风力发电机组并网运行研究.doc

1、风力发电机组并网运行研究论文关键字：风能 发电机 电能 论文摘要：风能是一种清洁，安全，可再生的绿色能源，利用风能对环境无污染，对生态无破坏，环保效益和生态效益良好，对于人类社会可持续发展具有重要意义。进入 20 世纪 70 年代，在世界范围内爆发的能源危机告诫人们，要生存就要寻找开发新能源，此后各国政府纷纷制定能源政策支持新能源的开发利用。现今调整能源结构、减少温室气体排放、缓解环境污染、加强能源安全已成为国内外关注的热点。国家对可再生能源的利用,特别是风能开发利用给予了高度重视。 近年来，世界风力发电事业蓬勃发展，截至 2006 年年底，全世界风力发电装机容量已达 7422 万千瓦，预计到

2、 2010 年全世界风力发电装机容量将达到 1495 吉瓦。 我国风能资源丰富。据中国气象科学研究院的初步测算,我国陆地10m 高度处可开发储量为 2.53 亿 kW,海上可开发储量为 7.5 亿 kW,总计约10 亿 kW,风能利用潜力巨大。2005 年以来我国每年的风电新增装机容量连年翻番，2005 年装机容量 126 万 KW，2006 年装机容量 260 万KW，2007 年装机容量 590 万 KW，至 2008 年底风电装机容量已超过 1000万 KW。国家规划,到 2020 年中国风电装机规模将达 3000 万 kW。在国家政策和资源优势的推动下,中国风能开发利用取得了长足进步。

3、 风力发电在并网时由于冲击电流的存在，会对电网电压产生影响。由于风力发电是一种间歇性能源，风电场的功率输出具有很强的随机性，所以为了保证风电并网以后系统运行的可靠性，需要额外安排一定容量的旋转备用以响应风电场的随机波动。各种形式的风力发电机组运行时对无功功率的需求不同，依靠电容补偿来解决无功功率平衡问题，发电机的无功功率与出力有关，由此也影响电网的电压。 大型风力发电机组的投入运行，使大规模风力发电场的建设成为可能，风电事业正逐步向产业化迈进。在某些地方，风力发电已经在电网中占有了相当的比重，它的运行状况直接关系到整个电网的安全性和可靠性。为了更加安全、充分的利用风力资源，迫切需要深入研究大规

4、模风电场并网运行的相关技术问题，是保证并入大规模风电场后电力系统仍然可以正常稳定运行的重要前提。 国内外研究现状 过去很长一段时期以来，由于结构简单、运行可靠，风力发电系统主要采用恒速恒频发电方式，但采用恒速恒频方式的风力发电机组发电效率较低，而且机械承受的应力较大，相应的装置成本较高。近年来，随着大规模电力电子技术的日趋成熟，同时为实现不同风速下实现最大风能捕获从而高效发电，国内外正在采用变速恒频发电方式，变速恒频发电方式可以大范围内调节运行转速 ,来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化,可以最大限度的吸收风能 ,因而效率较高；控制系统采取的控制手段可以较好的调节系统的有功功率、无功功率

5、,但控制系统较为复杂；低风速下风机转速相应下降，从而大大降低了系统的机械应力和装置成本，近年来变速恒频风力发电机组成了大容量风力发电设备的主要选择方向。 恒速恒频风力发电机组的并网包括同步发电机的并网和异步发电机的并网。同步发电机在重载情况下并网，若不进行有效的控制，常会发生严重的无功振荡和失步，对系统造成严重的影响。用于风力发电的同步发电机与电网并联运行时，常采用自动准同步并网和自同步并网方式。前者由于风速的不确定性，通过该方法并网比较困难；后者的并网操作相对简单，使并网在短时间内完成，但要克服合闸时有冲击电流的缺点。异步风力发电机控制装置简单，而且并网后不会产生振荡和失步，运行比较稳定。然

6、而，异步发电机直接并网时会产生发电机额定电流 5-7 倍的冲击电流，不仅对电网造成冲击而且影响机组寿命；另外异步发电机本身不发无功功率，需要进行无功补偿。 变速恒频风力发电系统有多种，例如同步发电机交/直/交系统的并网运行和双馈发电机系统的并网运行。在变速恒频风力发电的众多种方案中,最具优势的方案是采用双馈感应发电机的并网型交流励磁变速恒频风力发电机组。 同步发电机交/直/交系统并网运行时，由于采用频率变换装置进行输出控制, 因此并网时没有电流冲击, 对系统几乎没有影响。由于同步发电机组工作频率与电网频率是彼此独立的, 风轮及发电机的转速可以变化, 不必担心发生同步发电机直接并网运行可能出现的

7、失步问题。在风电系统中使用阻抗匹配和功率跟踪反馈来调节输出负荷, 可使风力发电机组按最佳效率运行, 向电网输送更多的电能。 双馈发电机系统并网运行时，风力机起动后带动发电机至接近同步转速时电网, 并网时基本上无电流冲击。风力发电机的转速可随风负载的变化及时做出相应的调整, 产生最大的电能输出。而且通过调节双馈发电机励磁电流的频率、幅值和相位，可以保证发电机在变速运行的情况下发出恒定频率的电力,并可以调节无功功率和有功功率。 交流励磁变速恒频风力发电系统中，发电机和电网之间是一种柔性连接，尤其对无刷双馈电机而言，对发电机转子侧交流励磁电流的调节与控制，就可在变速运行的任何转速下满足并网条件，实现

8、变速恒频无冲击电流的高效并网。其励磁绕组与电网间的双向变频器功率，仅为发电机系统的一小部分功率。可以预见，在未来几年内，无刷双馈电机在变速恒频发电系统中将会获得广泛的应用，对全国的风力发电等机电产品的更新换代起推动作用，产生显著的经济和社会效益。 研究(设计)内容 对主要风力发电机组类型进行对比研究，不同机型的发电机原理、结构、运行特性和对电力系统的影响不尽相同，有必要进行研究。 对风力发电机组并网方式进行比较分析研究，主要是同步发电机的并网方式和异步发电机的并网方式进行比较分析，并对目前主流的变速恒频风力发电机组中的双馈感应发电机进行重点探讨。 电压水平是电力系统稳定运行的重要指标，研究了风

9、力发电并网运行后电力系统的电压特性。 从风电场接入地区的中枢点电压水平、风电系统负荷的轻重、风电场的无功补偿容量大小等各个方面分析探讨影响风电机组最大注入功率的各种因素。 综合分析几种常用风力发电机的并网控制技术，分析比较它们各自应用于风力发电上的优缺点。并提出风力发电技术今后的发展趋势。 研究(设计)方法及技术路线 首先建立几种常用风力发电机的数学模型，建立风速、风力机模型，并利用已建立的数学模型对发电机原理进行探讨，研究各风力发电机的运行特性，并就各种发电机并网时对电网的影响进行理论探讨，特别是与电网有功、无功交换功率及对电网电压的影响进行探讨，找出合适的并网运行控制方案。 本课题研究的难

10、点有：1）风力发电机数学模型的建立；由于风力发电机类型较多，不同电机的数学模型不一样，不能建立统一的、适应各种机型的数学模型。2）该课题的探讨主要停留在理论上，并进行适当的仿真计算，难以进行实验验证 时间安排 第九周 详细地了解设计题目、设计任务、设计要求、预期效果。本周内主要完成：明确设计任务的具体内容。 完成开题报告。编制初步设计方案 第十周 通过分析设计任务，提出各自的问题。 第十一周、第十二周 将设计任务再次细化，提出更加具体的问题。 开始设计预期目标的整体方案，包括相关硬件、软件方案，提出可行性。 第十三周、第十四周 设计方案更加具体化，使之更加清晰，明确提出可达到的预期效果。 再次

11、论证方案的可行性。 对设计方案各部分进行系统的分析计算，解决设计中出现的具体问题。 第十六周 总结前两个阶段的工作成果，编写设计说明书。 第十七周 妥善保存设计系统。 修改毕业论文，并完成打印。准备答辩 预期成果 预期成果为几种常见风力发电机组的并网运行控制方案，并以论文论文的形式表达出来。可能的创新点为：考虑充分利用电力存储或者能量存储技术，降低风能资源的随机性对电网造成的不利影响，改善风能资源的利用条件，尽可能达到可控的目的。 主要参考文献 1刘亮,唐任远,孙雨萍兆瓦级直驱式永磁风力发电机关键技术研究山东大学硕士学位论文2008.5 2任景变速恒频风力发电机组动态模型及并网研究电网与水力发

12、电进展2008.1 3张伟，韩肖清异步风力发电系统并网仿真分析太原理工大学硕士学位论文2006.5 4Holdsworth L，Jenkins N，Strbac GElectrical stability of large offshore wind farmsSeventh International Conference on AC-DC Power Transmission2001 5CHEDID R,MRAD F,BASMAM. Intelligent control for wind energy conversion systems.Wind Eng,1998(1) 6宋伟,李昌禧

13、大型风力发电机组并网运行的探讨河北电力技 术2002（4） 7吴俊玲，周双喜，孙建锋，陈寿孙，孟庆和并网风力发电场的最大注入功率分析电网技术2004.10 8叶运骅并网型变速风力发电机组的控制技术与策略哈尔滨建筑大学学报2002.12 9耿华,杨耕,马小亮并网型风力发电机组的控制技术综述电力电子技术2006.12 10 何东升,刘永强,王亚并网型风力发电系统的研究高电压技术2008.1 11 Slootweg J G, Kling W L , Polinder H. Dynamic modeling of a wind turbine wit h doubly fed induction generator. IEEE Power Engineering Society Summer Meeting : Vol 1,2001