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。     

电网稳定性

在风电领域,经常遇到的一个的难题是：薄弱的电网短路容量、电网电压的波动和风力发电机的频繁掉线。尤其是越来越多的大型风电机组并网后,对电网的影响更大。在过去的20年间,风电场的主要特点是采用感应发电机,装机规模较小,与配电网直接相连,对系统的影响主要表现为电能质量。随着电力电子技术的发展,大量新型大容量风力发电机组开始投入运行,     

并网型分布式新能源氢气站的模式及能源消纳研究

并网型分布式新能源氢气站模式的主要研究内容是分布式电能与氢能的转化关系、分布式电源与电网的协调关系以及能源的综合利用.文中从并网型分布式新能源与氢气站的配置型式出发,探讨了分布式新能源氢气站在联合电网调峰和优化电能质量的电网侧消纳,以及在电氢能量转化利用中的用户及站内侧消纳.文中对我国目前所处的氢能发展初级阶段提供了多...     

双馈风力发电机并网新型控制策略分析

通过研究已有的风力发电机空载并网控制的文献,指出定子磁链并网控制策略的不足之处,提出了电网电压并网控制策略,同时通过试验设计了并网前相位与相序的检测方法。通过仿真发现,在此控制策略下,双馈风力发电机定子侧的电压在频率、幅值、相位上接近电网电压,达到了无冲击并网的目的,验证了此控制策略的正确性和有效性,是空载并网方式的一种理想的控制策略。     

风电场并网对电力系统稳定性影响

稳定性是影响大电网区域互联的关键性因素。随着风电场规模的不断扩大,其接入电网会对电力系统的稳定性带来一定影响。介绍了风力发电系统建模方法及风力发电机模型,分析了风电场并网对电力系统无功电压、潮流分布、电能质量、系统短路容量、调峰调频等方面的影响,并对电力发电技术发展新动向作了展望。     

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 风力发电最有希望的应用前景之一是把它们用在无电网的地区,为边远的农村、牧区和海岛居民提供生活和生产所需的电力。由于风能的随机性和不稳定性以及负载情况的变化,使风电机组在独立运行时所要解决的技术问题,包括电能供求的平衡以及电能的质量等,比起并网运行来有更大的难度。本讲介绍风电机组常用的几种独立运行或与其它发电装置互补运行方式。 1 风力 /柴油联合发电系统 目前,在大电网难以达到的边远或孤立地区,通常的办法是采用柴油发电机组来提供必要的生活和生产用电。由于柴油价格高,加之运输方面的困难,造成发电成本相当高,并且由于交通不便和燃料供应的紧张,往往不能保证电力的可靠供应。而这些边远地区特别是海岛大部分有较丰富的风能资源,随着风电技术的日趋成熟,其电能的生产成本已经低于柴油发电的成本。因此,采用风力发电机组和柴油发电机组联合运行,为电网达不到的地区提供稳定可靠的、符合电能质量 (电压、频率等 )标准的电力,最大限度地节约柴油并减少对环境的污染,是世界各国在风能利用与开发研究中颇受瞩目的方向之一。特别是对发展中国家,由于电网尚不够普及,更具有广阔的应用前景。 现在世界上正在研究和运行的风力 /柴油发电系统的类型很多,但一般说来,整个系统不外乎包括以下部分,即：风力发电机组、柴油发电机组、蓄能装置、控制系统、用户负载及耗能负载等,其基本结构框图如图 1所示。下面重点介绍几种主要型式。     

与景观结合的奥运森林公园并网光伏发电系统

并网光伏发电系统与奥运森林公园景观相结合,体现了"绿色奥运、科技奥运、人文奥运"三大理念,是清洁能源技术在奥运会中的应用。并网光伏发电系统设计中采用了MPPT技术、防孤岛效应技术、逆功率反送保护技术和完善的并网光伏发电系统监控技术,提高了并网光伏发电系统运行的可靠性和电网的安全性。奥运期间奥运区域供电等级提升为特级,为满足供电可靠性,示范电站采用带功率流向检测的并网模式,当并网光伏发电系统的有功功率超过指定负载的有功功率时,切断并网光伏发电系统,防止电能馈入电网。     

光伏并网与电能质量治理统一控制

为提高光伏并网系统利用率,并使其具备主动参与电网电能质量治理的能力,提出一种协调并网发电与网侧电能质量治理的统一控制策略。研究基于光伏组件出力的运行模式切换与直流侧电压控制方法,提出基于无功/谐波优先级的逆变器容量分配和指令电流合成策略。设计并研制基于FPGA+RT架构的并网控制器,构建DC/AC单级结构的光伏并网实验系统。实验验证统一控制策略的可行性和有效性,为分布式光伏电源可定制电能并网发电提供基础。     

大型风电场运行的特点及并网运行的问题

随着国家能源结构的调整,并网运行的风电规模迅速增加,大规模风电集中并网相应安全问题如何评估和解决,是风电发展过程中急需解决的问题。文章分析了大规模风电场集中接入后对电网调频能力、无功电压控制、电能质量等方面的影响,并提出相应的对策建议。     

离网型微电网中风力发电机组并网适应性分析

随着风电产业的不断发展和并网总装机容量的不断增大,风电并网对电网的电能质量、电压和频率的稳定产生的影响越来越突出。文章首先推导出笼型异步风力发电机的特性方程,再针对该类型风机接入微电网进行理论分析,最后根据某海岛的大量运行数据分别对风机并入微电网的动态及稳态特性进行分析,证实了离网型微电网中风机运行稳定性。     

配电网储能设备运行策略与容量的协调优化

随着风电、光伏发电等新能源大规模并网,配电网对电能质量和电压稳定的要求越来越高。然而,分布式电源及储能设备接入电网后将对配电网造成一定的影响,合理利用储能设备是提升配电网供电质量和降低电能损耗的有效手段。为了提高储能设备的运行效率和可靠性,基于电池管理系统、能量管理系统、最大功率点追踪、预测模型和能量回收等控制策略显得尤为重要。这些策略能够确保储能设备的正常运行、实时监测、调整充放电状态、优化能源利用、提高转化效率以及实现能源的可靠供应。由于配电网储能设备的正常运行与储能容量有着直接关系,开展配电网储能设备运行策略与容量的协调优化对于推动储能科学的发展具有重要意义。     

模糊控制在大型风力发电机并网控制中的应用

阐述了在风力发电机并网控制过程中采用的一种模糊控制系统。该系统利用多传感器对风机并网时的转速、风速、电压、电流等四个主要参量进行综合监测 ,以微控制器为处理核心 ,将所得到的多路信息利用模糊技术进行处理 ,最终做出相应反应。该系统对提高风力发电机运行的可靠性和并网成功率 ,减轻风力发电机并网时对电网的冲击都有很大的好处     

可再生能源并网发电的可靠性分析和节能分析

针对可再生能源机组并入电网的电能呈波动性对系统电能质量及运行可靠性产生较大不利影响,研究了接入可再生能源机组的电网的可靠性指标以便定量了解系统运行可靠性.基于蒙特卡罗法以IEEE-39节点标准测试系统为例,计算了接入风力发电机组和光伏发电机组后电网的可靠性指标LOLE,探讨了接入储能装置对可靠性指标产生的影响,设计了可再生能源发电煤耗节约量的计算方法.结果表明,同时接入两种机组优于单独接入一种机组,可再生能源并网机组的增加导致系统稳定性下降.     

无功定价理论在新能源消纳中的应用

文章基于电网无功定价理论和电网稳定约束,结合IEEE14节点的典型接线进行新能源并网的模拟;采用牛顿算法得出新能源并网后导致的有功、无功增量的变化,由此求得各节点的有功、无功成本变化趋势;分析了各电能供应商对改善全网的电压稳定性所付出的无功支撑成本;论证了采用无功定价方法对新能源并网后的无功服务的合理补偿,可起到平衡各方利益的作用,对新能源的就地消纳产生积极的影响。文章可为新能源融入地方电网实现一体化的稳定运营提供市场交易的理论支撑;为制定无功服务定价提供参考;为实现新能源并网后的电力系统安全运行奠定基础。     

双馈风力发电机组并网控制策略及性能分析

为了实现双馈风力发电机组无冲击电流并网,基于电网电压定向矢量控制技术,提出了一种考虑转子电流动态调节特性的双馈风力发电机组空载并网控制策略。基于Matlab/Simulink仿真平台,建立了双馈风力发电机系统及其并网控制的数学模型,并对不同初始运行转速的双馈风力发电机组的自动并网运行特性进行了仿真。仿真实验结果证明无论初始转速为同步转速,还是超、亚同步转速,利用提出的并网控制策略,双馈风力发电机组能很好快速地建立定子电压,并网过渡过程定子电流基本没有冲击。     

基于变桨距控制策略的异步风电机组暂态稳定性研究

为了提高和改善在电网故障下并网风电机组的暂态稳定性,该文以并网笼型异步风力发电机组为例,考虑风力机传动链柔性带给机组振荡的影响,在典型变桨控制策略的基础上提出了一种增加以风力机转速为控制量的分阶段控制策略.通过建立并网异步风力发电机组的电磁暂态模型,基于Matlab/Simulink仿真平台,应用改进的变桨距控制策略,对电网三相对称短路故障下并网异步风力发电机组的暂态运行特性进行了仿真,并将其结果和多种不同变桨控制策略以及无功补偿策略的结果进行了比较.仿真结果验证了该文提出的变桨距控制策略能有效改善风力发电机组的暂态稳定性.     

光伏并网逆变器入网检测平台实现方案研究

随着光伏发电在传统配电网中的大规模接入,对配电网的电压调节、潮流控制、继电保护和综合自动化等带来新的挑战,同时,光伏发电系统通过并网逆变器连接到电网,由此带来的电能质量问题也会给用户的设备安全带来隐患。文章结合光伏并网逆变器主要检测内容及相关标准,构建了光伏并网逆变器入网检测平台,利用该平台可开展光伏逆变器入网检测,实现包括电能质量、保护功能、逆变效率、低电压穿越和高电压穿越等功能的测试。     

光伏电站并网对电能质量的影响及对策

由于光伏发电具有波动性和间歇性,且光伏发电系统中含有大量的电力电子设备,并网后会对当地电网的电能质量产生一定的影响。介绍了浙江嘉兴电网某光伏电站的概况及其并网对电能质量在谐波、电压偏差、频率偏差、闪变、电压不平衡度及功率等方面的影响,并进行评估和分析,提出加强电能质量监督的建议。     

基于模糊控制的双馈发电机并网控制策略分析

针对风力发电传统并网方式的缺陷,提出了模糊PI控制器与电压环、电流环和矢量控制相结合的新型控制策略,通过Matlab/simulink平台搭建并网控制仿真模型,发现双馈风力发电机定子电压的频率、幅值、相位比传统并网方式更接近电网电压,实现了无冲击并网的目的,并验证该控制策略的正确性和优越性。     

某型混合动力系统大功率轴带电机平稳启动并网的控制方法及实船应用

在双机双桨混合动力系统的并车推进/电机推进模式切换过程中,采用小电机辅助启动控制方法与主机辅助启动控制方法可实现大功率轴带电机平稳启动并网控制,避免其直接启动并网造成大电流危害船舶电网等问题。经实船验证,小电机辅助启动控制方法与主机辅助启动控制方法可靠且有效,在轴带电机启动过程中能够保障船舶安全航行,同时降低动力系统设备成本、节省船舶安装空间。