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风电场经分频输电装置接入系统的研究 0 风电场经分频输电系统接入系统国内应用背景和国内发展经验从目前还没有考虑风电 风能是一种没有污染和再生的绿色能源。开发风能,大力发展风力发电,对于解决全球性的能源危机和环境危机具有重要意义。因此,政府和产业界对风电建设的关注和重视程度日益加强。并网型风电场是大规模利用风能的有效方式,因此,并网运行的风力发电技术是目前大规模发展风电亟需研究的重点和难点。风力发电联网问题制约着风电产业的发展。目前风电并网的瓶颈主要表现在以下2个方面:一是效率和成本问题,降低成本、提高效率、增加寿命一直是风电机组发展所追求的目标,一塔一发电机一变压器的结构,以及多级行星齿轮变速箱的插入,不但使效率降低,而且增大了成本投入,机组可靠性降低,机组变得异常庞大笨重;二是风电机组并网以及风电机组与电网之间的相互影响问题,风电出力波动大,而且风电场离负荷中心较远,给电网运行带来不利影响。毫无疑问,每千瓦成本高(大型风电厂的建设成本在7 500元/kW左右,小型风电机组的成本更高)、系统抗风电扰动能力差是影响风电产业发展的关键性制约。可见,要想从根本上解决风电并网问题,唯一出路在于探索新的技术道路和方案。 风电场接入系统的方法很多。在恒速恒频系统中,主要通过同步电机或者异步电机直接并网;在变速恒频风力发电系统中,每个风力机经过双馈电机或者其他电力电子装置后接入系统。但是,这些方法中都是采用一塔一轮一电机一变压器的机组结构,增加了风力发电的成本。Windformer是ABB公司研制的新型风力发电系统,该机组的功率输出经分散不可控整流及集中逆变的轻型高压直流(HVDC)输电系统直接输送至当地的高压电网,风电场的电气主系统被等效成一台大型HVDC发电机,但是该结构代价高且制造困难。 早在20世纪90年代,文献就提出了分频输电的设想。它突破了传统交流输电方式主要依靠提高电压等级来提高输电能力的局限,为远距离、大容量的传输提供了一种有竞争力的输电方案,在新能源和可再生能源发电远距离接入系统中有着广阔的应用前景。文献阐述了风电经分频输电并网的概念。 本文基于分频风电系统理论详细阐述了风电场经分频输电装置并入系统的新型馈网方式,其主要特点是在变桨距风力发电机组的基础上采用了转速可在大范围变化的同步电机及相应的电力电子技术,通过对最佳风能利用系数的跟踪,使得风力发电机组在所有风速下均可获得最大的功率输出。其核心思想是用频率的变化跟踪风速的变化,在额定风速以下,通过对转速的控制来跟踪最佳风能利用系数曲线,以获取最大风能利用系数,从而得到最大能量。在额定风速以上时,通过调节桨距角和风能频率保持恒定的最大功率。 1 频域供电系统的组成和应用 1.1 分频输电系统元件 分频风电系统是在风力发电和输电过程中采用分频交流电(如50/3 Hz),送入系统时再利用AC/AC变频器将风电转换为50 Hz的交流电并网。在风电场经分频输电装置接入系统中,电能经过分散的风力机—发电机—控制器及集中的一个AC/AC变频器接入系统,具体电路如图1所示。 各元件简述如下: 1)风轮:常规风轮不必做任何修改。 2)增速齿轮箱:由于采用频率变化范围在(50/3)Hz附近,故齿轮箱的增速比按照发出(50/3)Hz电能来计算。齿轮箱是仅次于塔架的笨重部件,重达50 t～100 t,相对于50 Hz恒频系统,50/3 Hz系统则减少了齿轮增速比,可以大大减少变速箱的重量,并能够提高机组效率。 3)同步发电机:由于采用电力电子器件(AC/AC变频器)作为馈网装置,可柔性地调节风力机的转速,故使用同步发电机进行发电能够满足并网条件,顺利并网,减少了风力发电对电网的冲击。同时,减少了因采用异步机发电所必需的大量无功补偿装置。 4)升压变压器:由于频率低、铁心面积和线圈匝数相应增大,提高了变压器的造价,但不存在技术上的困难,因此已在分频输电系统实验中得到应用。 5)输电线路:常规工频输电线路不必做任何修改。 6)AC/AC变频器:工作效率高,安装运行灵活,在分频输电试验中得到了证实。 1.2 风力发电控制系统从根 风电场中所有的风力机通过控制系统发出相同低频率的电能,经汇流母线收集到一起后升压至110 kV以上,然后通过远距离输电将低频电能送到负荷中心地区,送入系统时再利用AC/AC变频器转换成50 Hz电能,送入负荷中心电网。这样利用同样的输电线路将电能输送到更远的地区,因而便于将风电接到较强受端系统,增强了系统的抗扰动能力,从而使电力系统可以承受更大规模的风电机群;同时,由于分频输电系统电抗减少,受电端的电压波动也会相应降低。 额定风速以下是风力发电机组运行可不受功率限制的风速范围。在这一运行区域,风力机定桨距控制,风力发电机组控制系统的主要任务是通过对转速的控制来跟踪最佳风能利