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风力发电机变流器及其低电压穿越概述

2012-12-06 11:20
野明月
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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[1-3]。

  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[4-5]。

  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。

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