風力發(fā)電原理及其新技術應用.ppt

風力發(fā)電原理及其新技術應用 北京交通大學電氣學院吳俊ujy 國內外風力發(fā)電的發(fā)展概述風力發(fā)電的基本原理風力發(fā)電系統(tǒng)的分類籠型異步風力發(fā)電機組雙饋型異步風力發(fā)電機組直驅型同步風力發(fā)電機組風電功率預測風電場的并網(wǎng)技術風電場的低電壓穿越能力LVRT儲能裝置的應用 提綱 國內外風力發(fā)電的發(fā)展概述 我國風能資源分布 中國陸地上10m高度層上可開發(fā)的風能儲量為2 52億千瓦近海可開發(fā)風能資源是陸地的3倍多 從1996年到2009年 世界累計風電裝機容量的增長率超過20 平均28 2007年 世界累計風電裝機容量94112MW 增長26 8 2007年 世界新增風電裝機容量20073MW 增長32 1 到2007年 我國風電裝機容量6050MW 超過丹麥 成為世界第5 到2008年 我國風電裝機12170MW 居世界第4 風電的快速發(fā)展 2006年1月 可再生能源法 2007年9月 可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃 2009年 新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃 有力的政策支持 到2011年 風電裝機3500萬千瓦其中陸地3000萬千瓦 海上500萬千瓦新能源在能源結構中比例達2 含水電10 新能源發(fā)電占總裝機比例5 含水電25 新能源產(chǎn)業(yè)增加直接投資9700億帶動社會間接投資2萬億到2020年 風電裝機1 5億千瓦其中陸地1 2億千瓦 海上3000萬千瓦建設六個陸上千萬千瓦級風電基地及其外送聯(lián)網(wǎng)工程新能源在能源結構中比例達9 含水電20 新能源發(fā)電裝機占總裝機比例達15 含水電35 新能源產(chǎn)業(yè)增加直接投資45000億帶動社會間接投資9萬億 新能源產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃 風電總裝機容量快速增長 風電比重不斷加大 單個風電場裝機容量不斷增加 已有多個10萬千瓦級風電場投運 正建千萬千瓦級大型風電基地 風電場接入系統(tǒng)的電壓等級由低到高 110kV 風電機組的種類不斷增多 從早期的定速風電機組 1MW以下 到雙饋感應風力發(fā)電和直驅同步風力發(fā)電 1MW以上 我國風電發(fā)展特點 世界風電技術發(fā)展趨勢 風電單機容量穩(wěn)步上升 以德國為例 03年平均單機容量超過1 5MW 葉片直徑大于64m的風機占77 變漿調節(jié)方式迅速取代失速調節(jié)方式 德國03年裝機的風電機組 超過91 采用了變漿調節(jié)方式 變速恒頻方式迅速取代恒速恒頻方式 通過控制發(fā)電機轉速 是風機葉尖速比接近最佳 提高風機運行效率 德國03年裝機的風電機組 超過90 的風機采用了變速恒頻方式 無齒輪箱的直驅同步發(fā)電機組的市場份額迅速擴大 風力發(fā)電的基本原理 我上到風機上了 風力發(fā)電系統(tǒng)的分類 按風輪槳葉分類 失速型 高風速時 因槳葉形狀或因葉尖處的擾流器動作 限制風力機的輸出轉矩與功率 變槳型 高風速時通過調整槳距角 限制輸出轉矩與功率 按風輪轉速分類 定速型 風輪保持一定轉速運行 風能轉換率較低 與恒速發(fā)電機對應 變速型 1 雙速型 可在兩個設定轉速運行 改善風能轉換率 與雙速發(fā)電機對應 2 連續(xù)變速型 在一段轉速范圍內連續(xù)可調 可捕捉最大風能功率 與變速發(fā)電機對應 按傳動機構分類 齒輪箱升速型 用齒輪箱連接低速風力機和高速發(fā)電機 減小發(fā)電機體積重量 降低電氣系統(tǒng)成本 直驅型 直接連接低速風力機和低速發(fā)電機 避免齒輪箱故障 按發(fā)電機分類 異步型 1 籠型單速異步發(fā)電機 2 籠型雙速變極異步發(fā)電機 3 繞線式雙饋異步發(fā)電機 同步型 1 電勵磁同步發(fā)電機 2 永磁同步發(fā)電機 按并網(wǎng)方式分類 并網(wǎng)型 并入電網(wǎng) 可省卻儲能環(huán)節(jié) 離網(wǎng)型 一般需配蓄電池等直流儲能環(huán)節(jié) 可帶交 直流負載 或與柴油發(fā)電機 光伏電池并聯(lián)運行 風力機風能轉換效率特性 風輪的功率風能轉換率葉尖速比 TSR 葉尖速比TipSpeedRate 槳距角 風力發(fā)電機組輸出功率 定速vs變速 籠型異步風力發(fā)電機組 定速籠型異步風力發(fā)電機組變速籠型異步風力發(fā)電機組 定速籠型異步風力發(fā)電機組 三相籠型異步風力發(fā)電機 籠型異步風力發(fā)電機的內部結構 發(fā)電機狀態(tài) 電動機狀態(tài) 用轉差率s可以表示異步電機的運行狀態(tài) 籠型異步風力發(fā)電機的工作狀態(tài) 1 發(fā)電機勵磁消耗無功功率 皆取自電網(wǎng) 應選用較高功率因數(shù)發(fā)電機 并在機端并聯(lián)電容 2 絕大部分時間處于輕載狀態(tài) 要求在中低負載區(qū)效率較高 希望發(fā)電機的效率曲線平坦 3 風速不穩(wěn) 易受沖擊機械應力 希望發(fā)電機有較軟的機械特性曲線 max絕對值要大 4 并網(wǎng)瞬間與電動機起動相似 存在很大的沖擊電流 應在接近同步轉速時并網(wǎng) 并加裝軟起動限流裝置 籠型異步風力發(fā)電機的特點 變速籠型異步風力發(fā)電機組 1 籠型異步風力發(fā)電機運行于變速變頻發(fā)電狀態(tài) 2 運行于小轉差率范圍 發(fā)電機機械特性硬 運行效率高 3 發(fā)電機機端電壓可調 輕載運行效率高 4 發(fā)電機與電網(wǎng)被可控的變流器隔離 系統(tǒng)對電網(wǎng)波動的適應性好 5 變流器與發(fā)電機功率容量相等 系統(tǒng)成本高 變速籠型異步風力發(fā)電機組的特點 雙饋型異步風力發(fā)電機組 主電路 雙饋異步發(fā)電機 交直交雙向功率變換器 國產(chǎn)1MW雙饋型異步風力發(fā)電機 繞線型轉子三相異步發(fā)電機的一種 定子繞組直接接入交流電網(wǎng) 轉子繞組端接線由三只滑環(huán)引出 接至一臺雙向功率變換器 轉子繞組通入變頻交流勵磁 轉子轉速低于同步轉速時也可運行于發(fā)電狀態(tài) 定子繞組端口并網(wǎng)后始終發(fā)出電功率 但轉子繞組端口電功率的流向取決于轉差率 雙饋異步發(fā)電機 國產(chǎn)600kW交直交雙向功率變換器 IGBT DSP 兩套PWM控制型三相開關橋 背靠背 中間存在電容支撐的直流母線 在任一時刻 一套三相橋處于脈沖整流狀態(tài) 而另一套處于逆變狀態(tài) 發(fā)電機側三相開關橋采用定子磁場定向矢量控制和空間電壓矢量PWM控制方法 電網(wǎng)側三相開關橋采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制和空間電壓矢量PWM控制方法 可實現(xiàn)發(fā)電機輸出的有功和無功功率解耦控制 交直交雙向功率變換器 引入轉子交流勵磁變流器 控制轉子電流 轉子電流的頻率為轉差頻率 跟隨轉速變化 通過調節(jié)轉子電流的相位 控制轉子磁場領先于由電網(wǎng)電壓決定的定子磁場 從而在轉速高于和低于同步轉速時都能保持發(fā)電狀態(tài) 通過調節(jié)轉子電流的幅值 可控制發(fā)電機定子輸出的無功功率 轉子繞組參與有功和無功功率變換 為轉差功率 容量與轉差率有關 約為全功率的S倍 雙饋型異步風力發(fā)電機組的原理 雙饋型異步發(fā)電機組的效率 1 連續(xù)變速運行 風能轉換率高 2 部分功率變換 變流器成本相對較低 3 電能質量好 輸出功率平滑 功率因數(shù)高 4 并網(wǎng)簡單 無沖擊電流 5 降低槳距控制的動態(tài)響應要求 6 改善作用于風輪槳葉上機械應力狀況 7 雙向變流器結構和控制較復雜 8 電刷與滑環(huán)間存在機械磨損 雙饋型異步風力發(fā)電機組的特點 直驅型同步發(fā)電機組 電勵磁直驅同步發(fā)電機組永磁直驅同步發(fā)電機組混合勵磁直驅同步發(fā)電機組 同步發(fā)電機用作風力發(fā)電機時 即可直接向交流負載供電 也可經(jīng)整流器變換為直流電 向直流負載供電 因此 同步風力發(fā)電機已成為中小容量風力發(fā)電機組的首選機型 近年來 在大容量風力發(fā)電機組產(chǎn)品中 同步風力發(fā)電機也已暫露頭角 有望成為未來的主力機型 采用同步發(fā)電機的必要性 由齒輪箱引起的風電機組故障率高 齒輪箱的運行維護工作量大 易漏油污染 系統(tǒng)的噪聲大 效率低 壽命短 去除齒輪箱 直接驅動的理由 發(fā)電機轉速低 轉矩大 體積重量明顯增大 全功率整流逆變 變流器成本高 直驅帶來的問題 直驅型同步發(fā)電機組 直驅型同步發(fā)電機組 定子鐵心定子繞組發(fā)電機轉子 電勵磁直驅同步發(fā)電機組 通過調節(jié)轉子勵磁電流 可保持發(fā)電機的端電壓恒定 定子繞組輸出電壓的頻率隨轉速變化 可采用不控整流和PWM逆變 成本較低 轉子可采用無刷旋轉勵磁 轉子結構復雜 勵磁消耗電功率 體積大 重量重 效率稍低 電勵磁直驅同步發(fā)電機組的特點 永磁直驅同步發(fā)電機組的功率變換電路 永磁直驅同步發(fā)電機組的特點 永磁發(fā)電機具有最高的運行效率 永磁發(fā)電機的勵磁不可調 導致其感應電動勢隨轉速和負載變化 采用可控PWM整流或不控整流后接DC DC變換 可維持直流母線電壓基本恒定 同時可控制發(fā)電機電磁轉矩以調節(jié)風輪轉速 在電網(wǎng)側采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電 對電網(wǎng)波動的適應性好 永磁發(fā)電機和全容量全控變流器成本高 永磁發(fā)電機存在定位轉矩 給機組起動造成困難 混合勵磁直驅同步發(fā)電機組 混合勵磁直驅同步發(fā)電機組的特點 利用轉子的凸極磁阻效應 增強永磁發(fā)電機的調磁能力 采用部分功率容量的SVG逆變器向發(fā)電機機端注入無功電流 以調節(jié)發(fā)電機的端電壓 無需全功率容量的脈沖整流或DC DC變換器 可明顯節(jié)省變流器的容量 SVG逆變器可兼有有源濾波的功能 能夠改善發(fā)電機中的電流波形 降低發(fā)電機的諧波損耗和溫升 1 籠型異步發(fā)電機成本低 可靠性高 在定速和變速全功率變換風力發(fā)電系統(tǒng)中將繼續(xù)扮演重要角色 2 雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)具有最高的性價比 特別適合于變速恒頻風力發(fā)電 將在未來數(shù)年內繼續(xù)稱為風電市場上的主流產(chǎn)品 3 直驅型同步風力發(fā)電機及其變流技術發(fā)展迅速 利用新技術有望大幅度減小低速發(fā)電機的體積和重量 小結 市場上2MW以上大型風力發(fā)電機組 風電功率預測 必要性 風電裝機容量增大 對電力系統(tǒng)的影響越來越大風力發(fā)電具有間歇性和不確定性為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行 必須增加旋轉備用容量 間接地增加了風力發(fā)電的整體運營成本通過對大型風電場的輸出功率進行準確的短期和中期預測 可以大幅降低系統(tǒng)的旋轉備用容量 有效降低風力發(fā)電的整體運營成本 為電網(wǎng)的運行調度提供依據(jù) 成為風電接入電網(wǎng)的關鍵技術之一 風力發(fā)電功率預測的方法 物理方法 先預測風機輪轂高度處的氣象信息如風速和風向 再利用風機的功率曲線得到風機的實際輸出功率 需要利用數(shù)值天氣預報NWP的信息 統(tǒng)計方法 實質是在系統(tǒng)的輸入 NWP 歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù) 實測數(shù)據(jù) 和風機功率之間建立一種線性映射關系 常用的有時間序列法ARMA 卡爾曼濾波 灰色預測法等 學習方法 利用人工智能的方法建立輸入和輸出之間的非線性模型 如人工神經(jīng)元網(wǎng)絡ANN 小波分析法 支持向量機法等 發(fā)展趨勢 NWP的利用和多種預測方法的綜合由ARMA的平穩(wěn)性和可逆性分析確定ANN的網(wǎng)絡結構由ANN網(wǎng)絡實現(xiàn)次日風電功率的滾動預測 國內外風電功率預測現(xiàn)狀 德國 WPMS ISET 德國太陽能研究所 開發(fā) 2001 應用于四家電網(wǎng)公司Previento 德國奧爾登堡大學開發(fā) 2002丹麥 Prediktor Riso開發(fā) 1994年開始運行WPPT 丹麥技術大學開發(fā) 1994Zephy 丹麥技術大學開發(fā) 2003 國內外風電功率預測現(xiàn)狀 西班牙 LocalPred RegioPred 西班牙可再生能源中心 2001SIPREoLICO 西班牙卡洛斯III大學開發(fā) 2002美國 eWind AWSTruewind開發(fā) 1998中科院 采用NWP和ANN 預測精度15 應用于吉林電網(wǎng) 風電功率預測原理 風電功率預測原理 訓練數(shù)據(jù) 數(shù)值天氣預報和風電場的功率輸出 次日風電場的功率 15min為一個時段 風電功率預測原理 風電功率預測原理 一周的功率預測結果 預測精度15 風電功率預測的效益分析 以吉林電網(wǎng)為例 最大電力5872MW 峰谷差2060MW 沒有風電 旋轉備用300MW 平均發(fā)電負荷率77 8 接入風電 沒有風電功率預測 平均發(fā)電負荷率降為73 9 有風電功率預測 精度按20 計算 只需新增旋轉備用65MW 平均發(fā)電負荷率76 9 按發(fā)電負荷率每增加1 煤耗降低1g kWh計算 每年節(jié)約標準煤12 6萬噸 經(jīng)濟效益1 27億元 效益顯著 風電功率預測還能顯著提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性 提高大型風電場接入電網(wǎng)的能力 風電場的并網(wǎng)技術 風電場并網(wǎng)帶來的問題 風力發(fā)電機并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊 直接并網(wǎng)時 5 6倍額定電流的沖擊電流 與并網(wǎng)時的滑差有關 造成電網(wǎng)電壓大幅下降 對電能質量的影響 風力發(fā)電機在輸出有功功率的同時 從電網(wǎng)吸收無功功率 造成電壓下降 風電功率的波動和頻繁啟停 造成電壓波動 電壓閃變和電壓周期性脈動 威脅電壓穩(wěn)定性 對保護裝置的影響 潮流的雙向性和有限的短路電流對保護裝置帶來影響 對電網(wǎng)頻率的影響 風電功率的波動引起系統(tǒng)頻率變化 其大小取決于風電場容量與系統(tǒng)總容量的比重 風電穿越功率極限 對系統(tǒng)運行成本的影響 由于風電的間歇性和不確定性 增加了系統(tǒng)的旋轉備用容量 客觀上在減少了系統(tǒng)的燃料成本的同時 也增加了電力系統(tǒng)的可靠性成本 風電穿越功率極限 指系統(tǒng)中風電場裝機容量占系統(tǒng)總裝機容量的比例 它表征了一個給定規(guī)模的電網(wǎng)最大可以承受的風電功率 風電場短路容量比 定義為風電場的額定容量與該風電場與電力系統(tǒng)的連接點PCC PointofCommonCoupling 的短路容量之比 風電場短路容量比越小 表明電力系統(tǒng)承受風電擾動的能力越強 歐洲經(jīng)驗數(shù)據(jù)為3 5 5 日本為10 衡量風電場對電力系統(tǒng)影響的兩個指標 風力發(fā)電機組的并網(wǎng)方式分類及特點 直接并網(wǎng)方式 控制簡單 并網(wǎng)時存在較大沖擊電流 電網(wǎng)電壓下降 適用于電網(wǎng)容量大 風機容量較小場合 準同期并網(wǎng) 機組造價高 并網(wǎng)時間長 沖擊電流小 適用于電網(wǎng)容量比風力發(fā)電機組容量大不了幾倍的場合 降壓并網(wǎng) 降低沖擊電流幅值 減輕了電網(wǎng)電壓下降幅度 系統(tǒng)成本高 適用于大中型異步風力發(fā)電機的并網(wǎng) 捕捉式準同步快速并網(wǎng) 幾乎無沖擊電流 對機組的調速精度要求不高 適用于風力發(fā)電機組的準同步并網(wǎng)操作 軟并網(wǎng) SoftCut in 并網(wǎng)過渡過程平穩(wěn) 不會出現(xiàn)沖擊電流 控制電路略復雜 風力發(fā)電機普遍采用 軟并網(wǎng)過程 異步發(fā)電機 異步發(fā)電機轉速上升 接近同步轉速 92 99 時 并網(wǎng)接觸器動作 發(fā)電機經(jīng)一組雙向晶閘管與電網(wǎng)相連 控制晶閘管的導通角打開的速率 使并網(wǎng)過程中沖擊電流不大于技術條件的規(guī)定值 額定電流的1 5倍 并網(wǎng)的暫態(tài)過程結束 旁路斷路器閉合 將晶閘管短接 變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組并網(wǎng)常用的三種方式空載并網(wǎng) 獨立負載并網(wǎng) 孤島并網(wǎng) 空載并網(wǎng)方式 并網(wǎng)前 DFIG定子空載 調節(jié)定子的空載電壓 是它的幅值 頻率和相位與電網(wǎng)電壓完全一致 并網(wǎng)過程中 定子沖擊電流很小 并網(wǎng)后 系統(tǒng)切換到調速控制 孤立負荷并網(wǎng)方式 并網(wǎng)前 DFIG帶負荷運行 根據(jù)電網(wǎng)信息 定子的電壓電流的信息 控制DFIG的端電壓 當滿足并網(wǎng)條件時實施并網(wǎng) 特點 并網(wǎng)前定子有電流 需根據(jù)電網(wǎng)和定子兩側的信息進行控制 較復雜 孤島并網(wǎng)方式 1 勵磁階段 當風機達到一定要求后 K1閉合 直流充電器給交直交變換器的直流側充電 電機側變流器供給轉子電流 直到定子電壓上升至額定值 勵磁階段結束 孤島并網(wǎng)方式 2 孤島運行階段 先斷開K1 后啟動網(wǎng)側變流器 使之開始升壓運行 將直流側升壓到需要的值 此時 能量在兩個變流器和雙饋電機之間流動 孤島運行 孤島并網(wǎng)方式 3 并網(wǎng)階段 由于孤島運行階段定子側電壓的幅值 頻率和相位都與電網(wǎng)電壓相同 此時閉合K2 電機與電網(wǎng)實現(xiàn)無沖擊并網(wǎng) 三種并網(wǎng)方式的比較 空載并網(wǎng)方式 在并網(wǎng)前是由原動機來調節(jié)發(fā)電機的轉速 要求具有足夠的調速能力 獨立負載并網(wǎng)方式 發(fā)電機具有一定的能量調節(jié)作用 可與原動機配合實現(xiàn)轉速的控制 降低了對原動機調速能力的要求 但控制復雜 孤島并網(wǎng)方式 有創(chuàng)意 分三個階段運行 可在任何轉速下實現(xiàn)柔性并網(wǎng) 風電場的低電壓穿越能力 LVRT 隨著風電場裝機容量越來越大 它們對電力系統(tǒng)的影響也越來越大 為維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行 電網(wǎng)公司對風電場并網(wǎng)提出了更高的要求 如 低電壓穿越能力 Low VoltageRideThough LVRT 無功控制能力輸出功率控制能力等其中 LVRT被認為是風電機組設計制造技術的最大挑戰(zhàn) LVRT要求越高 造價越高 風電機組的LVRT能力 指當外部系統(tǒng)發(fā)生故障 風電機組的端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網(wǎng)而繼續(xù)維持運行 甚至還為系統(tǒng)提供一定的無功功率 幫助系統(tǒng)恢復電壓的能力 德國E ON公司對風電機組LVRT能力的要求 陰影部分表示風電機組不但不脫離系統(tǒng) 而且還向系統(tǒng)提供一定的無功支持 當端電壓跌倒額定電壓的15 時要求風電機組能夠維持運行625ms 當風電機組端電壓在其額定電壓的90 及以上時 要求風電機組能夠持續(xù)運行 不同類型的風力發(fā)電機組可以采用不同的技術措施來實現(xiàn)LVRT功能 對普通定速風力發(fā)電機組 可以采用靜止無功補償裝置SVC 通過無功補償來實現(xiàn)LVRT功能 對直驅同步風電機組 可以通過改變轉子回路勵磁方式實現(xiàn)LVRT功能 雙饋風力發(fā)電機組 由于有功和無功功率可以實現(xiàn)解耦控制 因此可以通過機組本身實現(xiàn)LVRT功能 雙饋風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)分為電機控制系統(tǒng)和風機控制系統(tǒng) 雙饋電機運行于次同步轉速時轉子吸收有功功率 運行于超同步轉速時轉子和定子一樣 發(fā)出有功功率 通過為轉子電流提供幅值 相位和頻率可調的勵磁電流 可以實現(xiàn)有功和無功功率的獨立控制 雙饋