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风电并网方式及其对电力系统的影响1风力发电系统结构示意图第二讲、各类风力发电机并网运行的模式及其特点引言恒速恒频风电机组并网运行的模式及其特点变速恒频风电机组并网运行的模式及其特点3什么是恒速恒频与变速恒频？在风力发电中,当风力发电机与电网并联运行时,要求风电频率和电网频率保持一致,即风电频率保持恒定,因此风力发电系统分为恒速恒频发电机系统(CSCF系统)和变速恒频发电机系统(VSCF系统).42.1恒速恒频风电机组并网运行的模式及其特点2.1.1简介恒速衡频风电机组2.1.2恒速恒频风力发电机的主要缺点2.1.3恒速恒频同步发电机的并网条件及其特点2.1.4恒速恒频异步风力发电机及其并网运行特点2.1.1恒速衡频发电机恒速恒频发电机系统是指在风力发电过程中保持发电机的转速不变从而得到和电网频率一致的恒频电能的一个发电系统。恒速恒频系统一般来说比较简单,所采用的发电机主要是同步发电机和笼形异步发电机,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的速度运行.2.1.3恒速恒频同步发电机的并网条件及其特点同步发电机在运行中,既能输出有功功率,又能提供无功功率,且周波稳定,电能质量高,已被电力系统广泛采用。然而,将其移植到风力发电机组上使用时却不是很理想。这是因为风速时大时小,致使作用在转子上的转矩极不稳定,并网时其调速性能很难达到同步发电机所要求的精度。并网后若不进行有效的控制,常会发生无功振荡与失步问题,在重载下尤为严重。2.1.2恒速恒频风力发电机的主要缺点恒速恒频风力发电机的主要缺点有以下几点:1)风力机转速不能随风速而变,从而降低了对风能的利用率;2)当风速突变时,巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件,在这些部件上产生很大的机械应力;3)并网时可能产生较大的电流冲击.2.1.3恒速恒频同步发电机的并网条件及其特点a.并网条件：1.需满足风力发电机的端电压等于电网的电压；2.风力发电机的频率等于电网的频率；3.风力发电机的相序与电网的相序相同才可并网。9b.恒速恒频同步发电机的运行特点并网过程通常可以使用计算机自动检测。对风力发电机的调速装置要求较高，成本较贵。并网时能使瞬态电流减至最小，从而让风力发电机组和电网受到的电流冲击也最小。当风力发电机组功率保持不变时，通过调节励磁电流，不仅能向电网发出有功功率，而且能向电网发出无功功率，有助于提高电网的供电能力。对电网时刻控制要求精确，若控制不当，则有可能产生较大的冲击电流，以致并网失败。112.1.4恒速恒频异步风力发电机及其并网运行特点122.1.4恒速恒频异步风力发电机及其并网运行特点主要内容：a.恒速异步风力发电机系统简介b.恒速恒频异步发电机的运行特点c.异步风力发电机的并网方式a.恒速笼型异步风力发电机系统14b.恒速恒频异步发电机的运行特点异步发电机投入运行时，由于靠转差率来调整负荷，因此对机组的调速精度要求不高，只要转速接近同步转速就可并网。显然，风力发电机组配用异步发电机不仅控制装置简单，而且并网后不会产生振荡和失步，运行非常稳定。然而，异步发电机并网也存在一些特殊问题，如直接并网时产生的过大冲击电流造成电压大幅度下降，对系统安全运行构成威胁。本身不发无功功率，需要无功补偿。所以运行时必须采取相应的有效措施才能保障风力发电机组的安全运行。异步发电机的并网结构c.异步风力发电机的并网方式直接并网方式准同步并网方式捕捉式准同步快速并网降压并网方式软并网方式异步发电机组并网方式的特点比较1.异步风力发电机直接并网发电机直接与电网并联（即硬联网）并网要求：风力机的风轮接近同步转速（即达到99%~100%)时，即可并网。优点：并网容易，控制简单。并网瞬间产生比较大的冲击电流，供电系统将受到4~5倍的发电机额定电流的冲击，存在三相短路现象，系统电压瞬间严重下降（如国产的FD-32-200型风力发电机在做并网实验的时候系统电压由410V下降到230V左右），引起低电压保护动作，并网失败。这种并网方式只有在大的电网中并网时才有可能直接并网的缺点2.准同步并网在转速接近同步转速的时候，先用电容励磁，建立额定电压，然后对已建立励磁的发电机电压和频率进行调节和校正使其与系统同步。当发电机的电压和频率相位与系统一致的时候，将发电机投入电网运行。采用这种方式并网需要高精度的调速器和整步、同期设备。准同期并网的优缺点优点：冲击电流较小。对系统的电压影响较小，设和与电网容量比风力发电机组大不了几倍的地方使用。缺点：并网时间长，必须控制在最大允许的转矩范围内运行，以免造成网上飞车。3.捕捉式准同步快速并网工作原理：是将常规的整步并网方式改为在频率变化中捕捉同步点的工作方法进行并网。优点：并网工作准确，快速可靠，即实现几乎无冲击的准同步并网，对机组的调速精度要求不高，很好的解决了并网过程与造价高的矛盾，适合于风力发电机组的准同步并网操作。4.降压并网方式这种方式是在发电机与系统之间串接电抗器，以减少合闸瞬间冲击电流的幅值与电压下降的幅度。如在各相串接大功率的电阻。由于大功率的电抗和电阻消耗功率，并网后进入稳定运行时，应将其电抗器和电阻切除。这种并网方式要增加大功率的电阻或电抗器组件，投资随机组容量的增大而增大，经济性较差。它是用于小容量风力发电机组。降压并网图示异步电机电抗器电网无功补偿5.软并网（SOFTCUT-IN）技术采用双向晶闸管的软切入法，使异步发电机并网，其连接方式有两种1，异步风力发电机通过(或双向)晶闸管软切入装置与电网直接相连，异步风力发电机在接近同步速时，晶闸管的控制角在1800一0o之间逐渐同步打开，晶闸管的导通角也在0o一1800之间逐渐同步打开，当异步风力发电机滑差为零时，晶闸管全部导通，这时短接已全部导通的晶闸管，异步风力发电机输出电流直接流向电网，风电机组进入稳态运行阶段。软并网图示第二种软并网方式发电机与系统之间软并网过渡，零转差自动并网开关切换连接，连接方式如下：当风轮带动的异步发电机启动或转速接近同步转速时，与电网连接的每一根双向晶闸管（晶闸管的两端与自动并网常开触点相并联）控制角在控制角在1800一0o之间逐渐同步打开，晶闸管的导通角也在0o一1800之间逐渐同步打开。此时自动并网开关尚未动作，发电机通过双向的晶闸管平稳的接入电网。发电机平稳运行后，双向晶闸管出发脉冲自动关闭。发电机输出电流不再经过双向晶闸管而是通过已闭合的自动开关触点流向电网。两种软并网的差异第一种方式所选用的是高反压双向晶闸管的电流允许值比第二种方式的要大得多。这是因为第一种方式要考虑到能达到发电机的额定电流值，第二种方式只要通过略高于发电机空载时的电流就可以满足要求。但需要采用自动并网开关，控制回路也略显复杂。2.2变速恒频风电机组并网运行的模式及其特点变速恒频发电机系统是指在风力发电过程中发电机的转速可以随风速变化,而通过其他的控制方式来得到和电网频率一致的恒频电能.2.2.1变速恒频的同步发电机系统并网运行特点可以使风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运行，可实现最大功率输出控制；因为采用频率交换装置进行输出控制，并网时不会对系统造成电流冲击；同步发电机的工作频率与电网频率是彼此独立的，叶轮及发电机的转速可以变化，不会发生同步发电机的失步问题；由于频率变换装置采用静态自励式逆变器，会产生高次谐波电流流向电网。352.2.2变速恒频发电系统和恒速机组（大部分使用异步发电机）不同,现代变速衡频风电机组却能十分精确地控制功率因数,甚至向电网输送无功,改善系统的功率因数.恒速衡频发电机主要包括：双馈异步发电机直驱型同步风力发电机2.2.2变速恒频风力发电机系统gearboxbrakepitchdriveinverterrectifierlinecouplingtransformergridsidebreakerYawdrivegeneratorsidebreakerConverter(fullrating)windturbinecontrollerconvertercontroller372.2.2-双馈异步风力发电机系统基于双馈感应发电机的变速风电机组39国产1MW双馈异步风力发电机40双馈异步风力发电机的并网的运行特点可以使风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运行，可实现最大功率输出控制。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。风力发电机接近同步转速时，由循环变流器对电压、频率和相位进行控制，并网时基本上无电流冲击。风力发电机的转速可随风速及负荷的变化及时作出相应的调整，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。通过对励磁电流的频率、幅值和相位的调整。可保证风力发电机在变速运行的情况下发出恒定频率的电力，调节励磁时不仅调节无功功率，也可以调节有功功率。412.2.2-变速恒频直驱同步发电机组422.2.2-变速恒频直驱永磁风力发电系统43变速恒频的直驱永磁风力发电系统并网运行特点可以使风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运行，可实现最大功率输出控制。直驱永磁风力发电系统不需要电励磁装置，具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。使风轮机与永磁同步发电机转子直接耦合，省去齿轮箱，提高了效率，减少了发电机的维护工作，并且降低了噪音442.2.3变速衡频发电机的并网方式a.空载并网方式b.带独立负载并网方式c.孤岛并网方式a.空载并网并网前发电机空载，取电网电压（频率、相位、幅值）作为控制信息提供给控制系统，据此调节发电机的励磁，按并网条件控制发电机定子空载电压，变速恒频风力发电机空载并网控制的实质是根据电网的信息来调节发电机的励磁，使发电机输出电压符合并网的要求。双PWM变流器变速恒频发电机风力机电网控制系统控制信号转子电流空载并网的优点通过对发电机转子交流励磁电流的调节与控制，就可在变速运行中的任何转速下满足并网条件，实现成功并网，这是这类新型发电方式的优势所在。很好的实现了定子电压的控制，实现简单，定子的冲击电流很小，转子电流能稳定的过渡，b.带独立负载的并网方式并网前发电机带负载运行，根据电网信息和定子电压、电流对风力发电机进行控制。其特点是：并网前发电机带有独立负载，定子有电流，因此在并网控制所需要的信息不仅取自于电网侧，同时还取自于发电机定子侧。使控制更精确，更有利于捕捉最大风能。双PWM变流器变速恒频发电机风力机电网控制系统控制信号转子电流电阻箱定子信息带独立负载的并网方式优缺点优点;带负载并网方式的发电机具有一定的能量调节作用，可与风力机配合实现转速控制，降低了对风力机调速能力的要求。缺点：控制系统较复杂。c.孤岛并网方式此并网方案的实现共分为三个阶段：1.励磁阶段2.孤岛运行阶段3.并网阶段1.励磁阶段从电网侧引入一路预充电回路接至交-直-交变流器的直流侧。预充电回路由开关K1、预充电变压器和直流充电器构成，当风力机转速达到一定的转速要求的时候，K1闭合，直流充电器通过预充电变压器给交-直-交变流器的直流侧充电。充电结束后发电机侧的变流器工作，供给双馈发电机转子侧励磁电流。定子电流逐渐上升，一直到输出电压达到额定值，励磁阶段结束。孤岛并网励磁阶段线路原理图孤岛运行阶段首先将K1断开，然后启动网侧的变流器，使之开始升压运行，将直流侧生压到所需要的值。此时能量在网侧变流器、发电机侧变流器以及双馈电机之间流动，组成一个孤岛运行方式。孤岛并网方式的运行阶段3.孤岛并网阶段在孤岛运行阶段，定子侧电压的幅值、频率和相位都与电网侧相同，所以此时闭合开关K2，发电机与电网逐渐可以实现无冲击并网。并网之后，可以通过调节风力机的桨距角来增加风力机的输入能量，从而达到发电的目的。三种变速衡频并网方式的比较三种并网方式的差别是并网前的运行方式不同。1.空载并网前电机不带负载，不参与能量和转速的控制，为了防止并网前发电机的能量失衡而引起的转速失控，要有原动机来控制发电机的转速。2.带独立负载并网方式，并网前接有负载，发