大规模集中风力发电中的电力电子技术.doc

大规模集中风力发电中的电力电子技术 上海交大风力发电研究中心 蔡旭 xucai@sjtu.edu.cn 全球巨大的市场与发展潜力 2008年底，全球总装机容量121GW，预计到2020年将超过1500GW,12% 中国风能资源 目前国内风电分布 中国风电装机预测 预测到2020 年全国风电总装机将达到10000-- 15000 万千瓦,成为第三大能源。 中国2008年电力总装机约7亿千瓦，风电总装机 1324万千瓦，预计09年后装机速度1000万/年。 2020 年风电达到世界电力总量的12％，2008年 重新修正为20%。 大型风电基地建设规划 吉林西部2300万 蒙西、蒙东合计5780万 新疆哈密1080万 Northeast power grid 东北电网 Northwest power grid 西北电网 North China power grid 河北1200万 华北电网 江苏沿海1000万 Ti 西藏 Central China power grid 华中电网 East China power grid 华东电网 甘肃酒泉1270万 South China power grid 南方电网 Taiwan 台湾 千万千瓦风电基地 特点：大规模开发、集中并网 中国风电的特殊性 陆上风资源相对集中在较小的区域范围 陆上风能规模性开发（7个千万千瓦基地） 陆上风能远离负荷中心，风能不能被本地销纳 海上风能更适合规模、集中开发 电网需要输送和销纳大范围波动的、超大功率的电能 柔性直流输电更适合输送大范围波动的、超大功率的 电能 风能的特点 风能体现为随机性、间歇性、不稳定性 一种风速下有一个最佳转速，使风能捕获最多 需要 需要 变速发电运行 有功、无功功率控制 负荷 风电 1天 风电技术的发展 风力发电技术从 大功率电力电 子变流技术 定桨距恒速恒频 变桨距变速恒频 功率平稳控制（有功有限调度、无功电 压控制、电网故障穿越） 大规模风电输 送与分配 目的 ? 最大风能捕获，提高风能采集、利用程度，提 高风电机组运行效率 ? 提高机组对电网的适应性，对电网更友好 风力发电方式 离网型 全功率变换机组 并网型 小功率变换型机组 双绕组感应电机直接并网 感应电机全功率变换发电 双馈感应电机小功率变换发电 无齿轮箱直驱全功率变换风机 高速永磁发电机全功率变换发电 集成齿轮永磁全功率变换发电 风电机组中的电力电子技术 风电变流器是机组发电功率平稳控制的关键 稳态时的P-Q解耦控制,具有无功控制能力、有功调度能力 电网故障时的故障穿越能力、网侧变换器STATCOM 运行更好的无功响应 控制策略：矢量控制、直接转矩控制 目前690V、0.5-6MW、PWM开关频率1-3k 变速风力发电功率与风速的关系 启动区 恒功率区 最大风能捕获区 降额功率输出区 恒速区 停止区 功率与风速关系曲线 内部交流连接、风电场交流并网 风电场经柔性直流接入电网 风电场 柔性直流 电力系统 Power plant Transmission System HVDC 直流并网风场内部接线方案 每个风机使用升压变压器，减小 线路上的损耗 减少变压器的数量，线路损耗增加 内部组建直流网络，大功率DC/DC实现 多端直流输出，减小线路损 耗，减少变压器。用于SCIG可 难度较大，对于同步发电机不同风速输 出电压不同，要求DC/DC的调节范围较 减掉一半容量的变换器 大，而异步电机需要定向电压。 风场并网中的电力电子技术 交流并网面临的问题： 输电功率的大幅度波动，满载时额定电压、低载时工频过电压、需 要电感补偿 远距离、高压大规模交流输送0-100%额定功率变化的电能，可调高 抗面临技术难题 海地电缆线路中间增设补偿电感投资增加 VSC直流的优点： 不存在上述问题 P-Q解耦控制、黑启动 风场的低电压穿越问题由VSC直流输电解决，对风电机组的要求降低 三种主要的输电技术 HVAC 电网 LCC-HVDC VSC-HVDC 三种输电性能比较 HVAC LCC-HVDC VSC-HVDC 线路特性 阻性﹑感性﹑容性 阻性 阻性 与电网的关系 耦合 隔离 隔离 无功补偿设备 需要 需要 不需要 黑启动功能 有 无 有 辅助设备 不需要 低风速需要 低风速需要 安装面积 小 大 中 海上风电场运用 小的安装较多 没有 有试验工程 损耗比较 HVAC的损耗包括变压器和电缆，电缆在海水中寄生电容相对较大，所以电 缆损耗占主要部分，超过80%，电压等级越高情况越严重 ； LCC-HVDC和VSC-HVDC的损耗：变换器约占70-80%； VSC-HVDC在功能上和安装上优于LCC-HVDC，对于海上风电场一般使用前者 除了损耗外还要考虑经济性，综合成本﹑安装成本等因素一般认为超