风力发电系统的分类与拓扑结构.pdf

风力风力发电系统发电系统的的分类分类与与拓扑结构拓扑结构 风力发电系统首先可以分为两类：独立型风力发电系统和并网型风力发电系统。1.独立型风力发电系统独立型风力发电系统 通常独立型风力发电规模较小，单机容量一般为 10kW 及以下，通过蓄电池等储能装置或与其它能源发电技术相结合，用以解决偏远地区的供电问题。并网型风力发电：指接入电力系统运行且规模较大的风力发电场。单机容量一般在数百 kW 及 MW。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，大功率风电机组并网发电是高效大规模利用风能最经济的方式，是当今世界利用风能的主要方式。小型风力发电系统经常与其他能源混合发电，又可称之为“混合电力系统”。1)一种是传统的直流混合系统，如图 6 所示。小型风力机输出的交流频率和电压可变的交流电，经过整流后输送到电池组电压等级的直流母线。能量存储在电池中或通过逆变器转换成交流提供给负荷。电池组被用来平滑风力机的功率波动，存储有风时产生的能量以备不时之需。小型风力机小型风力机直流电源中心蓄电池组蓄电池组光伏充电控制器交流负荷逆变器直流负荷风力机断路器风力机控制器光伏电池板 Figure 1 小型发电直流混合系统 2)另一种是交流母线为主体的小发电系统。光伏和风力发电系统通过专用快速逆变器接入交流电网。小型风力机小型风力机蓄电池组光伏逆变器和控制器交流负荷双向变流器风力机断路器风力机逆变器和控制器光伏电池板 Figure 2 小型发电交流混合系统 2.并网型风力发电系统并网型风力发电系统 并网型风力发电系统可分为恒速（A 型）、有限变速（B 型）、变速含部分功率变频器（C 型）以及变速全功率变频器（D 型）。1)A 型：恒速 此类型主要指鼠笼式感应发电机（SCIG）通过变压器直接连接电网的恒速风机，如图 8 所示，双绕组风机也可归于此类。因为鼠笼式感应电机需要从电网吸收无功功率，所以此类型风力机使用电容器组进行无功功率补偿，使用软启动器可以获得平稳的电网电压。此类型的缺点是不支持速度控制，需要刚性电网支持，机械承受应力大。齿轮SCIG软起动器电网电网电网电网电容器组 Figure 3 恒速 鼠笼型感应发电机 该类型还具体包括三种类型：（1）失速控制型。该机型在上世纪 8090 年代被许多丹麦风力机制造商采用。特点：简单、坚固、耐用。不能实现辅助启动，无法控制风力机的功率。（2）桨距控制型。优点是可控功率，可控启动和紧急停车。缺点：高风速时很小的风俗变化也会导致很大的输出功率波动。桨叶调节能补偿份额的缓慢变化，但阵风情况不能补偿。（3）主动失速控制型。低风速时桨叶调节类似于桨距控制型风力机，高风速时、使桨叶进入深度失速状态。优点：能够获得更平稳的有限功率，不会出现桨距控制型风力机的高功率波动。2)B 型：有限变速 指可变转子电阻的有限变速风力机，如图 9 所示。OptiSlipTM，该技术是 Vestas公司在 20 世纪 90 年代中期开始使用。使用绕线感应发电机（WRIG）直接并网；同样需要电容器组进行无功功率补偿，使用软起动器并网。由于转子电阻可变使得转差率可变，因此系统的功率输出史克栋，可变转子电阻的大小决定动态速度控制的范围。齿轮WRIG软起动器电网电网电网电网电容器组可变电阻 Figure 4 有限变速型风力发电机 3)C 型：变速含部分功率变频器 此类型主要指双馈式感应发电机（DFIG），如图 10 所示。是含绕线转子感应发电机（WRIG）和转子电路中部分功率变频器（额定值约为标称发电机功率的30%）。双馈发电机结构类似于三相绕线式异步感应电机，具有定、转子两套绕组，定子绕组并网，转子绕组外接三相转差频率变频器实现交流励磁。部分功率变频器用来进行无功功率补偿。双馈发电机是指，在控制中发电机的定、转子都参与了励磁，并且定、转子两侧都有能量的馈送。优点：变频器的容量小，更具经济性，动态速度控制范围快一般为同步转速的-40%30%。缺点主要是需要使用滑环和需要有电网故障保护，具有齿轮箱，结构笨重，易出现机械故障。齿轮DFIG软起动器电网电网电网电网ACDCDCDC Figure 5 双馈式异步风力发电机 4)D 型：变速全功率变频器型 此类型主要指发电机通过全功率变频器并网的全变速风力机。发电机主要有绕线转子同步风力发电机（WRSG）或永磁同步发电机（PMSG），结构图如图 11 所示。其中一些全变速风力发电机系统省去了齿轮箱，此时需要直驱多级发电机，其直径较大。ACDCDCACPSMG/WRSG/WRIG电网电网电网电网齿轮 Figure 6 永磁同步风力发电机 直驱式永磁同步发电机根据全功率变流器的不同又可分为：（1）不可控整流+DC/DC 升压+PWM 电压源型逆变器型 PMSG电网电网 Figure 7 不控整流+DC/DC 升压+PWM 逆变 DC/DC 环节将整流器输出的直流电压提高并保持稳定在合适的范围内，使得逆变器的输入电压稳定，增大了逆变器的调制深度范围、提高运行效率、减小谐波。同时，boost 电路还可以控制永磁发电机转矩和转速，提高了性价比。（2）背靠背双 PWM 变流器型 PMSG电网电网 Figure 8 back-to-back PWM 变流器 电机侧变流器通过调节定子侧的 d 轴，可以控制发电机的无功功率为零;调节 q 轴电流，可以控制发电机的电磁转矩和转速，使转速跟踪参考转速，保持风力机处于最佳叶尖速比，在额定风速以下捕获最大风能:电网侧变流器可以维持直流侧电压恒定，通过调节网侧的 d 轴和 q 轴电流，可以对网侧变流器输出到电网的有功和无功功率进行解藕控制，方便调节系统的功率因数。优点：后者中的PWM整流器可以同时实现整流和升压作用，所以效率较高，通过电流隔离，计策和网侧可以实现各自的控制策略。缺点：全控型器件数量增多，控制电路也较复杂，增加了变流系统成本，性价比不如不控整流+DC-DC 升压+PWM 逆变器