风电并网文献综述1.doc

风电并网技术文献综述

前言：风能是一种清洁、实用、经济和环境友好的可再生能源，与其它可再生能源一道，可以为人类发展提供可持续的能源基础，在未来能源系统中，风电具有重要的战略地位。由于风力发电使用的一次能源（风能）具有能量密度低、波动性大、不能直接储存等特点，风力发电领域仍然有许多问题需要进一步深入研究。本论介绍了世界风力发电应用现状与前景，风电系统的控制技术，风力发电设备，详细阐述了各种类型风力发电机及其风力发电系统的特点，通过对比各种风力发电机和各种控制方法的优缺点，对未来风力发电机和风力发电控制技术的发展趋势做了展望。

1.国内外风力发电发展现状
1.1国外风力发电发展现状
19世纪末，丹麦首先开始探索风力发电，研制出风力发电机组。直到20世纪70年代以前，只有小小型充电用风力机达到实用阶段。美国在20世纪30年代还有许多电网未通达的地区，独立运行的小型风电机组在实现农村电气化方面起了很大作用，当时的机组多采用木制叶片、固定轮毂和侧偏尾舵调速，单机容量的范围为0.5~3kW。
1973年发生石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，动员高科技产业，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期。

20世纪70年代到80年代中期，美国、英国和德国等国政府投入巨资开发单机容量1000kW以上的风电机组，承担课题的都是著名大企业，如美国波音公司研制了2500kW和3200kW的机组，风轮直径约为100m,塔高为80m，安装在夏威夷的瓦胡岛；英国的宇航公司和德国MAN公司分别研制了3000kW的机组，所有这些巨型机组都未能正常运行，因其发生故障后维修非常困难，经费也难以维持，没有能够发展成商业机组，未能形成一个适应市场需求的风电机组制造产业。
20世纪70年的石油危机，使美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时代。世界范围内，风电发展很不平衡。至2003年底，欧洲约占世界风电总装机容量的74％，北美占18％，亚太地区仅占8％。其中，德国、美国、丹麦、印度和西班牙5个国家的风电装机容量之和超过了世界风电总装机容量的83％。

1.2国内风力发电发展现状
中国现代风力发电机技术的开发利用起源于20世纪70年代初。经过初期发展、单机分散研制、示范应用、重点攻关、实用推广、系列化和标准化几个阶段的发展，无论在科学研究、设计制造，还是试验、示范、应用推广等方面均有了长足的进步和很大的提高，并取得了明显的经济效益和社会效益，特别是在解决常规电网外无电地区农、牧、渔民用电方面走在世界的前列，生产能力、保有量和年产量都居世界第一在世纪开始的时候，中国还有约2000万人口没有用上电，在常规电网外，推广独立供电的风力发电机组，对解决农、牧、渔民看电视、听收音机、照明和用电动鼓风机做饭等生活用电问题，对于改善和提高当地经济，促进地区社会、文化事业发展，加强民族团结，巩固国防建设有着重大的意义。
1986年4月，中国第一个风电场在山东荣城并网发电，三台55kW机组是由航空部和山东省由丹麦引进的，同年10月作为国际科技合作项目，利用比利时政府赠送的四台200kW机组建成平潭示范风电场。从1989年起全国各地陆续利用外国政府赠款或优惠贷款，引进机组建设风电场，装机容量逐年增长，规模在1万kW以上的有新疆达坂城，内蒙古辉腾锡勒广东南澳， 惠来，辽宁东岗、丹东，吉林通榆和浙江苍山、鹤顶山等风电场，2000年底全国共有34.43万kW。
中国经济持续发展，对能源的需求增长很快，常规能源的供应及其带来的环境问题日益突出，风电随着技术的发展和批量的增大，成本将会继续下降，必然成为重要的清洁电源。东部沿海还有更丰富的海上风能资源，距离电力负荷中心又近，海上风电场在远期将是后续能源基地。
20世纪80年代，我国陆续研制过几种并网型风电机组，额定功率分别是18、30、55和200kW。由于研制周期长，赶不上市场对更大容量机组的需求，大部分样机得不到机会继续改进和完善，未能转化成商品。600kW机组的技术通过多种方式引进，其中之一是支付技术转让费，购进全套制造技术，再经自主开发逐步完善，提供商业化产品。国家“九五”科技攻关项目安排的风力发电项目主要内容有：大型风电机组总体设计关键技术；叶片设计、制造与试验；电控技术及装备；风电场集中控制及远程监控；风电机组电气性能测试技术。

2风电系统的控制技术
风力发电系统的运行方式有三种：并网型，独立型，联合型。并网型风力发电系统由风力机控制器，风力机，传动装置，励磁调节器，发电机，变频器等组成。
风电机组中将风能转化为机械能的装置是风力机，它由风轮，迎风装置，和塔架组成。按结构不同：风力机可分为水平轴式和立轴式两种；按功率调节方式不同：风力机可分为定桨距失速，变桨距和主动失速三种。
风电机组中的发电机将机械能转化为电能，发电机在并入电网时必须输出恒定频率（一般为50HZ），按照发电机转速不同，发电机可分为恒速和变速两类，其中变速需要通过变频器实现。变频器采用电力电子变流技术和控制技术，将发电机发出的频率变化的交流电转换为与电网频率相同，能与电网柔性连接的交流电，并且能够实现最大风能跟踪控制。按照拓扑结构不同，变频器可分为交-交型，交-直-交型和矩阵型三种；按照变频器容量的不同可分为：部分容量和全部容量两种。

3 风力发电机

3.1 传统的风力发电机
3.1.1 笼型异步发电机
笼型异步发电机是传统风力发电系统广泛采用的发电机。系统结构如图1所示。图中的功率变换器是指软并网用的双向晶闸管起动装置，箭头指功率P的流动方向。其工作原理是利用电容器进行无功补偿，在高于同步转速附近作恒速运行，采用定桨距失速或主动失速桨叶，单速或双速发电机运行。由于电机转子整体强度、刚度都比较高，不怕飞逸，比较适合风力发电这种特殊场合，所以笼型异步发电机发展很快，其技术日趋成熟，在世界各大风电场与风力机配套的发电机中，绝大多数是采用笼型异步发电机，但不能有效地利用风能，效率低。

图1 笼型异步发电机系统的结构图
3.1.2 绕线式异步发电机
绕线式异步发电机由电机转子外接可变电阻组成，其工作原理是通过电力电子装置调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率，发电机的转差率可增大至10%，能实现有限变速运行，提高输出功率，同时采用变桨距调节和转子电流控制，可以提高动态性能，维持输出功率稳定，减小阵风对电网的扰动。其系统结构如图2所示。

图2 绕线式异步发电机的系统结构图
3.1.3 有刷双馈异步发电机
为了降低异步发电机并网运行中功率变换器的功率，双馈异步发电机被广泛应用于风力发电系统中，通过控制转差频率可实现发电机的双馈调速。但是此种电机是有刷结构，运行可靠性差，需要经常维护，并且此种结构不适合于运行在环境比较恶劣的风力发电系统中。系统结构如图3所示。

图3 双馈异步发电机的系统结构图
3.1.4 同步发电机
近年来，采用同步发电机来代替异步发电机是风力发电系统的一个主要技术进步。此种发电机极数很多，转速较低，径向尺寸较大，轴向尺寸较小，可工作在起动力矩大、频繁起动及换向的场合，并且当与电子功率变换器相连时可以实现变速操作，因此适用于风力发电系统。系统结构如图4所示。变换器与发电机定子相连，电压源型逆变器的直流侧提供电机转子绕组的激励电流。通过控制功率变换器的电压来改变发电机定子绕组的电流，从而控制发电机的输出力矩。通过控制功率变换器的超前、滞后电流来控制整个机组的无功功率及有功功率输出。此种风力发电机组具有噪声低、电网电压闪变小及功率因数高等优点。

图4 同步发电机的系统结构图
3.2 新型风力发电机
3.2.1 开关磁阻发电机
开关磁阻发电机具有结构简单、能量密度高、过载能力强、动静态性能好、可靠性和效率高的特点。系统结构如图5所示。作电动机运行时，励磁电流产生的旋转磁场使转子动作，改变相绕组通电顺序，电机可处于连续运动的工作状态；作发电机运行时，电机的各个物理量随着转子位置的变化作周期性变化，当电机相电感随转子位置变化减小时，给相绕组通以励磁电流，则在定子侧发生电磁感应，将机械能转化为电能。当开关磁阻电机运行在风力发电系统中时，起动转矩大、低速性能好，常被用于小型(<30kＷ)的风力发电系统中。

图5 开关磁阻电机发电系统结构图
3.2.2 无刷双馈异步发电机
其基本原理与有刷双馈异步发电机相同，主要区别是取消了电刷，此种电机弥补了标准型双馈电机的不足，兼有笼型、绕线型异步电机和电励磁同步电机的共同优点，功率因数和运行速度可以调节，因此适合于变速恒频风力发电系统，其缺点是增加了电机的体积和成本。
3.2.3 永磁无刷直流发电机
永磁无刷直流发电机电枢绕组是直流单波绕组，采用二极管来取代电刷装置，两者连为一体，采用切向永磁体转子励磁，外电枢结构。此种电机不但具有直流发电机电压波形平稳的优点，也具有永磁同步发电机寿命长，效率高的优点，适合在小型风力发电系统中应用。
3.2.4 永磁同步发电机
永磁同步发电机采用永磁体励磁，无需外加励磁装置，减少了励磁损耗；同时它无需换向装置，因此具有效率高，寿命长等优点。当电机转子被风能驱动旋转时，定子与转子产生相对运动，在绕组中产生感应电流。与等功率一般发电机相比，永磁同步发电机在尺寸及重量上仅是它们的1/3或1/5。由于此种发电机极对数较多，且操作上同时具有同步电机和永磁电机的特点，因此适合于采用发电机与风轮直接相连、无传动机构的并网形式。
3.2.5 全永磁悬浮风力发电机
全永磁悬浮风力发电机结构上完全由永磁体构成、不带任何控制系统，用于风力发电机组，完成了原始创新；将磁悬浮轴承、旋转轴、风机定子绕组、永磁转子、迎风舵等零部件进行优化设计，完成了集成创新,其最大特点是“轻风起动，微风发电”，起动风速为1.5m/s，大大低于传统的3.5m/s。通过采用磁力传动技术和磁悬浮技术，可克服永磁风力发电机输出特性偏软的缺点。与传统风力发电机相比，全永磁悬浮风力发电机真正做到了“轻风起动，微风发电”，可开发出国内广大地区的低风速资源，增加年发电时间。系统由原动力传送装置、磁力传动调速装置、磁轮、永磁发电机等几部分组成。其低风速启动技术，对开发国内广大地区的低风速资源，提高了风能的利用率和发电效率，具有较大的社会效益和经济效益，增加风力发电机的年发电时间有积极意义。

4小结：通过分析以上各类风力发电机的优缺点并结合当前发展形势我们可以得到以下结论：由于风电机组单机容量越来越大，已发展到现在的兆瓦级机组，控制方式从恒速恒频转向双馈式变速恒频控制，从整个大的发展趋势看，大型风力机组将会普遍采用双馈变速恒频异步步风力发电机。双馈变速恒频异步步风力发电机同时具有以下优点：首先它能控制无功功率并通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率控制其次双馈感应发电机无需从电网励磁而从转子电路中励磁最后它还能产生无功功率并可以通过电网侧变流器传送给定子但是电网侧变流器正常工作在单位功率因数并不包含风力机与电网的无功功率交换