【正文】 《風力發(fā)電》講義東北電力大學電氣工程學院20070909目 錄第1章 風力發(fā)電概述（2學時） 1 前言 1 風力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展前景 1 國內(nèi)風力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢 1 國外風力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢 3 風力發(fā)電原理簡介 4 大規(guī)模風力發(fā)電聯(lián)網(wǎng)運行面臨的問題 6 本課程主要內(nèi)容——IGFWT / DFIGWT 7 本章小結(jié) 7第2章 風電機組特性及數(shù)學模型（12學時） 8 風力資源特性描述（1學時） 8 風力機數(shù)學模型（2學時） 9 定槳距風力機特性 9 變槳距風力機特性 11 風力發(fā)電機數(shù)學模型（同步旋轉(zhuǎn)坐標系）（7學時） 12 鼠籠式異步發(fā)電機（3學時） 12 雙饋感應(yīng)發(fā)電機（4學時） 13 金風750kW/690風電機組運行實例分析（2學時） 19 本章小結(jié)（1） 19第3章 雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機組運行控制（11學時） 20 雙饋感應(yīng)風電機組運行分析（3學時） 20 風力機機械功率風速特性 20 發(fā)電機組輸出功率轉(zhuǎn)速特性 20 雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機組運行控制（6） 21 概述 21 風力機運行控制 21 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器運行控制（2學時） 22 網(wǎng)側(cè)變流器運行控制（2學時） 24 G58850風電機組運行實例分析（2） 25 本章小結(jié) 25第4章 風電機組聯(lián)網(wǎng)運行對電力系統(tǒng)運行影響概述（2學時） 26 26 風電機組聯(lián)網(wǎng)運行對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響 26 風電機組接入電網(wǎng)的電壓和網(wǎng)損算例分析 27 本章小結(jié) 27思 考 題 28算 例 30第1章 風力發(fā)電概述（2學時） 前言隨著常規(guī)能源的減少，環(huán)境污染的加劇，可再生能源的開發(fā)利用越來越受到各國的高度重視。風能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，是可再生能源中最具有發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗?。發(fā)展風力發(fā)電，不僅可以節(jié)約常規(guī)能源，而且有利于環(huán)保，是改善能源結(jié)構(gòu)，減少環(huán)境污染的有效途徑之一，可帶來直接的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。各工業(yè)化國家現(xiàn)代電力系統(tǒng)的特征之一是大規(guī)模接入風電機組。這一發(fā)展的共同推動力量是風電技術(shù)成功開發(fā)、政府目標、對進一步可再生能源的補貼和利用以及對降低污染和環(huán)境保護的強烈要求。風電機組是環(huán)境友好型發(fā)電的最大來源，與其他可再生能源發(fā)電，如潮汐發(fā)電、波浪發(fā)電、光伏發(fā)電等相比，風電的效率最高，風電機組的最高效率可達50%?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)是常規(guī)發(fā)電廠，即通過常規(guī)發(fā)電廠控制電網(wǎng)的電壓并維持發(fā)電與用電之間的平衡，故這些電力系統(tǒng)的安全可靠運行是基于常規(guī)發(fā)電廠的運行控制技術(shù)。常規(guī)發(fā)電廠傳統(tǒng)上是以同步發(fā)電機為基礎(chǔ)。電網(wǎng)發(fā)生故障時，常規(guī)發(fā)電廠的勵磁控制參與重建電網(wǎng)電壓，而其頻率控制則在此事件期間確保電網(wǎng)頻率恒定。風電機組是一種大有前途的替代技術(shù)，但在對饋入電網(wǎng)的運行與穩(wěn)定性影響方面，人們通常還是一知半解。此外，大部分風電機組裝有幾種不同概念的感應(yīng)發(fā)電機。風電機組越來越多地接入電網(wǎng)，在增加風電的同時減少了常規(guī)電廠的供電量及其份額。與這一過程對應(yīng)的是從人們熟知且成熟的基于常規(guī)電廠的電網(wǎng)運行技術(shù)向人們一知半解的風電技術(shù)轉(zhuǎn)移。因此，這會產(chǎn)生一些有關(guān)如何保持電網(wǎng)運行穩(wěn)定和穩(wěn)定性研究中如何表示風電機組的問題。問題：風電所占份額的增加，常規(guī)電廠所占份額將下降，則基于常規(guī)電廠的電網(wǎng)運行控制能力將逐漸弱化，從而會給所接入電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行造成不利影響。穩(wěn)定性問題——安全性問題經(jīng)濟性問題——運行調(diào)度問題規(guī)劃問題主要內(nèi)容：隨著風電數(shù)量的增加和常規(guī)發(fā)電廠為支持風電而減少的發(fā)電量，風電機組建模就成為與電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究關(guān)系密切的問題了。多數(shù)風電機組都裝有不同概念的感應(yīng)發(fā)電機，因此，掌握基于這些感應(yīng)發(fā)電機的風電機組工作原理、工作特性非常重要。現(xiàn)代風電機組是復(fù)雜的機電系統(tǒng)。電網(wǎng)故障會激發(fā)風電機組和電網(wǎng)之間的相互作用，因此，掌握與此相關(guān)的風電機組的機械結(jié)構(gòu)（風輪空氣動力學的基礎(chǔ)知識、轉(zhuǎn)軸的表示方法和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究中風電機組建模的葉片角控制）及其特性非常重要。——對研究風電機組運行特性很重要。定速風電機組運行原理——建模，3階模型/5階模型 風力發(fā)電的現(xiàn)狀與發(fā)展前景 國內(nèi)風力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢資源總量及分布狀況 中國風能資源分布情況 根據(jù)初步測定結(jié)論。根據(jù)資源、土地、交通和電網(wǎng)條件確定近期具備開發(fā)條件的風電場址約有50個，分布在全國16個省(市，自治區(qū))，其中新疆達坂城、內(nèi)蒙古輝騰錫勒、河北張北、。 目前國內(nèi)風電裝機情況 到2006年底，全國已建成約80個風電場，裝機總?cè)萘窟_到約230萬千瓦，比2005年新增裝機100多萬千瓦，增長率超過80%。[1]“八五”及“九五”初期，風電場平均綜合造價約為10000元/千瓦。到“九五”末期，風電場平均綜合造價降到8500元/千瓦，約降低15%。同時上網(wǎng)電價也有了一定的下降。－。 風電上網(wǎng)電價一覽表(含稅價)序號 風電場名稱 上網(wǎng)電價（元/kWh）1 浙江蒼南風電場 2 河北張北風電場 3 遼寧東崗風電場 4 遼寧大連橫山風電場 5 吉林通榆風電場 6 黑龍江木蘭風電場 7 上海崇明南匯風電場 8 廣東汕尾紅海灣風電場 9 廣東南澳風電場 10 甘肅玉門風電場 11 海南東方風電場 12 廣東惠來海灣石風電場 13 內(nèi)蒙古錫林浩特風電場 14 廣東南澳振能風電場 15 內(nèi)蒙古朱日和風電場 16 內(nèi)蒙古輝騰錫勒風電場 17 內(nèi)蒙古商都風電場 18 新疆達坂城風電場一廠 19 新疆達坂城風電場二廠 20 福建東山澳仔山風電場 特許權(quán)招標項目中標價： 一 廣東石碑山（粵電公司） 二 江蘇如東一期（華睿公司） 三 江蘇如東二期（龍源） 四 吉林通榆（龍源,華能） ～五 內(nèi)蒙輝騰錫勒（北京國際電力新能源） 廣東省物價局粵價[2004]110號文定價(對廣東新投產(chǎn)項目)：（未含配套送出工程還本付息及其運行費用）風電人才情況目前，我國從事風電的技術(shù)骨干大多數(shù)是從其他行業(yè)轉(zhuǎn)過來的，他們普遍缺少風電方面的專業(yè)培訓和技術(shù)學習。具備創(chuàng)新、國際交往能力的復(fù)合型風電人才和優(yōu)秀的風電設(shè)計師尤為短缺。據(jù)華北電力大學博士生導(dǎo)師徐大平介紹，到2020年我國將需要幾十萬人從事風電產(chǎn)業(yè)，其中包括好幾萬專業(yè)人員。我國風電專業(yè)人才缺口巨大，人才培養(yǎng)任務(wù)極其艱巨。[2] 國外風力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢近幾年來，風力發(fā)電的發(fā)展不斷超越其預(yù)期的發(fā)展速度。過去5年中全球風電累計裝機容量的平均增長率，一直保持在33％，而每年新增風電裝機容量的增長率則更高，％。最近，歐洲風能協(xié)會和綠色和平組織簽署了《風力12——關(guān)于2020年風電達到世界電力總量的12％的藍圖》的報告，（注：），風力發(fā)電量將占全球發(fā)電總量的12％”?！帮L力12％”的藍圖展示出風力發(fā)電已經(jīng)成為解決世界能源問題的不可或缺的重要力量。風力發(fā)電不再是一種可有可無的補充能源，已經(jīng)成為最具有商業(yè)化發(fā)展前景的成熟技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)，有可能成為世界未來最重要的替代能源全球風能協(xié)會（GWEC）在其報告中公布，2006年全球風電機組新安裝量為15,197MW，累計安裝總量達74,223MW。上述統(tǒng)計涉及全球逾70多個國家和地區(qū)，在所有國家中機組安裝總量最高的依次是德國（20,621MW）、西班牙（11,615MW）、美國（11,603MW）、印度（6,270MW）和丹麥（3,3136MW）。目前，全球已有13個國家邁入安機量超1GW（即1000MW）的隊伍之中，而上年僅11個國家。新加入的兩個國家分別是法國和加拿大。 2006年風電機組累計安裝量排名 2006年新增風電機組排名 風力發(fā)電原理簡介風力發(fā)電機組主要包括風力機和發(fā)電機兩大主要部件。風力發(fā)電發(fā)展過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過多種風電機組，按轉(zhuǎn)軸區(qū)分有水平軸風電機組和垂直軸風電機組，按葉片數(shù)量區(qū)分有單葉片、兩葉片和多葉片風電機組，按葉片與風向的關(guān)系區(qū)分有上風向(葉片迎著風向)和下風向(葉片順著風向)風電機組，按葉片控制方式區(qū)分有定槳距和變槳距風電機組，按轉(zhuǎn)速變化情況區(qū)分有固定轉(zhuǎn)速和變速風電機組，按照風電機組定子側(cè)頻率區(qū)分有恒頻和變頻風電機組，按采用的發(fā)電機區(qū)分有鼠籠式異步發(fā)電機、同步發(fā)電機、雙饋感應(yīng)異步發(fā)電機和永磁風電機組等。定槳距風力機是將葉片固定在輪轂上，通過葉片失速控制最大功率。這種技術(shù)是典型的丹麥風力機組的技術(shù)核心。變槳距風力機是通過葉片沿其縱向軸心轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)功率。從當今世界風力機發(fā)展技術(shù)來看，容量小于750kW的風電機組采用定槳距或變槳距技術(shù)差別不大，容量大于750kW的風電機組大部分采用變槳距技術(shù)。恒速恒頻風力發(fā)電技術(shù)（Constant Speed Constant Frequency，簡稱CSCF）、變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)（Variable Speed Constant Frequency，簡稱VSCF）恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的風力機轉(zhuǎn)速不變，由于風速經(jīng)常變化，所以恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的風能利用效率比較低，常用于小型的風力發(fā)電系統(tǒng)。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)速可以跟蹤風速的變化，由于轉(zhuǎn)速發(fā)生變化必然導(dǎo)致發(fā)電機頻率的變化，必須采用適當?shù)目刂剖侄?AC—DC—AC或AC—AC變頻器)來保證與電網(wǎng)同頻率后并入電網(wǎng)。目前世界絕大多數(shù)大容量的風電機組采用了這種技術(shù)。根據(jù)風力機與發(fā)電機組的不同組合，有很多種風力發(fā)電方式。但是，目前主要有定槳距鼠籠式風力發(fā)電系統(tǒng)、變槳距雙饋感應(yīng)風力發(fā)電系統(tǒng)、變槳距永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)等三種主流風力發(fā)電方式。（a）定槳距鼠籠式異步風力發(fā)電系統(tǒng)（b）變槳距雙饋感應(yīng)風力發(fā)電系統(tǒng)（c）變槳距永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng) 目前常見的風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 大規(guī)模風力發(fā)電聯(lián)網(wǎng)運行面臨的問題受諸多自然條件因素的影響，風能具有隨機變化性，因此決定了風電機組的輸出功率具有間歇性，不完全可控。隨著風力發(fā)電技術(shù)的不斷進步，單臺風電機組容量越來越大。目前，世界上主流風電機組額定容量一般為1～，單臺風電機組的最大額定容量己經(jīng)可以達到5MW，因此風電場也能夠比以往具有更大的裝機容量。隨著風電裝機容量在各個國家電網(wǎng)中所占的比例越來越高，對電網(wǎng)的影響范圍從局部逐漸擴大。目前，從全世界的范圍來看，風電接入電網(wǎng)出現(xiàn)了與以往不同的特點，表現(xiàn)為: （1）單個風力發(fā)電場容量增大，目前，國內(nèi)已經(jīng)有多個規(guī)劃中容量高于10萬kW的風電場，在未來數(shù)年中，甚至可能出現(xiàn)100萬kW的大型風電基地。（2）風電場接入電網(wǎng)的電壓等級更高，由以往接入配電網(wǎng)而發(fā)展為直接接入輸電網(wǎng)絡(luò)。增加的風電接入容量與接入更高的電壓等級使得電網(wǎng)受風電的影響范圍更廣。（3）由于風電機組往往采用不同于常規(guī)同步發(fā)電機的異步發(fā)電機技術(shù)，其靜態(tài)特性及電網(wǎng)發(fā)生故障時的暫態(tài)特性與傳統(tǒng)同步電機也有很大不同。無論風電場裝機容量大小、采用何種風電機組技術(shù)，風電接入會對電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行帶來諸多不利影響。例如，而在風電穿透功率較大的電網(wǎng)中，風電接入除了會產(chǎn)生電壓穩(wěn)定問題外，由于改變了電網(wǎng)原有的潮流分布、線路傳輸功率與整個系統(tǒng)的慣量，因此風電接入后電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性及頻率穩(wěn)定性都會發(fā)生變化。另外，大量風電的接入勢必替代電網(wǎng)中部分同步機，這部分同步機組的調(diào)頻調(diào)壓能力必須由其他同步機組或者是風電機組來承擔，因此，國外越來越多的電網(wǎng)公司對于接入電網(wǎng)的大型風電場也提出更高的要求:例如有功功率控制能力、無功電壓調(diào)整能力及風電機組的故障穿越能力(FRT: Fault Ride Through)。目前，歐洲各國及美國的風電并網(wǎng)導(dǎo)則都有類似的要求。從這個觀點來看，對于以后越來越大型化的風電場，已經(jīng)開始具備了發(fā)電廠的特性:而由于變速風力發(fā)電機組技術(shù)的進步及電力電子變頻器在風力發(fā)電中的應(yīng)用，其電壓調(diào)整能力甚至是部分的調(diào)頻能力已經(jīng)逐步可以在風電機組中實現(xiàn)。在風電場建設(shè)與接入電網(wǎng)之前，進行必要的包含風電場的電力系統(tǒng)分析計算，研究規(guī)劃風電場與電力系統(tǒng)之間的相互影響、及風電接入后系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性變化情況，無論是對于風電場業(yè)主還是電網(wǎng)部門而言，都是非常必要的。一方面有助于發(fā)現(xiàn)風電場并網(wǎng)后電力系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的問題、明確風電場接入對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。另一方面，通過必要的控制措施增強風電場并網(wǎng)后電網(wǎng)的安全性與穩(wěn)定性，同時也能最大限度的保證風電場的并網(wǎng)發(fā)電，保障風電場業(yè)主投資的回收與利益。[3] 本課程主要內(nèi)容——IGFWT / DFIGWT 本章小結(jié)附錄：電力系統(tǒng)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)穩(wěn)定分為三個電量的穩(wěn)定：電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、功角穩(wěn)定。勵磁系統(tǒng)提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定主要是提高電壓的穩(wěn)定，其次是提高功角穩(wěn)定。頻率穩(wěn)定由調(diào)速器負責。功角穩(wěn)定又分為三種：靜態(tài)