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风电机组并网问题研究

文档作者: 黄守道 孙延昭 黄科元        文档来源: 湖南大学电气与信息工程学院
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第23卷第2期 2008年6月 电力科学与技术学报 JOURNAL OF ELECTRIC POW ER SCIENCE AND TECHNOLOGY V01.23 No.2 Jun.2008 风电机组并网问题研究 黄守道,孙延昭,黄科元 (湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410012) 摘 要:针对不同的风力发电机采用不同的并网技术进行讨论和研究,对并网型风电机组对电网产生的影响进行 分析,提出相应的对策和解决办法. 关键词:风能;并网;电压波动;闪变 中图分类号:TM 315;TM 614 文献标识码:A 文章编号:1673—9140(2008)02-0013-06 Review on cutting—in strategies of wind power HUANG Shou—dao,SUN Yan—zhao,HUANG Ke—yuan (College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410012,China) Abstract:This paper made some discussions and researches on different kinds of cutting—in strategies which used in diferent kinds of wind power generators,analyzed the influence of grid caused by the grid— connected wind power,and proposed the corresponding strategies and resolutions. Key words:wind power;cutting—in;voltage fluctuation;flicker 随着全球化能源危机日益严重,资源短缺和环 境恶化,使得世界各国开始重视开发和利用可再生、 无污染的能源.风能作为一种绿色能源有着改善能 源结构、经济环保等方面的优势,是未来能源发展的 一个趋势. 近年来,风力发电在技术上日趋成熟,商业化应 用不断提高,同时,风力发电的成本也在不断降低, 这为充分利用风能提供了诸多有利条件.大规模风 力发电必须要实现并网运行,然而,随着风电场的容 量越来越大,对电网的影响也越来越明显,研究风力 发电并网对系统的影响已成为重要课题.一般风力 资源丰富的地区往往人口稀少,处于供电网络的末 端,承受冲击的能力较弱,并网风电机组在持续运行 和切换操作过程中都会产生电压波动和闪变,给当 地电网的电能质量及稳定性造成不良影响.因此,风 电机组的并网问题正逐渐成为新的研究热点,引起 人们的广泛关注.本文对发电机的并网控制以及风 电机组对电网的影响等问题进行了讨论. 收稿日期:2008-05-28 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(754202004) 作者简介:黄守道(1962一),男,博士,教授,博士生导师,主要从事风力发电技术研究 通讯作者:黄守道,男,教授,博士生导师;E—mail:shoudaohuang@tom.con 维普资讯 http://www.cqvip.com 14 电 力 科 学 与 技’术 学 报 2008年6月 1 风电机组的并网 1.1 恒速恒频发电机的并网 早期的风力发电系统中,大多采用恒速恒频发 电机组,对于恒速恒频发电机组的并网,根据发电机 种类不同,采用不同的并网方法. 1)同步发电机的并网运行. 由于同步发电机本身固有的特性,将其移植到 风电机组中使用时,效果不甚理想,这是由于风速随 机变化,作用在转子上的转矩很不稳定,使得并网时 其调速性能很难达到期望的精度,若不进行有效地 控制,常会发生严重的无功振荡和失步,对系统造成 严重影响 j.同步发电机的并网控制如下:当风速 超过切入风速时,启动风电机组,当发电机被带到接 近同步速时,启动励磁调节器,给发电机励磁,使发 电机的端电压接近电网电压.在几乎达到同步速时, 检测出断路器两侧电位差,当其为零或非常小时,合 闸并网,此时只要接近同步转速,就可使并网瞬态电 流减至最小,因而发电机组和电网受到的冲击也最 小.但要求风力发电机组调节器调节转速,使发电机 频率偏差达到容许值时方可并网,因此对调节器的 要求较高. 2)异步发电机的并网运行. 异步发电机运行时,靠转差率来调整负荷,对机 组调速要求不高,可直接并网,也可通过晶闸管调压 装置与电网相连接,然而,异步发电机并网存在一些 特殊的问题,如直接并网会产生过大冲击电流,造成 电压大幅度下降,会对系统安全构成威胁;本身不发 无功功率,需要无功补偿;当输出功率超出其最大转 矩所对应的功率会引起网上飞车等等.因此运行时 必须严格监视并采取相应的有效措施才能保障风力 发电机组的安全运行. 目前国内外采用异步发电机的风电机组并网方 式主要有以下几种: ① 直接并网方式,采用这种方式时只要发电机 转速接近同步转速时即可并网. ② 准同期并网方式,在转速接近同步速时,先 用电容励磁,建立额定电压,然后对已建立的发电机 电压和频率进行调节和校正,使其与系统同步,当发 电机的电压,频率,相位与系统一致时,将发电机投 入电网运行. ③ 降压并网方式,为了抑制并网时的冲击电 流,可在异步电机与电网之间串接电感器,使系统电 压不致下跌过大,并网后稳定运行时,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切入法.当发 电机达到同步速附近时,发电机输出端的短路器闭 合,发电机组通过双向晶闸管与电网相连,双向晶闸 管触发角由180。一0o逐渐打开,双向晶闸管的导通 角由0o一180。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定在额定电流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,完成并网过程(图1). 风 电网 图1 感应发电机软并网框图 Figure 1 Diagram of induction generator soft cut—in 1.2 变速恒频发电机组的并网 随着风力发电技术的发展,变速恒频发电机组 已成为大型并网风力发电机组的主流机型.相对于 恒速恒频发电机组,变速恒频发电机组最为重要的 一个优势就是能在很宽的风速范围内保持最佳叶尖 速比,从而使风能利用系数c 保持最大值不变,以 捕获最大风能,提高发电机组的效率. 1)双馈发电机系统的并网. 交流励磁双馈发电机变速恒频发电方案是通过 在双馈电机转子侧施加三相交流电进行励磁,调节 励磁电流幅值,频率和相位,以实现定子侧恒频恒压 输出(图2). 在双馈风电系统中,发电机与网侧是柔性连接 关系,可通过调节转子励磁电流实现软并网,避免并 网时发生的电流冲击和过大的电压波动. 目前,变速恒频风力发电机组的并网方式主要 有空载并网,带独立负载并网,孤岛并网 . 空载并网方式并网前发电机不带负载,不参与 能量和转速的控制.为了防止在并网前发电机的能 维普资讯 http://www.cqvip.com 第23卷第2期 黄守道,等:风电机组并网问题研究 15 量失衡而引起的转速失控,应由原动机来控制发电 机组的转速.文献[3]介绍了双馈电机空载并网控 制,将矢量变换技术移植到发电机并网控制上,提出 了一种基于定子磁链定向方式的空载并网控制策 略.图3给出了该种控制策略的控制框图. 风 电网 图2 交流励磁双馈发电机变速恒频发电框图 Figure 2 Diagram of the DFIG wind power generation s~tem 圈3 变速恒频发电机空载并网控制框图 Figure 3 Control of VSCF generator cut--in with no--load 带独立负载并网方式并网前接有负载,发电机 参与原动机的能量控制,表现在一方面改变发电机 的负载、调节发电机的能量输出,另一方面在负载一 定的情况下,改变发电机转速的同时,改变能量在电 机内部的分配关系.前一种作用实现了发电机能量 的粗调,后一种实现了发电机能量的细调.带独立负 载并网方式,发电机具有一定的能量调节作用,可与 原动机配合实现转速的控制,降低了对原动机调速 能力的要求,但控制复杂,需要进行电压补偿和检测 更多的电压、电流量. 孤岛并网方式工作过程如下:首先进行预充电 过程,当风机启动后,而且发电机转速达到励磁范围 时(可定为50%)开始励磁.电网从预充电变压器经 直流整流器向双PWM变流器的直流母线电容充 电,用以激励整个系统.控制器通过控制电机侧的逆 变器使双馈电机定子发电电压达到额定值.当定子 电压达到额定值时,发电机定子输出和转子输入与 双PWM逆变器分别连接,形成一个独立能量环路 通道,控制器通过网侧逆变器将直流母线电压调节 到额定值.当发电机转速达到并网转速,控制系统将 调节发电机电压与电网电压同步,实现同步后,并网 发电. 文献[4]详细介绍了孤岛并网方式的工作思路 和原理,并分别给出了电机侧变流器和网侧变流器 的具体控制方案. 2)同步发电机交一直一交系统并网. 由于风速的随机性,输入到发电机的能量也在 不断地变化,然而,同步发电机的转速和电网频率之 间是刚性耦合的,不可直接并网.现在一般采取的方 法是在同步发电机和电网之间采用交一直一交变频 系统,使得这一问题得到解决,该系统有以下优点: ① 由于采用交一直一交变频系统,使发电机组 工作频率与电网频率相互独立,因此不必担心并网 时可能出现的失步问题.发电机可以运行在不同转 速下,最大限度地捕捉风能. ② 采用变频装置进行输出控制,并网时没有电 流冲击,对系统几乎没有影响. 目前在变速恒频发电领域中,直驱永磁同步发 电机组较受欢迎 (图4).永磁同步电机结构简单, 没有励磁绕组,节省了电机的用铜量,无电刷,无滑 环,消除了转子损耗,运行可靠.直驱永磁同步发电 机与风力机直接耦合,省去了变速箱,提高可靠性, 减少系统噪声,降低了维护成本.是未来风电机组发 展的一个重要方向. 3)轻型直流输电技术(HVDC Light)在风力发 风 图4 采用交一直一交变频系统的 直驱永磁同步发电系统框图 Figure 4 Diagram of direct—drive permanent magnet synchronous generation system using AC—DC—AC converter 维普资讯 http://www.cqvip.com l6 电 力 科 学 与 技 术 学 报 2008年6月 电系统中的应用. 轻型直流输电(HVDC Light)技术是在电压源 换流器(VSC)技术和全控型功率器件(GTO、IGBT、 IGCT等)基础上发展起来的一种直流输电新技 术 ,7_,与传统直流输电比较,具有采用无源逆变工 作方式,克服了传统直流输电受端必须是有源网络 的根本缺陷;可以实现有功和无功的独立控制,控制 灵活方便;不需要交流侧无功功率,能够实现静止无 功补偿功能;交流侧电流可控,不会增加系统短路容 量;通过采用PWM控制技术,有效减少了滤波装置 容量;易于构成与交流系统相同拓扑结构的多端直 流系统,运行方式灵活多变等特点,是实现风电场 (尤其是海上风电场)与电网或用户连接的理想输 电方式. 轻型直流输电作为一种经济、灵活、高质量的输 电方式,已用于国外许多直流输电工程中,并产生了 良好的输电及环保效益 J.如在瑞典建成的历史上 第1个实验性HVDC Light工程一赫尔斯扬 (Hellsjon)试验工程,瑞典的果兰特(Gotland)工程, 以及在丹麦、澳大利亚和美国建起的示范性工程.基 于目前HVDC Light技术的不断成熟,以及风电的远 距离传输的要求,将HVDC Light应用于风电的运送 传输中具有很好的前景. 2 风电并网对电网的影响 随着越来越多的风电机组并网运行,风力发电 对电网的影响也越来越受到人们的广泛关注.风力 发电原动力是不可控的,它的出力大小决定于风速 的状况.从电网的角度看,并网运行的风电机组相当 于一个具有随机性的扰动源,会对电网电能质量和 稳定性等方面造成影响. 2.1 对电能质量的影响 风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性 使风电机组的输出功率是波动的,会影响电网的电 能质量,如电压波动和闪变,谐波污染等问题 ]. 1)电压波动和闪变. 电压波动和闪变是风力发电机组对电网电能质 量的主要负面影响之一.并网风电机组在持续运行 和切换操作过程中都会产生电压波动和闪变 J.文 献[10]给出了风电机组在持续运行和切换操作期 间引起的闪变值和相对电压变动的计算公式. 引起电压波动和闪变的因素很多,如风速,风电 机组类型,控制系统以及风电机组公共连接点的短 路容量,电网线路X/R比和公共连接点所连的负荷 特性等 加 . 风速,尤其是平均风速和湍流强度对电网波动 和闪变影响很大.随着风速的增大,风电机组产生的 电压波动和闪变也不断增大.湍流强度对电压波动 和闪变的影响几乎成正比例增长. 并网风电机组类型和控制系统对风电机组的电 能质量影响很大.变速风电机组运行产生的电压波 动和闪变水平远低于恒速风电机组,几乎是恒速风 电机组的1/4. 并网风电机组公共连接点短路比和电网线路 X/R比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的 重要因素.风电机组公共连接点短路比越大,风电机 组引起的电压波动和闪变越小 .合适的X/R比 可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的: 电压波动补偿掉,从而使整个平均闪变值有所减轻. 并网风电机组在启动、停止、和发电机切换过程 中也产生电压波动和闪变.文献[12]分别计算了恒 速定桨距和恒速变桨距风电机组在切换操作过程中 产生的电压波动和闪变,并与持续运行过程中产生 的电压波动和闪变作了比较. 2)谐波污染问题. 谐波会造成供电质量变差,使得电网功率因数 降低.风电系统中谐波的影响主要有:增加发电机的 铜损和铁损,引起电容器组和变压器的发热故障,控 制电路受影响,传感器测不准等.风电给系统中谐波 产生的途径主要有2种_】 :一种是风力本身配备的 电力电子装置,可能带来谐波问题.对于直接和电网 相连的恒速风机,软启动阶段要通过电力电子装置 与电网相连,因此会产生一定的谐波,不过因为过程 很短,通常可以忽略.但是对于变速风机组,其转速 控制系统采用了电力电子装置,当它将电能输送给 电网时会产生谐波.随着电力电子器件的不断改进, 脉宽调制技术(PWM)的采用有效地抑制了电力电 子器件带来的谐波.另一种是风机的并联补偿电容 器可能和线路电抗发生谐振,产生谐波. 2.2 对稳定性的影响 风力发电系统通常接人电网的末端,改变了配 电网功率单向流动的特点,使潮流流向和分布发生 维普资讯 http://www.cqvip.com 第23卷第2期 黄守道,等:风电机组并网问题研究 17 改变,这在原有电网的规划和设计时是没有预先考 虑的.当风电注入功率增大时,风电场附近局部电网 的电压和联络线功率可能会超出安全范围,严重时 会导致电压崩溃. 在异步发电机并网系统中,风电系统在向电网 注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率. 因此,为了补偿风电场的无功功率,每台风力发电机 都配有功率因数校正装置,目前常用的是分组投切 的并联电容器.电容器的无功补偿量的大小与接人 点电压的平方成正比,当系统电压水平较低时,并联 电容器的无功补偿量迅速下降,导致风电场对电网 的无功需求上升,进一步恶化电压水平,严重时会造 成电压崩溃. 由于异步发电机的功率恢复特性,当电网发生 短路故障时,若故障排除不及时,也将容易导致暂态 电压失稳.另外,随着风电场规模的不断扩大,风电 场在系统中所占的比例不断增加,风电输出的不稳 定性对电网的功率冲击效应也不断增大,对系统稳 定性的影响就更加显著,严重情况下,将会使系统失 去动态稳定性,导致整个系统的瓦解. 3 改善风力发电并网性能的一些措施 风力发电是一种新型的能源,具有广泛的社会 效益和经济效益,但是风电系统的并网给电网的质 量和稳定性等方面带来了诸多负面影响.因此,采取 科学的方法来改善风电并网性能具有重要的现实意 义和经济意义. 1)静止无功补偿器(SVC). 利用静止无功补偿器(SVC)减小风力发电功 率波动对电网电压的影响.风电场是一个发出有功 功率、吸收无功功率的特殊元件,风电场的电压往 往很低,利用svC改善系统电能质量和提高系统的 稳定性是一个有效的措施.目前TRC—FC型SVC在 国内外风电场已得到了广泛的应用. 2)有源电力滤波器(aPS). 近年来,采用电力晶体管(GTR)和可关断晶闸 管(GTO)及脉宽调制(PWM)技术等构成的有源滤 波器,可对负荷电流作实时补偿,有效地抑制了电 压波动和闪变.有源电力滤波器的工作原理与传统 的SVC完全不同,它采用可关断的电力电子器件, 基于坐标变换原理的瞬时无功理论进行控制,其作 用原理是利用电力电子控制器代替系统电源向负荷 提供所需的畸变电流,从而保证系统只需向负荷提 供正弦的基波电流.有源电力滤波器与普通SVC相 比,有以下优点:响应时间快,对电压波动、闪变补 偿率高,可减少补偿容量;没有谐波放大作用和谐 振问题,运行稳定;控制强,能实现控制电压波动、闪 变和稳定电压的作用,同时也能有效地滤除高次谐 波,补偿功率因数. 3)超导储能装置(SMES). 通过采用基于GTO 的双桥结构换流装置, SMES可以在四象限灵活地调节有功和无功功率, 为系统提供功率补偿,跟踪电气量的波动.充分利 用SMES有功无功综合调节能力,可以降低风电场 输出功率的波动,稳定风电场电压,提高系统的稳 定性.SMES是一种有源的补偿装置,与SVC相比其 无功补偿量对接人点电压的依赖程度小,在低电压 时的补偿效果更好H . 4 结论 由于风能的可再生性、无污染性,且资源丰富, 在常规能源日趋紧张的今天,风能的开发和利用越 来越受到人们的瞩目.风力发电是21世纪发展最快 的一种可再生能源,风力发电技术在兴起的短短20 多年时间里,已经取得了突飞猛进的发展,风力发电 技术不断成熟,从早期的恒速恒频发展到现在的变 速恒频,在电机的使用上,双馈电机已经取代感应电 机,极大地提高了机组的效率,但双馈异步发电机要 通过齿轮变速箱增速,这样也造成了风力发电机可 靠性差、效率低等缺点,因此很多公司纷纷推出基于 永磁低速同步电动机的风力发电机组. 当前风力发电机组正朝着大型化、直驱化、永磁 化方向发展,机组大型化有利于减少占地,降低并网 成本和单位功率造价;机组直驱化简化了系统结构, 提高了风能转换效率,减少系统维护费用;机组永磁 化可以减小体积,同时还可以省去电刷和集电环等 易耗机械部件,提高了系统的可靠性.可以预见,直 驱永磁发电机组是未来风电发展的一个重要方向. 随着风电场规模的不断增大,与风电场并网有 关的电能质量问题,稳定性问题正逐渐成为新的研 究热点,吸引着越来越多的研究机构和科研人员从 事风电并网技术的研究和咨询工作. 维普资讯 http://www.cqvip.com l8 电 力 科 学 与 技 术 学 报 2008年6月 参考文献: [1]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版 社,2002. 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