【正文】 0 年歐洲風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展仍將獲得政策上的保障。在我國，也已經(jīng)頒布了于2020 年 11 月起實施的《中華人民 共和國 可再生能源法》。不久的將來可以見證，新能源與可再生能源時代將很快到來。 風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 國外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 19 世紀(jì)末，美國人首次安裝了被現(xiàn)代人認(rèn) 為是第一臺自動運行且用于發(fā)電的風(fēng)電機 ，之后丹麥人首次建立用于發(fā)電的風(fēng)電場。自上世紀(jì) 70 年代第一次石油危機之后，上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 風(fēng)電 得到了大力發(fā)展，在丹麥，電力公司把目標(biāo)放在制造大型風(fēng)力發(fā)電機上，德國、瑞典、英國和美國也緊隨其后。上世紀(jì) 80 年代 55 千瓦風(fēng)力機的出現(xiàn)是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機工業(yè) 和 技術(shù) 上的一個突破。隨著這種風(fēng)力機的誕生，風(fēng)能發(fā)電每度電的成本下降了約 50%。為了降低風(fēng)力發(fā)電的成本，提高風(fēng)力發(fā)電市場的競爭力，風(fēng)力發(fā)電機組的技術(shù)一直在沿著增大單機容量、減輕單位千瓦重量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。到 2020 年年前后，主流機型已經(jīng)達(dá) 到了 兆瓦以上。 1997 年兆瓦級機組占到當(dāng)年世界新增風(fēng)電裝機容量的比例是 %， 2020 年站到了 %， 2020 年站到了 %。如今，在歐洲已批量安裝了 兆瓦級組， 兆瓦、 兆瓦和 5 兆瓦級組也已經(jīng)安裝運行。 在過去的 幾 年里，風(fēng)力發(fā)電的年增長率幾乎高達(dá) 30%。 2020 年風(fēng)力發(fā)電的年增長率高達(dá) 40%， 2020 年也高達(dá) 32%， 在 2020 年的一項世界各國新裝機容量的統(tǒng)計中，中國緊隨美國和西班牙排在第三，但是總裝機容量排在第五。 近 20 年來，德國、美國、丹麥、中國等國家投入了大量的人力、物力 和財力研究可以商業(yè)運營的風(fēng)力機，取得突破性的進(jìn)展?？衫寐蕪脑瓉淼?50%提高到 98%，風(fēng)能利用系數(shù)超了 40%。由于采用計算機技術(shù)，實現(xiàn)了風(fēng)機白診斷功能，安全保護措施更加完善，并且實現(xiàn)了單機獨立控制、多機群控和遙控，完全可以無人值守?，F(xiàn)代風(fēng)力機技術(shù)可以說是現(xiàn)代高科技的完善組合，主要零部件都是國際上最具有實力的企業(yè)生產(chǎn)的，設(shè)計壽命可達(dá) 20 年，基本上不需維修，只要定期維護就可以了。 中國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展 我國 幅員遼闊，海岸線長，擁有豐富的風(fēng)能資源，但地形條件復(fù)雜，因此風(fēng)能資源的分布并不均勻。據(jù)中國氣象科學(xué) 研究院對全國 900 多個氣象站測算，陸地風(fēng)能資源的理論儲量為 億 KW，可開發(fā)的風(fēng)能資源儲量為 億 KW，主要集中在北部地區(qū)，包括內(nèi)蒙古、甘肅、新疆、黑龍江、吉林、遼寧、青海、西藏，以及河北等省、區(qū)。風(fēng)能資源豐富的沿海及其島嶼，其可開發(fā)量約為 10 億 KW，主要分布在遼寧、河北、山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西和海南等省、市、區(qū)。 近幾年，我國風(fēng)電裝機容量增長較快，“十五”期間我國并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電得到了迅速的發(fā)展，截至 2020 年 底中國各地已在 15 個省、市、自治區(qū)建成了 62 個風(fēng)電場，總裝機容量達(dá)到 1266MW，國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機組占 %，在這期間我國的風(fēng)力發(fā)電裝機容量位居全球 第十成為繼歐洲、美國和印度之后發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場之一。 而“十一五”上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 期間我國也實施了《可再生能源法》，風(fēng) 力發(fā) 電建設(shè)的步伐也明顯加快， 2020 一年間新增裝機容量中國已是第一名 ， 比第二名的美國多出兩倍多 ，這也意味著中國已經(jīng)成為風(fēng)電大國了。 可以預(yù)見，在未來一些年內(nèi)，我國的風(fēng)力發(fā)電將繼續(xù)保持較高的增長趨勢， 另外，我國還將建設(shè)海上風(fēng)電場，如上海東海大橋 10 萬千瓦風(fēng)電場，國家“十二五”規(guī)劃我國海上風(fēng)電裝機瞄準(zhǔn)千萬級， 2020 年海上風(fēng)電已進(jìn) 入 5 兆瓦時代。預(yù)計到 2020 年我國風(fēng)力發(fā)電將達(dá) 3000 萬千瓦。 隨著未來風(fēng)力發(fā)電裝機容量的不斷增加，風(fēng)力發(fā)電對接入電網(wǎng)的影響和電力諧波不容忽視，而且不穩(wěn)定的風(fēng)速，所造成的電壓、頻率波動和電力諧波會對接入電網(wǎng)品質(zhì)造成直接的影響，嚴(yán)重時會對弱電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性造成危害。因而對風(fēng)力發(fā)電的檢測研究就顯得更為迫切。 風(fēng)力發(fā)電中的電能質(zhì)量基本問題 電能質(zhì)量的概念 電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、正弦波形和標(biāo)準(zhǔn)電壓對用戶供電。同時，在三相交流系統(tǒng)中，各 相電壓和電流的幅值應(yīng)大小相等、相位對稱且互差 120176。但由于系統(tǒng)中的發(fā)電機、變壓器和線路等設(shè)備非線性或不對稱，負(fù)荷性質(zhì)多變，加之調(diào)控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想的狀態(tài)并不存在，因此產(chǎn)生了電網(wǎng)運行、電力設(shè)備和供用電環(huán)節(jié)中的各種問題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念。 IEC 標(biāo)準(zhǔn)對電能質(zhì)量的定義為：電能質(zhì)量是指供電裝置在正常工作情況下不中斷和不干擾用戶使用電力的物理特性。 IEEE 技術(shù)協(xié)調(diào)委員會采用“ Power Quality”這一術(shù)語，并且給出了相應(yīng)的技 術(shù)定義：“合格電能質(zhì)量的概念，是指敏感 設(shè)備提供的電力和設(shè)施的接地 系統(tǒng)是均適合于該設(shè)備正常工作的”。我國一般采用“電能質(zhì)量”這一術(shù)語。 而電能質(zhì)量的好壞是由電能質(zhì)量的一些具體指標(biāo)反映的， 電能質(zhì)量指標(biāo)是電能質(zhì)量各個方面的具體描述，不同的指標(biāo)有不同的定義和規(guī)定。從總體上講，電能質(zhì)量指標(biāo)越上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 接近標(biāo)稱值表明電能質(zhì)量越好 。 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響 風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機組本身的運行特性使風(fēng)電機組的輸出功率是波動的，可能影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波等。其影響程度與風(fēng)電機組的類型、控制方式、風(fēng)電場的布置等諸多因素有關(guān)。 風(fēng)速的變化對風(fēng)電機組引起的電壓波動和閃變具有直接的影響，風(fēng)速的變化和風(fēng)機的塔影效應(yīng)都會導(dǎo)致風(fēng)機出力的波動，而其波動正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(nèi) (低于 25Hz)，因此，風(fēng)機在正常運行時也會給電網(wǎng)帶來閃變問題；電壓波動和閃變是風(fēng)力發(fā)電 對電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要負(fù)面影響之一。 風(fēng)電場與常規(guī)電源的最大區(qū)別在于其輸出功率的間歇性，間歇性波動的風(fēng)電功率電場所接入系統(tǒng)經(jīng)常處于一種重新分配的過程，除了影響電壓外，也在很大程度上影響系統(tǒng)的頻率。最嚴(yán)重的情況是整個風(fēng)電場突然切出，引起系統(tǒng)的頻率瞬時降低。 無論何種類型的風(fēng)電 機組，發(fā)電機本身產(chǎn)生的諧波是不可忽略的，諧波電流的來源是風(fēng)電機組中的電力電子元件，諧波干擾的程度取決于變流裝置以及濾波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀況，以及和機組的輸出功率有關(guān)，即與風(fēng)速的大小相關(guān) 。 本論文的主要工作 根據(jù)我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展情況， 以及風(fēng)電場存在的電能質(zhì)量問題，本論文主要做以下幾個方面的工作： （ 1） 介紹風(fēng)電場并網(wǎng)產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的原因，分析 風(fēng)電 場的特點。 （ 2） 結(jié)合風(fēng)電場電能質(zhì)量問題的特點， 以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析各種檢測算法，選取合適的算法。 （ 3） 結(jié)合 NI 公司的信號調(diào)理箱、數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)硬件，以及 LabVIEW 為 軟件開發(fā)平臺 ，開發(fā)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)。上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 第二章 電能質(zhì)量指標(biāo) 的 國家標(biāo)準(zhǔn) 及相關(guān)算法 近年來，隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展和管理體制的轉(zhuǎn)變，特別是電力市場體制的實行 ，電能作為一種特殊商品正逐漸走向市場，既然是商品 ， 當(dāng)然就要考慮商品的質(zhì)量，即要滿足一定的質(zhì)量指標(biāo)。而電能質(zhì)量指標(biāo)是電能質(zhì)量各個方面的具體描述，不同的指標(biāo)有不同的定義和規(guī)定。 電能從生產(chǎn)到消耗是一個整體，電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、變、用始終處于動態(tài)平衡之中，其中任何一個環(huán)節(jié)都會對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。在電能輸送的過程中，電力系統(tǒng)受到各種因素的影響，到達(dá) 用戶的電能波形往往發(fā)生畸變。隨著 非線性負(fù)荷 、沖擊性負(fù)荷的容量和數(shù)量的不斷增大，電網(wǎng)受到嚴(yán)重的干擾，電能不斷的惡化。另外接入公用電網(wǎng)的半導(dǎo)體換流器和非線性負(fù)荷也會對電網(wǎng)產(chǎn)生明顯的干擾，降低了配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。 電能質(zhì)量的惡化也將會對電力系統(tǒng)和用電設(shè)備帶來嚴(yán)重的危害。因此，對于電能質(zhì)量的評價必須有一系列的指標(biāo)予以衡量，而且針對這些衡量所產(chǎn)生的指標(biāo)，必須制定相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)加以約束。 在本章中，簡述了電能質(zhì)量指標(biāo)的定義，對電能質(zhì)量五項指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行一定的研究，為后續(xù)章節(jié)的數(shù)學(xué)模型離散化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。 基 本參數(shù)的計算 電力系統(tǒng)基本電氣量主要包括 :電流有效值、電壓有效值、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)。 對隨時間變化的電壓信號 u(t)、電流信號 i(t)進(jìn)行離散化采樣，得到離散化序列 { }、{ }，相電壓的有效值定義為： (21) 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 相電流的有效值定義為： = (22) 若 為相鄰的兩次采樣時間間隔， 為敵 k 個時間間隔電壓采樣的瞬時值， N 為一周內(nèi)的采樣點數(shù)，則離散情況下的電壓有效值可以表示為： U= (23) 在采樣時采用了頻率跟蹤技術(shù)，使得一個周期內(nèi)采樣點個數(shù)為 N 個， 相鄰 兩個采樣的時間間隔相等，及 為時間常 數(shù) ， N= ，則： = (24) = (25) 單相有功功率為： = (26) 單相視在功率 為： = (27) 單相的功率因數(shù)為： (28) 單相的無功功率為： = (29) 供電電壓允許偏差 供電電壓 允許 偏差是 指電力系統(tǒng)的電壓緩慢變化時， 實際電壓 與 系統(tǒng) 電壓 標(biāo)稱值 之間的差值。 通常指電壓變化率小于 1%秒時實測電壓與額定電壓之差，用以下公式 求出電壓偏差。 上海海事大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 電壓偏差（ %） = x100% （ 210） 引起電壓偏差的因素有無功功率不足、無功補償過量、傳輸距離過長、電力負(fù)荷 過重和過輕等，其中無功功率不足和線路的電壓損耗是造成電壓偏差的主要原因。 供電電壓偏差過大造成的危害主要有： （ 1） 對用電設(shè)備的危害 。 用電設(shè)備設(shè)計在額定電壓時性能最 好、效率最高，電壓偏離額定值時，其性能和效率都會降低，有的還會減少使用壽命。電壓偏差超過一定的值時，會引起設(shè)備的損壞。 （ 2） 對電網(wǎng)穩(wěn)定運行的危害 交流輸電有個同步運行穩(wěn)定問題，輸電線的輸送功率受穩(wěn)定極限的限制，特別是小擾動下的靜態(tài) 穩(wěn)定功率極限與電網(wǎng)運行電壓有很大的關(guān)系，電壓越低，功率極限越低，越容易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。 （ 3） 對電網(wǎng)經(jīng)濟運行的影響 輸電線路和變壓器在輸送相同功率的條件下，其電流的大小和運行的電壓成反比。電網(wǎng)在低電壓狀況下運行，會是線路和變壓器的電流增大，線路和變壓器繞組的有功功率與電流平方成 正 比。地電壓運行會使電網(wǎng)有功功率損耗和無功功率損耗大大增加，增大 了供電的成本。 在國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》（ GB/T 123252020）中規(guī)定：供電電壓允許偏差 （ 1） 35KV 及以上供電電壓正、負(fù)偏差的絕對值之和不超過額定電壓的 10%； （ 2） 10KV 及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的 177。7%； （ 3） 220V 單相供電電壓允許偏差為額定電壓的 +7%、 10%。 電力系統(tǒng)頻率允許偏差 電力系統(tǒng)在正常工況下應(yīng)在標(biāo)稱頻率下運行，系統(tǒng)中的用電設(shè)備在設(shè)計時都是優(yōu)先按照標(biāo)稱頻率設(shè)計。但是，由 于電力系統(tǒng)負(fù)荷不斷