第七讲 风力发电机组的并网运行2.ppt

第七讲风力发电机组的并网运行风能是一种不稳定的能源，如果没有储能装置或与其他发电装置互补运行。风力发电装置本身难以提供稳定的电能输出。为了解决风力发电稳定供电的问题，目前国内外比较一致的看法是：大型风力发电机(1000千瓦以上)并网运行；中型风力发电机(从几十千瓦到几百千瓦)或者并网运行，或者与柴油发电机或其他发电装置并联互补运行；小型风力发电机(10千瓦以下)主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行。一、恒速恒频风力发电机的并网运行大、中型或大型风力发电机(几百千瓦到几兆瓦)主要是采用并网运行方式。在这种运行方式中主要解决的问题是并网控制和功率调节问题。下面根据风电系统所采用的发电机类型分别作一介绍。1.1同步发电机的并网运行风力驱动的同步发电机与电网并联运行的电路如图1所示。除风力机、增速器外，电气系统包括同步发电机、励磁调节器、断路器等，发电机通过断路器与电网相联。其运行特点是：（1）同步并网同步发电机与电网并联合闸前，为了避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩，需要满足一定的并联条件，这些条件是：a)风力发电机的端电压大小等于电网的电压；b)风力发电机的频率等于电网的频率；c)并联合闸的瞬间，风力发电机与电网的回路电势为零；d)风力发电机的相序与电网的相序相同。由于风力发电机有固定的旋转方向，只要使发电机的输出端与电网各相互相对应，即可保证第4个条件得到满足。所以在并网过程中主要应检查和满足前三个条件。风力发电机组的起动和并网过程如下：由风向传感器测出风向并使偏航控制器动作，使风力机对准风向。当风速超过切入风速时，桨距控制器调节叶片桨距角使风力机起动。当发电机被风力机带到接近同步转速时，励磁调节器动作，向发电机供给励磁，并调节励磁电流使发电机的端电压接近于电网电压。在风力发电机被加速几乎达到同步速度时，发电机的电势或端电压的幅值将大致与电网电压相同。它们的频率之间的很小差别将使发电机的端电压和电网电压之间的相位差在0。和360。的范围内缓慢地变化，检测出断路器两侧的电位差，当其为零或非常小时使断路器合闸并网。合闸后由于有自整步作用，只要转子转速接近同步转速就可以使发电机牵入同步，即使发电机与电网保持频率完全相同。以上过程可以通过微机自动检测和操作。这种同步并网方式可使并网时的瞬态电流减至最小，因而风力发电机组和电网受到的冲击也最小。但是要求风力机调速器调节转速使发电机频率与电网频率的偏差达到容许值时方可并网，所以对调速器的要求较高，如果并网时刻控制不当，则有可能产生较大的冲击电流，甚至并网失败。另外，为了实现上述同步并网所需要的控制系统，一般不是很便宜的，对于小型风电机组将会占其整个成本的一个相当大的部分，由于这个原因，同步发电机一般用于较大型的风电机组。（2）有功功率调节风力发电机并入电网后，从风力机传入发电机的机械功率Pm除一小部分补偿发电机的机械损耗qm、铁耗qFe和附加损耗qed外，大部分转化为电磁功率Pem，即：Pem=Pm-(qm+qFe+qed)(1)电磁功率减去定子绕组的铜损耗qcul后就得到发电机输出的有功功率P，即：P=Pem–qcul(2)对于一个并联在无穷大电网上的由风力驱动的同步发电机，要增加它的输出电功率，就必须增加来自风力机的输入机械功率。而随着输出功率的增大，当励磁不作调节时，电机的功率角δ就必然增大。图2示出同步发电机的功角特性，可以看出，当δ=90。时，输出功率达到最大值，这个发生在sinδ=1时的最大功率叫做失步功率。达到这个功率后，如果风力机输入的机械功率继续增加，则δ超过90。，电机输出功率下降，无法建立新的平衡，电机转速将连续上升而失去同步，同步发电机不再能稳定运行，所以这个最大功率又称为发电机的极限功率。如果一台风力发电机运行于额定功率状况，突然一阵剧烈的阵风，有可能导致输出功率超过发电机的极限功率而失步。避免出现这种情况的办法，一是很好地设计风轮转子及控制系统使其具有快速桨距调节功能，能对风速的急剧变化迅速作出反应；另一个办法是短时间增加励磁电流，这样功率极限也跟着增大了，静态稳定度有所提高；第三个办法是选择具有较大过载倍数的电机，即发电机的最大功率比起它的额定功率来有一个较大的裕度。从功角特性曲线看到的另一个情况是当功率角δ变成负值时，发电机的输出功率也变成负值，这意味着发电机现在作为电动机运行，功率取自电网，风力机变成了一个巨大的风扇，这种运行情况当然是不希望的。所以当风速降到一个临界值以下时，应使发电机与电网脱开，防止电动机运行。（3）无功功率调节电网的总负载中，除了需要有功功率，有的负载还需要无功功率，如异步电动机和变压器等都需要电感性的无功功率。整个电网要是无功功率发得不够，就会导致电网的电压下降，这对用户是很不利的。因此同步发电机与电网并联后，不仅能向电网发