文档介绍：第四讲风电场并网运行
同步发电机的并网运行
变速恒频风力发电机的并网运行
同步发电机交/直/交系统的并网运行
磁场调制发电机系统的并网运行
概述
风能是一种不稳定的能源,如果没有储能装置或与其他发电装置互补运行,风力发电装置本身难以提供稳定的电能输出。
解决风力发电稳定供电的办法:
——大型风力发电机(1000kW以上)并网运行;
——中型风力发电机(从几十kW到几百kW)或者并网运行,或者与柴油发电机或其他发电装置并联互补运行;
——小型风力发电机(10kW以下)主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行。
在并网运行方式中主要解决的问题是并网控制和功率调节问题。风电系统所采用的发电机类型不同,并网运行方式和问题也不同。
同步发电机的并网运行
风力驱动的同步发电机与电网并联运行的电路如图1所示,包括风力机、增速器,同步发电机,励磁调节器,断路器等,发电机经断路器与电网相联。
(1)风力发电机组的起动和并网过程
风向传感器测出风向并使偏航控制器动作,使风力机对准风向。当风速超过切入风速时,桨距控制器调节叶片桨距角使风力机起动。
当发电机被风力机带到接近同步速时,投入励磁调节器,向发电机供给励磁,并调节励磁电流使发电机的端电压接近于电网电压。
在风力发电机被加速几乎达到同步速时,发电机的电势或端电压的幅值将大致与电网电压相同。它们的频率之间的很小差别将使发电机的端电压和电网电压之间的相位差在0°和360°的范围内缓慢地变化,检测出断路器两侧的电位差,当其为零或非常小时使断路器合闸并网。
合闸后由于有自整步作用,只要转子转速接近同步转速就可以使发电机牵入同步,使发电机与电网保持频率完全相同。
同步并网的一些特点
并网过程通过微机自动检测和操作。
同步并网方式并网时瞬态电流小,因而风力发电机组和电网受到的冲击也小。
对调速器的要求较高。要求风力机调速器调节转速使发电机频率与电网频率的偏差达到容许值时方可并网,如果并网时刻控制不当,则有可能产生较大的冲击电流,甚至并网失败。
控制系统费用较高,对于小型风电机组将会占其整个成本的一个相当大的部分,由于这个原因,同步发电机一般用于较大型的风电机组。
同步并网条件
同步并网同步发电机并网合闸前,为了避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩,需要满足一定的并网条件,这些条件是:
①风力发电机的端电压大小等于电网的电压;
②风力发电机的频率与电网频率相同;
③并网合闸瞬间,风力发电机与电网的回路电势为零;
④风力发电机的相序与电网的相序相同;
⑤电压的波形与电网电压的波形相同。
由于风力发电机有固定的旋转方向,只要使发电机的输出端与电网各相互相对应,即可保证第④个条件得到满足。第⑤个条件在设备选型和制造时可得到保证。所以在并网过程中主要应检查和满足前三个条件。
风电机输出的电功率
1
要增加它的输出电功率,就必须增加来自风力机的输入机械功率
同步发电机的功角特性
输出功率增大,励磁不作调节,电机的功率角δ增大。
同步发电机的功角特性(图4-2):
——当δ=90°,输出功率达到最大值,sinδ=1,最大功率叫做失步功率(极限功率)。
——δ>90°,风力机输入的机械功率继续增加,发电机输出电功率下降,无法建立新的平衡点,电机加速而失去同步,
——失步。如果一台风力发电机运行于额定功率状况,突然一阵剧烈的阵风,有可能导致输出功率超过发电机的极限功率。
——避免失步办法:①设计风轮转子及控制系统使其具有快速桨距调节功能,能对风速的急剧变化迅速作出反应;
②短时间增加励磁电流,功率极限跟着增大,静态稳定极限提高
③选择具有较大过载倍数的电机,最大功率比额定功率有较大的裕度。
(3) 无功功率调节
无功功率平衡。电网的总负载中,除了需要有功功率,有的负载还需要无功功率,如异步电动机和变压器等都需要电感性的无功功率。整个电网要是无功功率发得不够,就会导致电网的电压下降,这对用户是很不利的。
风力机驱动的同步发电机不仅能向电网发出有功功率,而且能向电网发出无功功率,这是它的一个很大的优点。
同步发电机励磁调节(调无功) 。同步发电机与电网并联后,如果风力机功率不变,通过调节发电机的励磁电流,就可以改变发电机输出的无功功率。