風電機組的輸出特性與運行控制.ppt

風電場電氣工程,華北電力大學,第4章 風電機組的輸出特性與運行控制,章節(jié)設置 4.1 風電機組運行原理 4.2 籠型感應風電機組的運行特性與控制 4.3 雙饋感應風電機組的運行特性與控制 4.4 直驅(qū)式永磁同步風電機組的運行特性,第4章 風電機組的輸出特性與運行控制,教學目標： 理解風力機的運行特性與發(fā)電機的基本運行原理，以及風電 機組并網(wǎng)換流器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握鼠籠型感應風 電機組、雙饋感應式風電機組和直驅(qū)式永磁同步風電機組的 輸出特性和控制原理，了解三種風電機組的基本運行操作。,第4章 風電機組的輸出特性與運行控制,知識點 風力機的運行特性； 三種發(fā)電機的運行原理； 鼠籠型感應風電機組的輸出特性與控制原理； 雙饋感應式風電機組的輸出特性與控制原理； 直驅(qū)式永磁同步風電機組的運行特性與控制原理； 三種風電機組的運行操作。,4.1 風電機組運行原理,4.1.1 風力機的運行特性 4.1.2 發(fā)電機的運行原理 4.1.3 并網(wǎng)換流器的結(jié)構(gòu)和原理,4.1.1 風力機的運行特性,風力機的機械功率可用下式表達： Cp為風能利用系數(shù)，是可以控制的 。根據(jù)Betz理論，風力 機Cp的理論最大值是0.59，實際值通常在0.47左右。 葉尖速比，常用表示為： 風能利用系數(shù)Cp與葉尖速比的關系大致如下圖所示： 為了使Cp維持最大值，當風速變化時，風力機轉(zhuǎn)速也需要隨 之變化，使之運行于最佳葉尖速。,4.1.1 風力機的運行特性 不同風速下（風速v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v6）風力機 的輸出功率特性，如下圖：,4.1.2 發(fā)電機的運行原理,1.同步發(fā)電機 同步發(fā)電機的工作原理示意圖： 從而在定子繞組中產(chǎn)生感應電動勢。若定子繞組接有外部閉 合回路，就會有電流從定子繞組流入外電路，或者說有功率 送到外電路。,同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組中要通入直流勵磁電流，形成相對于轉(zhuǎn)子靜止的恒定磁場。當轉(zhuǎn)子在風力機的驅(qū)動下以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子磁場將隨著轉(zhuǎn)子一起以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。,1.同步發(fā)電機 定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1由定子繞組中流過的交流電流的頻率 f1決定，還與定子鐵心的磁極對數(shù)p有關，其關系為 同步發(fā)電機的定子電流主要是感應出來的，事實上，定子電 流的頻率反過來是由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（在同步機中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n 等于同步速n1）決定的，即,2.異步發(fā)電機 異步發(fā)電機的工作原理下圖所示：,異步機的定子繞組與外電路相連，當繞組中流過對稱的三相電流時，就會形成同步旋轉(zhuǎn)磁場。仍假設定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為n1，當異步機的轉(zhuǎn)子在風力機的驅(qū)動下，以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子繞組的導體與定子旋轉(zhuǎn)磁場之間有n-n1的轉(zhuǎn)速差。該轉(zhuǎn)速差造成轉(zhuǎn)子繞組與定子磁場之間相對運動，因而會在轉(zhuǎn)子繞組中感應出電動勢，同時在閉合的轉(zhuǎn)子繞組回路中產(chǎn)生電流。,2.異步發(fā)電機 異步電機轉(zhuǎn)子中感應電流的頻率應為 轉(zhuǎn)子磁場相對于定子繞組的轉(zhuǎn)速為 轉(zhuǎn)子磁場相對于定子繞組的轉(zhuǎn)速為 定子繞組中電流的頻率f1 為 轉(zhuǎn)差率的定義為,3.交流勵磁式發(fā)電機 交流勵磁式發(fā)電機，是在轉(zhuǎn)子繞組中通入低頻交流勵磁電流。 勵磁電流是外部提供的，因而可以進行準確控制，從而影響 到發(fā)電機中的相對運動速度。 當轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，如果能夠控制轉(zhuǎn)子繞組勵磁電流的、 頻率f2，使得轉(zhuǎn)子磁場相對于轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)速n2（可以與轉(zhuǎn) 子旋轉(zhuǎn)方向相同或相反）始終滿足 則可以在發(fā)電機轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化的情況下，仍能保持定子輸 出電壓頻率恒定。,4.1.3 并網(wǎng)換流器的結(jié)構(gòu)和原理,目前，應用于風力發(fā)電中的電力電子換流器主要是基于全控 型電力電子器件的交-直-交（AC-DC-AC）電壓源型變流器（ Voltage Source Converter,VSC）。 4.1.3.1 三相電壓源型變流器的基本工作原理 三相電壓源型變流器（VSC）的原理結(jié)構(gòu)如下圖：,4.1.3.1 三相電壓源型變流器的基本工作原理 以A相輸出控制為例，分析電壓源型變流器的工作原理：當 可關斷器件VT1開通、VT2處于關斷狀態(tài)時，正向直流端和交 流側(cè)A相連，相對于直流側(cè)電源假想中點的交流輸出電壓跳 變?yōu)閁dc/2。當可關斷器件VT1關斷、VT2開通時，負向直流 端和交流側(cè)A相連，相對于直流側(cè)電源假想中點的交流輸出 電壓跳變?yōu)?Udc/2。 具體波形見下圖： 表達式為：,4.1.3.2 背靠背四象限電壓源型變流器聯(lián)網(wǎng)運行特性 背靠背電壓源型變流器是由兩個結(jié)構(gòu)相同的電壓源型變流器 以背靠背方式、通過中間的直流環(huán)節(jié)耦合而成。如下圖： VSC1、VSC2分別通過斷路器與交流電網(wǎng)相聯(lián)，相關接線如 下：,4.2 籠型感應風電機組的運行特性與控制,4.2.1 籠型感應風電機組的運行原理 4.2.2 籠型感應風電機組的風速-功率特性 4.2.3 籠型感應風電機組的運行控制,4.2 籠型感應風電機組的運行特性與控制,4.2.1 籠型感應風電機組的運行原理 籠型感應電機等效電路圖 ：,上圖：籠型感應電機T型等效電路,下圖： 籠型感應電機型等效電路,4.2.1 籠型感應風電機組的運行原理 根據(jù)型等效電路圖 ，可得： 發(fā)電機發(fā)出的有功功率Ps： 其中： 發(fā)電機組發(fā)出的無功功率為 籠型感應電機運行于發(fā)電狀態(tài)時，s0。 運行于電動狀態(tài)（s0），還是發(fā)電狀態(tài)（s0），籠型電機 發(fā)出的無功功率都小于零，即需要外部電源提供無功。,4.2.2 籠型感應風電機組的風速-功率特性 下圖為金風公司750kW籠型感應恒速恒頻風電機組的風速- 功率曲線，切入風速為4m/s，額定風速為15m/s，切出風速 為25m/s。,1.風速高于切入風速時，隨著風速的逐漸增大，風電機組輸出功率也隨之增大，直到風速達到額定風速時，風電機組輸出功率也達到額定值；,2.當注入風速進一步增加、超過額定風速時，定槳距風力機葉片的氣動特性開始發(fā)生變化而失速，導致風輪的風能捕獲效率降低，限制葉片吸收過大的風能，風力機所捕獲的風功率維持在額定值附近，達到限制功率的目的，從而使發(fā)電機組的輸出功率也維持在額定值附近。,4.2.2 籠型感應風電機組的風速-功率特性 下圖為籠型感應發(fā)電機的有功-無功曲線：,隨著風電機組出力的增加，發(fā)電機組從電網(wǎng)吸收的無功功率也隨之增加。,故通常需要在發(fā)電機定子側(cè)安裝一定容量的電容器以進行無功功率補償，改善風電機組的聯(lián)網(wǎng)運行性能。,因此，多臺籠型風電機組聯(lián)網(wǎng)運行需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，而容易導致風電機組接入點電壓下降。,4.2.3 籠型感應風電機組的運行控制 籠型感應風電機組的運行控制主要包括機組起動控制、待機 檢測并網(wǎng)控制、發(fā)電時的電容器投切控制、定槳距失速控制 和停機控制。 1.機組起動控制 （1）電動機起動 風力發(fā)電機組在靜止狀態(tài)時，先把發(fā)電 機用作電動機，將機組起動到額定轉(zhuǎn)速。 （2）風力機自起動 風力機自起動是指風力發(fā)電機組在風速 超過切入風速時，由風力機將機組起動到某一設定轉(zhuǎn)速（額 定轉(zhuǎn)速附近）。,4.2.3 籠型感應風電機組的運行控制 2.待機檢測并網(wǎng)控制 籠型感應風力發(fā)電系統(tǒng)中的并網(wǎng)方法主要有以下三種。 （1）直接并網(wǎng) 在并網(wǎng)時發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同， 當風力驅(qū)動的籠型感應發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時即可自動 并入電網(wǎng)。 （2）降壓并網(wǎng) 在異步電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或 者接入自耦變壓器，以達到降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值 及電網(wǎng)電壓下降的幅度。 （3）通過晶閘管軟并網(wǎng) 在異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間，通 過基于雙向晶閘管的軟啟動器并網(wǎng)。,4.2.3 籠型感應風電機組的運行控制 3.電容器投切控制 通常在籠型感應發(fā)電機端口安裝一定容量的電容器（機組額 定容量的20%，以減小發(fā)電機組對電網(wǎng)無功功率的需求。 4.定槳距失速控制 當風速變化并且超過額定速度時，風力機葉片失速，效率降 低，限制葉片吸收過大的風能，風力機所捕獲風功率維持恒 定，即定槳距失速。 5.停機控制 當檢測到風速持續(xù)超過切出速度時，為了保證風電機組的運 行安全，風力機制動，風力機停止旋轉(zhuǎn)；同時，發(fā)電機組并 網(wǎng)開關斷開，機組退出電網(wǎng)運行。,4.3 雙饋感應風電機組的運行特性與控制,4.3.1 雙饋感應風電機組的功率傳輸特性 4.3.2 雙饋感應風電機組的運行控制原理 4.3.3 雙饋感應異步風電機組的運行操作 4.3.4 雙饋感應異步風電機組的撬杠保護*（選修）,4.3.1 雙饋感應風電機組的功率傳輸特性 雙饋感應風電系統(tǒng)的原理圖如下：,雙饋感應式發(fā)電機是交流勵磁式發(fā)電機。,背靠背四象限變流器，用于為轉(zhuǎn)子繞組提供頻率可調(diào)的交流勵磁電流。,4.3.1 雙饋感應風電機組的功率傳輸特性 忽略電機定轉(zhuǎn)子繞組銅耗時，雙饋感應發(fā)電機的功率具有 如下關系 （1）亞同步發(fā)電狀態(tài)(00，由雙饋發(fā)電機定子繞組饋入電網(wǎng)。轉(zhuǎn)差功率Ps0，雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子需要饋入能量，由電網(wǎng)通過“背靠背”四象限變流器提供給雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組，雙饋發(fā)電機實際發(fā)電功率為(1-s)Pem。,4.3.1 雙饋感應風電機組的功率傳輸特性 （2）超同步發(fā)電狀態(tài)(s0，由電機定子繞組饋入電網(wǎng)；轉(zhuǎn)差功率Ps0，由轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)變流器將其饋入電網(wǎng)，電機實際發(fā)電功率為(1+|s|)Pem，即除定子向電網(wǎng)饋送電能外，轉(zhuǎn)子也經(jīng)過背靠背四象限變流器向電網(wǎng)饋送一部分電能。 （3）同步發(fā)電狀態(tài)（s=0）此時Pem=Pmec，機械能全部轉(zhuǎn)化為電能并通過定子繞組饋入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組僅提供較小容量的直流勵磁功率。,4.3.2 雙饋感應風電機組的運行控制原理 如果風力機的運行控制策略是在不同的風速下追求最大輸出 功率（Popt），由于轉(zhuǎn)速r與風速成比例，則功率就隨著3 和r3增加，轉(zhuǎn)矩隨著2和r2增加。 用于控制策略的發(fā)電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線，如下圖所示。,AB點之間，風電機組運行在幾乎恒定的轉(zhuǎn)速下,BC在最大功率跟蹤階段，轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線符合公式Topt=Koptr2。,DE段斷風速繼續(xù)增加，風力機轉(zhuǎn)矩超過其額定值，此時電磁轉(zhuǎn)矩恒定。,4.3.3 雙饋感應異步風電機組的運行操作 當風速超過切入風速時，并持續(xù)一段時間之后，控制系統(tǒng)發(fā) 出機組起動命令。機組開始起動時，風力機槳距角不調(diào)節(jié)， 風力機葉片處于最有利于風能捕獲方向位置。 背靠背四象限變流器控制系統(tǒng)將完成以下控制任務： （1）“背靠背”四象限變流器的并網(wǎng)過程操作 （2）雙饋感應發(fā)電機的并網(wǎng)操作,4.3.4 雙饋感應異步風電機組的撬杠保護*（選修） 為防止過壓或過流對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器所造成的危害，通常在轉(zhuǎn) 子側(cè)安裝撬杠（Crowbar）保護電路對變流器進行保護。 Crowbar的基本原理為：當檢測到轉(zhuǎn)子繞組電流超過所整定 閾值時，Crowbar保護動作，將短接雙饋感應發(fā)電機的轉(zhuǎn)子 繞組，切除轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，達到保護轉(zhuǎn)子變流器的目的。 1.被動式Crowbar保護電路,4.3.4 雙饋感應異步風電機組的撬杠保護*（選修） 2.主動式Crowbar保護電路,主動式Crowbar保護和被動式Crowbar保護的基本保護原理相同。兩者的不同點之處在于：被動式Crowbar保護電路主要采用不可控電力電子元件作為投切控制開關，不能按電網(wǎng)要求在任何需要的時候馬上恢復轉(zhuǎn)子側(cè)變流的正常工作。,4.4 直驅(qū)式永磁同步風電機組的運行特性,4.4.1 永磁同步發(fā)電機的外特性 4.4.2 直驅(qū)式永磁同步風電機組的運行控制原理 4.4.3 直驅(qū)式永磁同步風電機組的運行操作,4.4.1 永磁同步發(fā)電機的外特性 永磁同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)等效電路圖,永磁同步發(fā)電機定子繞組的電壓可以表示為,當電機負載運行時，由于永磁同步發(fā)電機勵磁不可調(diào)，故定子電樞繞組電流所產(chǎn)生的磁動勢將影響氣隙磁場的分布和大小，使得機端電壓將隨負載變化而變化。,固有電壓調(diào)整率來描述負載對發(fā)電機端電壓的影響：,4.4.2 直驅(qū)式永磁同步風電機組的運行控制原理 直驅(qū)式永磁同步風電