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)電占整個能源的比例達到20 還需新增風(fēng)電裝機容量100 200GW 美國能源目標(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容量300GW 在我國從2004年開始 并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電進入了一個高速發(fā)展階段 2010年 風(fēng)電裝機容量達到41GW 計劃在2020年達到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 占全部風(fēng)電裝機的98 以上 海上風(fēng)電僅占1 3 左右 風(fēng)機的大型化傾向抬頭 世界前十名企業(yè)都在大力研發(fā)5MW以上的風(fēng)機 10MW的風(fēng)機預(yù)計會在2015之前下線 從技術(shù)路線發(fā)展趨勢來看 大型化促使了直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展 風(fēng)力發(fā)電概況 我國風(fēng)電發(fā)展?fàn)顩r 風(fēng)力發(fā)電概況 全球風(fēng)電累計裝機前十名的國家 風(fēng)力發(fā)電概況 歐洲最新開發(fā)的風(fēng)力發(fā)電機 風(fēng)力發(fā)電概況 風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)展趨勢 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 具有強大的市場競爭能力 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 保護環(huán)境 有著巨大的社會效益和經(jīng)濟效益 風(fēng)力發(fā)電開發(fā)的背景和意義 我國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 國家發(fā)改委2009年3月公布的 關(guān)于組織實施可再生能源和新能源高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項的公告 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)化專項重點領(lǐng)域 我國風(fēng)能資源主要集中在 三北 地區(qū) 大多遠離負荷中心 我國積極推進大基地大電網(wǎng)的風(fēng)電開發(fā)模式 一批百萬千萬級 千萬千萬級風(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)電機的主要類型 PART 3 風(fēng)力發(fā)電機的主要類型 風(fēng)力發(fā)電機機型概述 風(fēng)力發(fā)電機的主要類型 1 定速型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 雙速異步風(fēng)力發(fā)電機4極 6極600KW 125KW單速異步風(fēng)力發(fā)電機4極750 800 850 1300KW特點 結(jié)構(gòu)簡單 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)電機的主要類型 2 1直驅(qū)型變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 勵磁型全功率直驅(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 故障率低 但是電機體積龐大 風(fēng)力發(fā)電機的主要類型 直驅(qū)型風(fēng)電機組 永磁或電勵磁多極同步發(fā)電機 直驅(qū)型風(fēng)電機組裝置 風(fēng)力發(fā)電機的主要類型 2 2多級增速型變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 通過齒輪增速 電機體積小 增加系統(tǒng)維護和故障率 典型的機型是雙饋風(fēng)力發(fā)電機 風(fēng)力發(fā)電機的主要類型 雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 風(fēng)力發(fā)電機的主要類型 2 3半直驅(qū)型變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 通過1級齒輪增速 電機體積較小 降低系統(tǒng)維護和故障率 是折中方案 風(fēng)力發(fā)電機的主要類型 一級行星齒輪箱9 1發(fā)電機轉(zhuǎn)速 190rpm 極數(shù) 72極 風(fēng)力發(fā)電機的主要類型 個500 325rpm永磁同步發(fā)電機 葉片通過緊耦合主軸和單級多輸出軸齒輪箱 驅(qū)動多個中速永磁發(fā)電機 每個發(fā)電機有獨立的變頻器 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)電機型機組 風(fēng)力發(fā)電機的控制 PART 4 風(fēng)力發(fā)電機的控制 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點是風(fēng)力機和發(fā)電機的轉(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)力機的轉(zhuǎn)速可變 使風(fēng)力機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)力機的輸出功率與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖 風(fēng)力發(fā)電機的控制 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組的運行分三個階段 1 起動階段 發(fā)電機轉(zhuǎn)速從靜止上升到切入速度 在切入速度以下 發(fā)電機并沒有工作 機組在風(fēng)力作用下作機械轉(zhuǎn)動不涉及發(fā)電機變速的控制 2 在變速運行階段 發(fā)電機轉(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)電機組的機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)電機的控制 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組的主控制框圖 風(fēng)力發(fā)電機的控制 永磁直驅(qū)式同步風(fēng)力發(fā)電機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)電機組工作頻率與電網(wǎng)頻率相互獨立 能量全部通過變流器傳輸至電網(wǎng) 風(fēng)力發(fā)電機的控制 在直驅(qū)式永磁同步全功率變流器中 機側(cè)變流器常采用轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制策略 實現(xiàn)發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩電流與勵磁電流獨立控制 轉(zhuǎn)矩指令由主控系統(tǒng)發(fā)出 風(fēng)力發(fā)電機的控制 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機網(wǎng)側(cè)變流器常采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略 實現(xiàn)有功無功的解耦控制 同時另有直流側(cè)母線電壓控制來實現(xiàn)直流環(huán)節(jié)電壓的恒定 風(fēng)力發(fā)電機的控制 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機機側(cè)變流器控制原理 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機變流器網(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 機側(cè)變流器常采用定子磁場定向矢量控制策略 實現(xiàn)定子側(cè)有功無功解耦控制 風(fēng)力發(fā)電機的控制 雙饋式風(fēng)力發(fā)電是在雙饋式異步電機的轉(zhuǎn)子中施加轉(zhuǎn)差頻率的電壓 或電流 進行勵磁 調(diào)節(jié)勵磁電壓的幅值 頻率和相位 實現(xiàn)定子恒頻恒壓輸出 當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率fm變化時 控制轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率f2確保定子輸出頻率f1恒定 設(shè)p為極對數(shù) 則有 f1 fm f2 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(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)對電網(wǎng)的影響 風(fēng)電的間歇性 隨機性增加了電網(wǎng)調(diào)頻的負擔(dān) 電網(wǎng)負荷 風(fēng)機發(fā)電 3 風(fēng)機抗擾動能力差 影響電網(wǎng)安全運行 在系統(tǒng)發(fā)生小擾動時 風(fēng)電機組退出運行 使電網(wǎng)承受第二次沖擊 導(dǎo)致事故擴大 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響 2 加大電網(wǎng)電壓控制難度 隨著大規(guī)模風(fēng)電場接入電網(wǎng) 電網(wǎng)運行控制出現(xiàn)了很大困難 風(fēng)電場運行過度依賴系統(tǒng)無功補償 限制了電網(wǎng)運行的靈活性 4 增加電網(wǎng)穩(wěn)定風(fēng)險風(fēng)電的間歇性 隨機性增加了電網(wǎng)穩(wěn)定運行的潛在風(fēng)險 風(fēng)電機組在系統(tǒng)故障后可能無法重新建立機端電壓 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)對電網(wǎng)的影響 風(fēng)電并網(wǎng)需考慮的因素 風(fēng)電場無功容量 風(fēng)電場并網(wǎng)點調(diào)節(jié)方式 功率因數(shù)調(diào)節(jié)或電壓調(diào)節(jié) 系統(tǒng)故障時風(fēng)電場保持并網(wǎng)的能力 跟蹤有功功率變化率和減出力 風(fēng)電場在并網(wǎng)運行過程中需具備的能力 風(fēng)機的穿越故障能力 風(fēng)電場爬坡能力 風(fēng)電場為系統(tǒng)穩(wěn)定提供無功功率支持的能力 風(fēng)電場響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化自動調(diào)節(jié)出力的能力 與電網(wǎng)保護配置及整定相互配合的能力 風(fēng)電場 大型 黑啟動能力 風(fēng)電場數(shù)據(jù)通信能力 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響 風(fēng)電場在并網(wǎng)運行過程中需具備的能力 風(fēng)機的穿越故障能力 風(fēng)電場爬坡能力 風(fēng)電場為系統(tǒng)穩(wěn)定提供無功功率支持的能力 風(fēng)電場響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化自動調(diào)節(jié)出力的能力 與電網(wǎng)保護配置及整定相互配合的能力 風(fēng)電場 大型 黑啟動能力 風(fēng)電場數(shù)據(jù)通信能力 風(fēng)電場業(yè)主為電網(wǎng)提供可供電網(wǎng)分析計算用的詳細風(fēng)電場模型及參數(shù) 風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響 風(fēng)力發(fā)電機的故障穿越 PART 6 風(fēng)力發(fā)電機的故障穿越 中國國家電網(wǎng)公司已頒布風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定 規(guī)定的風(fēng)電場低電壓穿越要求為 1 風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組具有在并網(wǎng)點電壓跌至20 額定電壓時能夠保持并網(wǎng)運行625ms的低電壓穿越能力 2 風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90 時 風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組保持并網(wǎng)運行 此外 該規(guī)定還明確強調(diào)當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點的負序電壓不平衡度2 短時4 情況下 風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組應(yīng)能持續(xù)不脫網(wǎng)正常運行 風(fēng)力發(fā)電機的故障穿越 各國電網(wǎng)公司出臺的低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn) 風(fēng)力發(fā)電機的故障穿越 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機故障穿越保護 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生跌路故障時 由于變流器容量的限制 會出現(xiàn)機側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器能量不平衡 會引起直流側(cè)過電壓與過電流 當(dāng)檢測到電網(wǎng)發(fā)生跌落故障時 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交流側(cè)串聯(lián) 并聯(lián)泄放電阻模塊 風(fēng)力發(fā)電機的故障穿越 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機故障穿越保護 由于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機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 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 定子回路就會產(chǎn)生很大的瞬態(tài)故障電流 并進一步引起轉(zhuǎn)子回路的過壓和過流 若故障發(fā)生前電機運行在超同步狀態(tài)時 還會引起變流器直流側(cè)母線過電壓 單純靠控制策略的改進將難以實現(xiàn)大值低電壓穿越 需要通常采用投入保護電路的方法來實現(xiàn)故障穿越 風(fēng)力發(fā)電機的故障穿越 被動式Crowbar完全是一種自我保護形式的電路 不能在電網(wǎng)故障切除后迅速切除 主動式Crowbar電路采用IGBT等可關(guān)斷器件可以在其動作后的任意時刻切斷轉(zhuǎn)子回路的Crowbar保護電路使得風(fēng)機變流器重新開始工作 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機故障穿越保護 湖南大學(xué)風(fēng)電團隊的相關(guān)工作 PART 7 湖南大學(xué)風(fēng)電團隊相關(guān)工作 在直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計 兆瓦級風(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)驗擔(dān)了多項國防科研課題及相關(guān)的國家重大課題 取得了一系列成果發(fā)表相關(guān)科研論文100多篇 申請和獲得發(fā)明專利10項獲得國家科技進步二等獎4項 教育部提名國家科技進步二等獎1項 部省科技進步一等獎2項 部省科技進步二等獎3項 部省科技進步三等獎1項 湖南大學(xué)風(fēng)電團隊相關(guān)工作 正在進行和完成的主要項目 湖南大學(xué)風(fēng)電團隊相關(guān)工作 風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計 與湘潭電機合作完成2MW永磁同步發(fā)電機的設(shè)計工作 電磁設(shè)計 湖南大學(xué)風(fēng)電團隊相關(guān)工作 結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計是電機設(shè)計中電磁設(shè)計的后續(xù)步驟 其目的是解決機械部分的設(shè)計問題 對它的要求是從結(jié)構(gòu)上來保證電機的性能 制造時的經(jīng)濟合理和運行可靠性 湖南大學(xué)風(fēng)電團隊相關(guān)工作 試驗數(shù)據(jù) 湖南大學(xué)風(fēng)電團隊相關(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)電團隊相關(guān)工作 變流器調(diào)試 湖南大學(xué)風(fēng)電團隊相關(guān)工作 實驗數(shù)據(jù) 湖南大學(xué)風(fēng)電團隊相關(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交流信號進行無差調(diào)節(jié)的特點 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 實現(xiàn)對正負序電流進行控制 無需正負序分解 湖南大學(xué)風(fēng)電團隊相關(guān)工作 實驗平臺的搭建 雙PWM變流器功率單元部分采用兩臺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)電團隊相關(guān)工作 對比實驗分析 雙PI電流環(huán) 單PI RES電流環(huán) 采用單PI RES電流環(huán)時動態(tài)性能明顯優(yōu)于采用雙PI電流環(huán) 這是因為采用雙PI電流環(huán)