并网型风力发电系统的研究
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并网型风力发电系统的研究何东升1,刘永强1,王 亚2(1.华南理工大学电力学院,广州510640;2.深圳市市政总公司,深圳518034)摘 要:并网发电是大功率风力发电机组高效、大规模利用风能最经济的方式,已成为当今世界风能利用的主要形式。
为促进我国的风电事业,概述了并网型风力发电系统的基本工作原理、工作方式和风力发电机的空气动力学特性以及并网型风力发电系统中5种典型的电路拓扑结构及其工作原理、并网技术和控制方法,还比较了不同拓扑结构下风力发电系统的性能和效率,给出了各自的典型应用。
最后指出了各种方法的优缺点以及今后的发展方向。
结果表明,随着大容量电力电子器件的发展和现代控制技术的引入,并网型风电系统中直驱式永磁同步发电机拓扑结构将会得到更多的应用和发展。
并网型大功率风电机组控制系统中,风机模拟系统设计、发电机控制技术、并网技术、桨矩角控制技术和系统监控等关键技术的解决将有助于我国风电产业的国产化和大容量风电系统自主知识产权的建立。
关键词:风力发电;电机;电路拓扑结构;并网控制;水平轴式风机;变速恒频中图分类号:T M 614文献标志码:A文章编号:1003-6520(2008)01-0142-06基金资助项目:国家自然科学基金重点项目(60534040)。
Project Su pported by National Natural Science Foundation of C hina(60534040).Study of the Shunt -connected Wind Power Generation SystemH E Dong -sheng 1,LIU Yong -qiang 1,WANG Ya2(1.College o f Electrical Engineering,South China University of T echnolo gy,Guang zhou 510640,China; 2.Shenzhen M unicipal Engineer Gro p.,Shenzhen 518034,China)Abstract:T his paper summarizes the basic w o rking principle and w or king mode of the w ind po wer g ener atio n system as w ell as the aer odynamic char acteristic o f aero -generato r.Based on the research in this field,it giv es detailed de -script ion of w ind pow er generat ion sy stem in the follow ing aspect s:the fiv e t ypical to po log ical circuits,it s basic wo rking pr inciples,the shunt -co nnected techniques and the cr itical contro l metho ds.T his paper also co mpa res the capability and efficiency of the w ind pow er generat ion sy st em w ith differ ent to po log ical cir cuits,demonstrates repre -sentative applications of them.F inally,t his paper clear ly pr esents t he advantages and disadvantag es of the different topolog ical cir cuit s.Since the w ind po wer g ener atio n system is one of the most low -pollutio n and ener gy -efficient sy stem to date,it must has the brig ht futur e in dev elo ping trend.T his paper is ex pected to co nt ribute in pro moting the study of the w ind pow er g ener ation system.Key words:wind generatio n;moto r;to po lo gical circuits;shunt -connected co nt rol;aero -generato r w ith ho rizontal axis;var iable speed and constant f requency0 引 言随着全球能源消耗速度的持续增长,常规能源资源日益枯竭。
风力发电(简称风电)以其无污染,施工周期短,投资灵活,占地少,造价低等特点,越来越受到世界各国的重视。
风电技术的发展主要体现在并网型风电机组的大型化和其控制技术的提高上。
大型化有利于提高风能利用效率和占地使用效率,降低单位功率造价。
20世纪90年代后,500~700kW 的机组已成为风电场的主导机型,目前国外已在研制1~4M W 的巨型风电机组,预计2~3a 可实现商品化。
在控制技术的提高方面,随着电力电子技术的发展和现代控制技术的引入,人们对其变流电路和整机控制系统的改进提出了很多方法,将模糊控制理论[1]、变结构控制与鲁棒控制[2]、自适应PID 控制[3]、自寻优控制[4]、神经网络理论[5]等各种各样的智能控制理论引入到了风电机组的控制系统中,从而大大促进了机组性能优化。
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,生产成本将会越来越低,风电必将具备与常规能源竞争的能力。
1 风力发电概述1.1 风力发电利用方式风力发电的利用方式主要有二:一类是独立运行供电系统,单机容量一般为011~10kW [6];另一类是作为常规电网电源,商业化机组单机容量主要为150~2000kW [6],其中,大功率风电机组并网发电是高效大规模利用风能最经济的方式,已成为当#142#第34卷第1期2008年 1月高 电 压 技 术H igh Voltage Engineering Vol.34No.1Jan. 2008今世界风能利用的主要形式。
1.2并网型风力发电基本原理并网型风电系统的基本原理是:风力发电机(简称风机)利用叶轮旋转,从风中吸收能量,将风能转化为机械能,叶轮通过一增速齿轮箱带动发电机旋转(直驱式风电系统无此环节),发电机再将机械能转化为电能,并入电网供用户使用。
并网型风电系统的风机一般为水平轴式(见图1),该风机在其桨叶正对风向时才旋转,由偏航系统根据风向控制风机迎风。
变桨矩机组还需一套变桨矩系统,主要有液压型与电气传动型两类,前者适合在大中型机组中应用,后者具有可靠性高和桨叶独立可调的特点。
1.3并网型风电系统风机的空气动力学特性风机是将风能转化为机械能后再转化为电能的机械。
风机的输出功率P和机械转矩T是随风速v的变化而不断变化的,其关系式为[7]:P=C p A Q v3/2,(1)T=P/X m=C p A Q Rv2/2K,(2)式中,C p=f(K,A),为风能利用系数;A=P R2,为风轮扫掠面积;Q为空气密度;X m为风轮机械角速度;R 为风轮半径;K=X m R/v,为风机叶尖速比;A为风机桨矩角。
由式(1)、(2)可知,假设Q、A和v不变,则风机所获得的机械能只为C p的函数,且C p仅为K和A的函数。
不同风机的函数关系不同,一种典型风机的C p与K和A的函数关系见图2。
由此可见,对于一台确定的风机,浆叶不变时A 不变。
变化的v需要有变化的X m相对应,才能保证K总为最佳值K opt,并使得C p为最大值C pmax,P为最大值P max,T为最佳值T opt。
由空气动力学贝兹(Betz)极限理论得知,C pmax为59.3%[7]。
2并网型风力发电系统工作方式及比较2.1并网型风力发电工作方式并网型风电系统有恒速恒频(co nstant speed constant frequency,简称CSCF)和变速恒频(v ar ia-ble speed constant frequency,简称VSCF)两种工作方式。
CSCF方式下,v变化时风机X m恒定,输出电能频率恒定,其发电效率较低,而且由于机械承受应力较大,相应的装置成本较高。
V SCF方式下,X m 随v的变化而变化,实现了不同v下的高效发电,v 较低时X m相应下降,从而使系统的机械应力和装置成本都大大降低。
2.2并网型风力发电工作方式比较图3为A一定时不同v下(其中风速v1>v2> v3)风机P与X m的关系曲线。
当风机工作在CSCF图1水平轴式风机Fig.1Aero-generator with horizontal axis图2C p与K和A的关系Fig.2Relation between C p and K、A图3风机功率P-转速X m曲线Fig.3P-X m curve of aero-generator方式下,风机转速X2恒定,v变化时,系统运行在图3中的C、D、E点,显然只有在v2下系统获取的风能最高;当风机工作在VSCF方式下,即风机X m随v 而变化时,系统可运行在图3中的B、D、F点,即不同v下系统都可获取最大风能。
因此,VSCF方式下风电系统运行效率远高于CSCF方式。
3并网型风力发电系统拓扑结构3.1拓扑一风机驱动双速异步发电机并网3.1.1基本工作原理双速异步发电机系指具有两种不同的同步转速(低同步转速及高同步转速)的电机,根据异步电机#143#2008年1月高电压技术第34卷第1期理论,异步电机的同步转速n s与异步电机定子绕组的极对数p及所并联电网的频率f的关系式为: n s=60f/p,因此只要改变p,就可得到不同的n s。
即在低风速时采用多极对数或低同步转速的电机,对应于低功率输出;在高风速时采用少极对数或高同步转速的电机,对应于高功率输出。
一般改变p 的方法主要有三种[7]:1)采用两台定子绕组p不同的异步电机,一台为低同步转速的,一台为高同步转速的;2)在一台电机的定子上放置两套p不同的相互独立的绕组,此即双绕组双速电机;3)在一台电机的定子上仅安置一套绕组,靠改变绕组的连接方式获得不同的p,此即单绕组双速电机。
