（电力系统及其自动化专业论文）风力发电机组并网运行研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 性能源，风电场的功率输出具有很强的随机性，目前的预报水平还 不能满足电力系统实际运行的需要，在作运行计划时风电是作为未 知因素考虑的。为了保证风电并网以后系统运行的可靠性。因此需 要在原来运行方式的基础上，额外安排一定容量的旋转备用以响应 风电场发电功率的随机波动，维持电力系统的功率平衡与稳定。各 种形式的风力发电机组运行时对无功功率的需求不同，依靠电容补 偿来解决无功功率平衡问题，发电机的无功功率与出力有关，由此 也影响电网的电压。 本论文对电力系统中运行的风电场并网过程，以及并网后的稳 态运行和故障情况进行了系统的分析研究。风电场并网后很有可能 给配电网带来谐波污染、电压、功率波动问题。风电的随机性给运 行计划的制定带来困难，需要重新评估系统的供电可靠性，分析风 电的容量可信度，本文研究新的无功补偿及电压控制策略以保证风 电场和整个系统的电压水平及无功平衡等。本文同时从安全、可靠 的角度出发，结合电网实际对风力发电并网及并网后对电网的影响 进行针对性研究，以便采取有效的防止和抑制影响的措施，提高风 力发电并网的安全性、可靠性、经济性。 关键词：风力发电，电压波动，双馈电机，无功功率极限 r e s e a r c ho nw i n dt u r b i n eg e n e r a t o r s y s t e mc o n n e c t i n gi np o w e rn e t w o r k a b s t r a c t w i n dp o w e rg e n e r a t i o ni sas o r to fr e p r o d u c i b l ec l e a n n e s se n e r g y s o u r c e s ，i tc a p a b l eo fn o t a b l eb e n e f i ti ne n v i r o n m e n ta n ds o c i e t y u s i n g e n e r g ys o u r c e sw i t hr e a s o na n de f f i c i e n c yt h a ti s f a t a lm e a n i n gt oo u r c o u n t r yw i t h h i g hs p e e da n dc o n t i n u a t ed e v e l o p m e n t s h a n g h a il o c a t ei n s o u t h e a s ts e a c o a s to fc h i n a ，t h ea r e ao ff e n g x i a ni ss t r e s s e d o n d e v e l o p i n gg e n e r a t i o no fe l e c t r i c i t yw i t hw i n dp o w e rb yo u r n a t i o n a tp r e s e n t ，t h em a i nf o r mu s i n gw i n dp o w e ri sg r e a tm o d e lo fw i n d t u r b i n eg e n e r a t o rs y s t e mo nc o n n e c t i n gi np o w e rn e t w o r ki nt h ew o r l d af u n c t i o no ft h i sw i n dt u r b i n eg e n e r a t o rs y s t e mi st r a n s f o r mk i n e t i c e n e r g yi nw i n dt o m e c h a n i c a le n e r g y ，t h e ni tt r a n s f o r mm e c h a n i c a l e n e r g yt oe l e c t r i ce n e r g ya n dt r a n s p o r t t op o w e rn e t w o r k t h i sw i n d t u r b i n e g e n e r a t o rs y s t e mi sr e q u e s t e d t o s a f e l yc i r c u l a t e i n p o w e r n e t w o r kw i t hw i n da n dc l i m a t ei nl o c a lc o n d i t i o n as p e e da n d o r i e n t a t i o no fw i n di s a l w a y s v a r i a t i o n a la n de x t r a o r d i n a r yf u r yi n l i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s o m e t i m e s ，t h ec h i e ff a c t o r o ni n f l u e n c e l i f e s p a n o fw i n dt u r b i n e g e n e r a t o ri st i r e d n e s si n t e n s i o n t h e r e f o r e ，t h ew i n dt u r b i n eg e n e r a t o r n e e ds u p e r h i g hq u a l i t yo nm a t e r i a l ，f r a m e ，s k i l l sa n ds t r a t e g yi nc o n t r o l i n t h i sy e a r ，t h ew i n dt u r b i n eg e n e r a t o ru n i t sw i t h3 4 0 0 k wc a p a b i l i t y o p e r a t ei np o w e rn e t w o r ka tt h es e a c o a s ta r e ao fs h a n g h a io u t s k i r t f o r t h ef u t u r e ，t h em o r eu n i t sw i l lo p e r a t ei np o w e rn e t w o r k a l o n gw i t ha c a p a b i l i t yo fw i n df a r mf a s t l yg r o w i n g ，ai n f l u e n c e o nn e t w o r kw i l l g r a d u a l l ye v i d e n t t h e r e b y ，t h er e s e a r c h o nt h ei n f l u e n c eb e c o m e sa s t r i n g e n tp r o b l e m as i n g l e w i n dt u r b i n e g e n e r a t o r c o n n e c ti n d i s t r i b u t i o nn e t w o r k d i r e c t l y a n di t c a p a b i l i t y i ss m a l l w i n df a r m a l w a y sl o c a t ei nt h ee n do fp o w e rs u p p l yn e t w o r k ，s oi ti n f i r m l ye n d u r e i m p a c tc u r r e n t w h e nw i n dt u r b i n eg e n e r a t o rj o i ni np o w e rn e t w o r k ，t h e i m p a c tc u r r e n ta f f e c tv o l t a g eo fp o w e rn e t w o r k b e c a u s ew i n dt u r b i n e g e n e r m i o ni si n t e r m i t t e n c ee n e r g ys o u r c e s ，t h ep o w e rf r o mw i n df a r m h a sv e r yr a n d o m i c i t y n o wt h ea b i l i t yo fp r e d i c t i o nc o u l dn o ts a t i s f y f a c t u a lr u ni np o w e rs y s t e m ，w i n dp o w e rg e n e r a t i o ni sr e g a r d e da s u n k n o w nf a c t o rw h e nw ep l a nc i r c u l a t o r w h e nw i n dt u r b i n eg e n e r a t o r c o n n e c ti n p o w e rn e t w o r k ，w e n e e dt o a r r a n g e a d d i t i o n a ls o m e c a p a b i l i t yo fc i r c u m r o t a t es t a n d b yt or e s p o n dt of l u c t u a n te l e c t r i cp o w e r f r o mw i n df a r m t h i sm e t h o da s s u r es a f e l yo p e r a t i o n 、b a l a n c ea n d s t a b i l i z a t i o ni np o w e rs y s t e m m u l t i f o r mw i n dp o w e rg e n e r a t o ru n i t sa r e i v 奎堕堡三奎堂堡主婴塑兰堂些堡苎 d if f e r e n tr e q u i r e m e n ti nr e a c t i v ep o w e rw h e nt h e yo p e r a t ei nn e t w o r k t h e g e n e r a t o r s r e a c t i v e p o w e r h a s r e l a t i o n s h i p i na c t i v e p o w e r ， t h e r e f o r e ，t h i sa c t i o nw i l la f f e c tv o l t a g eo fn e t w o r k t h i sp a p e rs y s t e m i c a l l yr e s e a r c ht h ec o u r s et h a tw i n df a r mj o i ni n p o w e rs y s t e m t h e ni ta n a l y z es t e a d ys t a t ea n df a u l tc i r c s w h e nw i n d f a r mj o i ni np o w e rs y s t e m ，i tm a y b eb r i n gh a r m o n i cp o l l u t i o n ，v o l t a g e a n dp o w e rf l u c t u a t i o nt od i s t r i b u t i o nn e t w o r k i ti sd i f f i c u l tt om a k e r u n n i n gp l a nt h a tw i n dp o w e rh a sr a n d o m i c i t y i ti s d i f f i c u l tt om a k e r u n n i n gp l a nt h a tw i n dp o w e rh a sr a n d o m i c i t y b e c a u s eo f t h i sr e a s o n ，i t n e e dt oa n e we v a l u a t es e c u r i t yo np o w e rs u p p l ya n da n a l y z er e l i a b i l i t y o nc a p a b i l i t yo fw i n df a r m i no r d e rt oa s s u r er e a c t i v ep o w e rb a l a n c e a n dv o l t a g ei np o w e rs y s t e m ，t h i sp a p e rr e s e a r c han e wr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n a n dc o n t r o l s t r a t e g y o ns t r a t e g y f r o ms e c u r i t ya n d c r e d i b i l i t yv i e w ，t h i sp a p e rs t u d yo nt h e i n f l u e n c et h a tw i n dt u r b i n e g e n e r a t o r sc o n n e c ti np o w e rs y s t e m i tc o u l da d o p te f f e c t i v em e a s u r et o r e s t r a i nt h i sa c t i o ni no r d e rt o i m p r o v es e c u r i t y ，r e l i a b i l i t y a n d e c o n o m l c k e yw o r d s ：w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ，v o l t a g ef l u c t u a t i o n ，r e a c t i v e p o w e rc a p a b i l i t y ，d o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 风力发电是一种可再生的清洁能源，具有施工周期短、维护费用低、清洁 无污染和不消耗任何燃料的优点。同时风力发电是一种绿色能源，对周围空气 环境无污染，运行时不需要燃料燃烧，对我们这样的化石燃料极其缺乏的大国 尤其有用。利用洁净的能源( 可再生能源) 是人类社会文明进步的表现、是科 学技术的发展、是环保理念的体现，也是一个地区环保的重要指标。随着发达 国家对二氧化碳减排义务的承诺，风力发电受到许多国家的重视，成为未来能 源的重要来源。合理有效地利用能源对我国实现高速持续发展的目标有极其重 大的意义。 风电的单机容量较小，直接和配电网相连。而风电场所在地区往往处于供 电网络的末端，承受冲击的能力很弱。在并网发电时由于冲击电流的存在，会 对电网电压产生影响。风的速度和方向是不断变化的，有时甚至非常激烈，疲 劳强度是影响机组寿命的主要因素，因此风力发电机组对材料、结构、工艺和 控制策略都提出了很高的要求。由于风力发电是种间歇性能源，风电场的功 率输出具有很强的随机性，目前的预报水平还不能满足电力系统实际运行的需 要，在作运行计划时风电是作为未知因素考虑的。为了保证风电并网以后系统 运行的可靠性。因此需要在原来运行方式的基础上，额外安排一定容量的旋转 备用以响应风电场发电功率的随机波动，维持电力系统的功率平衡与稳定。各 种形式的风力发电机组运行时对无功功率的需求不同，依靠电容补偿来解决无 功功率平衡问题，发电机的无功功率与出力有关，由此也影响电网的电压。 因此，风电很有可能给配电网带来谐波污染，电压和功率波动问题。风电 的随机性给运行计划的制定带来困难，需要重新评估系统的供电可靠性，分析 太原理工大学硕士研究生学位论文 风电的容量可信度，研究新的无功补偿及电压控制策略以保证风电场和整个系 统的电压水平及无功平衡等。从安全、可靠的角度出发，结合电网实际对风力 发电并网及并网后对电网的影响进行针对性研究、分析，以便能够采取有效的 防止和抑制影响的措施，提高风力发电并网的安全性、可靠性、经济性。 1 2 本文所作的工作 风力发电并网运行的电力系统中，尤其在当前风力发电容量快速增长，局 部电网有可能以风力发电为主要电源的情况下，风力发电对电力系统的影响不 容忽视。本研究的主要目的是分析各种因素作用下风力发电并网运行对电力系 统的影响，研究风力发电最大并网容量的限制性条件。 为此，本研究的主要内容有： ( 1 ) 研究风能资源的特点，风能资源虽然是易于变化和不可控制的，但是 它也遵循一定的规律，对这些规律的研究和把握是开展与风力发电有关的各类 研究的基础。 ( 2 ) 主要风力发电机组类型的对比研究，目前几种不同的主流风力发电机 组类型，它们的原理、结构、运行特性和对电力系统的影响都是不尽相同的， 有必要对它们的基本特性开展研究和对比。 ( 3 ) 风力发电机组并网方式的比较分析研究，主要是同步发电机的并网方 式和异步发电机的并网方式。 ( 4 ) 风力发电并网运行稳态性能研究，电压水平是电力系统稳态运行的重 要指标，所以研究重点是风力发电并网运行后电力系统的电压特性，以及电压 变化对风力发电并网容量的限制。 ( 5 ) 风力发电并网运行动态性能研究。风力发电经常处于风速变化的扰动 之中，由此引发的动态过程是风力发电的显著特点。此外，由于风力发电采用 了新型的发电机，其动态性能也不同于传统的同步发电机，这些因素对电力系 统动态性能的影响是本文研究的重点。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 我国风力发电的现状 目前我国的风电事业发展的较快，无论技术还是产业均取得长足进步，全 国风电装机到2 0 0 0 年底为3 4 4 万k w ，2 0 0 1 年为3 9 9 3 万k w ，2 0 0 2 年底达到 了4 6 8 4 万k w 。随着风力发电技术日趋成熟，市场规模不断扩大，风力发电的 成本效益也逐渐改善。设备的国产化率有了明显提高。风电的优越性愈来愈多 地受到人们的认识与重视。但也应该看到，风电在我国的电力装机容量中所占 比重较小( 2 0 0 2 年仅占全国发电装机3 5 6 5 7 万k w 的0 1 3 ) 。发展的实践证明， 我国风电产业的发展还面临一系列障碍和问题，其中既有政策问题，也有技术 问题；既有机制问题，也有认识问题。因此，研究分析风电发展存在的问题和 影响因素，提出相应的措施和对策，是促进我国风电产业发展的一项紧迫任务。 当前我国建设风力发电场的主要投资是风力发电机组设备，占总投资的8 0 以上。风力发电机从1 0 0 w 一1 m w ，有许多种规格。目前，我国并网发电以5 0 0 k w l2 0 0 k w 为主导机组，也有少量2 m w 机组在投入使用。1 9 9 7 1 9 9 8 年，我国风 电场投产2 0 9 台机组，合计容量1 1 4 2 0 0 k w 全部为进i ：l ，设备价格高，风电场单 位k w 造价约8 0 ( ) 0 9 0 0 0 元，其中机组占投资的7 5 8 0 ，只有逐步实现国产 化，才能把风电场造价和运行成本降下来。此外，由于运行的大容量风力发电 机由国外进口，而国外风力发电组的容量、规格更新很快，我国进口的许多型 号的风力发电机产品不再生产，所以风电场设备的更换、维护也是一个问题。 在今后我国风力发电机的制造和维护必将成为一种新兴的产业，成为世界主要 风力发电设备的制造国。风力发电行业的发展，也势必拉动复合材料行业、发 电机行业等相关产业的发展。我国风电场年利用小时数一般为2 7 0 0 小时；一些 地方达到3 2 0 0 小时，因而风电成本为0 4 5 0 7 0 元k w h ，在现阶段仍需国家 政策给予扶持。随着对能源需求和环保法规执法力度不断加大，而风电技术是 一门不断发展和完善中的多学科的高新技术，为降低造价，在提高单机容量， 改进结构设计和制造工艺，以及减轻部件重量上，不断进行技术创新，它的优 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 势和经济性必将日益发挥出来。 大型风电机组并网发电是世界风能利用的主要形式“1 ，并网型风力发电机 组的功能是将风中的动能转换成机械能，再将机械能转换为电能，输送到电网 中。对并网型风力发电机组的基本要求是在当地风况、气候、和电网条件下能 够长期安全运行，取得最大的年发电量和最低的成本。目前大中型风电机组并 网发电，已经成为我国风能利用的主要形式，随着并网机组需求持续增长，生 产量上升，机组更新换代，单机容量提高，机组性能优化，故障降低，生产成 本下降，风电已经接近与常规能源竞争的能力。沪郊奉贤滨海地区4 台共计3 4 0 0 千瓦的风力发电机组和一座l o 千瓦的太阳能光伏发电系统已投入并网运行。今 年年底，总装机容量达2 万千瓦的“崇明一南汇”风力发电场也将投入运行。截 至2 0 0 2 年底，全国先后建起了3 2 个风电场，风电总装机容量达到4 6 6 2 m w 。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章风能资源与风力发电机组 2 1 风能资源和风能资源分析软件 任何风能利用装置，从设计、制造，到安装使用都必须考虑风能资源状况， 这是风能利用的基础。建设风电场最基本的条件是要有能量丰富、风向稳定的 风能资源，本节主要介绍风能的特点和变化规律。 1 、风能资源的特点 风能资源在统计计算时，主要考虑风速和风功率密度。其中，年平均风速 是最直观简单表示风能大4 、的指标。风电场中塔架的高度可以人为确定，而在 近地层中风速随高度有显著的变化。所以，研究风速随高度的变化，以便选定 塔架的最佳高度对于风力发电机组的经济运行十分有益。当大气结为中性时， 风速随高度变化服从普朗特经验公式。“： 旷= 铷争 ” 旷2 j 2 ， 式中：v 一风速( m s ) ： k 一卡曼常数，其值为0 4 左右； v 一摩擦速度( m s ) ； p 一空气密度( k g m 3 ) ； r 。一地面剪应力( n m 2 ) ； z 一离地高度( m ) ： z 。一粗糙度( m ) ； 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 经过推导可以得出幂定律公式： 7 一，= k ( 粤) 。 ( 2 3 ) i 式中： ，在z 。高度的风速( m s ) ： k 一在z ：高度的风速( m s ) ； 口为风切变指数； 风切变指数口可由下式计算： a ：堕丘! 塑( 2 4 ) l g ( z z i ) 风功率密度指气流垂直通过单位面积的风能，它是表征一个地方风能资源 多少的指标。我国建设风电场时，一般要求当地在l o m 高处的年平均风速在6 m s 左右，此时风功率密度在2 0 0 2 5 0 w m 2 ，相当于风力发电机组满功率运行的时 间在2 0 0 0 2 5 0 0 小时，从经济分析来看是有益的。 2 、风能资源分析软件 为使风力发电机组顺利并网运行，并产生良好的经济效益，要对安装风力 发电机组的风电场进行风能资源分析评估。文献”介绍目前国际上应用最广的 风能资源分析软件风图谱分析应用程序w a s p ( w i n da t l a sa n a l y s i sa n d a p p l ic a t i o np r o g r a m s ) 。w a s p 是由丹麦国家实验室风能应用开发部开发出来 进行风能资源评估，它主要有四个计算模块组成：原始测风数据分析，风图谱 生成，风况估计，理论年发电量估计。 w a s p 软件的原理分为两个流程：一个流程是以实测一年的风速和风向资料 为基础，剔除测风点周围障碍物和地表粗糙程度，生成某一标准状况下风的分 布，即生成该地区的风图谱。风图谱给出该标准状下风速的概率分布，这是计 算风功率密度和风电机组发电量的基础。另一个流程是研究风场中某特定点的 风况特征，它以已有的风图谱为基础，考虑该点周围障碍物及地形对风的影响， 得到该点的平均风速和平均风功率密度。如果提供某特定机型的功率曲线，w a s p 软件能计算出风电机组在该点的理论年发电量。下图为w a s p 软件计算分析流程 6 太原理：e 大学硕士研究生学位论文 图 睁 输入障碍物的位置和1 尺寸 生成障碍物影响模型 上 输入地貌的分级 生成地表粗糙度模型 上 输入等高线 生成山区地形模型 u 生成地区的风图谱 3 2 输出某特定点的风况 图2 - 1w a s p 软件的计算流程图 f i 9 2 1t h ef l o wc h a r to fw as pc a lc u l a t i o n 2 2 风力发电系统的主要设备 文献”】丰旨出风力发电技术是综合利用空气动力学、新材料、新型电机、电力 电子技术、计算机、自动控制及通讯技术等方面的最新成果，发展了计算机模 拟系统和变浆距控制及失速控制理论，采用新型风力机叶片材料和变速、变滑 差、变速恒频等新型发电机，开发了由微机控制的多台风力发电机的机群自动 控制技术。 风力发电作为电力系统中一个崭新的领域，本节有必要对风力发电机组的 主要设备和运行状况进行比较详细的介绍和说明。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 1 风力发电系统的风力机 风力机多种多样，但归纳起来可分为两类：水平轴风力机和垂直轴风力机。 水平轴风力机可分为升力型和阻力型，它的风轮旋转轴与风向平行，升力型旋 转速度快，阻力型旋转速度慢。垂直轴风力机在风向改变时无需对风，相对于 水平轴风力机是一大优点，但其尖速比较低，提供的功率输出较低。对于风力 发电，多采用升力型水平轴风力机。 l 、风力机的主要部件 水平轴风力机主要由风轮、塔架及对风装置组成。水平轴风力机的风轮由 2 或：3 个叶片组成。风轮旋转时，叶片受到离心力和气动力的作用，当风速高 于风力机的设计风速时，需对风轮进行控制。 塔架用来将风轮支撑起来，它主要承受两个载荷：一个是风力机的重力， 向下压在塔架上：另一个是阻力，使塔架向风的下游方向弯曲：大型风力机的 塔架基本上是锥形圆柱钢塔架。 水平轴风力机为了得到最高的风能利用效率，应使风轮的旋转面经常对准 风向，因此需要对风装置。大型并网风力发电机采用专门设计的风向传感器与 伺服电机相结合的传动机构来实现对风。 2 、风力机的功率 风力机的风轮从空气中吸收能量，风轮从风中吸收的功率可用下面公式表 示 1 p = 圭c ，爿p y 3 ( 2 5 ) z a ：r c r 2 ( 2 - 6 ) 式中：p 为风轮输出的功率，k w ；c ，为风轮的功率系数； 爿为风轮扫过的面积；p 为空气密度，k g m 3 ； v 为场地风速，m s ；r 为风轮半径，m ； 8 太原理：l _ = 大学硕：t 研究生学位论文 当风速增加一倍时，风轮从气流中吸收的能量增加八倍，所以在确定风力 机的安装位置和选择风力机的型号时，都必须考虑这个因素a 2 2 2 风力发电系统的感应发电机 到目前为止，投入商业运行最多的是感应发电机，并网方法简单，并网运 行稳定，调节维护方便，结构紧凑，价格便宜。感应发电机是感应电机的一种 运行方式，发电机运行时，它的转速”高于同步转速”、，此时转差率为： s = ( ”、一n ) l n ”，) ，异步电机将 处于发电运行状态，异步电机的不同运行状态可用滑差率s 来区别表示。异步 电机的滑差率定义为： s ：f ! 型1 + 1 0 0 ( 2 2 0 ) n 图2 - 4 风力发电机原理图 f i 9 2 - 4 t h etr u t hm a do fw i n dp o w e rg e n e r a t or 以上是鼠笼式感应风力发电机原理图。当异步电机与电网并联后作为发电 机运行时，滑差率s 为负值。鼠笼式感应发电机自身没有控制能力，其输入功 率由风力机决定，该功率可根据风力机型式和种类的不同进行相应的调节，从 1 6 奎堕里王盔堂堡主堕塞生堂垡笙苎 而运行在不同的工作点。由于鼠笼式感应发电机没有转子励磁，它必须要运行 在超同步速状态下才能发电。这种风力发电机组的转速变化范围非常小，图2 - 5 中斜率为负的一段曲线就是该发电机能够维持静态稳定运行的范围。图2 - 5 给 出了风力发电机组并网点短路容量变化时的一组有功功率和转差率( p s ) 曲 线。 8 图2 - 5 一组有功功率和转差率( p s ) 曲线 f i 9 2 5t h es e r i e so f a c t i v ep o w e ra n ds l i pc u r v e 事实上，并网运行的鼠笼式感应风力发电机组静态稳定运行范围还受到系 统参数的影响。表2 - 1 是相应的数据对比，图中数据的单位全部为标幺值，这 些数据说明，在短路容量相对较小的情况下，发电机的出力将受到限制，甚至 达不到额定出力值。 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 1 静态稳定范围 t a b l e2 1t h es c o p eo f s t e a d ys t a t es t a b i l i t y 短路容量( pu ) 8 04 02 0 有功功率极限( p u ) l7 4 1 4 1 2 5 9 10 9 8 6 0 转差率极限( p u ) o 0 l8 8o 0 1 3 7o 0 1 0 7 2 32 双馈感应风力发电机 双馈式感应发电机其转子为三相对称绕线式绕组，可以外接有源或无源设 备与装置，从而使发电机本身具有一定的控制能力。根据电机学原理，在三相 对称绕组中通入对称三相交流电，则将在电机气隙内产生旋转磁场，此旋转磁 场的转速与所通入的交流电的频率及电机极对数有关，如下式表示： 。：盟 p ( 2 2 1 ) 式中：n ：为双馈异步发电机转子的三相对称绕组通入频率为 的三相交流电后 所产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度，r m in ； p 为双馈发电机的极对数； j 为双馈异步发电机的转子三相对称绕组通入的交流电频率； 由此可知，改变频率 既可改变h ：，若改变通入转子三相电流的相序，还 可以改变此转子旋转磁场的方向。设 。为对应于电网频率为5 0 h z ( z = 5 0 h z ) 时异步发电机的同步转速，而”为异步发电机转子本身的旋转速度，只要维持 n ：= ”，= 常数，则异步发电机定子绕组的感应电势如同在同步发电机时一 样，其频率将始终维持为f 不变。异步发电机的滑差率： 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 s ：生竺( 2 2 2 ) ， 则异步发电机转子三相绕组内通入的电流频率应为 ：丝：幽! ：堕+ 生兰：f s ( 2 2 3 ) 。 6 06 06 0 在异步发电机转子以变化的速度旋转时，只要在转子的三相对称绕组中通 入滑差( ，s ) 的电流，则在异步发电机的定子绕组中就能产生5 0 1 - t z 的恒频 电势。在实际运行的双馈式感应风力发电机组中，转子绕组通过一个双向的变 流装置与定子( 电网) 侧相连，通过转子绕组5 b j j n 电压和输入电流的变化，达 到控制发电机运行状态的目的。以下是双馈式感应风力发电机原理图。 图2 - 6 双馈式发电机原理图 f i 9 2 - 6t h et r u t hm a po f d o u b l e - f e e dg e n e r a t o r 根据文献”3 双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可有以下三 种运行状态： ( 1 ) 亚同步运行状态，在这种运行状态下 n ，改变通入转子绕组的频率为 的电流相序，则其所产生的旋转磁场的转速 ：的转向与转子的转向相反 因此有，一 ：= ，。为了实现”! 的转向反向，在由亚同步运行向超同步运 行时，转子三相绕组必须能自动改变其相序；反之，也是一样。 ( 3 ) 同步运行状态，这种状态下月= 一，滑差频率 = o ，这表明此时通入转 子绕组的电流的频率为0 ，也即是直流电流，因此与普通的同步发电机一样。 对某双馈式感应风力发电机组的特征根分析结果如表2 2 ，表2 2 列出了 几个不同转速稳态运行点的特征根，从特征根的计算结果可以分析得出转差率 与特征根的关系以及双磕式感应风力发电机组在实际运行中存在的变化规律。 表2 - 2 运行点的特征根 t a b l e2 - 2t h eo p e r a t i n gp o i n to fl a t e n tr o o t 转差率 o20 0 7 70 0 0 0 0 60 0 7 7o 2 一0 2 6 2 +0 2 6 2 +一0 2 6 2 +o 2 6 2 + o 2 6 1 + 3 1 2 j 3 1 2 j 3 1 2 i 3 1 2 i 3 1 2 j 0 2 6 2 0 2 6 2 一0 2 6 2 0 2 6 2 - o 2 6 1 3 12 j 3 1 2 i 3 1 2 i 3 1 2 j 3 12 j 特征根 一0 1 6 9 +0 1 2 5 +0 0 9 8 +- 0 1 5 3 + ( 1 0 0 ) 0 1 9 4 + 0 6 9 6 j 0 7 2 6 10 3 9 0 j0 2 9 8 j0 3 6 7 j o 1 6 9 - 0 1 2 5 一 00 9 8 一0 15 3 - 一0 1 9 4 一o 6 9 6 j o 7 2 6 jo 3 9 0 j 0 2 9 8 jo 3 6 7 j 0 0 6 00 1 5 00 2 0 50 0 9 5o 0 1 2 8 由上述计算结果知，当转差率的绝对值逐渐减小时，即发电机转速从远离 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 同步速到接近同步速时，特征根中的实根的绝对值逐渐增大，表明其运动方向 远离虚轴。特征根中的复根的模值逐渐减小，表明其运动方向靠近虚轴。由于 特征根始终为负值，根据现代控制原理中的劳斯( r o u t h ) 判据可知，双馈式感 应发电机保持静态稳定。下图是双馈式感应发电机各点运行特征根的根轨迹图。 vx “ 图2 7 特征根的轨迹图 f i 9 2 - 7t h ep i c t u r eo f l a t e n tr o o tt r a c k 由图2 - 7 可知，当发电机转速从远离同步速到接近同步速时，有一对复根 的实部在复平面的左半平面向虚轴移动，而一个实跟则在左半平面远离虚轴， 即使当发电机几乎运行在同步速时，仍能保持所有的根具有负实部，说明在相 当宽的运行范围( 设计运行范围) 内，发电机能够一直保持静态稳定。由于转 子电压可以根据运行点和外部系统的条件而变化，双馈式感应发电机的静态稳 定性几乎不受到外部系统参数的影响。 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 3 交一直一交变频并网同步风力发电机 风力发电机组采用同步发电机，发电机发出电能的频率、电压、电功率可 以随着风速的变化而变化，这样有利于最大限度地利用风能资源，而恒频恒速 并网的任务则交给交一直一交系统完成。发电机的输出功率由励磁来控制：当 输出功率小于额定功率时，以固定励磁运行；当输出功率超过额定功率时；则 通过调整励磁来控制发电机的输出功率在允许的安全范围内运行，励磁的调整 是由控制晶闸管的导通角来实现的。 交一直一交系统的变频器将风力发电机发出的电压和频率都不不断改变的电 能，变成频率和电压都稳定的电能，以便与电网的电压和频率相匹配，从而使 风力发电机能并网运行。风力发电机发出的三相交流电，经二极管三相全桥整 流成直流后，再由六只绝缘栅双极电力晶闸管( i g b t ) ，在控制和驱动电路的 控制下，逆变成三相交流电并入电网。绝缘栅双极电力晶闸管( i g b t ) 是一种 结合大功率晶体管及功率场效应晶体管两者特点的复合型电力电子器件，它具 有工作速度快、驱动功率小，以及通过电流能力大、导通电压低的优点，因此 绝缘栅双极电力晶闸管( i g b t ) 被广泛使用。下图为交直交变频并网 的连接图。 图2 - 8 变频并网的连接图 f i 9 2 - 8t h e j o i n tp i c t u r eo f f r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n n e c t i o n 2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 这种型式的风力发电系统的静态稳定性主要与两个因素有关：同步发电机 和变流装置，其中，同步发电机对静态稳定性其主要作用，变流装置的影响通 过稳态等效阻抗反映出来即；对于传统的同步发电机，其静态稳定极限与发电 机电抗、升压变压器电抗及线路电抗之和成反比，对于经过交一直一交变频并 网的同步风力发电机，还需要考虑变流装置等效阻抗。研究表明，变流装置的 等效阻抗在不同运行点和控制方式下具有正、负数值，这说明在不同运行点和 控制方式下变流装置对于同步风力发电机的静态稳定性具有提高或降低两种可 能性。 2 4 风力发电系统的运行控制和安全保护装置 控制和安全保护装置是风力发电机组安全运行的大脑指挥中心，控制装置 保障了机组的安全运行。控制装置由微机控制器、显示运行控制器、并网控制 器、发电机功率控制器、运行状态数据监控器、控制输出驱动电路模版等器件 组成。控制装置可以控制的功能和参数包括功率极限、风轮转速、电气负载的 连接、起动及停机过程、电网或数据丢失的停机、机舱对风、运行时电量和温 度参数的限制。安全保护装置由大风保护、电压保护、电流保护、参数越限保 护、抗干扰保护、机组接地保护等器件组成。 我国风电场运行的机组部分为定浆距失速型机组，所谓失速型风力发电机 组就是当风速超过风力发电机额定风速时，为确保风力发电机组功率输出不再 增加，导致风力发电机过载，通过空气动力学的失速特性，使叶片发生失速从 而控制风力发电机组的功率输出。所以，定浆距失速型风力发电机组控制系统 的控制原则是功率控制由叶片的失速特性来完成。对于变浆距风力发电机控制 原则与定浆距风力发电机不同，即功率调节方式不同，它采用变浆距方式来改 变风轮捕捉得能量，从而使风力发电机组的输出功率发生变化，最终达到限制 功率输出的目的。文献“o 手旨出风力发电机组的运行是一项复杂的过程，涉及的 问题很多，如风速变化、转速变化、温度变化、振动都将直接威胁风力发电机 2 ：3 太原理工大学硕士研究生学位论文 组的安全运行，以下是控制和安全保护装置组成图。 图2 - 9 控制和安全保护装置组成图 f i 9 2 - 9t h ef or i l lm a do fc o n tr o ia n ds e c u r i t ypr o t e c t or 风力发电机组的正常运行及安全性取决于先进的控制策略和保护功能，控 制策略应以主动和被动的方式控制机组的运行，使机组运行在安全允许的规定 范围内，并且各项参数保持在正常工作范围内。 1 、控制和安全保护装置的控制要求 控制装置保持风力发电机组安全可靠运行，同时高质量地将不断变化的风 能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。采用计算机控制技术实现对风力 发电机组的运行参数和状态监控显示及故障处理，完成机组的最佳运行状态管 理和控制。大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下，风力发电机组能软 切入自动并网，保证电流冲击小于额定电流。具体形式的控制过程如下： ( 1 ) 开机并网控制：当风速1 0 m j n 平均值在系统工作区域内，机械闸松开叶尖复 2 4 太原理：| = 大学硕士研究生学位论文 位，j 爻l j - j 作用于风轮上，发电机慢慢起动。当发电机转速大于2 0 的额定 转速持续5 m n ，发电机进入软并网拖动状态。当发电机转速升到同步转速 时，旁路主接触器动作，机组并入电网运行。 ( 2 ) 小风脱网：当风速l o m in 平均值小于脱网风速或发电机输出功率为负值时， 风力发电机必须脱网，处于自由状态。风电机组靠自身的摩擦力缓慢停机， 进入待风状态。当风速再次上升达到并网转速时，风电机组又投入运行。 ( 3 ) 普通故障脱网停机：机组运行时发生参数越限、状态异常后，风力发电机进 入停机程序，机组投入气动刹车，软脱网。故障消除后计算机可自行恢复正 常开机。 ( 4 ) 大风脱网控制：当风速l o m in 平均值大于2 5 m s 时，风力发电机组会出现超 速和过载，为使机组安全，这时必须对机组进行大风脱网停机。机组先起动 气动刹车，同时偏航9 0 。等功率下降后脱网。 ( 5 ) 对风控制：风力发电机组运行在工作区时，应根据机舱的控制灵敏度，确定 每次偏航的调整角度。 ( 6 ) 功率调节控制：当风力发电机组在额定风速以上并网运行时，对于失速型风 力发电机组由于叶片的失速特性，发电机的功率不会超过额定值得1 5 。 ( 7 ) 软切入控制：风电机组在进行并网和脱网时，必须进行软切入控制，通过大 功率晶闸管和有关控制电路组成。 2 、控制和安全保护装置的保护功能 保护功能是保持风电机组安全运行，保证机组的所有监控参数在正常允许 的范围内，一旦超过极限并出现危险情况时，应能自动处理并安全停机。当风 速达到停机风速时，风力发电机组应叶尖限速脱网抱液压机械闸停机，而且在 脱网时，风力发电机组偏航9 0 ”。为了避免小风速时发生频繁j 干、停机现象，并 网后10 分钟内风电机组不能按风速自动停机。同样，在小风速自动脱网停机后， 5 分钟内不能软切并网。文献“”指出具体形式的保护功能如下： ( 1 ) 主电路保护功能：在变压器低压侧进线处设置配电低压断