風力發電機并網應用論文

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論文關鍵字：風能發電機電能

論文摘要：風能是一種清潔，安全，可再生的綠色能源，利用風能對環境無污染，對生態無破壞，環保效益和生態效益良好，對于人類社會可持續發展具有重要意義。進入20世紀70年代，在世界范圍內爆發的能源危機告誡人們，要生存就要尋找開發新能源，此后各國政府紛紛制定能源政策支持新能源的開發利用。現今調整能源結構、減少溫室氣體排放、緩解環境污染、加強能源安全已成為國內外關注的熱點。國家對可再生能源的利用,特別是風能開發利用給予了高度重視。

近年來，世界風力發電事業蓬勃發展，截至2006年年底，全世界風力發電裝機容量已達7422萬千瓦，預計到2010年全世界風力發電裝機容量將達到149．5吉瓦。

我國風能資源豐富。據中國氣象科學研究院的初步測算,我國陸地10m高度處可開發儲量為2.53億kW,海上可開發儲量為7.5億kW,總計約10億kW,風能利用潛力巨大。2005年以來我國每年的風電新增裝機容量連年翻番，2005年裝機容量126萬KW，2006年裝機容量260萬KW，2007年裝機容量590萬KW，至2008年底風電裝機容量已超過1000萬KW。國家規劃,到2020年中國風電裝機規模將達3000萬kW。在國家政策和資源優勢的推動下,中國風能開發利用取得了長足進步。

風力發電在并網時由于沖擊電流的存在，會對電網電壓產生影響。由于風力發電是一種間歇性能源，風電場的功率輸出具有很強的隨機性，所以為了保證風電并網以后系統運行的可靠性，需要額外安排一定容量的旋轉備用以響應風電場的隨機波動。各種形式的風力發電機組運行時對無功功率的需求不同，依靠電容補償來解決無功功率平衡問題，發電機的無功功率與出力有關，由此也影響電網的電壓。

大型風力發電機組的投入運行，使大規模風力發電場的建設成為可能，風電事業正逐步向產業化邁進。在某些地方，風力發電已經在電網中占有了相當的比重，它的運行狀況直接關系到整個電網的安全性和可靠性。為了更加安全、充分的利用風力資源，迫切需要深入研究大規模風電場并網運行的相關技術問題，是保證并入大規模風電場后電力系統仍然可以正常穩定運行的重要前提。

國內外研究現狀

過去很長一段時期以來，由于結構簡單、運行可靠，風力發電系統主要采用恒速恒頻發電方式，但采用恒速恒頻方式的風力發電機組發電效率較低，而且機械承受的應力較大，相應的裝置成本較高。近年來，隨著大規模電力電子技術的日趨成熟，同時為實現不同風速下實現最大風能捕獲從而高效發電，國內外正在采用變速恒頻發電方式，變速恒頻發電方式可以大范圍內調節運行轉速,來適應因風速變化而引起的風力機功率的變化,可以最大限度的吸收風能,因而效率較高；控制系統采取的控制手段可以較好的調節系統的有功功率、無功功率,但控制系統較為復雜；低風速下風機轉速相應下降，從而大大降低了系統的機械應力和裝置成本，近年來變速恒頻風力發電機組成了大容量風力發電設備的主要選擇方向。

恒速恒頻風力發電機組的并網包括同步發電機的并網和異步發電機的并網。同步發電機在重載情況下并網，若不進行有效的控制，常會發生嚴重的無功振蕩和失步，對系統造成嚴重的影響。用于風力發電的同步發電機與電網并聯運行時，常采用自動準同步并網和自同步并網方式。前者由于風速的不確定性，通過該方法并網比較困難；后者的并網操作相對簡單，使并網在短時間內完成，但要克服合閘時有沖擊電流的缺點。異步風力發電機控制裝置簡單，而且并網后不會產生振蕩和失步，運行比較穩定。然而，異步發電機直接并網時會產生發電機額定電流5-7倍的沖擊電流，不僅對電網造成沖擊而且影響機組壽命；另外異步發電機本身不發無功功率，需要進行無功補償。[

變速恒頻風力發電系統有多種，例如同步發電機交/直/交系統的并網運行和雙饋發電機系統的并網運行。在變速恒頻風力發電的眾多種方案中,最具優勢的方案是采用雙饋感應發電機的并網型交流勵磁變速恒頻風力發電機組。

同步發電機交/直/交系統并網運行時，由于采用頻率變換裝置進行輸出控制,因此并網時沒有電流沖擊,對系統幾乎沒有影響。由于同步發電機組工作頻率與電網頻率是彼此獨立的,風輪及發電機的轉速可以變化,不必擔心發生同步發電機直接并網運行可能出現的失步問題。在風電系統中使用阻抗匹配和功率跟蹤反饋來調節輸出負荷,可使風力發電機組按最佳效率運行,向電網輸送更多的電能。

雙饋發電機系統并網運行時，風力機起動后帶動發電機至接近同步轉速時電網,并網時基本上無電流沖擊。風力發電機的轉速可隨風負載的變化及時做出相應的調整,產生最大的電能輸出。而且通過調節雙饋發電機勵磁電流的頻率、幅值和相位，可以保證發電機在變速運行的情況下發出恒定頻率的電力,并可以調節無功功率和有功功率。

交流勵磁變速恒頻風力發電系統中，發電機和電網之間是一種柔性連接，尤其對無刷雙饋電機而言，對發電機轉子側交流勵磁電流的調節與控制，就可在變速運行的任何轉速下滿足并網條件，實現變速恒頻無沖擊電流的高效并網。其勵磁繞組與電網間的雙向變頻器功率，僅為發電機系統的一小部分功率。可以預見，在未來幾年內，無刷雙饋電機在變速恒頻發電系統中將會獲得廣泛的應用，對全國的風力發電等機電產品的更新換代起推動作用，產生顯著的經濟和社會效益。

研究(設計)內容

對主要風力發電機組類型進行對比研究，不同機型的發電機原理、結構、運行特性和對電力系統的影響不盡相同，有必要進行研究。

對風力發電機組并網方式進行比較分析研究，主要是同步發電機的并網方式和異步發電機的并網方式進行比較分析，并對目前主流的變速恒頻風力發電機組中的雙饋感應發電機進行重點探討。

電壓水平是電力系統穩定運行的重要指標，研究了風力發電并網運行后電力系統的電壓特性。

從風電場接入地區的中樞點電壓水平、風電系統負荷的輕重、風電場的無功補償容量大小等各個方面分析探討影響風電機組最大注入功率的各種因素。

綜合分析幾種常用風力發電機的并網控制技術，分析比較它們各自應用于風力發電上的優缺點。并提出風力發電技術今后的發展趨勢。

研究(設計)方法及技術路線

首先建立幾種常用風力發電機的數學模型，建立風速、風力機模型，并利用已建立的數學模型對發電機原理進行探討，研究各風力發電機的運行特性，并就各種發電機并網時對電網的影響進行理論探討，特別是與電網有功、無功交換功率及對電網電壓的影響進行探討，找出合適的并網運行控制方案。

本課題研究的難點有：1）風力發電機數學模型的建立；由于風力發電機類型較多，不同電機的數學模型不一樣，不能建立統一的、適應各種機型的數學模型。2）該課題的探討主要停留在理論上，并進行適當的仿真計算，難以進行實驗驗證時間安排

第九周

詳細地了解設計題目、設計任務、設計要求、預期效果。本周內主要完成：①明確設計任務的具體內容。②完成開題報告。③編制初步設計方案

第十周

通過分析設計任務，提出各自的問題。

第十一周、第十二周

①將設計任務再次細化，提出更加具體的問題。②開始設計預期目標的整體方案，包括相關硬件、軟件方案，提出可行性。

第十三周、第十四周

①設計方案更加具體化，使之更加清晰，明確提出可達到的預期效果。②再次論證方案的可行性。③對設計方案各部分進行系統的分析計算，解決設計中出現的具體問題。

第十六周

總結前兩個階段的工作成果，編寫設計說明書。

第十七周

①妥善保存設計系統。②修改畢業論文，并完成打印。③準備答辯

預期成果

預期成果為幾種常見風力發電機組的并網運行控制方案，并以論文論文的形式表達出來。可能的創新點為：考慮充分利用電力存儲或者能量存儲技術，降低風能資源的隨機性對電網造成的不利影響，改善風能資源的利用條件，盡可能達到可控的目的。

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PowerEngineeringSocietySummerMeeting:Vol1,2001