1、毕业设计(论文)开题报告书课 题 名 称 风 电 并 网 对 电 力 系 统 的 影 响 分 析 学 生 姓 名 黄 志 勇 学 号 0741227305 系 、 年 级 专 业 电 气 工 程 系 、 07 电 气 工 程 及 其 自 动 化 指 导 教 师 袁 旭 龙 副 教 授 2010 年 12 月 20 日一、课题的来源、目的意义(包括应用前景)、国内外现状及水平课题来源：风能作为一中清洁的能源受到了全世界普遍的青睐,但是风能发电也存在这一些难以解决的问题，如风电并网对系统的影响以及风力发电的规划是摆在眼前的现实问题。风力发电并网后会对电力系统产生不小的影响，会影响到电网的稳定性、电
2、网电压，电能质量和继电保护装置，还会造成谐波污染。其中由风电并网所引起的电压波动和闪变是风电并网的主要负面影响。虽然现在风力发电机组大都采用软并网方式，但是启动时仍会产生较大的冲击电流，使得风电机组输出的功率不稳定，进而会导致电压的波动和闪变。电压的波动和闪变会使电灯闪烁，电视机画面不稳定，电动机转速变化严重影响到工业产品的质量，在某些特殊行业电压不稳会使一些精密的仪器出现测量错误，严重时还会引发重大事故。风能作为一种间歇性能源，加之风能资源的预测准确度并不能完全符合电力系统对电能质量的要求，所以寻求新途径新思路解决风电对系统的影响也自然成了许多电力行业工作人员的目标。目的意义：综合运用所学的
3、理论知识，使理论与实践相结合，尽快适应生产实际；提高动手能力和分析问题、解决问题的能力；增强工程观念；提高查阅资料和阅读专业英语资料的能力。随着世界能源日益紧缺和全球气候变暖趋势增强，新能源、可再生资源的开发利用成为了解决上述问题的主要手段之一。风力发电是目前可再生能源各种技术中发展最快、技术最为成熟、最具大规模和商业化前景的产业，是最有可能成为主流电源的可再生能源技术之一。所以采取措施改善风电并网对电力系统的一些负面影响，积极促进风电的开发利用，是优化能源结构，保障能源安全，缓解能源利用造成的环境污染，促进能源与经济、能源与环境协调发展的重要的选择，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持
4、续发展的重要途径。国内现状及水平：我国是世界上利用风能最早的国家之一，可以开发利用的风能资源仅次于前苏联和美国，为世界第三位。目前，我国已经拥有 750kw 以下各类风电设备的制造能力，兆瓦级风力发电机组正在研究试验阶段，风电机组正由定桨矩型向变桨矩型过渡。国内风电场装机大多数为 mw 级以下的定桨距定速型风机。其中，600kw 和750kw 的国内生产厂家超过数十家，而且占据了市场的 80%以上，国产化率已达90%； mw 级以上的生产厂家以国外为主，国内仅有为数不多的几家能够生产，但拥有自主知识产权的仅有新疆金风科技风电有限公司和沈阳工业大学两家，其他厂家都是引进国外技术或以生产许可证方式
5、与国外风电厂商进行合作。从 2006 年国内主要风电机组供应商及其主流技术来看，可见，mw 级以上的机型中，采用双馈发电机变桨距变速恒频技术的机型正成为主流，以金风科技为代表，采用永磁同步电机的直驱式风电机组也有很大的发展空间。但在上述 mw 级国产风电机组中，大于2mw 的机组还正在研发，对于大容量风电系统的设计能力还不够，特别是关键部件的设计和生产能力还比较落后，比较突出的是叶片、齿轮箱和电控系统，与国外产品存在较大差距；此外，风电机组用轴承，特别是主轴轴承，绝大部分还依赖进口。2006 年，我国新增风机市场 mw 级以上还不到 30%，累计 mw 级机组只占总机组数量的 11%；mw 级
6、以下机组多采用定桨距定速恒频技术，运行效率较低，而 mw 级以上变桨距变速恒频风电机组还处于试运行阶段，其国产化率为 70%左右，关键部件的生产还依赖国外。尽管我国的 mw 级风电技术还刚刚起步，但我国的风电厂商也注意到海上风电场的发展潜力，首个海上风电场项目已经启动，风电系统正朝着更大容量的方向发展。国外现状及水平：国外风电技术的发展起步较早，风电技术朝着提高单机容量，减轻单位千瓦重量，提高转换效率，提供系统可靠性的方向发展。目前，国际上主流的风力发电机组已达到23mw，平均单机容量从上世纪90年代的600kw 增加到1800kw 以上，2005年以来，mw 级以上单机装机容量均超过当年装机
7、总容量的75%；在已安装的风电机组中，变速恒频和变桨距技术得到快速推广，国外大多数风电机组开发制造厂商都推出了变桨变速风电机组，据统计，2004年上半年，在德国所安装的风电机组中，有91.2%的风电机组采用的是变桨距调节方式，2004年和2005年，全球所安装的风电机组中，有92%的风电机组采用了变速恒频技术，而且这个比例正在逐渐提高。目前，国外风电机组普遍为 mw 级以上，并且采用了变桨变速的先进技术。2006年市场上前十位的全球风电机组供应商及其主流技术如表2所示，可见传统的恒速恒频技术不再是主流，仅有 siemens 公司和 suzlon 公司的部分早期机型采用了此技术；采用双馈发电机的
8、变速恒频技术已比较成熟，成为当前风电市场的主流；采用同步发电机的直驱式变速恒频技术由于省去了齿轮箱，具有一定的发展潜力；为提高风电系统控制灵活性和可靠性，所有风电厂商都采用了变桨距技术。随着风电机组单机容量的不断增大，国外的风电场正逐渐从陆上向海上发展。与陆上相比，海上风速较高、风电机组距离海岸较远，视觉干扰很小、允许机组制造更为大型化，从而可以增加单位面积的总装机量、机组噪音排放的控制问题也不那样突出。目前，英国、丹麦、荷兰、德国等欧洲国家已建成若干海上风电场，并且提出了海上风电场规划的战略目标。例如，德国计划在2030年前建成总容量为25gw 的海上风电场，其中1gw 以上的至少12个，发
9、电量将占总发电量的 15。针对海上风电场，德国repower 公司已生产出 5mw 风机，enercon 公司的6mw 的风机也已推出，美国gewind 公司的 7wm 风机也在设计和开发，预计到2010年单机容量可上升至10mw。随着电网内风电容量的增加，风电系统对电网的影响也日益增加，为提高电网运行的可靠性，国外如丹麦、德国和西班牙等国的电网运营商已开始制定新的风电场并网规范，包括并网电压、频率、有功、无功功率的范围和风电系统不断网运行要求等。新的并网规范使得国外风电技术从单纯的单机优化控制向风电场多机协调控制发展，如 enercon 公司通过集中控制各个风电机组的功率因数，实现了电网的有
10、源功率因素校正和谐波补偿。世界风电技术的发展趋势在于提高风电系统的效率、可靠性和降低风电成本。相应地，风电机组正朝着大容量化的变桨矩变速系统发展；更大容量的风电系统设计是目前风电技术的一大挑战；海上风电场是风电技术的发展方向之一，但系统的可靠性设计、海上风电场的输电技术、系统的保护技术等还有待进一步研究；随着电网内风电容量的增加，风电场的协调控制，包括风电场有功、无功功率控制、故障穿越控制等将是风电技术的又一大挑战。国外已有研究机构对风电场输出功率水平控制进行了初步研究，通过额外的柔性输电设备，如 svc、stacom 等控制风电场的输出无功功率水平26,27；通过增加蓄电池组等辅助存储系统，
11、或控制部分风机低载运行，控制风电场的输出有功功率水平。但上述方法会增加系统成本或降低系统的使用效率，因而还未见在实际风电系统中得到应用。二、课题研究的主要内容、研究方法或工程技术方案和准备采取的措施主要内容：介绍世界风力发电现状和各种不同类型风力发电机并网方式；建立风电机模型，对风电场并网产生的影响进行分析；在分析结论的基础上提出相应的改善措施。工程技术方案和准备采取的措施：1、无功补偿技术：改善风电系统运行性能的无功补偿技术包括风电场出口安装动态的无功调节装置（SVC)，具有有功无功综合调节能力的的超导储能(SMES)装置等措施。静止无功补偿器（SVC)可以快速平滑地调节无功补偿功率的大小，
12、提供动态的电压支援，改善系统的稳定性。将 SVC 安装在风电场的出口，根据风电场接入点的电压偏差量来控制 SVC 补偿的无功功率，能够稳定风电场节点电压，降低风电功率波动对电网电压的影响；SMES 可以在四象限灵活调节有功和无功功率，为系统提供功率补偿。在风电场出口安装 SMES 可以降低风电场输出功率的波动，稳定风电场电压。2、风电场通过轻型直流输电（HVDC Light)与电网相连：轻型直流输电(HVDC Light)是在电压源换流器(VSC)技术、门极可关断晶闸管 (GTO)及绝缘栅双极晶闸管(IGBT )等全控型功率器件基础上发展起来的。由于使用了基于 PWM 控制的 VSC结构，HV
13、DC Light 具有直流输电的优点。不仅解决了分散电源接入的输电走廊问题，而且其灵活的无功、电网调压能力，打破了短路容量比对风电场容量的限制，同时也改善了交流系统的稳定性和电能质量。3、变速恒频风力发电机组：随着电力电子元件的性价比不断提高，未来几年变速恒频电机、双馈电机等新型发电机组开始在风机上推广应用，风电场可以像常规机组一样，承担电压及无功控制的任务，以最大限度提高风能的利用效率。采用通过电力电子装置与电网相连的同步发电机；或者采用变速恒频双馈风力发电机，实现风机以最佳叶尖比运行。三、现有基础和具备的条件现有基础：本人在大学期间系统地学习了发电厂电气主接线 、 电力系统分析 、 电力系
14、统继电保护 、 电力系统自动化和电力电子和等专业课程,并掌握一定的MATLAB 软件计算和简单的仿真方法。也在校图书馆和校外图书城广泛地查阅了大量的资料文献，基本上掌握了课题的设计思路和设计流程，为课题的实施提供了前期准备。同时指导老师袁书记在这方面有着较强的理论基础和设计经验，为课题的顺利开展提供了指导方向上的保障。具备的条件：可供参考的资料：1范锡普.发电厂电气部分M.第二版.北京:中国电力工业出社,2002.70-80.2王成熙 .风力发电M .北京:中国电力出版社,2003.52-62.3吴俊玲 .大型风电场并网运行的技术问题研究D.中国电力出版社,2004.11-13.4徐浩，李杨
15、.风力发电对电力系统运行的影响J.江苏出版社,2007.15-20.5雷亚洲 .与风电并网相关的研究课题J.电力系统自动化,2003.8-11.6李再华 ,李小伟.电力系统谐波问题研究J.电气时代,2007.3-6.7刘文洲 .风力发电机M.中国电力出版社,2002.50-54.8余贻鑫,陈礼义 .电力系统的安全性和稳定性M.科学出版社,1988.21-23. 9张红光,张粒子 .风电场接入电网的安全稳态分析J.中国电力,2007. 105-109.10孙元章,吴俊 ,李国杰.风力发电对电力系统的影响J.电网技术,2007.55-62 . 四、总的工作任务，进度安排以及预期结果 总的工作任务：
16、通过所学专业知识和查阅资料，了解风电并网运行的工作原理和运行方式，建立风电机模型，分析出风电并网对电力系统的影响，主要有对电网稳定性的影响，对电网电压的影响，对电能质量的影响，对继电保护装置的影响以及产生谐波污染。然后通过仿真软件采取一些措施进行改善。进度安排： 2010 年 11 月 15 日2010 年 12 月 20 日：熟悉课题，找参考资料，完成开题报告；2011 年 12 月 21 日2011 年 1 月 9 日：熟悉 MATLAB 软件；2011 年 1 月 10 日3 月 13 日：完成课题调研2011 年 3 月 14 日3 月 20 日：完成方案比较及选出最优方案，建立风电机
17、模型；2011 年 3 月 21 日3 月 27 日：分析出对电网电压的影响并找出改善措施； 2011 年 3 月 28 日4 月 3 日：分析出对电网稳定性的影响并找出改善措施；2011 年 4 月 4 日4 月 17 日：分析出对电能质量的影响并找出改善措施；2011 年 4 月 18 日5 月 2 日：分析出对继电保护装置的影响并找出改善措施；2011 年 5 月 2 日5 月 15 日：整理并完成论文初稿，并翻译成英语；2011 年 5 月 15 日5 月 22 日：课题送审，修改论文，完成论文撰写；2011 年 5 月 23 日5 月 30 日：论文答辩。预期结果：建立风电机模型，通过改善措施的仿真运行减小了风电并网对电网稳定性、电网电压、电能质量和继电保护装置等一些负面影响。通过这个设计，不仅巩固了自己以前所学的专业知识，同时也在查找资料的过程中学到了很多的新知识，拓展了知识面，也为自己即将走上社会工作打下了一定的知识基础。五、指导教师审阅意见指导教师（签名） 年 月 日 六、教研室审查意见教研室主任（签名） 年 月 日 七、系审查意见主管系领导（签名） 年 月 日 备 注
