【正文】 的影響。由于本人學識有限、時間倉促，論文中一定有許多疏漏之處及錯誤，殷切希望參考本次論文的老師和同學批評指正。隨著傳統(tǒng)石化能源的日益匱乏，可再生能源作為解決全球能源危機的綠色方案，受到世界各國的普遍重視。早在很久以前它就被人們稱為“藍天白煤” 。 由于起步較晚，技術落后，我國的能源消費與世界主流有一定的差距。同時并網(wǎng)運行是風力發(fā)電最重要的運行方式，2022年，我國并網(wǎng)風電場總裝機容量達 605 萬 kW，預計到 2020 年，總裝機容量達 2022 萬 kW，將占全國發(fā)電發(fā)電量的 1%[8]。近年來，在國家政策的大力扶持下，中國風電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢，風電裝機容量連年翻倍增長、風電領域投資熱潮迭起。因此需要加大并網(wǎng)技術的研發(fā)，努力探討如何通過機組設計和運行調(diào)度來實現(xiàn)風電大規(guī)模并入后電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行。因此如何全面經(jīng)濟地利用風電，借鑒國外成熟的經(jīng)驗，尋求中國風力發(fā)電正確的發(fā)展方向是一個具有重要意義的研究課題。如果設想風能是該值的 1%2%，則風能為 kW[12]。我國風力資源豐富，可開發(fā)量約為 7 12 億 kW，其中陸地約為 6 10~~億 kW，海上約為 1 2 億 kW，按 2022 年風力發(fā)電裝機容量 1613 億 kW，發(fā)~電量 269 億 kW 推算，未來每年可提供 2 萬億 kW表 21 風力資源區(qū)域劃分區(qū)別 平均風速（m/s）分布地區(qū)豐富區(qū) 東南沿海、山東半島和遼寧半島、三北地區(qū)、松花江下游區(qū)較豐富區(qū) ~東南沿海內(nèi)陸和渤海沿海、三北南部區(qū)、青藏高原區(qū)可利用區(qū) 兩廣沿海區(qū)2022 級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設計論文15 貧乏區(qū) 受大氣環(huán)流、季風和海陸風的影響，我國風能資源較豐富的地區(qū)，主要分布在北部和沿海及近海島嶼兩個帶狀范圍內(nèi)，青藏高原北部及內(nèi)陸的一些特殊地形或湖岸地區(qū)也有一些風能較豐富的地區(qū)， 全國平均風速分布圖如圖 21 所示。由于大多數(shù)風能資源豐富區(qū)遠離電力負荷中心，電網(wǎng)建設薄弱，大規(guī)模開發(fā)需要電網(wǎng)延伸的支撐。 國外風力發(fā)電發(fā)展概況 進入 21 世紀,全球可再生能源在不斷發(fā)展,而在可再生能源中風能始終保持最快的增長態(tài)勢,并成為繼石油燃料、化土燃料之后的核心能源，目前世界風能發(fā)電廠以每年 29%的增長速度在發(fā)展,根據(jù)全球風能協(xié)會(GWEC)的統(tǒng)計,至 2022 年底,全球風力發(fā)電機總裝機容量達 ,較2022 年的 增長 27%,如表 22。風電累計裝機容量居前五位(到 2022 年底)的國家依次是:德國(20620MW),西班牙(11615MW)、美國(11603MW)、印度(6270MW)和丹麥(3136MW)。盡管 2022 年歐洲風電裝機增長幅度有所放緩,年增幅由2022 年的 58%降為 2022 年的 51%，不過隨著一些歐洲國家海上風電項目的發(fā)展,預計歐洲地區(qū)風電裝機仍將維持快速增長的勢頭。我國可開發(fā)利用的風能儲量約為 10 億 kW,其中,陸地上風能儲量約 億 kW(依據(jù)陸地上離地面 10m 高度計算),海上可開發(fā)和利用的風能儲量約 億 kW。我國利用風力發(fā)電是從 20 世紀 50 年代開始的，到 20 世紀80 年代初，起步較晚，同發(fā)達國家相比，我們還有相當大的差距。全年新增2022 級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設計論文19 風電裝機容量達 萬 kW，占 2022 年全國新增發(fā)電裝機容量的 %。1992 年以來全國歷年的累計風電裝機容量及其占全國發(fā)電裝機總容量的比重變化情況如圖 24 所示。圖 31 風力發(fā)電的工作過程由于風電機組的組成復雜，因此，根據(jù)不同的結構，風電機組有不同的分類方式。（2）按運行方式可分為離網(wǎng)型風力發(fā)電機組和并網(wǎng)型風力發(fā)電機組。水平軸風力發(fā)電機組是風輪軸基本上平行于風向的機組，工作時風輪的旋轉(zhuǎn)平面與風向垂直。 定槳距風機：其風輪葉片直接與輪轂固定，安裝角固定不變。 普通變槳距風機：這種風機當風速過高時，通過減小葉片翼型上合成氣流方向與翼型幾何弦的攻角，改變風力發(fā)電機組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩，能使功率輸出保持穩(wěn)定。葉片采用失速葉片，在低風速時將槳距角調(diào)節(jié)到可獲取最大功率輸出的位置；當風速超過額定風速后，槳距角主動調(diào)到失速范圍，使功率穩(wěn)定在額定值或以下，限制功率超載。 高傳動比齒輪箱機組中的齒輪箱的主要功能是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應的轉(zhuǎn)速。（6）根據(jù)風力發(fā)電機的運行特征和控制方式分為恒速恒頻風力發(fā)電機組和變速恒頻風力發(fā)電機組。 變速恒頻 ( variable speed constant frequency，VSCF) 風力發(fā)電系統(tǒng)。 目前在并網(wǎng)風力發(fā)電領域主要采用水平軸風電機組形式，其基本結構2022 級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設計論文23 如圖 33 所示，由風輪、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、控制與安全系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、機艙、塔架和基礎組成。異步機運行穩(wěn)定可靠、堅固耐用、結構簡單便于維護，適用于各種惡劣的工況條件，但轉(zhuǎn)速運行范圍窄。根據(jù)勵磁系統(tǒng)的勵磁方式可分為直流勵磁、靜止交流整流勵磁和旋轉(zhuǎn)交流整流勵磁。圖 36 電勵磁同步機恒速恒頻風電系統(tǒng) 在 VSCF 風電系統(tǒng)中所采用的電機種類比較多，常見的有以下幾種：( 1) 籠型異步電機 因轉(zhuǎn)子結構像鼠籠而得名，風速改變時，風力機和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也跟隨調(diào)整，因此發(fā)電機輸出的電壓頻率不是恒定的，利用電機定子和電網(wǎng)間的變換器，將頻率轉(zhuǎn)變成與電網(wǎng)相同的恒定頻率，可見變速恒頻控制是在定子側實現(xiàn)的 [19]。利用改變轉(zhuǎn)子回路外串電阻阻值大小的方式，就能改變轉(zhuǎn)子回路中外串電阻所消耗的轉(zhuǎn)差功率，以此達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的，但在轉(zhuǎn)子回路串入電阻，使系統(tǒng)損耗加大。 風速較高時采用高同步轉(zhuǎn)速運行方式，與之對應則是高功率輸出。根據(jù)風力機特性，當風速改變時，而風力機轉(zhuǎn)速維持不變，風能利用效率 Cp 必將偏離最佳值，風力機發(fā)電效率將明何優(yōu)琪：風力發(fā)電技術發(fā)展趨勢研究26顯降低。這種電機既可電動運行，也可發(fā)電運行，調(diào)速范圍較寬，而定子側輸出電壓與頻率均可保持恒定； 對輸出有功和無功可分別獨立控制；對網(wǎng)側有無功補償?shù)淖饔?，可有效提高電網(wǎng)的功率因素，大大增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因發(fā)電機本身沒有滑環(huán)和電刷，既降低了成本，又提高了運行的可靠性，如圖38 所示。直接耦合后無需傳動裝置，噪聲大為降低，但發(fā)電機運行時轉(zhuǎn)速比較低，導致電機機體體積相對較大，成本有所提高，但考慮省去了造價昂貴且易磨損的齒輪箱部件，整個機組的制造成本還是下降了，可靠性也大為提高，系統(tǒng)也更便于維護。它同時具有永磁同步電機及電勵磁同步電機兩者的優(yōu)點：磁場既可調(diào)，勵磁損耗又低，且效率高，又解決了永磁同步電機磁場難以調(diào)節(jié)的不足，有較好的發(fā)展應用前景 [20]。 普通發(fā)電機通常只能在低壓條件下運行，發(fā)電后必須通過升壓變壓器才能在電網(wǎng)上輸送電能，這表明通過變壓器輸電時存在較大的功率損耗。目前只有為數(shù)不多的風電系統(tǒng)采用這種發(fā)電機，如ABB 公司以 Wind former 技術開發(fā)的風電系統(tǒng)。利用儲能式發(fā)電機，其輸出功率的波動性將極大得到平緩控制， 這就意味著風電功率波動導致大規(guī)模上網(wǎng)難這一技術難題能夠克服。目前在各類風電機組中，兩種最具競爭能力的結構形式是雙饋式異步風力發(fā)電機組和直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機組。 并網(wǎng)運行時的交流勵磁雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)如圖 14 所示。雙饋風力發(fā)電機既可以次同步速運行，又可以超同步速運行，變速范圍寬，可跟蹤最佳葉尖速比，實現(xiàn)最佳風能捕獲，提高風電轉(zhuǎn)換效率；它還可對輸出的有功功率和無功功率進行控制，優(yōu)化功率輸出，提高了功率因數(shù)和電能質(zhì)量。由此可知，當發(fā)電的轉(zhuǎn)速 n 變化時，若控制 f2 相應變化，可使 f1 保持恒定不變，即與電網(wǎng)頻率保持一致，也就實現(xiàn)了變速恒頻控制 [24]。采用 PWM 技術可抑制諧波,減小開關損耗,提高效率。常用的雙饋發(fā)電機目前仍然有滑環(huán)和電刷，這是限制單機容量的因素。當前商業(yè)運行的 DFIG 風力發(fā)電機組最大容量已達到 5MW。但由于矢量控制的魯棒性較差，并且由于矢量旋轉(zhuǎn)變換的復雜性，使得實際的控制效果與理論分析的結果又一定的偏差，這是矢量控制技術存在的缺陷。1977 年美國學者 在 IEEE 雜志上首先提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，1985 年由德國魯爾大學 DePenbrock 教授和Tankahashi 分別取得了直接轉(zhuǎn)矩控制在應用上的成功，接著在 1987 年又把直接轉(zhuǎn)矩控制推廣到弱磁調(diào)速范圍 [25]。直驅(qū)型風力發(fā)電機組將風能轉(zhuǎn)化為頻率、幅值都變化的三相交流電，經(jīng)整流后通過逆變轉(zhuǎn)換為恒頻恒壓的三相交流電饋入電網(wǎng)。直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)因其噪聲小、維護成本低、具有較好的低壓穿越能力而受到越來越多的關注。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接與風力機的輪轂相連接,因此直驅(qū)型風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速較低。為了提高發(fā)電機的效率、減小發(fā)電機的重量,直驅(qū)式風力發(fā)電機通常被設計成外徑較大、極距較小的結構 [28~29]。一般采用單級齒輪箱升速，這種結構可以分別應用在雙饋型與直驅(qū)型中。并且風電機組的主要發(fā)展方向是重量更輕，結構更具有柔性,直接驅(qū)動和變速恒頻等。 (2)變速運行方式將會取代恒速運行方式變速運行。 (4)風力發(fā)電機無刷化可提高系統(tǒng)運行的可靠性，實現(xiàn)免維護，提高發(fā)電效率。 (6)并網(wǎng)大型化與離網(wǎng)分散化互補運行。風電的大量并網(wǎng)，也給電網(wǎng)的運行帶來了一定的負面影響，風能具有隨機變化的特性，而風力發(fā)電機組的輸出功率與風速的立方成正比，因此風力發(fā)電機組的輸出功率通常隨著風速大幅快速變化。該事故是截止目前我國風電事故中脫網(wǎng)規(guī)模最大的一次，損失出力達 ，西北主網(wǎng)頻率最低至[31]。 風電并網(wǎng)系統(tǒng)的組成 風電并網(wǎng)系統(tǒng)由風力發(fā)電機群組成的風電場 A、升壓變電站 B 和輸電線路 L 組成的并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)，是將風電電力通過 PCC 節(jié)點送入電力網(wǎng)絡，再提供給用戶，如圖 41 所示。 風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響 風電場向電網(wǎng)輸送電能時必須保證一定的電能質(zhì)量，通常電能質(zhì)量由頻率、電壓、諧波、閃變和三相不平衡度組成。假定在某時刻，電網(wǎng)中的部分負荷由切入風電（ ）供電，常規(guī)電源總發(fā)電有功功率 ，WP?GP則等量地減少至 ，如圖 42（a）所示。圖 42 風電場有功功率動態(tài)平衡風電切入、退出前后電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)頻率，可用下式計算，即 （41）%10?????fPKLGP? （42） /)(00fpffGN （43）1/)(0?????fPffPKLLL （44）0GN?2022 級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設計論文39 式中： 、 分別為與額定頻率 對應的發(fā)電有功功率和負荷有功0GPL0f功率； 、 分別為與頻率 對應的發(fā)電有功功率和負荷有功功率；f為所有常規(guī)發(fā)電機組額定有功之和， 為電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用容量；GN )(0GNP?為電網(wǎng)的頻率靜態(tài)特性系數(shù)，需要由 、 、 等系數(shù)計算求出；PK?KL為常規(guī)發(fā)電機組的頻率靜態(tài)特性系數(shù)，與各發(fā)電機的調(diào)速特性有關；G為負荷頻率靜態(tài)特性系數(shù)，與所帶負荷類型有關，在 1~3 之間； 為L ?電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)。如果風電切入點附近有相當于風電功率的負荷，這部分負荷就近吸收了風電電力，則引起的功率振蕩就較小；如果風電切入點附近沒有多少負荷，風電將根據(jù)潮流分配原理送到電網(wǎng)的其他地方，風電電力能否暢通送出，輸電線路是否過載，是否會引起線路的功率振蕩，則要借助于電網(wǎng)潮流、暫態(tài)計算程序等進行仿真分析計算。大規(guī)模風電并網(wǎng)會對系統(tǒng)供需平衡造成很大的影響，其系統(tǒng)結構如圖所示，這就需要準確預測供需走勢，預測是實施供需平衡調(diào)節(jié)的基礎。同時需要足夠的系統(tǒng)調(diào)節(jié)平衡資源來提升系統(tǒng)應對風電出力變化和不確定的能力，由于風電出力變化和不確定，導致系統(tǒng)必須維持很高的系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源以作備用，降低了系統(tǒng)資源的利用率，否則系統(tǒng)將無法應對風電出力變化和不確定性，影響系統(tǒng)的安全可靠運行。2022 級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設計論文41 風電預測根據(jù)時間尺度不同分為短期風電預測（提供 1~72h 預測）和超短期風電預測（提供 15min~4h 預測） ，同時為提供可靠的風電預測信息，風電預測系統(tǒng)包括數(shù)值天氣預報（NWP，Numerical Weather Prediction） 、本地模型（LAM，Local Area Models） 、風輸出功率預測和地區(qū)重構。對于大規(guī)模風電場并網(wǎng)存在較大的峰谷差，風電在 10min 左右可能從零升到額定值，或從額定值降到零，這就需要調(diào)用系統(tǒng)中常規(guī)能源機組對風電場實際運行中出現(xiàn)高幅值功率波動協(xié)調(diào)控制。從電力系統(tǒng)獲取調(diào)節(jié)資源的角度考慮，對系統(tǒng)中調(diào)節(jié)資源進行劃分，首先調(diào)用地區(qū)電網(wǎng)中的優(yōu)勢資源，將風電產(chǎn)生的擾動消納；無法有效消納擾動時，則將啟用其他地區(qū)甚至全網(wǎng)資源將風電擾動進行跨地區(qū)或者全網(wǎng)消納。電壓偏差問題屬于電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)問題。實際運行過程中，在風電功率波動大、無功需求量大且變化相對