风力发电讲座——第五讲 风力发电机组的独立运行和互补运行

风能是我国目前开发利用比较成熟的一种新能源,风电事业正在我国蓬勃发展。为了帮助读者了解风力发电知识,我们请长期从事风力发电研究工作的中国科学院电工研究所倪受元研究员撰写了《风力发电》讲座,以飨读者。──编者     

风力发电讲座 第四讲 风力发电机组的并网运行

风能是我国目前开发利用比较成熟的一种新能源,风电事业正在我国蓬勃发展。为了帮助读者了解风力发电知识,我们请长期从事风力发电研究工作的中国科学院电工研究所倪受元研究员撰写了《风力发电》讲座,以飨读者。     

风力发电讲座第四讲 风力发电机组的并网运行

风能是我国目前开发利用比较成熟的一种新能源,风电事业正在我国蓬勃发展。为了帮助读者了解风力发电知识,我们请长期从事风力发电研究工作的中国科学院电工研究所倪受元研究员撰写了《风力发电》讲座,以飨读者。 ——编者 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。为了解决风力发电稳定供电的问题,目前国内外比较一致的看法是：大型风力发电机 (1000千瓦以上 )并网运行;中型风力发电机 (从几十千瓦到几百千瓦 )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 (10千瓦以下 )主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行。 1 恒速恒频风力发电机的并网运行 中大型或大型风力发电机 (几百千瓦到几兆瓦 )主要是采用并网运行方式,在这种运行方式中主要解决的问题是并网控制和功率调节问题。下面根据风电系统所采用的发电机类型分别作一介绍。 1 1 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。除风力机、增速器外,电气系统包括同步发电机、励磁调节器、断路器等,发电机通过断路器与电网相联。其运行特点是： 1 同步并网同步发电机与电网并联合闸前,为了避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩,需要满足一定的并联条件,这些条件是：风力发电机的端电压大小等于电网的电压;风力发电机的频率等于电网的频率; 并联合闸的瞬间,风力发电机与电网的回路电势为零; 风力发电机的相序与电网的相序相同。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。所以在并网过程中主要应检查和满足前三个条件。     

大型风力发电机组独立桨叶控制系统

设计出独立桨叶控制系统的机构方案，依据空气动力学分析，提出模糊控制结合以桨叶空间方位角作为主体因素的加权系数的控制策略，建立了系统模型，仿真结果表明，在风速高于额定风速时，作用在桨叶上的负载波动大为减小，输出功率维持在额定功率附近。     

基于DSP实现风力发电机组并网运行

提出了一种风力发电机组并网运行系统;研究了基于数字信号处理器-DSP(TMS320F240)控制的发电机转速驱动控制系统;详细介绍了该系统的DSP控制器的硬件电路设计,实现了对发电机转轴的速度检测和滑差离合器励磁线圈的电流检测;最后给出了该系统的软件设计方案及控制策略,完成对整个系统的控制,使发电机转速稳定,且输出稳定的频率和电压.     

大型风力发电机组独立变桨多目标控制

为限制大型风力发电机组在高风速时的功率输出和风力机气动载荷,首先,采用PID控制,设计独立变桨距功率和扭矩外环控制;其次,引入不依赖于系统数学模型的无模型控制,设计桨叶挥舞弯矩内环控制;最后,以外环控制输出桨距角为参考量,内环无模型控制期望桨距角为反馈量,利用PID控制,给出3个桨叶桨距角最终参考值。利用Matlab/Simulink仿真软件,搭建了3 MW风电机组仿真平台,仿真结果表明,所设计的独立变桨距多目标控制,能够完成在高风速时保持风力机组输出功率恒定、平衡3个桨叶所受扭矩以及兼顾3个桨叶所受挥舞弯矩的多目标控制任务。     

基于神经元PID的风力发电机组独立变桨控制

针对传统统一变桨距控制策略存在的不足,基于风力机空气动力学原理,提出了基于神经元PID的独立变桨距控制策略,将测量的桨叶根部My方向载荷通过神经元PID控制算出d、q轴的桨距角,经反Park变换得到3个桨叶的附加桨距角,将其与统一变桨距角相加作为独立桨距角的设定值。并借助Fast软件平台以2MW变速变桨风力发电机组为例,仿真比较了独立变桨距控制策略与统一变桨距控制策略。结果表明,独立变桨距控制策略能有效保证在额定转速下机组输出功率稳定,且能有效降低风力发电机组各零部件的疲劳载荷。     

基于运行数据的风力发电机组功率特性分析

针对实际1．5MW风电机组．通过获取反映机组运行性能的实测风速、功率等数据,采用Bin方法对数据进行处理后,获得风电机组的功率曲线,并将其推广到机组风能利用曲线的提取。通过计算得到了2台机组的实际运行功率曲线、风能利用曲线及其标准差值．对风电机组的运行性能进行了对比分析和评估。     

漂浮式海上风力发电机组独立变桨距控制技术研究

主要研究了漂浮式海上风力发电机组的独立变桨距控制技术。首先概述了当前海上风电的发展情况,重点介绍漂浮式海上风力发电机组,分析了漂浮式平台的流体动力学和运动学特征,建立了平台的模型方程。借鉴陆上风力发电机组独立变桨距控制器的控制策略,将平台的纵摇、艏摇和发电机的输出功率作为变桨距控制器的控制目标,针对风力发电机的非线性设计了专家PID控制器,利用d-q坐标变换技术将控制量分配到3个桨叶。为了验证控制器的可行性,在国外成熟的风力发电机非线性模型FAST上进行仿真试验,将结果与不对平台运动进行控制时和采用统一变桨距控制器时的结果进行对比,对比结果表明独立变桨距技术能有效减小平台的纵摇运动,并且对输出功率的影响较小。     

第六讲 风力发电的现状和展望

风能是我国目前开发利用比较成熟的一种新能源,风电事业正在我国蓬勃发展。为了帮助读者了解风力发电知识,我们请长期从事风力发电研究工作的中国科学院电工研究所倪受元研究员撰写了《风力发电》讲座以飨读者。———编者     

第三讲风力发电用的发电机及风力发电系统

风能是我国目前开发利用比较成熟的一种新能源,风电事业正在我国蓬勃发展.为了帮助读者了解风力发电知识,我们请长期从事风力发电研究工作的中国科学院电工研究所倪受元研究员撰写了<风力发电>讲座,以飨读者.     

Halbach阵列在直驱、半直驱风力发电机的应用

文章将Halbach阵列应用于直驱、半直驱风力发电机,以减轻电机质量。利用有限元分析法对1.5 MW直驱和半直驱永磁同步风力发电机建模,选取不同的充磁方式、极对数、气隙长度、电机尺寸进行仿真,通过傅里叶分解变换提取气隙磁密基波和谐波含量,进而对基于Halbach阵列的发电机静态气隙磁场进行分析比较。仿真结果表明,Halbach阵列发电机气隙磁密谐波含量少,基波含量高,波形更接近正弦,尤其在电机极数为70~90表现优异。     

风电场变速恒频风力发电机之间谐波扰动研究

变速恒频风力发电机在工作过程中会产生谐波,当双馈异步风力发电机风速达到切入风速时,并入电网的双馈异步风力发电机与其他直驱永磁风力发电机之间会因为功率传递产生谐波扰动,文章研究分析了此问题,并根据瞬时无功理论和其他风力发电有关理论在Matlab中进行建模和仿真,仿真结果表明亚同步发电状态双馈异步风力发电机会因为功率传递受到正常工作直驱风力发电机的谐波扰动,扰动会随着风力发电机数量的增多而加剧。     

A review of power converter topologies for wind generators

Wind energy conversion systems have become a focal point in the research of renewable energy sources. This is in no small part due to the rapid advances in the size of wind generators as well as the development of power electronics and their applicability in wind energy extraction. This paper provides a comprehensive review of past and present converter topologies applicable to permanent magnet generators, induction generators, synchronous generators and doubly fed induction generators. The many different generator–converter combinations are compared on the basis of topology, cost, efficiency, power consumption and control complexity. The features of each generator–converter configuration are considered in the context of wind turbine systems.     

考虑平衡风电出力偏差的风电-抽水蓄能联合运行模式研究

风电出力的实际值与预期值的偏差较大会对电网的安全稳定运行带来冲击,从而制约风电大规模并网。为解决这一问题,文章提出在电力市场环境下通过风电-抽水蓄能联合运行的方式来弥补风电出力偏差。在研究独立运行模式的基础上建立联合运行模型,研究两种模式下抽水蓄能电站的经济效益以及联合运行模式的综合效益。算例分析验证了风电-抽水蓄能联合运行模式在技术上与经济上的可行性,联合运行模式虽然在一定程度上减少了抽水蓄能电站的电量收益,但实际综合效益比独立运行模式的经济效益有大幅度提高。     

Optimisation of design and operation of generators for offshore vertical axis wind turbines

A process for optimizing both the design and operation of the generator for a large offshore vertical axis wind turbine (VAWT) is developed. The objectives of the optimization process are to minimize additional costs and losses in the generator to allow for a fair evaluation of the impact of the VAWT environment on the powertrain. A spectrum of torque control strategies was tested based on the ratio, q, of the allowed electrical torque variation to the inherent mechanical torque variation. Equations relating q to the generator losses were established. The effect of q on the energy extracted by the rotor was also investigated and incorporated into the optimization process. This work shows that a variable q strategy with respect to wind speed can improve turbine performance across the range of operational wind speeds depending on the torque loading from the rotor blades. In turn, this also allows for the torque rating of the generator to be reduced from the peak torque rating that would otherwise be expected, creating an opportunity to downscale the generator size, reducing costs. The optimization of powertrain design and operation should be carried out at as high level as is possible, ideally using the fully factored cost of energy (COE) to guard against unexpected losses because of excessive focus in one COE factor (for example reducing upfront cost but in turn reducing availability).     

Centralised power control of wind farm with doubly fed induction generators

At the moment, the control ability of wind farms is a prime research concern for the grid integration of large wind farms, due to their required active role in the power system. This paper describes the on-going work of a research project, whose overall objective is to analyse and assess the possibilities for control of different wind farm concepts. The scope of this paper is the control of a wind farm made up exclusively of doubly fed induction generators. The paper addresses the design and implementation issues of such a controller and focuses on the ability of the wind farm control strategy to regulate the wind farm power production to the reference power ordered by the system operators. The presented wind farm control has a hierarchical structure with both a central control level and a local control level. The central wind farm control level controls the power production of the whole farm by sending out reference power signals to each individual wind turbine, while the local wind turbine control level ensures that the reference power signal send by the central control level is reached. The performance of the control strategy is assessed and discussed by means of simulations illustrated both at the wind farm level and at each individual wind turbine level.     

风力发电技术讲座(六) 风电场及风力发电机并网运行

风电场（即风力发电场）是大规模利用风能的有效方式.风电场是在风能资源良好的较大范围内,将几台、或几十台、或几百台单机容量数十千瓦、数百千瓦,乃至兆瓦的风力发电机,按一定的阵列布局方式,成群安装组成的向电网供电的群体.