【文章內(nèi)容簡介】 臺高壓發(fā)電機。目前只有為數(shù)不多的風(fēng)電系統(tǒng)采用這種發(fā)電機，如ABB公司以Wind former技術(shù)開發(fā)的風(fēng)電系統(tǒng)。( 7) 儲能式發(fā)電機。對于風(fēng)電功率波動的問題，輸出功率較小的情況下，通過加設(shè)濾波電容(或儲能裝置)，利用濾波電容削峰填谷的平滑作用可抑制功率大幅波動。 若輸出功率很大，波動明顯，電容器容量必須很大，導(dǎo)致電容體積、成本大幅增加，這對電容器的性能、穩(wěn)定和可靠性要求很高，技術(shù)上實現(xiàn)不容易。利用儲能式發(fā)電機，其輸出功率的波動性將極大得到平緩控制， 這就意味著風(fēng)電功率波動導(dǎo)致大規(guī)模上網(wǎng)難這一技術(shù)難題能夠克服。這種電機容量很小，通常應(yīng)用于各種高低壓斷路器中，目前湘電對船舶用大功率儲能電機的研制正在進(jìn)行中，而在風(fēng)力發(fā)電中的研究多處于理論階段，尚無法投入使用。常見風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)及性能比較如表32所示。近年來進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組，已逐漸成為風(fēng)力發(fā)電機組的主流機型，其主要特點是在全槳變速有限變速風(fēng)力發(fā)電機組的基礎(chǔ)上，采用了轉(zhuǎn)速可以在大范圍變化的發(fā)電機及相應(yīng)的電力電子技術(shù)，通過對最佳葉尖速比的跟蹤，使得風(fēng)力發(fā)電機組在所有的風(fēng)速下均可獲得最佳的功率輸出。目前在各類風(fēng)電機組中，兩種最具競爭能力的結(jié)構(gòu)形式是雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機組和直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機組。大容量的機組大多采用這兩種結(jié)構(gòu)，但本節(jié)還介紹一種介于兩者之間的半直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組。 交流勵磁雙饋發(fā)電機的主要結(jié)構(gòu)特點：定子與一般三相交流發(fā)電機定子一樣，具有分布式交流繞組；轉(zhuǎn)子不是采用同步發(fā)電機式的直流集中繞組，而是采用三相分布式對稱交流繞組，與三相繞線式異步電機(繞線型感應(yīng)電機)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相似，只是轉(zhuǎn)子繞組上加有滑環(huán)和電刷，這樣轉(zhuǎn)子側(cè)既可以輸入電能也可以輸出電能。它在正常工作時，其定子繞組接入工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)一個頻率、幅值、相位都可以調(diào)節(jié)的三相變頻電源供電[22]。 并網(wǎng)運行時的交流勵磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)如圖14所示。交流勵磁雙饋發(fā)電機的運行原理：交流勵磁雙饋發(fā)電機定子接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率、相位、幅值可調(diào)的電源供給三相低頻勵磁電流，在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)的磁場，這個磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速相加等于定子磁場同步速，從而發(fā)電機定子繞組中感應(yīng)出同步轉(zhuǎn)速的工頻電壓[23]。當(dāng)風(fēng)速變化時轉(zhuǎn)速隨之變化，此時相應(yīng)改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速以補償電機轉(zhuǎn)速變化，可達(dá)到變速恒頻的目的。圖310　雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖310 所示的就是使用廣泛的雙饋風(fēng)力發(fā)電機，這種風(fēng)電系統(tǒng)中定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，可實現(xiàn)功率的雙向流動。雙饋風(fēng)力發(fā)電機既可以次同步速運行，又可以超同步速運行，變速范圍寬，可跟蹤最佳葉尖速比，實現(xiàn)最佳風(fēng)能捕獲，提高風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率；它還可對輸出的有功功率和無功功率進(jìn)行控制，優(yōu)化功率輸出，提高了功率因數(shù)和電能質(zhì)量。與恒速恒頻風(fēng)電機組相比，由于它的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，轉(zhuǎn)子通過電刷和滑環(huán)與變頻器連接，因此會降低雙饋發(fā)電機運行的可靠性，同時由于該種發(fā)電機的頻率和網(wǎng)側(cè)頻率是一種弱耦合關(guān)系，轉(zhuǎn)子頻率與電網(wǎng)頻率之間是通過雙PWM變頻器轉(zhuǎn)換，存在著諧波污染等問題。雙饋發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機類似，不同的是轉(zhuǎn)子通過變頻器與升壓變壓器和電網(wǎng)連接。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機轉(zhuǎn)速n變化時，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率f2，可使定子頻率f1恒定，當(dāng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n小于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1時，即nn1，處于亞同步狀態(tài)，此時變頻器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供交流勵磁，發(fā)電機定子發(fā)出電能給電網(wǎng)；當(dāng)nn1時，處于超同步狀態(tài)，此時發(fā)電機同時由定子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng)，變頻器的能量流向逆向；當(dāng)n=n1時，處于同步狀態(tài)，此時發(fā)電機作為同步電機運行,變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。由此可知，當(dāng)發(fā)電的轉(zhuǎn)速n變化時，若控制f2相應(yīng)變化，可使f1保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，也就實現(xiàn)了變速恒頻控制[24]。采用交流勵磁雙饋發(fā)電機的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： 按吸收最大風(fēng)能跟蹤風(fēng)速變化去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，最大限度的捕捉風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機組的效率。 允許原動機在一定范圍內(nèi)變速運行,簡化了調(diào)整裝置,減少變速時的機械應(yīng)力和磨損,同時使機組控制更加靈活、方便,提高了機組運行效率。 采用一定的策略(如矢量控制,雙PWM變頻器等)可靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功功率,對電網(wǎng)而言此系統(tǒng)可起到功率因數(shù)補償?shù)淖饔谩?采用PWM技術(shù)可抑制諧波,減小開關(guān)損耗,提高效率。 需要變頻控制的功率僅是電機額定容量的一部分,從而使變頻裝置體積減小、成本降低、投資減少。 雙饋發(fā)電機采用交流勵磁，使發(fā)電機和電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成了“柔性連接”，即可以根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)勵磁電流，精確的調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓，避免并網(wǎng)時發(fā)生的電流沖擊和過大的電壓波動，滿足電網(wǎng)的要求。 正是因為這些優(yōu)點，使得雙饋發(fā)電機成為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用的主流發(fā)電機。常用的雙饋發(fā)電機目前仍然有滑環(huán)和電刷，這是限制單機容量的因素。無刷雙饋發(fā)電機已經(jīng)開始在風(fēng)電中試驗，不久將可以應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。雙饋式變漿變速機型，是目前大部分企業(yè)采用的技術(shù)，技術(shù)成熟，是風(fēng)電行業(yè)主流的先進(jìn)技術(shù)，其機組的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。通用公司、歌美颯、維斯塔斯、蘇司蘭、華銳、東汽、上海電氣、北重、沈陽華創(chuàng)等公司，采用此技術(shù)。當(dāng)前商業(yè)運行的DFIG風(fēng)力發(fā)電機組最大容量已達(dá)到5MW。圖311 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)示意圖 在雙饋風(fēng)力發(fā)電機控制發(fā)展過程中出現(xiàn)了很多控制策略，主要包括矢量控制、標(biāo)量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制。(1)矢量控制 在雙饋風(fēng)力發(fā)電機組勵磁控制中，以前往往采用矢量控制策略，分為兩大類，即基于氣隙磁場定向的矢量控制策略和基于定子磁場定向的矢量控制策略。對于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機，較多文獻(xiàn)采用了定子磁場定向的矢量控制方法，它將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與雙饋發(fā)電機的定子氣隙磁場矢量重合，推導(dǎo)出基于定子氣隙磁場定向的雙饋發(fā)電機穩(wěn)態(tài)下有功、無功解藕的勵磁控制模型。但由于矢量控制的魯棒性較差，并且由于矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實際的控制效果與理論分析的結(jié)果又一定的偏差，這是矢量控制技術(shù)存在的缺陷。(2)多標(biāo)量控制 基于多標(biāo)量模型的雙饋電機控制方法通過多標(biāo)量模型變換電機系統(tǒng)到兩個獨立的線性子系統(tǒng)中，利用PI調(diào)節(jié)器控制定子的有功和無功。在該方案中，定義轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，定子磁鏈幅值的平方，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子電流的叉積和點積四個標(biāo)量，并根據(jù)上述四個標(biāo)量電機的微分方程，在忽略定子電阻的情況下，對定子磁通做歸一化處理后，電機的有功功率和無功功率可以得到解禍控制。(3)直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種高性能的異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。，1985年由德國魯爾大學(xué)DePenbrock教授和Tankahashi分別取得了直接轉(zhuǎn)矩控制在應(yīng)用上的成功，接著在1987年又把直接轉(zhuǎn)矩控制推廣到弱磁調(diào)速范圍[25]。不同于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制具有魯棒性強、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度快、控制結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，它在很大程度上解決了矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計算量大、對參數(shù)變化敏感等問題。 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組又稱無齒輪箱風(fēng)力發(fā)電機組。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組通常采用永磁同步發(fā)電機，轉(zhuǎn)子使用永磁體，沒有勵磁系統(tǒng)。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率、幅值都變化的三相交流電，經(jīng)整流后通過逆變轉(zhuǎn)換為恒頻恒壓的三相交流電饋入電網(wǎng)。通過全功率變流裝置，對系統(tǒng)的有功功率和無功功率進(jìn)行控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤，最大效率地利用風(fēng)能[17]。 全變速的風(fēng)力發(fā)電機組如圖312所示，發(fā)電機的定子與電網(wǎng)通過大容量變頻器連接。這種變頻器起到無功補償和與電網(wǎng)平滑連接的作用。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其噪聲小、維護(hù)成本低、具有較好的低壓穿越能力而受到越來越多的關(guān)注。永磁材料在性能改善的同時，價格也在不斷降低，另外永磁電機不需要電勵磁，控制更加簡單，用在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有優(yōu)勢[26]。電力電子技術(shù)近年來的不斷發(fā)展，原來限制直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大力發(fā)展的電力電子變換裝置已經(jīng)不再成為難以克服的問題。圖312 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)這種機組中變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機通過全額變頻器接入電網(wǎng)。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接與風(fēng)力機的輪轂相連接,因此直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速較低。當(dāng)傳遞能量一定時,必然要求其具有較高的轉(zhuǎn)矩,從而導(dǎo)致發(fā)電機體積較大[27]。低轉(zhuǎn)速還導(dǎo)致發(fā)電機極數(shù)較多,為了獲得合理的極距,必然要求發(fā)電機有較大的外部尺寸來放置磁極。同時,考慮到負(fù)載電流和氣隙磁密的約束,隨著直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機容量的增加,為保證轉(zhuǎn)矩密度不會進(jìn)一步顯著的增加,轉(zhuǎn)矩越高導(dǎo)致發(fā)電機體積越大。為了提高發(fā)電機的效率、減小發(fā)電機的重量,直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機通常被設(shè)計成外徑較大、極距較小的結(jié)構(gòu)[28~29]。此外,由于取消了齒輪箱,直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組具有傳動鏈簡單、整體效率高、可靠性和可用性高等優(yōu)點。目前,市場上直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機主要分為電激磁同步發(fā)電機(EESG, Electrically Excited Synchronous Generator)和永磁同步發(fā)電機(PMSG, Permenant Magnet Synchronous Generator)兩大類。 半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組又稱混合型風(fēng)力發(fā)電機組。一般采用單級齒輪箱升速，這種結(jié)構(gòu)可以分別應(yīng)用在雙饋型與直驅(qū)型中。與直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組相比，單級齒輪箱半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組具有較佳的能量成本比，同時由于發(fā)電機的特殊設(shè)計，大大減輕了發(fā)電機的體積和重量，方便安裝和運輸，具有較好的應(yīng)用前景。 目前，失速型風(fēng)力發(fā)電機組已逐步被變槳變速型風(fēng)力發(fā)電機組替代。在變槳變速型風(fēng)力發(fā)電機組中，主流機型是雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組，其次是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組，半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組正在研制階段。并且風(fēng)電機組的主要發(fā)展方向是重量更輕，結(jié)構(gòu)更具有柔性,直接驅(qū)動和變速恒頻等。從目前的發(fā)展趨勢來看，以水平軸、上風(fēng)向、三葉片的升力型機組為主流的風(fēng)電機組[30]。 (1)變槳距調(diào)節(jié)方式將會取代定槳距失速調(diào)節(jié)方式。變槳距調(diào)節(jié)能夠按最佳參數(shù)運行，額定風(fēng)速以下具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，功率曲線飽滿；額定風(fēng)速以上功率輸出穩(wěn)定，不會造成發(fā)電機超負(fù)荷；較定距失速式整機受力狀況得到改善,而且年發(fā)電量大。 (2)變速運行方式將會取代恒速運行方式變速運行。在低風(fēng)速時能夠調(diào)節(jié)發(fā)電機反轉(zhuǎn)矩以使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，從而保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能；高風(fēng)速時能夠利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化存儲或釋放部分能量，從而提高傳動系統(tǒng)的柔性，使得功率輸出更加平穩(wěn)，以獲得最大功率。 (3)直驅(qū)式的市場份額會越來越大。直接驅(qū)動可省去齒輪箱，減少傳動鏈能量損失、減少停機時間、發(fā)電成本和噪聲，降低了維護(hù)費用，提高風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和可靠性。 (4)風(fēng)力發(fā)電機無刷化可提高系統(tǒng)運行的可靠性，實現(xiàn)免維護(hù)，提高發(fā)電效率。 (5)大型風(fēng)機系統(tǒng)和小型風(fēng)機系統(tǒng)并列發(fā)展。在開發(fā)大型機的同時還應(yīng)重視小型機。用于海洋作業(yè)時，景觀、噪聲等方面的問題不突出，適于采用數(shù)MW的大型機組；當(dāng)受地形、系統(tǒng)等外部條件限制時，應(yīng)用小型機較有利。 (6)并網(wǎng)大型化與離網(wǎng)分散化互補運行。偏僻地區(qū)等電網(wǎng)較小，適用于離網(wǎng)分散型電力系統(tǒng)。表32 風(fēng)力發(fā)電中常見發(fā)電機結(jié)構(gòu)和性能比較第4章 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng) 作為對新型清潔能源的開發(fā)和利用，風(fēng)力發(fā)電近年來發(fā)展迅速，各大發(fā)電企業(yè)紛紛上馬風(fēng)電。特別是在沿海等風(fēng)能資源地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)的步伐不斷加快、規(guī)模不斷增大。風(fēng)電的大量并網(wǎng)，也給電網(wǎng)的運行帶來了一定的負(fù)面影響，風(fēng)能具有隨機變化的特性，而風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率與風(fēng)速的立方成正比，因此風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率通常隨著風(fēng)速大幅快速變化。 若將大量風(fēng)電接入電網(wǎng)，將會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，電能質(zhì)量下降，調(diào)度運行復(fù)雜化。在某些情況下會成為制約風(fēng)電場裝機容量的主要因素，甚至造成非常嚴(yán)重的事故。例如2011年2月24日清晨西北電網(wǎng)酒泉地區(qū)一個風(fēng)電場單條饋線故障，導(dǎo)致該地區(qū)11個風(fēng)電場引發(fā)風(fēng)電機群發(fā)生大規(guī)模脫網(wǎng)事故。該事故是截止目前我國風(fēng)電事故中脫網(wǎng)規(guī)模最大的一次，[31]。隨著大規(guī)模風(fēng)電的接入，風(fēng)電容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，其對系統(tǒng)的影響將不能被忽視。 風(fēng)電場并網(wǎng)運行對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、安全穩(wěn)定帶來諸多負(fù)面的影響，現(xiàn)如今風(fēng)力發(fā)電逐步的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化，風(fēng)電場裝機規(guī)模不斷增大，風(fēng)電場注入功率的變化對電網(wǎng)的影響也同益顯著。為了更加充分的開發(fā)利用風(fēng)力資源，在風(fēng)電場建設(shè)之前，需要對并網(wǎng)風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響做深入的研究分析，這對風(fēng)電場的規(guī)劃設(shè)計以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行都有著重要意義。 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機群組成的風(fēng)電場A、升壓變電站B和輸電線路L組成的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是將風(fēng)電電力通過PCC節(jié)點送入電力網(wǎng)絡(luò)，再提供給用戶，如圖41所示。PCC節(jié)點是風(fēng)電場與電網(wǎng)的連接點，又稱公共連接點。圖41風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的組成 風(fēng)電相當(dāng)于“負(fù)”負(fù)荷，具有間歇性和隨機性。風(fēng)電在電網(wǎng)中的使用受到一定的限制，同時大型風(fēng)電場并網(wǎng)增加了電網(wǎng)運行調(diào)度的難度。 風(fēng)電場向電網(wǎng)輸送電能時必須保證一定的電能質(zhì)量，通常電能質(zhì)量由頻率、電壓、諧波、閃變和三相不平衡度組成。并網(wǎng)型風(fēng)電場對于電網(wǎng)穩(wěn)定性的主要威脅一方面是風(fēng)速的波動性和隨機性引起風(fēng)電場出力隨時間變化且難以預(yù)測，從而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電接入電力系統(tǒng)時存在安全隱患；另一方面是弱電網(wǎng)中風(fēng)電注入功率過高引起的電壓穩(wěn)定性降低。再者，風(fēng)力發(fā)電機組在電網(wǎng)瞬態(tài)故障下有可能會加劇電網(wǎng)故障，甚至引起局部電網(wǎng)崩潰。 風(fēng)電場發(fā)出的功率是隨著風(fēng)速隨即切入或退出電網(wǎng)的。假定在某時刻，電網(wǎng)中的部分負(fù)荷由切入風(fēng)電（）供電，常規(guī)電源總發(fā)電有功功率，則等量地減少至，如圖42（a）所示。如果此時無風(fēng)，風(fēng)電電力下降到零，則由常規(guī)電源的旋轉(zhuǎn)備用（）供電，如圖42（b）所示。是在常規(guī)發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)的作用下調(diào)出的，這一過程伴隨電網(wǎng)的頻率調(diào)整。為保證不間斷地給用戶供電，電網(wǎng)為風(fēng)電準(zhǔn)備的必須是旋轉(zhuǎn)備用的，由發(fā)電機的一次調(diào)頻功能實現(xiàn)[17]。圖42 風(fēng)電場有功功率動態(tài)平衡風(fēng)電切入、退出前后電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)頻率，可用下式計算，即