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文档内容摘要
ppt 风力发电系统低电压运行技术,主讲人:高阳 单 位:沈阳工程学院,,,,,中国风能理论蕴藏量约为3226 GW,可开发利用的风电装机容量约为2530GW,居于世界首位。 中国10m高度以内可开发和利用的风能储蓄量估算约为100GW,其中海上的风能储蓄量约为75GW,陆地的风能储蓄量约为25GW。,目前中国在风电发展方面继续领先,在2009年已经成为世界上新增风电装机的最大市场,总装机容量从2008年的1210万千瓦增长到2009年的2510万千瓦,新增容量1300万千瓦。 2010年酒泉风电基地装机将达516万千瓦,2015年将达到1,271万千瓦,酒泉风电场将成为名副其实的“陆上三峡”。,风电发展现状,自1986年建设山东荣成第一个示范风电场至今,风电场装机规模不断扩大。世界风能理事会(GWEC)日前宣布全球风力发电2009年新增31%,共增加3750万千瓦新装机容量。其中,中国新增装机占到全球的1/3,中国风电连续第五年增长幅度再次超过100%。,风电发展现状,风电发展现状,,风电场的组成部分 风电机群 集电部分 升压变电站 升压变压器 无功补偿装置(电容器、电抗器、 静止无功补偿装置、滤波器),,风机结构,风电机组是把风能转化为电能的装置,它通常由风轮(含叶片、轮毂等)、传动系统(主轴、主轴承、齿轮箱和连接轴、机械刹车)、偏航系统、电气系统(发电机、控制系统、电容补偿柜和变压器)和机舱等组成。 基本工作原理:首先通过风轮把风能转换为机械能,进而借助于发电机再把机械能转化为电能。,风力机组并网,风力机组脱网,,如果电机出力持续低于脱网设定值,风力机组将退出电网,处于待机状态。断开发电机接触器,切除补偿电容,断开旁路接触器,同时执行正常刹车过程,使风力机处于停止状态,等风速满足条件后再次执行并网过程。这一过程是在风速较低时进行的,电机出力为负功率时,吸收电网有功,风力几乎不做功。为防止风力机在低风速下频繁启动和停止,统计可控硅在1小时内的投入次数,若投入次数大于4次,则停止并网,报故障,等待风的状态平稳后由手动复位使风力机组正常运行如果电机出力持续高于额定功率10%,将执行正常停机。当出力持续高于额定功率20%,将执行安全停机,等待风速降低后重新启动电机运行。,风力机组切出风速,,从结构力学的角度衡量,由于风速过高将导致叶片受的剪切力矩超出耐受额度,或机舱及其它设备因风速过高而导致的谐振、剪切力矩过大而造成不必要的损失,因而在风速超出允许值时,风力机组应有相应反应。在风速超出额定值时电机转速不会上升很大。但当电网频率上升时,电机同步转速上升,要维持电机出力基本不变,只有在原有转速的基础上进一步上升。如果转速超出同步转速5%,除了顺桨还应使风力机组侧风90°,以使风力机组转速迅速下降。当然,只要转速没有超出允许限额,只须执行正常刹车,在安全的同时保护刹车闸块。,风机分类,,根据桨叶控制分类 : 定桨 、变桨 、主动失速 根据发电机技术 : 普通感应电机 、 双馈电机 同步电机(永磁或电励磁) 根据传动系统 : 有齿轮箱(半直驱)、直驱,恒速恒频风电机组(普通异步发电机),该类型风电机组通常只能在很小的转差变化范围内运行,不能充分有效地利用风能。发电机为鼠笼式感应电机,运行时需要从系统中吸收无功功率,可在机端装设并联电容器组提供风电机组所需的无功功率。,,绕线式转子感应电机作为发电机,转子与定子侧通过变流器联系。能够在较大的范围内实现变速运行,风能利用效率高; 采用矢量控制技术后可以实现有功功率与无功功率的解耦控制。,变速恒频风电机组(双馈感应电机),,发电机为多极永磁同步电机,经过容量与电机容量 相当的背靠背式变流器与系统相连。,变速恒频风电机组(永磁同步直驱电机),,,风电接入对电网影响,,存在问题 风电场的场址多在电网末端,需要新建输电线路和变电站等设施,接入系统规划和投资建设往往落后于风电项目的实施。 风电的随机性给电网的稳定运行带来影响,需要电网企业提供附加服务,增加成本,存在接纳大容量风电的技术条件。,风电接入对电网影响,,有功功率 电网故障或特殊运行方式要求降低风电场有功功率,以防止输电线路发生过载,确保电力系统稳定性; 当电力系统调频能力不足时,需要限制风电场的功率变化率 (MW/min); 当电网频率过高时,如果常规调频电厂容量不足,则需要降低风电场有功功率。 系统调峰问题严重!,风电接入对电网影响,,无功容量 风电场无功功率的调节范围和响应速度,需要根据风力发电机组运行特性、电网结构和特点决定,应满足风电场并网点电压调节的要求。 无功电源 风电场无功补偿装置可采用分组投切的电容器或电抗器,必要时采用可以连续调节的静止无功补偿器或其他先进的无功补偿装置。运行电压 当并网点电压在额定电压的90%~110%范围内,风电场应能正常运行。 电压偏差 当风电场的并网电压为110kV及其以下时,风电场并网点电压的正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%。 当风电场的并网电压为220kV及其以上时,正常运行时风电场并网点电压的允许偏差为额定电压的-3~+7% 风电场自身无功补偿容量不足或补偿速度不满足要求,则可能导致系统电压严重下降 !,低电压穿越的概念,,当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时,在一定电压跌落的范围内,风电机组能够不间断并网运行。 LVRT:Low Voltage Ride Through 也有故障穿越的提法。FRT:Fault Ride Through,低电压穿越的概念,,,由于风电机组一般采用异步发电机技术,电网发 生故障时机端电压难以建立,若风电机组继续挂网运行,将会影响到电网电压无法恢复,因此,电网发生故障出现电压跌落时,一般都是采取切除风电机组的方法来处理。 高风速期间,由于输电网故障引起的大量风电切除会导致系统潮流的大幅变化甚至可能引起大面积的停电,而带来频率的稳定问题。,低电压穿越的概念,系统中某节点电压跌落的严重程度与 此节点距离故障点的电气距离远近 此节点固有的无功电压支撑能力 密切相关,电网发生电压跌落对风电机组的影响,,机械、电气功率的不平衡影响机组稳定运行。,,暂态过程导致发电机中出现过流,可能损坏器件。,,附加的转矩、应力可能损坏机械部分,国内机组低电压运行能力现状,,变速风电机组的LVRT功能,受制于电力电子器件自身的过流能力。 一般而言,IGBT的过流能力只是额定电流的两倍。 现有国产风电机组配备有被动Crow-bar,无法实现LVRT。,低电压穿越原理,低电压穿越原理,电网侧变流器的主要功能是控制电容电压恒定,为转子侧变流器提供电源支持。 转子侧变流器为转子绕组提供幅值、相位和频率可变的励磁电流,从而对机组输出的有功和无功进行独立控制,,在电网电压跌落情况下,风电机组中的双馈感应发电机会导致转子侧过流,同时转子侧电流的迅速增加会导致转子励磁变流器直流侧电压升高,发电机励磁变流器的电流以及有功和无功都会产生振荡。这是因为双馈感应发电机在电网电压瞬间跌落的情况下,定子磁链不能跟随定子端电压突变,从而会产生直流分量,由于积分量的减小,定子磁链几乎不发生变化,而转子继续旋转,会产生较大的滑差,这样便会引起转子绕组的过压、过流。转子变流器退出运行,转速加大到一定限值,机组退出运行。,,如果电网出现的是不对称故障的话,会使转子过压与过流的现象更加严重,因为在定子电压中含有负序分量,而负序分量可以产生很高的滑差。过流会损坏转子励磁变流器,而过压会使发电机的转子绕组绝缘击穿。,低电压穿越原理,低电压穿越原理,控制过程: 1、直流母线电压过限,CROWBAR投入,旁路转子侧变流器,电网侧变流器与电网相连。 2、风机控制系统的桨距角控制系统作用,减少风机捕获风能,重新建立机组端电压。 3、故障清除后,机组端电压恢复,转子侧变流器恢复正常运行。,美国低电压穿越标准,1. 风电场必须具有在电压跌至15%额定电压时能够维持 并网运行625ms的低电压穿越能力; 2. 风电场电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的 90%时,风电场必须保持并网运行(任何时间,只要 电压值不低于图中的电压曲线)。,低电压穿越标准,,德国要求电网电压跌落到15%时持续300ms。 澳大利亚要求电网电压跌落到0%时持续175ms。 丹麦要求电网电压跌落到25%时持续100ms。 我国目前还没有具体的标准。,解决方案,,依靠机组本身实现LVRT,,改变转子回路励磁方式。,,无功补偿方案。,转子侧保护电路,(1)混合桥型crowbar电路,如图所示,每个桥臂由控制器件GTO晶闸管和二极管串联而成。,转子侧保护电路,IGBT型crowbar电路,如图所示,每个桥臂由两个二极管串联,直流侧串入一个IGBT器件和一个吸收电阻,转子侧保护电路,带有旁路电阻的crowbar电路,如图所示,出现电网电压跌落时,通过功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中,这就为电网故障期间所产生的大电流提供了一个旁路,从而达到限制大电流,保护励磁变流器的作用.励磁变流器在电网故障期间,与电网和转子绕组一直保持连接,因而在故障期间和故障切除期间,双馈感应发电机都能与电网一起同步运行。当电网故障消除时,关断功率开关,便可将旁路电阻切除,双馈感应发电机转入正常运行,定子侧保护电路,变流器通过发电机定子端的串联变压器增加交流开关实现与电网串联连接,转子侧变流器选用电流等级较高的大功率IGBT,故障时定子侧产生较大的暂态电流,此时通过控制晶闸管触发延迟角对此电流进行限制。,,将变流器与电网进行串联连接,则双馈感应发电机定子端的电压为网侧电压和变流器输出的电压之和。这样便可以通过控制变流器的电压来控制定子磁链,有效的抑制由于电网电压跌落所造成的磁链振荡,从而阻止转子侧大电流的产生,减小系统受电网扰动的影响,达到强化电网的目的。但这种方式将增加系统许多成本,控制也比较复杂。,定子侧保护电路,直流侧保护电路,投入卸载单元,消耗掉直流侧多余的能量,则可以保持电压稳定。常规的卸载单元采用功率器件与电阻串联形式多余的能量通过电阻消耗掉。 采用能量存储设备(ESS),能量可双向流动的DC/DC变换器与直流侧连接,随着DFIG实际转速的变化,既可以发送有功功率,又可以在必要条件下吸收有功功率,故障时可以把多余的能量存储在ESS中。 在直流侧增加保护电路会在一定程度上加大转子侧变流器的设计难度,必须增加转子侧变流器的容量。,组合保护电路,,直驱型系统直流侧保护电路,,1、电网电压跌落时,直流侧输入功率大于输出功率,投入卸载电阻,消耗多余能量。 2、电网电压跌落时,对变流器的主要影响是过电流和直流侧电压上升,因此可以在直流侧和电网之间增加辅助变流器来实现保护功能 。,,应用于电压穿越的新系统的商业名称为ViaVAR。Elspec ViaVAR系 统基于以下这些特点: • 无浪涌的电容器连接 • 电压控制操作模式——优化以满足 PO12.3电网规约的要求 • 超高速的完成时间——小于10ms完成 全部补偿,基于SVC的无功补偿,Thank You !,,