǎng)更平穩(wěn)。 此類型的獨特之處是有可變附加轉(zhuǎn)子電阻，能用安裝在轉(zhuǎn)子軸上的光控變換器改變其電阻值，從而使總轉(zhuǎn)子電阻是可控的。光耦替代了昂貴的、需要電刷和支架的滑環(huán)，并且轉(zhuǎn)子電阻可變使得轉(zhuǎn)差也可變。 這種方式下，系統(tǒng)的功率輸出是可控的，可變轉(zhuǎn)子電阻的大小決定了動態(tài)速度控制范圍，典型地是高于同步轉(zhuǎn)速的010%。外部功率變換單元的能量以熱損耗方式消耗掉。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機分類概述,雙饋電機（DFIG） 此類風(fēng)機含繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機和轉(zhuǎn)子電路中部分

8、容量變頻器（風(fēng)機容量額定值約30%）的有限變速風(fēng)力機。變頻器用來進行無功功率補償，并使并網(wǎng)更平穩(wěn)。 雙饋風(fēng)機的變頻器的容量決定了此類風(fēng)力機具有更寬的動態(tài)速度控制范圍，一般為同步轉(zhuǎn)速的-40%30%。因其變頻器的容量較小，所以此類風(fēng)力機更經(jīng)濟。 它的主要缺點是需要增加齒輪箱以及滑環(huán)和需要有電網(wǎng)故障保護。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,風(fēng)力機分類概述,直驅(qū)式永磁同步電機（PMSG） 通過全功率變頻器并網(wǎng)的變速風(fēng)力機。 變頻器進行無功功率補償并使并網(wǎng)更平穩(wěn)。 與雙饋電機相比，主要的優(yōu)勢為省略了齒輪箱這一環(huán)節(jié)，但全功率的變頻器卻增加了成本。 一般情

9、況下，電機要使用大直徑的直驅(qū)多極發(fā)電機。,返回,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機的原理及控制,1.恒速風(fēng)機特點 2.鼠籠型異步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型 3.恒速風(fēng)機的并網(wǎng)控制 按發(fā)電機的不同，恒速恒頻風(fēng)電機組可以分為：,異步發(fā)電機組,同步發(fā)電機組,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機的原理及控制,異步發(fā)電機特點 靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負荷，對機組調(diào)速精度要求不高，不需要同步設(shè)備和整步操作，轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，進行并網(wǎng)； 控制裝置簡單，并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步，運行穩(wěn)定； 直接并網(wǎng)時產(chǎn)生的過大沖擊電流造成電壓大

10、幅度下降，影響系統(tǒng)安全； 當輸出功率超過最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的功率會引起網(wǎng)上飛車； 過高的系統(tǒng)電壓會使無功激磁電流增加，定子電流過載，功率因數(shù)下降； 本身不發(fā)出無功功率，需要無功補償。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機的原理及控制,同步發(fā)電機特點 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)廣泛采用； 既能輸出有功功率，又能提供無功功率； 頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高； 對并網(wǎng)條件要求嚴格，需要專門的同步和整步設(shè)備； 風(fēng)速隨機變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時其調(diào)速性能很難達到同步發(fā)電機的要求精度； 并網(wǎng)后若不進行有效的控制，常會發(fā)生無功振蕩與失步問題，在重載下尤其嚴重。,Win

11、d Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機的原理及控制,上世紀90年代，風(fēng)力發(fā)電多采用基于籠型感應(yīng)發(fā)電機的恒速恒頻機組， 由于電網(wǎng)頻率恒定，而感應(yīng)電機轉(zhuǎn)差變化范圍小，因此在不同風(fēng)速下，發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速近似不變。 由于風(fēng)力機轉(zhuǎn)速很低，通常不超過50RPM，因此這種風(fēng)機必須通過增速齒輪箱與發(fā)電機轉(zhuǎn)子相連。 考慮到感應(yīng)電機啟動電流大、功率因數(shù)低，因此網(wǎng)側(cè)需配備軟啟動裝置和無功補償電容，恒速風(fēng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示：,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機的原理及控制,恒速恒頻風(fēng)電機組并網(wǎng)的特點 轉(zhuǎn)速接近同步速時，進行直接

12、并網(wǎng)； 并網(wǎng)沖擊電流大，電能質(zhì)量不高； 風(fēng)機的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而改變，轉(zhuǎn)速變化輸出功率脈動； 異步電機吸收無功，對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定不利; 同步電機并網(wǎng)要求嚴格，需要專門的輔助設(shè)備，增加成本 結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單，節(jié)省成本。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機的原理及控制,2.鼠籠型異步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型 鼠籠型異步發(fā)電機等效電路如下：,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機的原理及控制,鼠籠型異步發(fā)電機向量圖：,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機的原理及

13、控制,鼠籠型異步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型：,傳動軸方程：,定子電壓方程：,轉(zhuǎn)子電壓方程：,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機的原理及控制,3.恒速風(fēng)機的并網(wǎng)控制 （1）無功控制 風(fēng)電機組接入電網(wǎng)，通常需要加入無功補償裝置。 補償設(shè)備： 電容器組； 電力電子設(shè)備：SVC、STATCOM等。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,恒速風(fēng)機的原理及控制,（2）電壓控制 軟并網(wǎng)（Soft Cut-in）技術(shù) 目標：減小并網(wǎng)沖擊電流。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的

14、原理及控制,1.雙饋風(fēng)機的特點 2.雙饋風(fēng)機的數(shù)學(xué)模型 3.雙饋風(fēng)機的并網(wǎng)控制 4.雙饋風(fēng)機的低電壓穿越,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,1.雙饋風(fēng)機（DFIG）的特點 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組和直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組屬于變速恒頻風(fēng)電機組，與恒速恒頻風(fēng)電機組相比： 減少了風(fēng)電機組機械部件 ； 增加了捕獲的風(fēng)能； 控制發(fā)電機有功與風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速； 無功控制能力，不依靠于電網(wǎng)電壓； 通過轉(zhuǎn)子勵磁電流實現(xiàn)有功，無功解耦控制。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,雙饋感應(yīng)發(fā)電機（DF

15、IG）定子直接與工頻電網(wǎng)相接，轉(zhuǎn)子經(jīng)過變頻器也與電網(wǎng)相接，發(fā)電機進行有功、無功功率解耦控制，能夠提高風(fēng)電機組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲并為系統(tǒng)的無功-電壓調(diào)節(jié)提供有效的手段。 對于雙饋感應(yīng)發(fā)電機的無功補償是通過控制變流器的輸出電流實現(xiàn)的,從而達到電壓穩(wěn)定調(diào)整的目的，因此與恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機相比，它不需要傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無功補償裝置。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,DFIG結(jié)構(gòu)簡圖如下：,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,優(yōu)點： 轉(zhuǎn)子側(cè)背靠背變流器小，降低了

16、變流器的造價； 降低電磁干擾； 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機無需從電網(wǎng)勵磁； 實現(xiàn)有功、無功功率解耦控制，參與系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)； 可實現(xiàn)發(fā)電機安全、便捷的并網(wǎng)。 缺點： 必須使用雙繞組以及滑環(huán)，發(fā)電機成本較高； 調(diào)速范圍較??； 控制電路較復(fù)雜； 轉(zhuǎn)子繞組承受較高的電壓，轉(zhuǎn)子絕緣等級要求較高。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,2.雙饋風(fēng)機的數(shù)學(xué)模型 DFIG等效電路,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,DFIG基本方程：,Wind Power in Power Systems,北

17、京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,亞同步運行功率流動關(guān)系 超同步運行功率流動關(guān)系,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,三相靜止坐標系下DFIG的數(shù)學(xué)模型：,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,dq旋轉(zhuǎn)坐標系下DFIG的數(shù)學(xué)模型：,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,考慮磁鏈暫態(tài)時DFIG的基本方程：,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制

18、,3.雙饋風(fēng)電機組的并網(wǎng)控制 （1）無功控制 風(fēng)機通常通過電力電子變頻裝置接入電網(wǎng)，既能輸出有功功率，又能提供無功功率。 （2）電壓控制 風(fēng)機通常通過電力電子變頻裝置對定子電壓進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)平穩(wěn)并網(wǎng)。,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,雙饋型風(fēng)力發(fā)電機空載并網(wǎng)原理框圖 ：,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,雙饋型風(fēng)力發(fā)電機負載并網(wǎng)原理框圖：,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,并網(wǎng)后控制無功控制 目標： 控制無功輸入，穩(wěn)定電壓。 措施： 電容器組投切 動態(tài)無功補償 變流器動態(tài)補償,Wind Power in Power Systems,北京交通大學(xué)電氣學(xué)院,雙饋風(fēng)機的原理及控制,并網(wǎng)后控制電壓控制 目標： 控制變流器輸出，穩(wěn)定電壓。 實現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲。 措施： 平穩(wěn)直流環(huán)節(jié)電壓 控制輸出功率因數(shù)