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风力发电控制技术作业


学校代码: 学

10128

号: 20111100351

风力发电控制技术



姓 专 学

名 : 兰国军 业:电 力 系 统 及 其 自 动 化 号 : 20111100351

指 导 教 师 : 王生铁

>二 〇 一 二 年 六 月

一、世界知名风电企业论述——Vestas(维斯塔斯) 一、世界知名风电企业论述 ——Vestas 世界知名风电企业论述—— Vestas(维斯塔斯)
丹麦风力发电机制造商——维斯塔斯风力技术集团(Vestas Wind Systems A/S)是世界排名第一的风力发电设备生产商。

1、Vestas 的发展历史
1898 年 一切开始的一年。 铁匠 H.S.Hanse 走下火车,踏上丹麦 lem 车站的站台,并于不 久后开办他的第一家工坊—“Hansen 铁匠铺” 。 1945 年 成立维斯塔斯 Peder Hansen( H.S.Hansen 的儿子) 创立了 VEstjysk STå lteknik A/S,后来公司更名为 Vestas (维斯塔斯) 。开始生产像搅 拌器和厨用秤之类的家居用品。 1950 年 首次对外出口 主要生产农用机具。开始时是生成橡胶履带拖拉机 1956 年 生产中间冷却器 这一事件标志着维斯塔斯另一个产品的诞生。 该产品和它生产的 农业机具直到今天仍是维斯塔斯的主要产品。 1968 年 液压技术成为重点业务 经过重组和几年的调整巩固,维斯塔斯开展了另一项业务: 用于轻型卡车中的液压起重机。 1970 年 起重机工厂和石油危机 维斯塔斯创建了独立的工厂生产起重机。爆发了石油危机,维斯 塔斯进而转入一个完全不同的领域: 替代性能源。 这是关键的一年) ( 。

1978 年 开始风机试验 1979 年:生产出第一台风机 这一年, 维斯塔斯已经准备好给那些想要投资替代能源的客户交 付第一批风力发电机组。 20 世纪 80 年代初,风电业经历了一次名副其实的蓬勃发展。六 年后,也就是在这段时间,维斯塔斯在 Lem 市郊建造了第一个大型 (12,000m2)风机生产厂。 1980 年 风机开始批量生产 1985 年 第一台变浆距风机 维斯塔斯的第一台变浆距风机出厂。 这个特性很快成为了维斯塔 斯的卖点。当时没有一家竞争对手可以提供这种特性。维斯塔斯的浆 距调节特性被称为 OptiTip&reg。 1987 年, Vestas 经过重组后,集中力量于风能的利用研究, 此 后,发展势头极其迅猛。订单批量增加,很快占领世界市场,包括: 德国,西班牙,印度,美国,中国。 2009 年 4 月 16 日, 维斯塔斯在内蒙古呼和浩特的一体化工厂落 成投产,与此同时,为本地市场量身定制的 V60-850 千瓦型风电机组 也正式下线。公司称,这是首次为一个特定市场研发产品,且“为合 作伙伴的需求而设计” 。 截止到 2007 年, 维斯塔斯已经在全球五大洲的 63 个国家共安装 了 33, 台风机。 500 维斯塔斯平均每 5 个小时便安装一台风机。 每年, 由维斯塔斯风机发出的电量超过 5000 万兆瓦时。

2、Vestas 技术特点
Vestas technologies(技术特点) The lighter the weight, the higher the profits CFD – mapping wind currents OptiTip? – optimum blade positioning OptiSpeed? – increased power in changing wind conditions Active Stall? - maximum energy, minimum load 维斯塔斯还是海上风场先行者。 V120 先进的技术将维斯塔斯推向海上风场技术的最前沿。V120 的高功率等级可减少指定输出所需的高成本基础的数量,同时,其重 量轻的特点不但使一次性吊装成为可能,而且降低了运输成本。

Vestas 的承诺 维斯塔斯可以帮助客户: 选择安装风机的最佳位置 选择正确的风机类型 安装风机 调试和监控风电场 在风机的生命周期内提供服务和维护 从项目管理到培训等各个方面 3.Vestas 的市场占有率 在 1995 年开始从事海上风电场风机制造, 2004 年 12 月 31 日, 到 该公司占世界 54%的海上风机份额。 到 2010 年,维斯塔斯在世界风机市场的占有率已达到 24%。 中国公司如华锐风电、金风科技在世界市场上也能排前十,但主

要是因为中国市场强劲增长所致。2009 年全球新增风电装机容量 3750 万千瓦,其中,中国新增装机占到全球的 1/3。 维斯塔斯在中国的战略分为几个步骤,首先是做一系列的投资, 比如呼和浩特、徐州和天津的生产基地已投产;第二步是加强营销。 维斯塔斯除了向客户提供塔筒、 风机及运输安装调试等常规服务 外,还会提供一套完整的在线监控系统。此外,公司还考虑将产品服 务时间从 5 年提高到 10 年。 2010 年起,国家发改委正式将“风电设备国产化率要达到 70% 以上, 不满足设备国产化率要求的风电场不允许建设” 这一规定取消。 “这也给海外企业带来了新的生机与活力” 由于维斯塔斯的价格仍比中国厂商高 800 到 1000 元每千瓦,所 以五大发电集团仍倾向于从国内厂商拿风机。 在 1995 年开始从事海上风电场风机制造, 2004 年 12 月 31 日, 到 该公司占世界 54%的海上风机份额。

二、贝兹理论的推导(Betz' Law ) 二、贝兹理论的推导(Betz'
贝兹理论是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的理论, 它由德 国物理学家 Albert Betz 于 1919 年提出。 贝兹理论:理想情况下风能所能转换成电能的极限比值为 16/27 约 为 59.3% . 贝兹假设了一种理想的风轮,即假设 1.风轮是一个平面圆盘(叶片为无穷多) ; 2.空气没有摩擦和粘性; 3.流过风轮的气流是均匀的,且垂直于风轮旋转平面; 4.空气看做是不可压缩的,速度不大,所以空气密度可看作不变。 当气流通过圆盘时,因为速度下降,流线必须扩散,利用动量理论, 圆盘上游和下游的压力不同,但在整个盘上是个常量。 如图:

上图所示的流管中,远前方(0) ,风轮(1) ,和远后方(2)的流量 是相同的。所以

(1)

M = ρ A 0ν 0 = ρ A 1ν 1 = ρ A 2ν 2
F = M(ν - ν 2)

单位时间内,作用在圆盘上的力 F 可有动量变化来确定,即 (2)
0

风轮吸收的功 W 可用下式表示 (3) W = 1 M ( ν
2
2 0

— ν

2 2



在圆盘上,F 力以 (4) W

V1 速度做功,所以
1

=

F ν

由(2) (3) (4)得, (5) ν
1

=

现在引进下游速度因子 b,其计算公式为
ν2 ν0 利用式(4) (3) (1) ,可得,

1 ( ν 2

0

+ ν 2)

(6)

b=

(7)

F 1 2 = ρν 0(1 - b 2) A1 2

然后利用式(4) (5) ,得 (8) W = 1 ρν 0 3 * 1 1 - b 2) 1 + b ) ( * (
A1 2 2

功率系数定义为风轮吸收的能量 W 和总能量 W1 之比,即 (9)
C
p

=

W W

1

由式 (10) 得到 (11) C p = (1 - b 2) 1 + b ) * (
W1 = 1 3 ρ A 1ν 0 2

1 2



Cp

对 b 微分

(12)

dC db

p

1 = ( - 3b 2
1 3

2

- 2b + 1)= 0



b =

(13)

d 2C p db
2

1 = ( - 6 b - 2)| 1 = ? 2 < 0 b= 2 3
1 3

因此,当 值,即:

b =

时,

C

p

取得最大

Cp =

16 ≈ 0 . 593 27

这就是贝兹极限。表示风轮可达的最大效率。

三、风力发电系统的分类及拓扑结构 三、风力发电系统的分类及拓扑结构

风力发电系统分类: 1.独立型风力发电系统 通常独立型风力发电规模较小,单机容量一般为 10kW 及以下,通过 蓄电池等储能装置或与其它能源发电技术相结合, 用以解决偏远地区 的供电问题。 2.并网型风力发电系统。 指接入电力系统运行且规模较大的风力发电场。 单机容量一般在数百 kW 及 MW。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑,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, 是当今 世界利用风能的主要方式。 1.独立型风力发电系统 (1)小型直流混合系统 (2)小型交流混合系统 2.并网型风力发电系统 (1)A 型恒速恒频 (2)B 型变速恒频 (3)C 型变速含部分功率变频器 (4)D 型变速含全功率变频器 小型风力发电系统经常与其他能源混合发电,又可称之为“混合电力 系统” 。

独立型风力发电系统 1.传统的直流混合系统,如下图所示。小型风力机输出的交流频率和 电压可变的交流电,经过整流后输送到电池组电压等级的直流母线。 能量存储在电池中或通过逆变器转换成交流提供给负荷。 电池组被用 来平滑风力机的功率波动,存储有风时产生的能量以备不时之需。

2.小型交流混合系统 以交流母线为主体的小发电系统。 光伏和风力发电系统通过专用快速 逆变器接入交流电网。

并网型风力发电系统 A 型:恒速恒频 此类型主要指鼠笼式感应发电机 (SCIG)通过变压器直接连接电 网的恒速风机,如下图所示,双绕组风机也可归于此类。因为鼠笼式 感应电机需要从电网吸收无功功率, 所以此类型风力机使用电容器组 进行无功功率补偿,使用软启动器可以获得平稳的电网电压。此类型 的缺点是不支持速度控制,需要刚性电网支持,机械承受应力大。

该类型还具体包括三种类型: (1) 失速控制型。该机型在上世纪 80~90 年代被许多丹麦风力机制 造商采用。 特点:简单、坚固、耐用。不能实现辅助启动,无法控制风力 机的功率。 (2) 桨距控制型。 优点是可控功率,可控启动和紧急停车。 缺点:高风速时很小的风速变化也会导致很大的输出功率波 动。桨叶调节能补偿份额的缓慢变化,但阵风情况不能补偿。 (3) 主动失速控制型。低风速时桨叶调节类似于桨距控制型风机, 高风速时、使桨叶进入深度失速状态。 优点:能够获得更平稳的有限功率,不会出现桨距控制型风力 机的高功率波动。 B 型:有限变速 指可变转子电阻的有限变速风力机,如下图所示。OptiSlipTM, 该技术是 Vestas 公司在 20 世纪 90 年代中期开始使用。使用绕线感 应发电机(WRIG)直接并网;同样需要电容器组进行无功功率补偿, 使用软起动器并网。由于转子电阻可变使得转差率可变,因此系统的 功率输出稳定,可变转子电阻的大小决定动态速度控制的范围。

C 型:变速含部分功率变频器 此类型主要指双馈式感应发电机(DFIG) ,如下图所示。是含绕 线转子感应发电机(WRIG)和转子电路中部分功率变频器(额定值约 为标称发电机功率的 30%) 。双馈发电机结构类似于三相绕线式异步 感应电机,具有定、转子两套绕组,定子绕组并网,转子绕组外接三 相转差频率变频器实现交流励磁。 部分功率变频器用来进行无功功率 补偿。双馈发电机是指,在控制中发电机的定、转子都参与了励磁, 并且定、转子两侧都有能量的馈送。 优点:变频器的容量小,更具经济性,动态速度控制范围快一般为同 步转速的-40%~30%。 缺点主要是需要使用滑环和需要有电网故障保护,具有齿轮箱,结构 笨重,易出现机械故障。

D 型:变速全功率变频器型 此类型主要指发电机通过全功率变频器并网的全变速风力机。 发电机 主要有绕线转子同步风力发电机(WRSG)或永磁同步发电机(PMSG) , 结构图如下图所示。 其中一些全变速风力发电机系统省去了齿轮箱, 此时需要直驱多级发 电机,其直径较大。

直驱式永磁同步发电机根据全功率变流器的不同又可分为: (1)不可控整流+DC/DC 升压+PWM 电压源型逆变器型

DC/DC 环节将整流器输出的直流电压提高并保持稳定在合适的范围 内,使得逆变器的输入电压稳定,提高运行效率、减小谐波。 (2)背靠背双 PWM 变流器型 优点:后者中的 PWM 整流器可同时实现整流和升压,效率较高,通 过电流隔离,机侧和网侧可以实现各自的控制策略。 缺点:全控型器件数量多,控制电路复杂,增加了变流系统成本

四、双馈发电机风力发电系统 (一)系统的基本组成

拓扑结构

(二)工作原理
1.基本原理 当风速变化引起发电机转速 n 变化时,控制转子电流的频率, 可 使定子频率恒定,即应满足:f=f1+f2; f 为定子电流频率, 由于定子与电网相连, 所以与电网频率相同; f1 为转子机械频率,f1=np/60; p 为电机的极对数; f2 为转子电流频率。 一、当 n<nl(nl)是定子旋转磁场的同步转速)时,处于亚同步 运行状态,此时变换器向发电机转子提供交流励磁,发电机由定子发 出电能给电网; 二、当 n>nl 时,处于超同步运行状态,此时发电机同时由定子 和转子发出电能给电网,变换器的能量流向逆向; 三、当 n=n,时,处于同步状态,此时发电机作为同步电机运行, f2=0,励磁变换器向转子提供直流励磁。而。f1=pn/60, ,当 n 发生 变化时,即频率发生变化,若控制转子供电频率 f2 作相应变化,可 使 f 保持恒定不变,与电网频率保持一致,实现变速恒频控制。 2.主要特点 一、主要优点: (一)定子直接接入工频电网,因而具有很强的抗干扰性,稳定性 强。 (二)最大限度的捕捉风能,提高风力机的运行效率;采用先进的

PWM 控制技术,可抑制谐波,减小开关损耗,提高效率,降低成本。 (三)变速运行范围宽,即可超同步运行也可以亚同步运行,以适 应由于风速变化引起的风力机转速的变化。简化了调整装置,减少了 调速时的机械应力。 (四)由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的, 流过转子 电路的功率是由交流励磁发电机的转速运行范围所决定的转差功率, 转差功率仅为发电机额定功率的一小部分, 因此变频器的容量仅为发 电机容量的一小部分,这样该变频器的成本以及控制难度大大降低。 适用于大、中容量风力发电系统。 二、主要缺点: (一)交流励磁发电机有滑环和电刷, 电刷和滑环之间的机械磨损 会影响电机的寿命,控制技术稍微复杂一些; (二)虽然这种系统对电网电压的频率波动有很强的适应性, 但在电网 电压的幅值波动下不间断运行的能力较差, 须在控制上加强研究予以 解决。 交流励磁变速恒频风力发电技术因其高效性和实用性正受到国 内外越来越多的重视。 交流励磁变速恒频双馈风力发电机组目前正向 大容量、智能控制和高可靠性方向发展。

(三)控制系统
主控系统、变桨控制系统、发电机变频控制系统、偏航控制系 统。

控制模式: 主控系统是控制系统的核心,通过各种传感器,和连接的其他分 散控制系统,风机的所有监视和控制功能通过主控系统实现。 1、监视电网、风况和机组运行参数,对机组运行进行控制。 2、根据风速与风向的变化,对机组进行优化控制,以提高机组 的运行效率和发电量。 控制基本目标: 1、 保证风力发电机组安全可靠运行、频率恒定; 2、保证风机最佳运行状态,获取最大能量; 3、功率优化控制、实现最佳叶尖速比跟踪; 4、控制风机启停,软并网,减小冲击电流。

(四)系统运行时控制
(1)偏航系统控制: 1. 自动对风 2. 自动解缆 3. 风轮保护 (2)变桨距系统控制: 1. 启动状态 2. 欠功率状态 3. 额定功率状态 (一)系统运行时控制 (1)机侧变流器的控制: 1. 控制风力机转速,实现最大风能捕获; 2. 控制变频器实时变换励磁电流频率, 保证 定子 侧输 出 工频电流; (2) 网侧变流器的控制: 1. 超同步运行时,将转子输出电流逆变为与电网频率、幅 值相同的交流电,保证 电压恒定,提高发电效率。 2. 实现对电网发送有功功率和无功功率的控制。 (二)制动控制 1.正常制动 (1)低速变桨距至 90 度; (2)转速降至脱网转速时脱网;

2.快速制动 (1)快速变桨至 90 度; (2)转速降至脱网转速时脱网; 3.紧急制动 (1)高速变桨至 90 度; (2)断开安全链; (3)启用机械刹车制动; (三)安全保护控制 1. 雷电安全保护 2. 过压过流保护 3. 震动保护 4. 开机关机保护 5. 电网掉电保护 6. 紧急停机安全链保护 7. 微机控制器抗干扰保护 8. 接地保护 9. 监控功能

五、风电大规模并网对电力系统的影响 五、风电大规模并网对电力系统的影响
风电场出力的主要特点是随机性、间歇性及不可控性,主要随风 速变化。随着风电场的容量越来越大,对系统的影响也越来越明显。 因此,风电并网运行给电网带来诸多不利影响。 一、电量平衡问题 具体表现在以下两方面: 1.电网并网的风电机组的电力供应无法满足稳 定性、连续性和 可调性等要求,输出功率的不断变化容易对电网造成冲击。 2.无法预知风电厂未来不 同时刻的发电出力,调度运行人员无 法对风力发电做出有效的发电计划,导致系统备用电源、调峰容量和 系统运行成本增加以及威胁系统安全稳定。 二、电压闪变 1、风力发电机组大多采用软并网方式,但是在启动时仍然会产 生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时,风机会从额定出力状态 自动退出运行。如果整个风电场所有风机几乎同时动作,这种冲击对 配电网的影响十分明显。 2、风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动,而 其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内(低于 25Hz),因 此,风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题,影响电能质量。 二、谐波污染 风电给系统带来谐波的途径主要有两种: 一种是风力发电机本身配备的电力电子装置,可能带来谐波问

题。但是对于变速风力发电机则不然,因为变速风力发电机通过整流 和逆变装置接入系统, 如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波 的范围内,则会产生很严重的谐波问题 另一种是风力发电机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐 振,在实际运行中,曾经观测到在风电场出口变压器的低压侧产生大 量谐波的现象。 谐波对电力网的危害: (1)增加了电力网中发生谐振的可能; (2)增加电气设备附加损耗; (3)加速绝缘老化,缩短使用寿命; (4)继电保护、自动装置不能正常动作; (5)不能正确计量仪表; (6)干扰通信系统。 三、电压稳定性 大型风电场及其周围地区,常常会有电压波动大的情况。主要是 因为以下三种情况。 1.风力发电机组启动时仍然会产生较大的冲击电流。 单台风力发 电机组并网对电网电压的冲击相对较小, 但并网过程至少持续一段时 间后(约为几十秒)才基本消失, 多台风力发电机组同时直接并网会造 成电网电压骤降。 因此多台风力发电机组的并网需分组进行, 且要有一定的间隔时 间。

2.当风速超过切出风速或发生故障时, 风力发电机会从额定出力 状态自动退出并网状态,风力发电机组的脱网会产生电网电压的突 降,而机端较多的电容补偿由于抬高了脱网前风电场的运行电压, 从 而引起了更大的电网电压的下降。 3.风电场风速条件变化也将引起风电场及其附近的电压波动。 比 如当风场平均风速加大,输入系统的有功功率增加,风电场母线电压 开始有所降低,然后升高。 (这是因为当风场输入功率较小时,输入 有功功率引起的电压升数值小,而吸收无功功率引起的电压降大 。 当风场输入功率增大时,输入有功引起的电压升数值增加较大,而吸 收无功功率引起的电压降增加较小。如果考虑机端电容补偿,则风电 场的电压增加。 ) 特别的,当风电场与系统间等值阻抗较大时,由于风速变动引起 的电压波动现象更为明显。 值得一提的是,如果采用异步发电机作为风力发电机,除非采取 必要的预防措施,如动态无功补偿、加固网络或者采用 HVDC 连接, 否则当网络中某处发生三相接地故障时, 将有可能导致全网的电压崩 溃。 四、无功控制 大型风电场的风力发电机几乎都是异步发电机, 在其并网运行时 需从电力系统中吸收大量无功功率,增加电网的无功负担,可能导致 小型电网(内蒙古电网)的电压失稳。因此风力发电机端往往配备有 电容器组,进行无功补偿。

内蒙古电网属于小网架, 而风电接入容量的各项比例已经达到全 世界的领先水平,接入容量越大,因此,对于内蒙古电网,风电大规 模并网后,在以上各方面,电力系统的影响也越大。 五、有功调度 1.反调峰特性,夜间低负荷、大风 时段,风电出力快速增加。 2.内蒙古冬季气候寒冷,电网供热机组占火电机组比例接近 40 %。受电源结构制约,内蒙古电网调峰、调压能力不足、手段单一。 特 别是冬季供热期,供热机组必须满发运行,不能参与调峰,大规模风电 并网后,电网无法保证安全运行。 3.内蒙古风电装机容量已超过最高供电负荷的 25%以上,内蒙古 电网通过优化调度,白天风电都能够满负荷运行,但到后夜低谷期,为 保证城市居民供热,留给风电的负荷裕度已经很小,风电不得已采取 全部"弃风"的措施。 六、内蒙古地区电网建设问题 1.电网投资能力无法满足大规模开发风电送出要求。 也就是大规 模风电并网后的消纳困难。 2.电网投资能力不能满足风电发展的需要。因为风电接入,电网 不但需加大 500 千伏主网架的投资,而且需进一步加强电网结构和电 网改造,从而加大电网投资压力。 结论及解决方法 (1)国外成功开发风电的经验启示 1.不断加强电网网架

2.配套充足的调峰电源 3.搭建强大的市场平台 4.加强风机技术研发,严格入网检测 (2)具体解决方法


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