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风力发电技术与应用前景分析(2)

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2012/6/4 13:44:49   

1.2.2 叶片设计技术

风电机组叶片设计过程通常包括两个阶段:叶片形状设计和叶片结构设计。按照以上两个过程在设计中的实施顺序和优化目标,现有的风电机组叶片设计方法大致可以分为三种:

1.传统的设计方法——先形状后结构

先形状后结构的设计方法是先进行形状设计,然后在最优的形状设计基础上进行结构设计。该方法的优点是将叶片形状设计和结构设计解耦,降低了设计的复杂度;缺点是由于形状设计先于结构设计,则在优化的早期过度强调了形状的重要性,虽然获得了最优的形状设计,但却伴随着难以实现的结构设计和昂贵的材料。

2.这种的设计方法——气动性能的牺牲换却结构优化

针对传统的实际方法的缺点,用折中的办法处理叶片结构设计和形状设计的矛盾。通常的做法是:首先按照先形状后结构的方法进行设计,然后针对结构设计结果中的瓶颈参数,适当的放松对叶片形状设计的优化要求,通过在最优的形状设计的附近进行小范围的调整来达到以少量的性能牺牲换取大量的成本降低。但该方法仍然是围绕叶片形状设计的最优结果进行的局部寻优过程,并且该性能牺牲未必能确保该优化过程在有限次内收敛。

3.全局优化的设计方法——同时进行形状设计和结构设计

为了达到更加接近于全局最优的设计结果,将叶片的形状设计和结构设计同时综合考虑。同时优化叶片的结构和形状,使叶片设计最大限度的接近全局最优

1.2.3 功率调节技术

功率调节是风电机组的关键技术之一,目前投入运行的机组主要功率调节技术包括失速控制和变桨距控制技术。

1.失速控制

定桨距控制方式的功率调节完全依靠叶片的气动特性。采用这种控制方式的机组输出功率随风速而变化,从Cp的关系看,难以保证在额定风速之前Cp最大,特别是在低风速段。这种机组通常设计两个不同功率,不同极对数的异步发电机。大功率高转速的发电机工作于高风速区,小功率低风速的发电机工作于低风速区,由此来调整λ,追求最佳Cp。当风速超过额定风速时,通过叶片的失速或偏航控制降低Cp,从而维护功率稳定。

2.变桨距控制

对风电机组进行桨距调整可以尽可能提高风能转换效率并保证风力机输出功率平稳。变桨距控制不完全依靠叶片的气动性能,还依靠叶片攻角的调节。在额定风速以下时,通过控制攻角获取最佳的Cp,实际中,此时攻角常处于零度附近,可看作定桨距控制;在额定风速以上时,变桨距机构发挥作用,调整叶片攻角,保证发电机输出功率在允许范围以内。风电机组正常工作时,主要采用功率控制,功率调节的速度取决于风电机组桨距调节系统的灵敏度。

比较看,定桨距失速控制风力机整机结构简单,部件少,造价低,但失速型叶片本身结构复杂,成型工艺难度也比较大,且不能有效利用风能。变桨距控制能是叶片的安装角随风速而变化,从而使风电机组在各种工况下按最佳参数运行,它可使风电机组在额定风速以下时有较高的发电效率,而在额定风速以上时不过载,其缺点是需要复杂的桨距调节结构,目前,变桨距控制方式正逐渐取代定桨距失速控制。

1.2.4 传动技术

对于风轮转速与发电机的额定转速相差较大,因此异步风电系统余姚安装增速齿轮箱,这种机组为非直接驱动的发电机组。目前,异步风电机组和双馈式一步风电机组都是非直接驱动的风电机组。由于非直接驱动的风电机组依赖齿轮箱相对较大,而由于齿轮箱导致的风电机组故障率高,齿轮箱的运行维护工作量大、易漏油污染,而且导致系统的噪声大、效率低、寿命短,因此产生了直接驱动的风力发电系统。

直驱式风电机组的优点包括:①无齿轮增速箱,消除了可能渗漏油,早期磨损等隐患;②噪声小,系统简单,运行可靠;③采用没有齿轮箱的机械损失,损耗小,系统发电效率高;④系统维护量少,运行成本低,进入机舱维护方便;⑤20年设计寿命期内,总使用成本比带增速齿轮箱的双馈型风电机组低15%;⑥机舱、发电机分开吊装单件起吊重量小于同功率、带增速箱的变桨距变速型风电机组;⑦采用全功率变流器,输送到电网的高次谐波少,电源质量好;⑧降低的保险费用和较高的风电机组寿命,降低运行和维护成本。

当然,直接驱动也带来了一些问题,如发电机转速低、转矩大、体积重量和材料消耗明显增大,全功率整流器逆变导致变流器成本高等。

1.2.5 低电压穿越技术

低电压穿越(LVRT)是指风电机组并网点电压跌落时,风电机组能够保持并网,甚至向电网提供一定的无功功率,支持电网恢复,直到电网恢复正常,从而“穿越”这个电压时间区域。

电压跌落会给点击带来一些列暂态过程,如出现过电压、过电流或转速上升等,严重危害风电机组本身及其控制系统的安全运行。一般情况下,若电网出现故障风电机组就会实施被动式自我保护而立即切除,并不考虑故障的持续时间和严重程度。这样能最大限度的保障风电机组的安全,而且在风力发电的电网穿透率较低时是可以接受的,然而,当风电在电网中占有较大比重时,若风电机组在电压跌落时仍采取被动保护式切除,则会增加整个系统的恢复难度,甚至可能加剧故障,最终导致系统失稳,因此必须采取有效地LVRT技术和措施,以维护风电场电网的稳定。

1.风电机组低电压穿越的实现方法

(1)直驱式风电机组的低电压穿越实现

电压跌落期间直驱式风电机组的主要问题在于能量不匹配导致直流电压的上升。一种方法是采取措施储存或消耗多余的能量以解决能量的匹配问题。这种设计的效果需要考虑成本、并网规范及故障深度和时间。具体方法是从变流器设计入手,选择器件时提高电力电子器件的耐压和过流值,并提高直流电容的额定电压。这样在电压跌落时可以把直流母线的电压限定值调高,以储存多余的能量,并允许网侧逆变器电流增大,以输出更多能量。但是考虑到器件成本,增加器件额定值是有限度的,而且在长时间和严重故障下,功率不匹配会很严重,有可能超出器件容量,因此这种方法较适用于短时的电压跌落故障。

上面的方法考虑增大功率输出和储能以解决功率匹配。另一种方法恰恰相反,它是通过减小发电机的输出功率来实现平衡。如减小同步机电磁转矩设定值,这样会引起发电机的转速上升从而达到允许转速的暂时上升来储存风电机组部分输入能量,这有效减少了发电机的输出功率。如果故障不严重可以不采取变桨距控制,一旦电机转速上升过多或不便用上升转速来储存能力可以直接采取变桨距控制。变桨可以从根本上减小风电机组的输出功率,有利于电压跌落时的功率平衡。这种策略结合增加器件容量的方法可以进一步提高穿越裕度。

对于更长时间的深度故障,可以考虑第三种方法,采用额外电路单元储存或消耗多余能量。

(2)双馈式风电机组的低电压穿越实现

当前双馈式风电机组的低电压穿越技术一般采用转子短路保护技术或采用合理的励磁控制算法。

1)转子短路保护技术。目前风电制造商采用较多的一种方法,其在发电机转子侧装有Crowbar,为转子侧电力提供旁路,在检测到电网系统故障出现电压跌落时,闭锁双馈感应发电机励磁变流器,同时投入转子回路的旁路保护装置,达到限制通过励磁变流器的交流和转子绕组过电压的作用,以此来维持发电机不脱网运行。此时双馈感应发电机按感应电动机方式运行。

采用Crowbar电路的转子短路保护技术的缺点:首先需要增加新的保护装置从而增加了系统成本;另外电网故障时,虽然励磁变流器和转子绕组得到了保护,但此时按感应电动机方式运行的机组将从系统中吸收大量的无功功率,这样导致电网电压稳定性的进一步恶化,而且传统Crowbar保护电路的投切操作会对系统产生暂态冲击。

2)采用新的励磁控制策略。从制造成本的角度出发,最佳的办法不是改变系统硬件结构,而是通过修改控制策略来达到相同的低电压穿越效果,使得在电网故障时发的电机能安全度越故障,同时变流器继续维持在安全工作状态。

一般用数值仿真的方法对电网故障时发电机不脱网运行的励磁系统进行研究:通过适当提高现有双馈感应发电机励磁控制器中PI调节器的比例和积分系数,能过在一定范围内维持电网故障时发电机不脱网运行;利用硬性负反馈的方式补偿放电机定子电压的磁链变化对有功、无功解耦控制性能的影响,能够在一定程度上提高双馈感应发电机的输电系统故障时的运行特性,并能够在一定范围内限制发电机转子电流,保护转子励磁变流器;利用发电机电网侧变流器在电网故障过程中对电网电压的支持作用,通过协调转子和电网侧变流器的控制提高电网故障时发电机不脱网运行的控制效果。

2.风电场的低电压穿越实现方法

由于以前的并网规则不需要风电场具有低电压穿越能力,因此以前安装的风电机组要么采用不具备无功补偿能力的恒速恒频机组,要么采用没有提供无功补偿功能的变速恒频机组,如果要适应目前的并网规则要求,则必须对风电场进行改造。

目前有几种方案可供选择。

①在风电场采用动态无功补偿设备,动态提供风电机组暂态过程所消耗的无功,以恢复机端电压。

②安装可控串补效限制风电场机端输出电流,提高了风电场机端电压。

③利用串联制动电阻在电网故障时提升风电机组端电压并吸收过剩有功功率进而提高风电场低电压穿越能力。

④安装超导储能装置提高风电场机端电压

3.下面以广东明阳风电产业集团有限公司的低电压穿越试验加以说明:

中国电科院已经完成了对广东明阳提供的MY1.5WM风力发电机组SSB变桨系统和ABB变频器的测试,该配置的机组从设计理论、前期实际运行效果来看,已经具备了低电压穿越功能,机组的电压保护值是依据国家电网并网技术标准制定。国家电网并网技术标准的要求如下:

①风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625ms 的能力。

②风电场并网点电压在发生跌落后2s 内能够恢复到额定电压的90%时风电场内的风电机组对于电网发生不同类型故障的情况,对风电场低电压穿越的要求如下:

A、当电网发生三相短路故障引起并网点电压跌落时,风电场并网点个线电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时,场内风电机组必须保证不脱网连续运行;风电场并网点任意一线电压低于或部分低于图中电压轮廓线时,场内风电机组允许从电网切出;

B、当电网发生两相短路故障引起并网点电压跌落时,风电场并网点个线电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时,场内风电机组必须保证不脱网连续运行;风电场并网点任意一线电压低于或部分低于途中电压轮廓线时,场内风电机组允许从电网切出;

C、当电网发生单相接地短路故障引起并网点电压跌落时,风电场并网点各相电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时,场内风电机组必须保证不脱网连续运行;风电场并网点任意一线电压低于或部分低于途中电压轮廓线时,场内风电机组允许从电网切出;

低电压穿越流程说明

①变频器监测到电网三相电压中任意一相电压跌落到0.2~0.9pu;

②变频器进入低电压穿越模式,开始独立工作;

③主控系统进入低电压穿越模式;当转速低于设定值时,不顺桨;当转速大于设定值时,桨叶开始顺桨;同时,控制系统做以下动作:1)立即关闭各个用电设备,电压跌落期间,偏航系统、齿轮箱系统、发电机、液压站、循环风扇及机舱加热器等所涉及的电机将出现过流的情况,有可能使保护开关跳闸或烧毁电机,因此在电压跌落期间必须将这些用电设备切出系统;在电压恢复之后,将上述设备依次投入运行;2)屏蔽主控系统因电压低而出现的报错。因电压跌落会导致故障代码触发,故障代码会导致机组停机,为进行低电压穿越需在电压跌落期间对相关故障代码进行屏蔽处理。

④变频器退出低电压穿越模式,主控退出低电压穿越模式;

⑤主控系统启动各个用电设备;

⑥切换至并网模式

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