双馈型风电系统安全运行的研究 - 图文

硕士学位论文

风能密度W/m2风速3m/s以上的平均小时数》5000》200200~150150~50《505000~40004000~2000《2000风速6m/s以上的平均小时数所占区域百分比（%）8》22002200~15001500~350《350185024

目前，我国已经出现了一批大规模的风电场，其中最大的是内蒙古自治区克什克腾旗赛罕坝北风电场，装机容量已经达到了120.7MW。全国共有4座100MW以上规模的风电场。随着风力发电系统在整个电力系统中所占比重越来越大以及大规模集中型风电场的出现，风电发电系统与电网的关

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系也越来越紧密。权威统计显示，近几年，我国风电场建设进程突飞猛进，展现出了强劲的发展态势，风电装机容量2001年至2004年增长比较缓慢，2001年为400MW，2002年为468 MW，2003年为567 MW,2004年为764 MW，从2005年开始风电装机容量每年的增长速度就非常快，2005年为1266 MW，2006年2599 MW，2007年风电装机容量新增3300MW ，达到5906 MW，是上一年的两倍还多，是以往20多年的累计装机容量，是2006年新增装机容量1340MW的两倍还要多，2008年我国风电场建设的增长的基本情况仍不会改变，为12210 MW，还是保持是上一年的两倍增长，2009年为25240 MW，还是保持增长率为去年的两倍。2010年也新增也达到了预计的14000～15000MW，预计今后数年内风电场装机容量还将会增加，到2020年风电累计装机容量可达80000～100000MW，甚至有希望突破120000MW，约达到当时发电总装机容量的10%，风电是继火电、水电之外的第三大

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电力供应来源。由此来看，未来的几年风电装机增长猛进是必然的。华锐、东汽、金凤、运达、沈阳华创、江苏新誉、明阳电气、上海电气、哈电、北重、南车时代、国电联合动力、重庆海装、上海万德、湘电风能、广西银河等大型风电生产厂商喜讯不断；甘肃酒泉打造了“河西风电走廊，西部陆上三峡”的宏伟目标；黄海沙洲也拟建造“海上三峡”。全国各地的风电场涌起：锡盟风电、河北沧州、山东长岛、江苏大丰、青岛即墨、官厅水库、江苏响水等等，海上风电场也不甘落后，东海大桥、江苏如东、浙江慈溪等等、许多省份也在效仿，云南大理、山西左云、重庆武隆等等。

由于我国产业基础薄弱、自主创新能力不足、产业体系不够完善，只顾发展会加剧风电产业发展的风险。如果我们没有认识和足够的抗风险能力，只是在增长率上盲目乐观，必然会影响风电产业的健康发展。随着我国风电产业的高速发展，风电制造业就急剧扩张，随之而来的是产品质量问题也就越来越突出，风电整机制造和零部件在调试和运行过程中出现了不少的质量问题，这些问题都对风力发电机组的可靠性和经济性影响很大，这就加大了风电项目的技术和经济风险。况且，我国风电设备制造业投资和产能结构不平衡，集中研制整机、变流器、电控系统等关键零部件，研制配套投入和产能明星不足，导致产业不够协调。

风力发电机组单机容量从0.6MW、0.75MW、0.85MW、1MW、1.25MW、1.5MW、2.0MW、3.0MW、5.0MW、8.0MW。随着机组的单机容量的不断增大，它的体积、重量等都增大，需要采用一些新型的技术，比如变速技术、高叶尖速比技术、柔性传动技术等，那就对应的发电技术也不同，像双馈型、直驱型等。

近年来，变速恒频风力发电技术在兆瓦级以上风力发电机的应用已经成为研究的热点。在安装的变速恒频风力废电机中，双馈感应发电机（DFIG）占了很大的比重。使用双PWM变流器控制双馈感应发电机的励磁电流，如图1-1所示。一方面由于双馈感应发电机转子和定子间的电磁关系，变流器只需供给转差够功率就可以调节风力发电机的转速，实现了对风能的最大捕获，大大减少了风力发电系统变流器的额定容量；另一方面，发电系统可以通过改变励磁电流的赋值和相位来实现独立调节发电机输出的有功、无功功率，这可以保证风力发电场运行在单位功率因数，减小电流系统的损耗。双馈感应变速恒频风力发电技术可以提高风能捕获能力和转换效率，改善并优化风力发电机组的运行条件，使得发电机组与电力系统之间能实现很好的柔性连接，方便与实现顺利并网，是一种优化的风力发电方案。正因为DFIG系统使用了小容量变流器，因此才减弱了DFIG系统抵抗电网电压跌落的能力。国内外的研究表明，当电网电压跌落到一定程度时，如果不采取任何处理措施，DFIG系统将脱离电网。因此，需要研究在电网电压故障下如何使得DFIG风力发电系统能够保持和

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双馈型风电系统安全运行的研究

电网的连接，并且还能够对电网提供支撑作用老提高电力系统的稳定性。因此相关的研究就成了科研的热点，故障运行技术就成为风力发电研究的重点，并且研究这方面也具有十分重要的现实意义。 总的来说，我国近20年来风力发电市场发展较快，市场上大量的风力机，尤其是兆瓦级风力发电机仍然依赖于进口，只有少量的才是自主研制，还处于试验期间。为了实现风能利用的统筹规划、有序开发、分步实施、可持续发展的目标，国家根据其风能资源储量及其分布、电网承受能力和经

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济发展水平等因素，制定风电发展规划，促进全国风电大规模发展。

1.2.3风力发电系统主要机型与并网结构

总的来讲，风力发电就是将风的动能通过风力机转换为机械能，再带动发电机发电并将其转换成电能，这样就八风能给利用起来了。随着风力发电技术的发展，风力发电又出现了不同的机型以及并网结构，以下将分别对其进行介绍。

（1）风力发电机的类型

根据可用发电量的大小，2kW以下为小容量风机、2～100kW为中等容量的风机、100kw以上为大容量风机。根据风机的旋转速度变化分为定速风力发电机和变速风力发电机，而变速风力发电机又分为同步直驱型风力发电系统和双馈型风力发电系统。根据风力机风轮叶片数的不同，分为双叶式风力发电机、三叶式风力发电机和多叶式风力发电机。

变速风力发电机与定速风力发电机相比较来说，变速风力发电机优点为具有较高的性价比，能够降低变桨距机构的控制要求，在变速情况下，变桨距机构通常是用于在高风速时限制风力机的最大风能捕获；变速风力发电机有较小的机械应力，并且能够利用机械惯性储藏阵风；能够对转矩和功率的低频脉动进行动态补偿；能够提高系统的有效效率和总发电量，即变速风力发电系统能够使其转速随着风速改变而改变，从而实施最大风能的捕获(MPPT)控制；能够减小噪音。

（2）风电场的主要并网方式

在风力发电系统中，特别是大规模的风电场建设中，有采用单机控制模式，也有采用多极控制的模式，如图1-1 风电场建设的主要并网结构。

齿轮箱无功补偿齿轮箱

（a） 常规定速风力发电机多机并网结构

AC齿轮箱DCDCAC齿轮箱

(b)共交流母线群结构

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AC齿轮箱DCDCAC齿轮箱ACDC

（c）共直流母线控制结构

齿轮箱DFIG3~机侧变流器网侧变流器齿轮箱DFIG3~机侧变流器网侧变流器

（d）双馈电机多机并网

1-1 风电场建设的主要并网结构

1.3双馈型风力发电技术的研究及现状

1.3.1双馈型风力发电交流控制系统研究概述

自从人们认识双馈电机的以来，双馈电机的设计制造技术就得到不断的提高，双馈电机应用在许多的场合，尤其在大功率场合，包括电动机模式运行和发电机模式运行。而双馈电机又分有刷双馈电机和无刷双馈电机，以下本文出现的“双馈电机(DFIG)”一词在没有特殊声明的情况下，均指有刷型双馈电机。双馈型风力发电机的基本控制结构中，功率控制部分包括对风力机桨距角的控制以便在高风速时限制风力发电机的最大捕获功率，在低风速时桨距角通常保持不变，功率控制起到最大风能捕获(MPPT)的作用。变流器的控制包括转子侧变流器的控制和网侧变流器的控制，转子侧变流器主要用于对双馈电机的各种运行性能进行控制，网侧变流器主要用于控制直流电压，通常还具有对双馈电机定子电压和电网无功功率进行补偿控制的作用。电力调控来自于电力运行部门对风力发电杌或者风电场的电力调度。

对双馈型风力发电机丽言，由于其转子能量的双向流动性，需要转子变流器为双向变流器。目前可用于双馈电机的变流器拓扑结构主要可分为循环变流器(Cycloconverter)、交直交变流器(AC．DC-ACconverter)和矩阵变换器(Matrix Conver)三种类型。

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(1) 循环变流器(Cycloconverter)

循环变流器是把电网工频交流电直接变换成频率电压可调的交流电的变频电路。常用的6脉冲交交变流器有36个晶闸管反并联组成，每一相有12个晶闸管组成桥式电路，并且每一相都对应着三相输入。除6脉冲36个晶闸管构成的交交变流器外，还有12脉冲72管的交交变流器。

率较低，这一变流器的优点为；1)除隔离变压器外全部为电力电子器件，省去了中间储能环节

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(电感、或电容)，提高了变换效率；2)这类变流器多采用晶闸管自然环流方式工作，提高了工作的可靠性：3)开关频器件的开关损耗较低。并且采用晶闸管作为开关器件较容易满足大功率的要求。

尽管这一变流器具有诸多优点，技术相对较为成熟，但目前在双馈型风力发电机中应用依然较少，其主要原因有：1)晶闸管采用自然环流方式，变流器始终从电网吸收无功功率，功率因数较低；2)开关频率较低，谐波含量较大，通过双馈电机定转子之间的耦合作用．致使其电能质量较差，难以满足电网对风力发电机的要求；3)使用的器件较多，并且需要骗离变压器；动态响应较慢，当电网出现故障，如电网电压跌落时，难以对双馈电机进行较好的控制。

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(2)交直交变流器 交直交变流器，依据其中问储能环节的不同又可分为电流源型交直交变流器和电压源型交直交变流器，如图l一2所示。

电压源型交直交变流器是应用较为广泛的一种拓扑结构，电流源型变流器在电力拖动领域应用较为广泛，尤其在一些大功率变流场合，电流型变流器因其通常采用晶闸管器件，具有较大的电流密度，因此在大功率传动场合也得到了较为广泛的应用。相对于其它类型的变流器而言，这一类型的变流器最大的特点就是其中间储能环节—电感或者电容，这既是这一拓扑结构的优点也是这拓扑结构的不足，中闻直流储能环节使得背靠背的两个桥式变流器的控制可以独立进行。但无论是采用直流电感储能还是采用直流电容储能都增加了变流器的体积，并且也增加了变流器的损耗。相对于电压源型变流器而言，电流源型变流器中的直流电感能在故障情况下，尤其在电网电压跌落或者恢复过程中，直流电感能够限制流过功率器件的电流变化率，从而起到保护功率器件的作用。但电流源型交直交变流器也存在着其明显的不足之处，当采用方波调制时变流器的输出含有较丰富的低次谐波，并且由于双馈电机转子漏感的作用能够产生威胁到电机绝缘安全的尖峰电压。为此在大多数此类变换器中在其输出端装有并联电容器，用于吸收尖峰电压，当采用PWM调制时也需要在其输出端并联电容器用于吸收纹波电流，但这容易造成滤波电容和电机漏感之间谐振，控制较为复杂。相对于电流源型背靠背变流器而言，电压源型背靠背变流器的控制较为简单，但这一拓扑结构在其输出端会产生较大的电压应力，同样影响电机绝缘寿命。通常需要在其输出端或电机端增加滤波器以抑制较大的电压变化率。无论是电压型交直交变流器还是电流型交直交变流器，当采用PWM调制时会有较大的开关损耗。

网侧变换器转子侧变换器电网uaubucRRRLLLUdc＋—L2L2L2R2R2R2eaebec

（a） 电压源型交直交变流器

网侧变换器转子侧变换器电网uaubucRRRLLLUdcL2L2L2R2R2R2eaebec

（b） 电流源型交直交变流器

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