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风力发电技术综述


风力发电技术综述
范 健
(上海发电设备成套设计研究院,上海,200240)



要:风力发电是风能利用的主流形式。在全球性能源危机和提倡保护大气环境的今天,风力发电正作为可再生能源中技

术最成熟、最环保的发电方式之一,在世界各国得到大力发展。介绍了风力发电与传统发电方式相比的优势和特点,阐述了

风力发电系统的原理及其中的双馈风力发电机单机组的控制方法, 最后简单说明了目前大规模风电系统接入电网遇到的问题 和发展的方向。 关键词:风力发电;双馈风力发电机;控制方法;故障穿越

A Summary of Wind Power Systems
Fan Jian
(Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai,200240)

Abstract: Wind power generation is a major form of the use of wind energy resources. In present situation of global energy crisis and advocating protecting atmosphere environment, wind power generation is greatly developed by many countries as one of most mature and environmental protection power generation which using renewable energy technology. The advantages and features of wind power generation comparing with traditional power generation are introduced. The principle of wind power generation is described as well as the control method of doubly-fed wind generator. Finally, there is a simply introduction about the problems in large-scale wind power system accessing to the power grid and its development direction. Key words: wind power; doubly-fed wind generator; control method; fault ride-through

1

风力发电的优势和特点
35%。 1996 年, 到 世界风机总容量已超过 5000MW。 在我国,随着我国国民经济持续快速增长,我 国的用电负荷和用电量与日俱增,由于传统火电的 发展并不能跟上经济发展的需求,电力供应紧张的 局面一年比一年加剧。并且煤炭等化石能源的过度 使用,不仅使资源濒临枯竭,还造成了严重的环境 污染。所以我国政府也开始大力发展清洁能源发电 技术,主要集中在水电、核电和风电这三大比较成 熟的发电技术上。 对于水电来说,它受很大的地域限制,而核电 由于难以处理核废料,所以也有利有弊。风能则是 一种清洁绿色、 可再生的能源, 对环境几乎无污染, 适合大规模发展、可以大大缓解我国目前的能源紧 缺问题并改善能源结构,减少对火电的依赖性。如 今的风力发电正逐步走向规模化和产业化,大型并 网风力发电场成为风力发电的主流。随着风力发电 在电网中的比例越来越大,风力发电成为除水力发 电以外最成熟、最具可开发性的一种可再生能源发 电方式。大力发展风力发电,对减少大气污染、发 展替代能源、促进社会经济发展都有重要的意义。

现代社会,火力发电是最传统的发电方式,它 占有着全球 70%以上的发电容量,但是火电使用的 煤炭等能源是不可再生的,在本世纪中叶就即将消 耗殆尽,同时火电燃烧排放的气体也极大地污染着 我们的大气。于是随着全球环保意识和对能源濒临 枯竭的危机感不断加强,上个世纪末,世界各国政 府纷纷开始制定新的能源政策,将发展的重点放在 了水能、核能、风能、太阳能、地热能、潮汐能等 新型可再生能源上。这些新的政策正改变着电力行 业的格局,使电力行业在可持续发展的能源工业中 得到了新的机遇,同时在如何高效率应用这些新型 能源上不断挑战自我。这其中风力发电技术在八十 年代中期以来受到普遍重视,欧美各国纷纷开始研 制自己的风力发电系统,风力发电机的功率逐步从 500KW 上升到 2MW,其中丹麦、德国和美国的风 力发电与风能利用技术相对成熟。 随着现代科学技术的飞速发展,特别是将空气 动力学、材料科学和大功率电力电子技术的最新成 果应用于新型风电机组的开发研制,风力发电在这 短短的一二十年里有了长足的发展。1981-1992 年 间,全球风电机组装机容量以每年 65%左右速度稳 步增长,1992 年增加到 2650MW。1995 年,全球 风力发电新增装机容量 1300MW,比 1994 年增加

2

风力发电的方式及其原理
目前的风力发电主要有以下两种方式:定桨距

恒速恒频和变桨距变速恒频。而目前的发展趋势是 从定桨距恒速恒频向变桨距变速恒频逐渐过渡。这 是因为:一、从定桨距到变桨距可以提高风能的采 集、利用程度,使其在额定点具有较高的风能利用 系数(风能利用系数: C P ? Pm / PW ; P m —通过 桨叶旋转面积的功率, PW —风力发电机吸收输出 的机械功率) ,改善输出功率特性,提高起动性能 和制动性能;二、从定速到变速可以使风机在低风 速时保持最佳叶尖速比(桨叶尖线速度与风速之 比: ? ? R ? / ? ;R—桨叶半径,? —风速, ? — 桨叶旋转角速度)来获得最大风能俘获;在高风速 时,利用风轮储存或释放能量,提高传动系统的柔 性,使功率输出更加平稳。
P
变桨距方式

Popt ? K ? m
3

输 出 风 能 ( KW )

60 50 40
11 12

30 20 10

最佳功率曲线 P opt

10

风 速 (m/s)
9 8 7 6

500

1000

1500

2000

转 速 ( rp m )

图 2 风力发电机的最佳功率曲线

P额
定桨距方式

变桨距变速发电采用同步发电机或双馈发电 机发电,然后通过电力电子变换器,使电机接入恒 频、恒压电网发电。 变速恒频发电的类型有: 1) 交—直—交变换方式(直驱式)
同 步 发 电 机 电 网 A C D D C C A 叶 轮

0

v0

v

图 1 定桨距风力发电机效率曲线

如图 1 所示,定桨距风机在过了额定功率后, 为了保护风机,风轮转速变慢,运行效率下降。而 此时变桨距风机通过变桨,可以提高其运行效率。 2.1 定桨距恒速恒频方式 定桨距恒速发电一般采用的是笼型异步电机, 其转速基本上保持恒定,波动较小。这种方式不需 要复杂的同步调速装置,但风轮的叶尖速比随风速 变化,难以达到最高的风能转换效率。发电时桨叶 通过涡轮机拖动异步发电机转动,转速略超过同步 转速后,转差率 s 和转矩 T e 变负,电机工作于发电 状态。随风速变化,定桨距风机通过调整桨叶角 β 来控制输出功率和转速。输出有功小于额定值时, β 一直保持零值;输出有功一旦超过额定值,倾角 控制才起作用,使得输出有功保持在额定有功值。 定 桨距 恒速发 电适 合用于 小功 率,通 常不 大于 800kW。 2.2 变桨距变速恒频方式 由于只有在特定的叶尖速比下,风能的利用系 数才最大,则在每一特定风速下,风轮在一定转速 时才能得到最大功率输出。所以为了要在各种风速 下都能获得最大风能,发电机必须变速运行。在各 种风速下最大功率点的连线称为最佳功率曲线:

图 3 交—直—交变换方式

如图 3 所示这种方式,一般采用永磁同步发电机。 工作时发电机输出频率和电压随转速变化的交流 电,经一台单象限 IGBT 电压型交直交变频器调频 后直接接入恒压、恒频电网。所以这种方式的特点 是变频器是全功率的,即发电机的全部电功率都通 过变频器。 2)交流励磁方式(双馈式)

C

































齿



























A

C

D

C



P

















*







D

C

A

C

Q







*





图 4 交流励磁方式

































这种方式由绕线式异步发电机、变频器和控制 环节组成,其定子绕组直接接入电网,转子采用三 相对称绕组,经双向电压源变频器与电网相连,给 发电机提供交流励磁,励磁频率即为发电机的转差 频率,通过可控变频器对转子的输入频率、幅值、 相位调控,进行交流励磁发电,所以这种异步发电 机又称交流励磁发电机或双馈发电机。双馈系统的 特点是变频器中仅流过转差功率。 双馈方式中的控制环节通过对励磁电流的频 率进行控制,可以使发电机在变速运行时,发出的 电流始终保持在工频输出, 有利于并网运行。 同时, 双馈风力发电机组用齿轮箱变速驱动发电机,能够 对风机转速精确调整,从而在相当宽的范围内跟踪 最优叶尖速比,使风轮保持在最佳叶尖速比状态下 运行, 风能利用系数接近最大值, 获得更多的能量, 功率输出相对平稳。双馈发电机目前是风力发电机 的主流机型。与鼠笼式转子的异步发电机相比,双 馈发电机需要增加双馈调节控制系统,包括励磁变 压器、 逆变器、测速运算器、微处理控制器等装置。 一般兆瓦级以上的风力发电机均采用双馈发电机。 同时,通过 IGBT 控制的电压源变频器与电网 相连,其中 IGBT 在四象限运行,模块采用 PWM 技术,输出正弦波电压,保证发电机电压和频率不 受转子速度的影响,通过桨距角调整与变频器控制 相结合,风机能够在次同步速、同步速和超同步速 3 种运行状态中自由切换。 2.3 双馈式风力发电机控制策略

图 5 单机组控制系统的组成

如图 5 所示,双馈式风力发电机控制环节由风 力发电控制和变换器这两大部分组成。其中风力发 电控制部分的作用是发出输入转矩与输出转矩指 令,控制发电机调速,完成最大功率的跟踪。变换 器部分的作用是按主控命令控制发电机的阻力转 矩和恒定发电机的输出频率。 变换器控制系统控制转子绕组经变频器进行 交流励磁,提供转差功率,达到变速下输出恒频电 能的目的。
f1 ? f 2 ? f s

当发电机转速 n <同步速 n 1 时,s>0,发电机处于亚 同步发电状态,变频器进行正序低频交流励磁,变 频器向转子绕组输入功率。当发电机转速 n >同步 速 n 1 时,s<0,发电机处于超同步发电状态,变频 器进行负序低频交流励磁,转子绕组向变频器输入 功率。当发电机转速 n =同步速 n 1 时,s=0,发电机 处于同步发电状态,变频器进行直流励磁。

3 风力发电对电网的影响和解决方法
3.1 风力发电对电网的影响及各国对风电的要求 由于风力发电存在间歇性,对风力预测难度大 以及风电机组本身的运行特性,使得风电机组的输 出功率是波动的,有可能造成电压偏差、电压波动 和闪变、谐波以及周期性的电压脉动,所以风力发 电的电能质量不高。对于大量风电存在的系统,因 为大量小惯量的风电机组代替了常规同步发电组, 系统的暂态稳定性也发生了变化。另外,系统故障 时,风电机组可能因为电压、电流越限或转速越限



导致保护动作,使风电机组解列,系统将遭受更大 的冲击,对系统稳定性不利。所以风电对于电力系 统具有一定的负面影响。随着风电场的规模不断加 大,风电场对电网的负面影响也随之越来越大,制 约着风电场的建设规模。为了描述某一电力系统中 能承受风电场容量的能力,人们引入了风电穿透功 率极限的概念。风电穿透功率是指系统中风电场装 机容量占系统总负荷的比例。根据欧洲国家的统计 数据,风电穿透效率达到10%使可行的。

各国电网导则对风电接入的要求主要是对故 障穿越的要求。如表1所示,爱尔兰的电网导则对 故障的持续时间是最为苛刻的,要求穿越的时间最 长。而丹麦的最短,仅为100毫秒,但丹麦的电网 导则要求风机在经历连续的电网故障下不脱网。德 国的电网导则规定:风电场在接入点电压降低后的 150毫秒内不脱网,且必须向电网注入最高100%的 无功电流。西班牙同样也要求在风电场故障穿越期 间向电网注入无功电流。 故障穿越能力

表1 各国对风电故障穿越能力的要求 国家 丹麦 爱尔兰 德国 英格兰 西班牙 意大利 电压等级 DS TS DS/TS DS/TS DS/TS TS >35kV 故障时限 100ms 100ms 625ms 150ms 140ms 500ms 500ms 电压跌落水平 25% U 25% 15% U 0% U 15% U 20% U 20% U
r r r r
r r

恢复时间 1s 1s 3s 1.5s 1.2s 1s 0.3s

电压质量 2,3-ph 1,2,3-ph 1,2,3-ph 一般 一般 一般 一般

无功电流注入 无 无 无 达到100% 无 达到100% 无

美国 TS 625ms 15% U r 2.3s 一般 无 加拿大 TS 625ms 15% U r — — 无 (安大略省) 加拿大 TS 150ms 0% U r 0.18s 正序 无 (魁北克省) 还有其他方面的要求包括有功功率控制、频率 数学模型进行设计控制器设计的新型控制策略。它 调节、电压控制、保护配置及整定和通信能力。 的优点在于设计简单,控制性能好和在系统分析方 面无需精确地对象模型,控制器参数调节方便,在 3.2 当前低压穿越的方法简述 引入滤波器后,系统可能获得较好的鲁棒性。其缺 1、改进的矢量控制。考虑到故障时定子电流 点在于内模控制器是基于模型最小相位部分的逆, 的变化的矢量控制策略。这种控制策略提高了故障 在输入型号的跟踪响应、外界扰动的消除上并非是 状态下对转子电流的控制能力,但是对转子电流的 理想的控制器,而只能根据模型来设计滤波器的结 有效控制是以提高转子电压来实现的,容易造成直 构、层次,并在滤波常数上进行调整,在系统的动 流侧电压的波动。 态跟踪品质、稳态误差、扰动消除和鲁棒稳定性之 2、对零序、负序磁链的抵消。其中关键步骤 间取得一定得平衡。 是分离定子磁链中正序、负序和零序分量。通过控 5、直接转矩控制。直接转矩控制是在静止坐 制转子电流,可以抵消故障时定子磁链中出现的零 标中实现的,避免了旋转变换。控制结构简单,控 序和负序分量维持磁链的平衡。这种方法减弱了故 制手段直接。它通过控制定、转子磁链的夹角来实 障时的功率及转矩震荡,但是控制性能与零序和负 现有功、无功功率的控制。不过一般认为转子磁链 序磁链的分离性能有关。若分离环节存在较大的时 的准确估计比较困难。 延,将影响控制性能。 6、直接功率控制。直接功率控制可以认为是 3、在正向、反向同步旋转坐标上的联合控制。 直接转矩控制和矢量控制的结合。与直接转矩控制 这种控制可控性强,但是运算复杂,其中包括多个 的区别是,直接功率控制只对定子磁链进行估计, 旋转变换和正序、负序的分离环节,这些环节都有 相对于估计转子磁链难度比较小。直接功率控制通 可能引入误差降低控制性能。 过旋转合适的转子侧电压矢量,来直接控制定子侧 4、内模控制。内模控制方法是一种基于过程

的有功和无功功率,实现对有功功率和无功功率的 独立调节。 以上这些便是当今低压穿越的一些方法。各有 利弊,相信随着深入的研究,以后将会出现更好的 控制方法。 参考文献:
[1] 马斌,蔡旭,张东.变速恒频风力发电系统励磁变频器 控制研究[J] .电力电子技术,2008,11:49-50 [2] 靳静.大功率电力电子设备在风力发电系统中的应用 [D].上海:上海交通大学,2008. [3] 刘细平,林鹤云.风力发电机及风力发电控制技术综述 [J].大电机技术,2007,3:17-20 [4] 张琦玮, 蔡旭. 最大风能捕获风力发电系统及其仿真. 电 机与控制应用,2007,34(5) :42-46 [5] 李志梅,赵东标.风电技术现状及发展趋势.电气技术, 2007,6:48-50


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