风力发电机变流器及其低电压穿越概述

时间:2019-10-18 09:59       来源: 腾达油漆有限公司

1 引言

  近年来随着能源危机与环境问题的日益突出,世界各国都在大力发展风力发电等可再生能源事业,其相关技术发展很快,从失速型到变速恒频风电系统,从有齿轮箱到直接驱动型风电系统,我国风电的装机容量也在近几年内获得了快速增长。为提高风能利用效率,降低风电成本,风电机组单机容量大型化是风电技术发展的大趋势,采用变速变桨距调节技术已经成为mw级以上大型风电机组的重要特征;在目前的变速恒频风电系统中,使用双馈感应发电机(doubly-fed induction generator, dfig)的双馈型风电系统市场份额最大,使用永磁同步发电机(permanent-magnet synchronous generator,pmsg)的直驱型系统发展很快。随着风力发电装机容量的不断增大,其对电网的影响已经不能忽略,很多国家制订了新的风电并网规则,对低电压穿越与无功支持等功能进行了规定,我国也将会有类似的规则出台。

  本文从三种典型风电系统出发,包括失速型风电系统、双馈与永磁直驱变速恒频风电系统。根据齿轮箱结构及发电机类型,讨论了目前的风电系统结构,并对所采用的风力发电机进行了讨论和分析。对作为风力发电与电网接口的风电变流器进行了说明,随着风电机组单机容量的增大,大功率多电平变流器将会得到较多应用;对风电系统低电压穿越及无功功率支持等进行了分析。针对风电系统发电机、变流器和低电压穿越能力等,介绍了不同风电公司的相关产品与技术。

2 几种典型风力发电系统

  风力发电系统,根据发电机转速,可以分为失速型与变速恒频型,其中变速恒频又可以分为双馈型和直驱型;根据传动链组成,可以分为有齿轮箱和直接驱动型,有齿轮箱又可以分为多级齿轮+高速发电机型与单级齿轮+低速发电机型。从不同的角度可以有不同的分类方法,本文从以下几种典型的风力发电系统出发进行讨论。

  图1是一种典型的失速型风力发电系统,包括多级齿轮和鼠笼型感应发电机(squirrel-cage induction generator,scig),scig通过变压器直接与电网连接,scig需要从电网吸收无功功率,因此通常在定子侧并联电容器进行无功补偿,以提高scig风电系统的功率因数。由于scig只能运行在高于同步速的很窄的转速范围内,这种系统又被称为定转速风电系统。采用定桨距失速、主动失速和变桨控制进行功率调节,由双向晶闸管构成的软启动器实现平滑并网,还可以使用双速发电机对其运行进行优化,风速低时用低速小容量发电机发电,风速高时用高速大容量发电机发电。vestas(维斯塔斯),bonus,made,nordex等公司有基于双速发电机的失速型风电系统产品。scig失速型风电系统结构简单,可靠性高,成本较低,适于大批量生产。但是风速波动会直接转化为电磁转矩的变化,对系统造成机械应力;不能有效地利用风能,效率低;不能向电网提供无功支持。

  图2是典型的双馈型变速恒频风力发电系统,包括多级齿轮、双馈感应发电机和背靠背双pwm变流器。dfig定子侧直接与电网连接,转子侧通过背靠背双pwm变流器与电网连接,其中转子侧变流器调节转子的频率和转速,实现变速恒频运行,并对输出功率因数进行控制,电网侧变流器保持直流侧电压稳定。dfig变速恒频风电系统可以在较宽转速范围内运行,通常在同步速附近30%左右,背靠背变流器的容量仅占发电机容量的25~30%左右。vestas,gamesa(歌美飒),repower,nordex等公司有dfig风电系统产品,最大功率等级已经超过5mw。dfig风电系统既可以超同步运行,又可以亚同步运行,变速范围宽,能够实现最大风能捕获,优化功率输出,提高风能利用效率,减小运行噪声和传动链的机械应力,能吸收阵风能量,减小转矩脉动和输出功率的波动,可对输出有功功率和无功功率进行控制,提高输出功率因数和电能质量,在电网故障时快速提供无功支持,帮助电网电压稳定。dfig变速恒频风电系统,多级齿轮箱仍然是主要故障点之一,存在摩擦损耗、发热,噪声等问题,需要定期维护;转子上的电刷和滑环降低了系统的可靠性;电网故障如电压跌落等,对dfig影响较大,会在转子侧产生较大的过流,可能造成变流器的损坏,帮助其实现低电压穿越与动态无功支持的控制策略相对复杂。

  图3是典型的永磁直驱型变速恒频风力发电系统,包括永磁同步发电机和全功率背靠背双pwm变流器,无齿轮箱。pmsg通过全功率变流器直接与电网连接,通常极对数较多,低转速,大转矩,径向尺寸较大,轴向尺寸较小,呈圆环状;由于省去了齿轮箱,从而简化了传动链,提高了系统效率,降低了机械噪声,减小了维修量,提高了机组的寿命和运行可靠性;发电机通过变流器与电网隔离,因此其应对电网故障的能力更强,与dfig风电系统相比,更容易实现低电压穿越功能。但是永磁材料目前的成本仍然较高;变流器容量较大,损耗较大,变流器的成本较高。理论上永磁体在高温时存在失磁的风险,但是近年来随着永磁材料性能的不断提高、价格的下降,pmsg+全功率变流器已经成为一种很有吸引力和应用前景宽广的方案。目前,zephyros,mitsubishi,新疆金风等公司在市场上有这类产品。

  以上讨论了三种典型的风力发电系统,在目前的市场上占据较大的份额,图4给出了不同风电机组类型在世界年度装机容量中的份额(1995~2004年)[5],scig风电系统的市场份额在不断下降,从1995年的75%到2004年的25%;dfig风电系统的市场份额从1995年基本为0,增长到2004年的55%,替代失速型风电系统成为风电市场的主导机型;pmsgeesg风电系统(eesg将在后面讨论)在10年间缓慢增长,2004年占市场份额的近20%,目前其增长势头要更快一些。但是市场上不只这三种风电机型,根据发电机和齿轮箱的不同,还有很多种其他类型的风电系统,也占去了一定的市场份额;下文中将从本节介绍的三种风电机型出发,介绍其他的风电系统。

  随着风电技术的快速发展,风电机组单机容量将持续增大,从而节省安装空间与成本,特别是海上风电,由于海上风速更高、空间更大;大型风电场将越来越多,风力发电在电力系统中的比重将逐渐增大;电力系统运营商会对风电并网提出更高的要求。大型风电场的协调控制,低电压穿越与无功支持能力,高压直流输电(hvdc)在风力发电中的应用等相关技术将成为设备制造商与系统运营商共同关注的课题。

3 风电系统发电机类型

  针对图1的失速型风力发电系统,vestas公司提出了优化滑差(optislip)的概念,采用绕线转子感应发电机(wound rotor induction generator,wrig),wrig定子直接与电网连接,转子侧带有可变电阻,由电力电子变流器对阻值进行调节,结合变桨控制,对功率输出进行优化,其他与典型的失速型风电系统一样。目前,vestas,suzlon等公司有这类产品。通过控制转子侧电阻耗散的功能实现变速运行,变速范围越宽,电机滑差越大,电阻需要消耗的功率越多,电机效率越低,电阻上的能量以热能的形势损失掉。典型的变速范围是同步速以上10%以内。

  针对图2的dfig风电系统,由于存在滑环和电刷会降低运行可靠性,可以采用无刷dfig(brushless dfig,bdfig),bdfig具有双定子绕组,一个定子绕组与常规dfig一样,直接与电网连接,另一个定子绕组接双pwm变流器。与常规dfig比较,省去了滑环和电刷,但是电机制造与控制更加复杂。

  针对图3的pmsg直驱风电系统,还可以采用电励磁同步发电机(electrically excited synchronous generator,eesc),通常在转子侧进行直流励磁。使用eesc相比使用pmsg的优势在于,转子励磁电流可控,可以控制磁链在不同功率段获得最小损耗;而且不需要使用成本较高的永磁材料,也避免了永磁体失磁的风险。因此eesc在目前的直驱风电系统中应用较多,enercon公司主要经营这类产品。但是eesc需要为励磁绕组提供空间,会使电机尺寸更大,转子绕组直流励磁需要滑环和电刷。pmsg由于不是标准产品,在尺寸及结构上有很大的灵活性,根据磁通分布可以分为以下几类:径向磁通永磁电机(radial flux pm machine, rfpm)、轴向磁通(axial flux pm machine,afpm)和横向磁通(transversal flux pm machine,tfpm),其中rfpm结构简单稳固,功率密度更高,在大功率直驱风电系统中得到了较多应用。

  在以上讨论的基础上,根据齿轮箱结构和发电机的不同,还有其他类型的风力发电系统。单级齿轮+全功率变流器变速恒频风电系统,在图3的风电机组与pmsg之间增加了单级齿轮箱,升速比为1:10左右,这种结构与pmsg直驱系统比较,pmsg的转速更高,与多级齿轮箱系统比较,齿轮箱传动部件更少,是一种折衷的方案。multibrid,winwind等公司在市场上有这类产品。

  多级齿轮+全功率变流器变速恒频风电系统,可以使用pmsg或者scig作为发电机。使用pmsg时,电机体积更小,效率更高,与图2所示常规dfig系统比较,故障穿越功能的实现相对简单,但是变流器容量较大;ge公司有这类产品。使用scig时,电机制造简单,与图1常规失速型风电系统比较,控制灵活,变速运行、柔性并网、无功支持等功能都容易实现,也存在变流器容量较大的问题;siemens公司在市场上有这类产品。随着电力电子器件成本的下降,多级齿轮+全功率变流器会更有竞争力。

4 风电变流器

  电力电子变流器作为风力发电与电网的接口,作用非常重要,既要对风力发电机进行控制,又要向电网输送优质电能,还要实现低电压穿越等功能;随着风力发电的快速发展和风电单机容量的不断增大,变流器的容量也要随之增大,因此大容量多电平变流器也开始得到应用,以下将对一些典型变流器拓扑结构进行讨论。

  从图2、图3中可以看到,典型的双馈和永磁直驱变速恒频风电系统中,都采用背靠背双pwm变流器,包括电机侧变流器(或转子侧变流器)与电网侧变流器,能量可以双向流动。对pmsg直驱系统,电机侧pwm变流器通过调节定子侧的d、q轴电流,实现转速调节及电机励磁与转矩的解耦控制,使发电机运行在变速恒频状态,额定风速以下具有最大风能捕获功能;对dfig系统,转子侧变流器通过调节转子侧d、q轴电流,实现转速调节及有功、无功功率的解耦控制。电网侧pwm变流器均通过调节网侧的d、q轴电流,保持直流侧电压稳定,实现有功和无功的解耦控制,控制流向电网的无功功率,通常运行在单位功率因数状态,还要提高注入电网的电能质量。背靠背双pwm变流器是目前风电系统中常见的一种拓扑,国内外对其研究较多,主要集中在变流器建模、控制算法以及如何提高其故障穿越能力等方面。国外公司如abb,alstom,国内公司如合肥阳光电源等,均有这类变流器产品。

  对直驱型风电系统,变流器拓扑的选择较多。图5是不控整流+boost变换器+逆变拓扑结构,通过boost变换器实现输入侧功率因数校正(power factor correction,pfc),提高发电机的运行效率,保持直流侧电压的稳定,对pmsg的电磁转矩和转速进行控制,实现变速恒频运行,在额定风速以下具有最大风能捕获功能。国外enercon、国内合肥阳光电源等公司有使用这种拓扑的产品。

  随着风电机组单机容量的不断增大,风电变流器的电压与电流等级也在不断提高,因此多电平变流器拓扑得到了广泛关注。变流器采用多电平方式后,可以在常规功率器件耐压基础上,实现高电压等级,获得更多级(台阶)的输出电压,使波形更接近正弦,谐波含量少,电压变化率小,并获得更大的输出容量。图6是直驱风电系统中三电平背靠背双pwm变流器拓扑,与两电平双pwm变流器相比,功率器件和电容增加了一倍,并额外增加了箝位二极管;直流侧电容由两个完全一样的电容串联组成,电容的中点作为变换器的箝位点,由网侧变换器保持直流侧两个电容的电压均衡。这种结构在风电中的应用目前已经比较成熟,对其的研究很多,主要集中在控制策略的优化上[8]。目前,世界范围内从事大功率风力发电用变流器和高压变频器研制的一些公司,都有多电平的产品方案;abb用于风力发电的变流器如acs1000,整流器采用12脉冲二极管整流,逆变器采用三电平npc结构,器件采用igct;siemens也有相似的应用,功率器件采用高压igbt;法国alstom公司采用飞跨电容型四电平拓扑,功率器件采用igbt,另外还基于igct开发出了飞跨电容型五电平变频器。

5 风电低电压穿越及无功支持

  随着风力发电装机容量的不断增大,其对电网的影响已经不能忽略,很多国家制订了新的规则,对并网风力发电提出了新的要求,这些要求包括有功、无功功率控制,电压、频率控制,电能质量控制,故障穿越功能等。这些要求使风力发电要逐渐承担起类似传统火力发电场的功能,在电网故障如电压跌落时保持并网,快速向电网提供有功和无功功率支持,帮助电网电压及频率的恢复及稳定。

  5.1 lvrt介绍及技术现状

  lvrt(low voltage ride through,lvrt)是风电系统低电压穿越能力的英文缩写。定义是指风电系统在并网点电压跌落时,能够保持并网,并向电网提供无功功率,支持电网恢复,直到电网正常工作为止的能力。

  图7给出了德国e.on标准规定的低电压穿越曲线,其中电网电压跌落至0,持续时间为150ms左右,当电网电压在曲线以上时,风电机组要保持并网,并能够在电压跌落及恢复阶段向电网提供无功功率,帮助电网电压恢复稳定,只有当电网电压低于规定曲线以后才允许风电机组脱网。这就要求风电系统必须具有较强的低电压穿越能力,能快速向电网提供无功支持。

  电压跌落是电网中最为常见的故障之一,有单相、两相对地故障、相间故障和三相故障等类型,其故障类型和比例为:单相对地故障70%,两相对地故障15%,相间故障10%,三相故障5%;还可以分为对称故障和不对称故障,大部分电压跌落故障属于不对称故障;电压跌落的深度不等,最低可以到零,持续时间为0.5个电网电压周期到数秒。

  目前国内外对双馈和直驱变速恒频风电系统在电网故障时的应对措施[11-12],已经有较多研究,包括改进变流器控制策略提高系统的动态特性使其具备一定的lvrt能力,但在跌落深度较大时,仅依靠控制策略的作用有限,因此需要增加硬件保护电路,实现风电机组低电压穿越并对变流器进行保护,通常电压跌落的持续时间较短,属于暂态故障,当电压跌落持续时间较长时,需要配合变桨控制等限制风电机组捕获的风能。文献[13]对国内外双馈和直驱变速恒频风电系统保护电路进行了比较全面的分析和总结,对各种类型的保护电路进行了分类,对其工作原理和实现方法进行了详细说明,并讨论了各自的优缺点;增加保护电路可以有效提高变速恒频风电系统的lvrt能力,使风电系统在电网故障发生时保持并网,故障消除后能够快速恢复正常运行。

  变速恒频风电系统lvrt方面的文献大部分针对三相对称电网故障,但是电网中不对称故障占大多数,因此近来关于不对称故障穿越的研究也在增多,常规变流器矢量控制下电压、电流只包含正序分量,不对称故障时还包含负序分量,仍采用常规控制会造成功率和直流侧电压波动[14],因此随着对lvrt功能要求的提高,针对不对称故障需要采取有别于常规控制的策略,如采用正负序分解或直接功率控制等方法。为检验风电系统的lvrt能力,不管是对称故障还是不对称故障,通常需要专门的电压跌落模拟装置,模拟不同的电网电压跌落故障。文献[15]对国内外现有风电用电压跌落发生器(voltage sag generator,vsg)的研究进行了详细的总结,论述了三种形式的vsg实现方法,并对各种方法的工作原理和实现方法进行了分析,对各自的优缺点进行了对比;变压器形式vsg具有结构简单、可靠性高和成本较低的优势,目前使用较多,电力电子变换形式的vsg因其体积小、便于携带和强大的功能。

  5.2 在产品中的应用

  目前国外生产直驱风电变流器产品的几大厂家如enercon、ge、abb、siemens等,为适应新的电网规则对lvrt和无功支持的要求,都已将这些功能集成到其产品中。enercon风电机组当电网出现问题时,可以保持并网,如果需要,当故障出现时风电机组还能通过输送无功功率,实现支持电网电压,在故障被修复、电网电压已经恢复后,风电机组立刻恢复供电;文献[16]提供了enercon直驱同步电机系统-e66的仿真和测试结果,传递到电网的短路电流值只取决于变流器系统的功率等级并且可以控制,提供了电网短路期间系统输出的有功功率曲线;风电机组在故障期间提供减少的功率输出,在故障消除后,立刻传送额定功率,剩余的发电机功率不能被传送到电网侧,由于故障及随之的电压跌落,被转化为附加电阻上的热能,因此,故障对发电机机械力矩的影响被降到最低。

  ge风电的低电压穿越技术能使风电机组在主要的电网故障发生时保持并网并向电网输送无功功率,使风电机组能够满足和火力发电类似的传输可靠性标准。通过提高发电机组和控制设计,lvrt技术能使风电机组在出现严重电网扰动时可以不间断运行;windvar技术通过保持系统稳定性,在电网需要时快速向电网提供无功,减少电压崩溃的危险,降低电网解列的影响,lvrt和windvar功能可以较好地提高风电机组运行的可靠性,确保风电作为一个好邻居加入电网。abb目前用于直驱风电系统的变流器,功率最大的为multibrid m5000,是使用背靠背结构的全功率变流器,额定输出功率为5.5mva,具有以下几个特别的控制特征:对电网故障的穿越功能,无功控制能力,网侧的statcom功能,持续和动态电压控制;电机侧变流器使用直接转矩控制,具有快速控制、鲁棒性、高可用性、高品质等优点。

6 结束语

  本文从比较大的方面介绍了风力发电的相关技术,包括风力发电机型、发电机类型、风电变流器、风电低电压穿越与无功支持等。风力发电技术涉及机械制造、自动控制、电力电子、电力系统等多个学科,从控制角度讲包括风电机组控制如变桨控制、发电机控制及其优化、变流器控制、并网控制以及各部分之间的协调控制等,目前我国在风电产品、产业或科研探索等都方面都有较大投入,这些都将促进我国风电事业的快速发展。

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