风力发电技术讲座六 风电场及风力发电机并网运行.pdf
技 术 讲 座R E N E WA B L E E N E R G Y N o.62 0 0 6(1 3 0I s s u e i nA l l)9 8风 力 发 电 技 术 讲 座(六)风 电 场 及 风 力 发 电 机 并 网 运 行姚兴佳,王士荣,董丽萍(沈阳工业大学 风能技术研究所,辽宁 沈阳1 1 0 0 2 3)中图分类号:T M 6 1 4文献标志码:B文章编号:1 6 7 1-5 2 9 2(2 0 0 6)0 6-0 0 9 8-0 41风电场风电场(即风力发电场)是大规模利用风能的有效方式。风电场是在风能资源良好的较大范围内,将几台、或几十台、或几百台单机容量数十千瓦、数百千瓦,乃至兆瓦的风力发电机,按一定的阵列布局方式,成群安装组成的向电网供电的群体。(1)风电场的发展2 0世纪7 0年代末,风电场的概念首先在美国提出。到1 9 8 7年,世界上9 0%以上的风电场建在美国,主要分布在加利福尼亚州及夏威夷群岛,装有70 0 0多台不同型号风力发电机,总装机容量在6 0 0 M W以上。另外,丹麦、荷兰、德国、英国等也都建有总装机容量达兆瓦以上的风力发电场。进入2 0世纪9 0年代,特别是9 0年 代 后半期,不仅在发达国家,而且在发 展 中 国 家,风 力 发 电 场 的 建 设 都 呈 现 蓬 勃 发 展 的 局 面。到2 0 0 3年 底,全 世 界 风 电 场 总 装 机 容 量 达3 91 5 1M W,其中德国最多,为1 46 0 9M W,其次美国为63 7 0M W,西班牙为62 0 2M W,丹麦为31 1 0M W;发展中国家印度的风电场总装机容量已超过21 1 0M W,居第5位。中国为5 6 7M W,位于第9。(2)选择风电场的场址需考虑的因素和条件风电场要建立在风能资源丰富地区,年平均风速应在6 7 m/s以上;风能密度应达到2 5 0W/m2以上;风电场地区的盛行风向(经常出现的风向)稳定;要测量和收集预选风电场址(至少2年)的风况特性(包括风速、风向、风频及风速沿高度的变化等),以便对场内安装的风力发电机的发电量作出精确的估算;有预选风电场址所在地区的气象环境情况(如温度、相对湿度、大气压力、空气密度)及特殊气象情况(如台风、大风、冰冻、盐雾、沙尘、雷电、紊流等)的详细观测数据及资料;有风电场地区的地形、地貌(如地表面摩擦系数)、障碍物(如建筑物)等详细的资料;风电场应距公路较近,这将关系到风电设备的运输方便与否,进而影响风电场工程费用;风电场应距地区电力网较近,这将影响风电工程费用;规划出风电场送入地区电力网的最大电功率与地区电力网总容量的比例,即风电的最大透入率,以便确定风电场风力发电机组的输出对公用电力网系统的影响;风电场应距居民点有一定的距离,以降低噪声及电磁波对居民生活的干扰;风电场占地面积要少,要尽量减少对可耕地的占用。(3)风电场内风力发电机的排列在风电场中,风力发电机的排列布局是一个非常重要的问题。几十台乃至几百台风力发电机收稿日期:2 0 0 6-1 0-1 1。作者简介:姚兴佳(1 9 4 9-),男,教授,博士研究生导师,长期从事风能利用技术的研究工作,国家“8 6 3”项目主持人,是享受国务院特殊津贴的专家。E-m a i l:x i n g j i a v i p.1 6 3.c o m技 术 讲 座可再生能源2 0 0 6.6(总第1 3 0期)9 9图3风力发电机在迎风坡的排列图2盛行风向基本不变的风电场风机排列图1盛行风不是一个方向的风电场风力发电机的排列(a)对行排列(b)交错排列安装位置的排列,将直接影响到风电场实际发电量的多少。风力发电机在风电场中的布局排列取决于风电场地域内的风速、风向、地形,风力机结构(如风轮直径d)、风轮的尾流效应、风轮对侧面(旋转平面方向)气流的影响等因素,其中尾流效应是一个必须慎重考虑的因素。所谓尾流效应是指气流经过风轮旋转面后所形成的尾流,对位于其后的风轮机的功率特性和动力特性所产生的影响。风电场风力发电机的排列形式多种多样,但都是以任何一台风力机风轮转动接受风能,而对其前后左右的其他风力发电机风轮接受最大风能不产生影响或影响较少,并且占地越少越好为原则。下面列举风力机排列的3种情况。盛行风不是一个方向的风电场,风力发电机的排列如图1所示。盛行风向基本不变的风电场,风力发电机的排列如图2所示。迎风山坡上风力发电机的高度差的要求见图3,其风力机左右、前后距离要求,参考图1和图2。2风力发电机并网运行一般来说,恒速恒频发电机并网控制系统比较简单。根据发电机种类不同,采用不同的并网方法。同步发电机和笼型感应发电机并网运行控制的方法各不相同,前者运行于由电机极数和频率所决定的同步转速,后者则以稍高于同步转速运行。(1)同步发电机的并网运行控制由于同步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项互相对应即可满足并网条件的要求。起动和并网过程如下:风向传感器测出风向,并使偏航控制器动作,使风力发电机组对准风向;当风速超过切入风速时,桨距控制器调节叶片桨距角,使风力发电机组起动。当发电机被风力发电机组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。在发电机被加速,几乎达到同步速度时,发电机的电动势或端电压的幅值将大致与电网电压相同。它们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3 6 0 的范围内缓慢地变化。检测出断路器两RE N E WA B L E E N E R G Y N o.62 0 0 6(1 3 0I s s u e i nA l l)技 术 讲 座1 0 0图5感应发电机的转矩-转速特性曲线图4感应发电机的软并网侧的电位差,当其为零或非常小时,就可使断路器合闸并网。由于自整步的作用,合闸后只要转子转速接近同步转速就可以将发电机牵入同步,使发电机与电网的频率保持完全相同。以上过程可以通过微机自动检测和操作。这种同步机并网方式,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。但是要求风力发电机组调速器调节转速,使发电机频率与电网频率的偏差达到容许值时方可并网,因此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,实现上述同步并网所需要的控制系统,一般不是很便宜的,将占小型风力发电机组整个成本相当大的部分。由于这个原因,同步发电机一般用于较大型的风力发电机组。(2)感应发电机的并网运行控制电机并网感应发电机可以直接并入电网,也可以通过晶闸管调压装置与电网连接。感应发电机的并网条件如下。第一,转子转向应与定子旋转磁场转向一致,即感应发电机的相序和电网相序相同;第二,应尽可能在发电机转速接近同步转速时并网。并网的第一个条件是必须的,否则电机并网后将处于电磁制动状态,因此在接线时应调整好相序;第二个条件不是非常严格,不过,愈是接近同步转速并网,冲击电流衰减的时间愈短。当风速达到起动条件时风力发电机组起动,感应发电机被带到同步转速附近时(一般为同步转速的9 8%1 0 0%)合闸并网。因为发电机并网时本身无电压,所以并网时必将伴随一个过渡过程,流过额定电流5 6倍的冲击电流,一般零点几秒后即可转入稳态。虽然感应发电机并网时的转速对过渡过程的时间有一定影响,但一般来说问题不大,所以对风力发电机并网合闸时的转速要求不是非常严格,并网比较简单。风力发电机组与大电网并联时,合闸瞬间的冲击电流对发电机及大电网的安全运行不会有太大的影响。对于小容量的电网系统,并联瞬间会引起电网电压大幅度下跌,从而影响电网上其他电器设备的正常运行,甚至会影响到小电网系统的稳定与安全。为了抑制并网时的冲击电流,可以在感应发电机与三相电网之间串接电抗器,使系统电压不致下跌过大,待并网过渡过程结束后,再将其短接。对于较大型的风力发电机组,目前比较先进的并网方法是采用双向晶闸管控制的软投入法,如图4所示。当风力发电机组将发电机带到同步转速附近时,发电机输出端的短路器闭合,使发电机组经双向晶闸管与电网连接,双向晶闸管触发角由1 8 0 0 逐渐打开,双向晶闸管的导通角由0 1 8 0 通过电流反馈对双向晶闸管导通角控制,将并网时的冲击电流限制在额定电流的1.5倍以内,从而得到一个比较平滑的并网过程。瞬态过程结束后,微处理机发出信号,利用一组开关将双向晶闸管短接,从而结束了风力发电机的并网过程,进入正常发电运行。并网运行时的功率输出感应发电机并网运行时,它向电网送出的电流大小及功率因数,取决于转差率s及电机的参数,前者与感应发电机负载的大小有关,对于设计好的电机来说,后者是给定的数值,因此这些量都不能加以控制或调节。并网后电机运行在其转矩转速曲线的稳定区(见图5)。当风力发电机组传给发电机的机械功率及转矩随风速而增加时,发电机的输出功率及其转矩也相应增大,原先的转矩平衡点A1沿其运行特性技 术 讲 座可再生能源2 0 0 6.6(总第1 3 0期)1 0 1曲线移至转速较前稍高的一个新的平衡点A2,断续平稳运行。但当发电机的输出功率超过其最大转矩所对应的功率时,其反转矩减小,从而导致转速迅速升高,在电网上引起飞车,这是十分危险的。为此必须具有合理可靠的失速叶片或限速机构,保证风速超过额定风速或阵风时,从风力发电机组输入的机械功率被限制在一个最大值范围内,保证发电机的输出电功率不超过其最大转矩所对应的功率值。需要指出的是,感应发电机的最大转矩与电网电压的平方成正比,电网电压下降会导致电机的最大转矩成平方关系下降。如果电网电压严重下降,会引起转子飞车;相反,如果电网电压上升过高,会导致发电机励磁电流增加,功率因数下降,并有可能造成电机过载运行。所以,对于小容量电网应该配备可靠的过电压和欠电压保护装置,另一方面要求选用过载能力强的发电机。无功功率及其补偿感应发电机需要落后的无功功率主要是为了励磁的需要,另外也为了供应定子和转子漏磁所消耗的无功功率。单就前一项来说,一般中、大型感应电机的励磁电流约为额定电流的2 0%2 5%,因而励磁所需的无功功率就达到发电机容量的2 0%2 5%,再加上第二项,感应发电机总共所需的无功功率应大于发电机容量的2 0%2 5%。接在电网上的负载,一般来说,其功率因数都是落后的,亦即需要落后的无功功率,而接在电网上的感应发电机也需从电网吸取落后的无功功率,这无疑加重了电网上其他同步发电机提供无功功率的负担,造成不利的影响。所以对配置感应电机的风力发电机,通常要采用电容器进行适当的无功补偿。(3)变速恒频风力发电机组的并网运行变速恒频风力发电机组的一个重要优点,是风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运行。从风力发电机组的运行原理分析,要求风力发电机组的转速与风速成正比,并保持一个恒定的最佳叶尖速比,从而使风力发电机组风轮的风能利用系数CP保持最大值不变,风力发电机组就输出最大的功率。因此,要求变速恒频风力发电机组除了能够稳定可靠地并网运行之外,最重要的一点就是要实现最大功率输出控制。(4)同步发电机交/直/交系统的并网运行这种系统与电网并联运行的特点如下。由于采用频率变换装置进行输出控制,因此并网时没有电流冲击,对系统几乎没有影响。为采用交/直/交转换方式,同步发电机组工作频率与电网频率是彼此独立的,风轮及发电机的转速可以变化,不必担心发生同步发电机直接并网运行可能出现的失步问题。由于频率变换装置采用静态自励式逆变器,虽然可以调节无功功率,但是有高频电流流向电网。在风电系统中使用阻抗匹配和功率跟踪反馈来调节输出负荷,可使风力发电机组按最佳效率运行,向电网输送更多的电能。(5)双馈发电机系统的并网运行双馈发电机定子三相绕组直接与电网相联,转子绕组经交交循环变流器联入电网。这种系统并网运行的特点如下。风力机起动后带动发电机至接近同步转速时,由循环变流器控制进行电压匹配、同步和相位控制,以便迅速地并入电网,并网时基本上无电流冲击。对于无初始起动转矩的风力发电机组(如达里厄型风力发电机组),风力发电机组在静止状态下的起动,可由双馈电机运行于电动机工况来实现。风力发电机的转速可随风负载的变化及时做出相应的调整,使风力发电机组以最佳叶尖速比运行,产生最大的电能输出。双馈发电机励磁可调量有3个:励磁电流的频率、幅值和相位。调节励磁电流的频率,保证发电机在变速运行的情况下发出恒定频率的电力;通过改变励磁电流的幅值和相位,可达到调节输出有功功率和无功功率的目的。当转子电流相位改变时,由转子电流产生的转子磁场在电机气隙空间的位置有一个位移,从而改变了双馈电机定子电动势与电网电压向量的相对位置,也即改变了电机的功率角,所以,调节励磁不仅可以调节无功功率,也可以调节有功功率。(连载完)
