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几种常见风力发电系统的技术比较ag亚游集团只为非 发布日期:2019-08-15 19:28 浏览量:

  几种常见风力发电系统的技术比较_电力/水利_工程科技_专业资料。新能源及工艺 几种常见风力发电系统的技术比较 刁瑞盛 , 徐 政 , 常 勇 (浙江大学 电 机系 , 浙江 杭州 310027) 摘 要 :结合国内外风力发电的发展现状介绍了几种常见的风力

  新能源及工艺 几种常见风力发电系统的技术比较 刁瑞盛 , 徐 政 , 常 勇 (浙江大学 电 机系 , 浙江 杭州 310027) 摘 要 :结合国内外风力发电的发展现状介绍了几种常见的风力发电 系统 , 详细阐述了风力发电原理 和风力机 系统的数学模型 , 并对这几种风力机系统进行技术比较 , 最后简要介绍了风力发电接入系统后对电网的影响 。 关键词 :风力发电系统 ;风 速模型 ;风能捕获 ;风力机运行特性 中图分类号 :TM 614文献标识码 :A文章编号 :1004 - 3950(2006)02 - 0020 - 06 T echn ical comparison between several common w ind power generation system s D IAO R u i-sheng, XU Zheng, CHANG Y ong (Co llege o f E lectrica l Eng ineering, Z he jiang U niversity, H angzhou 310027, China) Ab strac t:In th is paper several common w ind pow er generation system s a re in troduced a t hom e and abroad, the princi- p le o f w ind pow e r genera tion and its m athem atic m ode ls are explain in deta i.l Compares the te chn ica l charac teristics be tween them and fina lly discusses the ir impacts on pow er ne tw ork by g rid connection. K ey word s:w ind pow er generation system;w ind m ode l;w ind powe r captu re;w ind tu rbine ope ra tion charac teristic 0引 言 近 30年来世界风力发电正以每年大于 30% 的速度发展 , 部分国家甚至达 60%以上 。大型风 力发电机组的制造水平及其控制技术有了很大提 高 , 商业化风力机的容量已由原来的十几千瓦增 长到了目前的 3 ~ 5MW , 接入电网后大型风场的 运行 、控制技术也日趋成熟 。根据 UW IG 的统计 , 截至 2005 年 初 , 全 球的 风 力 发 电 总 容 量 达 到 47574MW ;预计到 2020年 , 世界风电总装机容量 将达到 1250GW , 其发电量将占全球发电总量的 12%。图 1给出了截至 2004年底世界风力发电 装机容量前 10位的国家 [ 1] , 可以看出 , 欧洲的风 力发电处于世界领先地位 , 其首要原因是欧洲各 国通过制定政策 、法规来鼓励增加风力发电的比 重 , 同时对使用风电的用户给予一定补偿 ;另一个 主要原因是这些国家大型风电机组制造 、运行及 控制技术已经成熟 , 处于世界领先水平[ 2] 。 我国是一个风能资源丰富 、分布广泛的国家 。 据测算 , 我国风能经济可 开发量为 2. 53 亿 kW 。 图 1世界 各国风机装机容量对比 如果按年利用小时数 2000 ~ 2500h 计 , 风电的年 发电量可达 5060亿 ~ 6325亿 kW h[ 3] 。风力发电 非常适合我国风力资源丰富的偏远山区 、农村 、海 岛等不适合大规模建设电力网的地区进行供电 , 成为一次能源的重要补充 。但是目前我国的风力 发电事业还处于起步阶段 , 装机容量只占全国发 电总装机容量的 0. 11%, 国内大型风力机的制造 水平和控制技术与国外先进技术有较大差距 。 国 内所建设的各大型风力发电场主要靠进口设备 , 收稿日期 :2005 - 11 - 10 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50277034) 作者简介 :刁瑞盛 (1981 -), 男 , 辽宁沈阳人 , 硕士研究生 , 从事风力发电及配电网方面研究 。 - 20 - ENERGY ENG IN EER ING 2006② 新能源及工艺 平均每千瓦造价约 1000美元 , 这也是风电成本较 高的主要原因 。另外 , 一个影响风力发电大规模 应用的重要原因是风力发电的稳定性问题 , 风能 具有很高的不确定性 , 这将导致输出的功率不能 像传统的火电 、水电那样保持恒定 , 当接入电网的 风机容量不断增大时 , 这种不确定性会对电网的 正常运行产生较大影响 , 甚至威胁电网的安全稳 定运行 。因此 , 有必要对风力发电原理及对其电 网的影响进行详细研究 。 1风力发电原理及风 机模型 风力发电是将风能转化为机械能 , 机械能再 转化为电能的过程 。 风吹动风力机叶片旋转 , 这 个转速通常较低 , 通常需要齿轮箱增速 , 将高速转 轴连接到发电机转子并带动发电机发电 , 发电机 输出端再接一个升压变压器后连接到电网中 。 图 2给出了完整的风力发电系统结构图 。 其中包括 风力机 (叶片 、轮毂等部分 )及其控制器 、转轴 、换 流器 、发电机及其控制器等部分 。 图中阴影部分 表示某些类型风力机不需要换流器 , 如恒速运行 的感应电机 。风速 v作为风力机及其控制器的输 入信号 , 风力机控制器与参考值进行比较 , 输出桨 距角信号给风力机 , 调整其输出机械转矩 T 和机 械功率 PWW 。转轴输出的机械功率 PW 输入到发 电机中 , 发电机的输出功率 PG 经过换流 器输送 到变压器中 , 最终输送至电网 。 图 2风力发电系统结构图 风力发电的发电机有笼型转子异步机 、绕线 转子异步机 、同步机 、永磁发电机 、可变磁阻发电 机等几种[ 4] , 其中以笼型异步机最为常见 。 各种 发电机的详细数学模型可在许多文献中找到 。 换 流器大多采用脉宽调制 (PWM - VSC )或 正弦脉 宽调制的电压源换流器 (SPWM - VSC), 这两种 换流器都可以在四象限范围内运行 , 实现有功 、无 功解耦控制 , 提高电能质量 。 文献 [ 5] 、[ 6] 分别 介绍了应用在变速恒频风力发电系统中的两个背 靠背 PWM 控制器的详细模型和控制方式 。 1. 1风速模型及风能捕获 风能具有很强的随机性 , 因此在判断一个地 区的风况时 , 必须考虑到风的统计特性 , 其中较重 要的是风速的频率分布 。 通常用于拟合风速分布 的线性包括瑞利分布 、对数正态分布 、双参数威布 尔分布 、三参数威布尔分布等[ 5] 。 文献 [ 7] 详细介 绍了一种用于研究风力发电系统与电网之间动态 影响的风速模型 。 在研究风力发电系统时 , 风速 模型 v(t)一般用频率在 0. 1 ~ 10H z的一系列谐 波总和来模拟 , 如式 (1)所示 : ∑ v(t) =v0 1 + Ak sin(ωk t) +vg (t) (1) k 式中 :v0 为平均风速 ;Ak 为 k次谐波幅值 ;ωk 为 k次 谐波频率 ;vg (t)为阵风风速 , 可用式 (2)来模拟 : vg (t) = 1 2vgm ax +e- 4 sin(ωg t- 1) (2) 式中 :vgmax 为阵风幅值 m /s;ωg 为阵风角速度 , ωg =2π /Tg 。 为了在仿真分 析中更加简便 地使用风 速模 型 , 风又可以分为随机风 、渐变风和阵风 , 这三种 风速模型共同叠加在平均风速 v0 上 , 就形成了用 于仿真计算的风速模型 。图 3给出了常用于仿真 分析中的几种风速波形 。 2006②能源工程 - 2 1 - 新能源及工艺 图 3 几种风速模型 风吹动叶片后速度会降低 , 但是不会减少到 零 。因此 , 风力机所捕获的风能只占来流风能的一 部分 。根据贝茨定律 , 当流过叶片的风速与来流风 速之比为 1 ∶3时 , 风力机可达到最大的风能捕获 系数 0. 593。风力机捕获的风能与风速 v(m /s)、空 气密度 ρ(kg /m3 )、风轮扫过的面积 S (m2 )、叶片 尖速比 λ以及叶片桨距角 等因素有关 。根据风 力机特性 , 捕获的风能 Pww 可由式 (3)来求得 : Pww =Cp (λ, ) Pw ind =Cp (λ, ) 1 2 ρS v3 (3) 叶尖速比 λ是指叶片叶尖线速度与来流风速 的比值 , λ =ωR /v;ω是风轮旋转的角速度 ;R 是 风轮旋转半径 (约等于叶片长度 );桨距角 是叶 片与旋转平面的夹角 ;C p 是风能捕获系数 (也称 Be tz因子 ), 它是叶尖速比和风力机桨距角的函 数 , 一般可以用 (4)式来计算 : Cp (λ, ) =c1 (c2 1 Λ - c3 - c4 x - c5 )e- c 1 6Λ (4) c1 ~ c6 随着风力机类型的 不同而取不同的 值 。文献 [ 8] 给出了一种风力机的 c1 ~ c6 取值和 一种 1 /Λ的定义 :c1 =0. 5, c2 =116, c3 =0. 4, c4 =0, c5 =5, c6 =21。 1 Λ =λ+01. 08 - 0. 035 1+ 3 (5) 从图 4可以看出 , 桨距角的大小和叶尖速比 都是影响 Cp 的重要因素 。不同的桨距角对应的最 大 C p 不同 , 桨距角越小 , Cp 的峰值越大 。控制 λ和 就可以控制风力机捕获的风能 , 这就构成了风 力机功率控制的基础 。文献 [ 8] 、[ 9] 给出了其他 一些风力机的 C p 计算方法 。需要注意的是 , 图 4 所示的 C p 曲线峰值未能达到贝茨上限 , 是由于风 力机系统设计的不完美造成的 。 - 2 - ENERGY ENG IN EER ING 2006② 图 4Cp 特性曲线风力机传动部分模型 风力发电机组的传动部分主要包括轮毂 、风 力机叶片 、转子转轴和齿轮箱 (若采用低速多极 同步发电机则不需要齿轮箱 )。其中轮毂及叶片 约占整个传动部分总质量的 90%, 发电机转子占 6% ~ 8%, 其余部分占 2% ~ 4%。同时 , 发电机 的扭转刚度是最大的 , 大约是转轴的 100倍 , 轮毂 及叶片的 50倍 。因此 , 风力发电机组的传动部分 不能用单一质量块来建模 , 否则会对系统临界切 除时间 (CCT)的计算产生影响[ 10] 。传动部分模型 最少可以用双质量块模型来实现 , 其中齿轮箱部 分通常包含在发电机质量块中 。这里为了完整起 见 , 考虑了齿轮箱的作用 。 图 5 风力发电系统传动部分模型 新能源及工艺 该模型可以用以下方程组来描述 : dδW dt =ωW - ωW0 =ΔωW (6) dδG dt =ωG - ωG 0 =ΔωG (7) JW dΔωW dt =τW - K (δW - δυG )- D (ΔωW - ΔωG υ ) - D (ΔωW - ΔωG υ ) (8) JG dΔωG dt K (δW =τG + - δυG ) +D (ΔωW υ - ΔωG υ ) (9) 其中 :下标 W 代表风力机 、G 代表发电机 ;J 为惯性常量 ;δ为扭转角度 ;τ为扭矩 ;D 为阻尼系 数 ;K 为刚性系数 ;υ为齿轮箱的增速比 。 风力机输出的机械功率 PWW 通过转轴后的 输出功率 PW 可近似用一阶差分方程来描述 : PR P WW =KW 1 +sTW1 1 +sTW2 (10) 这里忽略了叶片离心力 、重力 、变化的空气动力等 因素的影响 。 1. 3风力机运行特性 风力机理想的有功输出 — 风速的运行特性 曲线所示 , 共包括四种运行状态 : ①v vcu t_ in , 风力机停止运行 ; ②vcu t_ in v vn , 风力机以部分负荷运行 ; ③vn v vcu t_ ou t , 风力机以全负荷运行 ; ④v vcu t_ ou t , 风力机停止运行 。 其中 :υcu t_ in 为风力机切入速度 (m /s), 一般在 3 ~ 5m /s之间 ;υn 为风力机额定风速 (m /s), 一般在 15m /s左右 ;υcut_ou t为风力机切出速度 (m /s), 一般 在 25m /s左右 。 当风速超过切出风速时 , 为了保护机组的安 全 , 必须使叶片停止转动 , 待到风速降低到切出风 速以下时才可以重新切入 。 2几种常见的风力发 电系统及其特性 风力发电机组 一般按照风力 机转速进 行分 类 , 可分为恒速运行风力机和变速运行风力机。 文献 [ 4] 、[ 8]分别介绍了 12种和 8种不同的风 力发电系统概念模型 。 以下分别介绍目前广泛使用的 3种风力发电 机组 、其控制方式及特点 。 图 6风力机运行特性理想曲线恒速鼠笼式感应发电机组 2. 1恒速风力机 +感应发电机 这种风力发电机组如图 7所示 , 系统包括风 力机 、齿轮箱 、感应发电机 、软起动装置 、电容器组 以及变压器等部分 , 是目前我国应用得最广泛的 一种系统 。 在正常运行时 , 风力机保持恒速运行 , 转速由发电机的极数和齿轮箱决定 。若采用双速 发电机 , 则风力机可以在两种不同的速度下运行 , 以提高功率输出 。软起动装置的作用是防止风力 机切入和切出时产生过大的冲击电流 , 而电容器 组则是为感应发电机提供足够的无功补偿 。常用 于这种恒速风力机系统的功率控制方式为定桨距 控制 , 或失速控制 。它是指叶片与转轴刚性连接 , 风力机桨距角保持不变 , 当风速增大时风力机叶 片的攻角增大 , 直到最后气流在翼型上表面分离 而产生脱落 , 即失速效应 。 这时叶片升力减小 , 阻 力提高 , 从而达到降低风能捕获的目的 。 可以看出 , 这种机组的突出优点是结构简单 、 鲁棒性好 、控制方便 、无需进行维护 、造价较低 , 但 是也存在一些问题 , 包括 :(1)无功不可控 , 需要 电容器组或 SVC 进行无功补偿 ;(2)叶片与轮毂 刚性连接 , 风速波动较大时产生较大的机械负载 , 容易导致齿轮箱故障 , 对叶片要求也较高 ;(3)输 出功率波动较大 ;(4)发生失速时 , 难以保证恒定 的功率输出 , 输出功率有所降低 。鉴于以上原因 , 这种风力发电系统的容量通常较小 。 2006②能源工程 - 2 3 - 新能源及工艺 2. 2变速恒频双馈式风力发电机 双馈式风力机是变速运行风力机的一种 , 其 模型如 图 8 所示 , 包 括风力机 、齿 轮箱 、感应 机 、 PWM 变频器和直流侧电容器等 。 双馈机的定子 与电网直接连接 , 转子通过两个 VSC 变频器连接 到电网中 , 机组可在较大速度范围内运行 , 与电网 之间实现能量双向传输 。 当风力机运行在超同步 速度时 , 功率从转子流向电网 ;而当运行在次同步 速度时 , 功率从定子流向转子 。 直流侧电容器的 作用主要是 维持直流侧电 压 。 与恒速风 力机不 同 , 其功率控制方式为变桨距控制 , 是指桨距角随 着风速的改变而改变 , 从而使风力机在较大范围 内按最佳参数运行 , 以提高风能利用率 。 当风速 增大到额定值以上时 , 叶片与轮毂间的轴承机构转 动使叶片桨距角增大 , 攻角减小 , 从而减小翼型的 升力 , 达到控制风力机叶片的扭矩和功率的目的 。 发电机 、全功率变频器 、直流侧电容等 。当发电机 采用低速多极同步发电机时 , 可以不使用齿轮箱 , 即 “直接驱动 ”风力机系统 。变 频器部分可以采 用两个背靠背的全功率电压源换流器 , 也可以通 过直流电缆进行连接 。 与双馈式风力机不同 , 此 风力机系统的输出功率通过两个全功率变频器输 送到电网中 , 与电网彻底隔开 , 因此可以在不同的 频率下运行而不影响电网的频率 。 其优势体现在 :(1)通过控制变频器的调制 比可以分别控制有功和无功 , 在系统故障时提供 无功支持 , 提高电网动态特性 ;(2)也不需要并联 电容器作无功补偿装置 ;(3)由于此风力机是变 速运行系统 , 其功率控制方式也是变桨距控制 , 可 以提高风能利用率 ;(4)考虑到海上风力资源丰 富以及风电场选址等问题 , 建立在近海的风力发 电场需要用直流电缆与陆地换流站连接 ;(5)可 以向海岛 、偏僻地区等无源网络供电 , 体现出轻型 直流输电的优势 。这种风力机系统在国外已有一 系列工程实例 , 但是在我国尚未得到应用 , 其主要 原因是全功率变频器的造价很高 , 相应的损耗也 较大 。 但是 , 这可以通过增加装机台数以及使用 适当的 PWM 控制策略得到一定弥补 [ 12] 。 图 8双馈式风力发电机 双馈式风力机是目前世界各国风力发电的研 究热点之一 , 我国已有部分地区的风力发电场开 始使用这种风力机系统 。 相对于传统的恒速风力 机 , 其性能优势体现在 :(1)控制转子电流就可以 在大范围内控制电机转差 、有功功率和无功功率 , 参与系统的无功调节 , 提高系统的稳定性 ;(2)不 需要无功补偿装置 ;(3) 可以追踪最大风能[ 11] , 提高风能利用率 ;(4)降低输出功率的波动和机 组的机械应力 ;(5)在转子侧控制功率因数 , 可提 高电能质量 , 实现安全 、便捷并网 ;(6)其变频器 容量仅占风力机额定容量的 25%左右 , 与其他全 功率变频器相比大大降低变频器的损耗及投资 。 因此 , 目前的大型风力发电机组一般是这种变桨 距控制的双馈式风力机 , 但其主要缺点在于控制 方式相对复杂 , 机组价格昂贵 。 2. 3变速风力机 +同步发电机 这种机组也是 变速运行风力 发电系统 的一 种 , 其结构如图 9所示 , 包括风力机 、齿轮箱 、同步 - 24 - ENERGY ENG IN EER ING 2006② 图 9变 速运行的同步发电机 以上三种风力发电系统代表了风电的发展趋 势 , 随着大功率电力电子器件性价比的提高以及 控制策略的发展 , 用第三种风力机系统的优势将 会逐渐得以体现 。 3风力发电对电网 的影响 3. 1对电能质量的影响 风速的不断变化引起风力机与电网之间潮流 的变化 , 同时引起电网中节点电压的波动 , 文献 [ 11]给出了风电系统接入辐射 型和网状网络中 节点电压波动的计算方法 , 并可以通过电压波动 上限来确定接入点的风机装机容量 。传输功率的 波动还会引起网络节 点的电压闪变 [ 14, 15] 。 当大 型风力机系统启动时 , 感应机会吸收大量的无功 新能源及工艺 功率 , 如果没有足够的无功补偿 , 将会导致节点电 压跌落 ;另外 , 风力机系统中应用的各种电力电子 装置的开通和关断会引起节点电压下降 , 同时会 产生谐波 、间谐波等问题 。 3. 2对系统稳定性影响 风力发电接入系统后 , 会对系统的电压稳定 性 、静态稳定性以及动态稳定性产生影响 。 由于 目前使用的风力机大多是异步机 , 随着装机容量 的增大 , 其 Q - V 曲线特性会引起风力机接入点 的节点电压稳定裕度下降 , 对电压稳定产生影响 。 总体来说 , 风力发电的接入会提高电网的静态稳 定性而降低其动态稳定性 。 3. 3风力机系统中异步机的自激磁 当风力机系统从电网中切除时 , 用于无功补 偿的并联电容器组会引起异步电机的自激磁 。 另 外 , 其他一些无功补偿装置也有可能引起异步机 的自激磁 。 在这种情况下 , 与电网孤立的系统其 电压和频率通常会升高 , 这就需要保护装置和控 制系统来限制过电压以及频率的波动 。 3. 4对短路电流和保护装置的影响 风力机系统接入电网后 , 会增加系统的短路 电流 , 改变短路电流特性 。 异步机的短路电流衰 减很快 , 但是初始值很高, 在短路分析中不能忽 略 。风力机系统的保护装置有时为了保护风力 机 , 把风力机从电网中切除 。 如果风力机容量很 大 , 这可能对电网产生不利影响 。因此 , 风力机的 保护系统应该与电网的保护系统进行配合 , 减小 其对电网的负面影响 。 另外 , 风力机系统的接入 会提高系统的短路容量 , 有可能超过电网保护装 置容量的限制 , 因此在确定风力机装机容量时应 予考虑 。 3. 5对有功损耗的影响 电力系统中的有功损耗会由于风力机系统的 接入而改变 , 而功率损耗的增加或减小取决于电 网的结构 、风力机接入前电网的潮流以及接入点 的位置等等 。 4结 语 目前 , 风力发电在世界范围内飞速发展 , 装机 容量不断增大 , 制造水平及控制技术不断提高 , 具 有巨大的开发潜力 。 我国风力发电事业正处于起 步阶段 , 希望本文能引起国内学者的兴趣 , 提供一 些参考 , 促进我国风电事业蓬勃发展 。 参考文献 : [ 1] G LOBA L W IND ENERG Y COUNC IL. 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