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风力发电并网技术及电能质量控制策略

导读: 对传统发电技术和风力发电技术进行了对比,研究了恒速、变速风力发电机的不同拓扑结构以及风力发电机的各种并网控制技术,并对这几种并网技术所带来的电能质量问题的控制策略进行了总结。指出今后风力发电的研究方向是提高单机容量,以及加强电力电子装置在风电并网及电能质量控制等方面的应用。

  引言

  风能资源是清洁的可再生能源。风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。

  随着电力电子技术发展和成本降低。其在控制方面和电网接人方面为风力发电的性能改善提供了一个新的解决方案。电力电子技术可以实现扇片的调速。从而町得到更多的风能。同时电力电子装置可以为风电并网系统中所出现的无功、谐波等电能质量问题提供解决方案。现将分别对同定速度和凋速风力发电机。针对不同拓扑结构的工作原理进行比较与分析。并针对不同类型的风电系统的电能质量问题进行分析。

  1.恒速恒频风电系统

  恒速恒频发电机系统采用的是普通异步发电机。这种风电机组的发电机正常T作在超同步状态。转差率为负值。并且其变化范围较小。所以被称为恒速恒频风力发电机组。

  目前,国内应用较多的是恒速恒频发电机组,但是电力电子装置应用较少。其中也有些机组的转子回路接入电阻。用电力电子器件控制转子电流的大小来调节转速。这种风电机组的主要缺点是:当风速迅速增大时。风能将通过桨叶传输给主轴、齿轮箱和发电机等部件。产生很大的机械应力。引起这些部件的疲劳损坏:同时在正常工作时这类风电机组无法对电压稳定进行控制。不能和同步发电机一样提供电压支撑能力。阗此。当电网故障时会影响系统电压的恢复和系统稳定。这也是普通异步发电机的风电机组的主要缺陷。其次。因为恒速恒频风力发电系统发出的电能是随风速波动的。若风速急剧变化。可能会引起风电机组发出的电能质量有问题,如电压闪变、无功波动等。通常在这类风电系统中采用静止无功补偿器SVC或TSC来进行动态无功补偿。并通过软启动方法抑制启动时的发电机电流。

  2.变速恒频风电系统

  随着电机变频凋速技术的不断发展。采用双馈异步发电机和永磁多极同步电机的变速恒频风力发电系统得到了更加广泛的研究与应用。

  变速恒频风力发电系统有下列优点:

  a.根据风速的变化。风力机以不同的转速旋转。

  减少了对风力机等机械装置的机械应力:

  b.通过对最佳转速的跟踪。风力发电机组在可发电风速范围内均町获得最佳功率输出:

  c.风力机能够对变化的风速起到一定的缓冲。

  使输出功率的波动变化减小:

  d.通过对风电机组有功和无功输出功率进行解耦控制。并采用一定的控制策略。以分别单独控制风电机组有功、无功的输出,具备电压的控制能力。

  冈此。变速恒频风力发电系统对电网的稳定安全运行很有利。当前的变速恒频风力发电系统中较多的是采用双馈异步发电机的风电机组。该类机组在国外的应用已经很普及。困内新建的风场也大都采用这种机型。另外。采用永磁多极同步发电机的风电机组技术已比较成熟。困外已开始应用。

  在双馈风力发电机组的控制方面。电力电子装置起到了关键作用。当风速变化引起发电机转速变化时,通过变频器调整转子电流的频率f,可使定子频率工恒定,即应满足:工=p。其中,工为定子电流频率,与电网频率相同;名为转子机械频率;P为电机的极对数;f为转子电流频率。有下述3种情况:

  a.凡<n,(n,为定子旋转磁场转速)时,发电机处于哑同步状态。此时变频器向发电机转子提供交流励磁电流。发电机通过定子向电网提供电能:

  b.当n>n.时,此时发电机处于超同步状态,由定子和转子共同向电网提供电能:

  c.当凡=凡。时,发电机处于同步状态,此时发电机等效为同步电机运行。变频器向转子提供直流励磁。

  双馈电机通过变频器调节转子的励磁电流实现变速恒频控制。此时转子电路的功率只是由交流励磁发电机的转速运行范同决定转差功率。该转差功率仅为定子额定功率的一小部分。所以对变频器的容量要求、控制难度及成本大幅度降低。并且采用变频器调节交流励磁的双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频榨制,还町以对有功、无功功率实现单独解耦控制。对电网而言可起到补偿无功和稳定电压的作用。双馈风力发电机组有如下优点:

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