【正文】 的影響。由于本人學(xué)識(shí)有限、時(shí)間倉促，論文中一定有許多疏漏之處及錯(cuò)誤，殷切希望參考本次論文的老師和同學(xué)批評(píng)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(jī)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(lán)天白煤” 。 由于起步較晚，技術(shù)落后，我國的能源消費(fèi)與世界主流有一定的差距。同時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行是風(fēng)力發(fā)電最重要的運(yùn)行方式，2022年，我國并網(wǎng)風(fēng)電場總裝機(jī)容量達(dá) 605 萬 kW，預(yù)計(jì)到 2020 年，總裝機(jī)容量達(dá) 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(fēng)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢，風(fēng)電裝機(jī)容量連年翻倍增長、風(fēng)電領(lǐng)域投資熱潮迭起。因此需要加大并網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)，努力探討如何通過機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)度來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電大規(guī)模并入后電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。因此如何全面經(jīng)濟(jì)地利用風(fēng)電，借鑒國外成熟的經(jīng)驗(yàn)，尋求中國風(fēng)力發(fā)電正確的發(fā)展方向是一個(gè)具有重要意義的研究課題。如果設(shè)想風(fēng)能是該值的 1%2%，則風(fēng)能為 kW[12]。我國風(fēng)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(fēng)力發(fā)電裝機(jī)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(fēng)力資源區(qū)域劃分區(qū)別 平均風(fēng)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(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文15 貧乏區(qū) 受大氣環(huán)流、季風(fēng)和海陸風(fēng)的影響，我國風(fēng)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(gè)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(fēng)能較豐富的地區(qū)， 全國平均風(fēng)速分布圖如圖 21 所示。由于大多數(shù)風(fēng)能資源豐富區(qū)遠(yuǎn)離電力負(fù)荷中心，電網(wǎng)建設(shè)薄弱，大規(guī)模開發(fā)需要電網(wǎng)延伸的支撐。 國外風(fēng)力發(fā)電發(fā)展概況 進(jìn)入 21 世紀(jì),全球可再生能源在不斷發(fā)展,而在可再生能源中風(fēng)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(fēng)能發(fā)電廠以每年 29%的增長速度在發(fā)展,根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)(GWEC)的統(tǒng)計(jì),至 2022 年底,全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量達(dá) ,較2022 年的 增長 27%,如表 22。風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)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(fēng)電裝機(jī)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(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)展,預(yù)計(jì)歐洲地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)仍將維持快速增長的勢頭。我國可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約為 10 億 kW,其中,陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量約 億 kW(依據(jù)陸地上離地面 10m 高度計(jì)算),海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約 億 kW。我國利用風(fēng)力發(fā)電是從 20 世紀(jì) 50 年代開始的，到 20 世紀(jì)80 年代初，起步較晚，同發(fā)達(dá)國家相比，我們還有相當(dāng)大的差距。全年新增2022 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文19 風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá) 萬 kW，占 2022 年全國新增發(fā)電裝機(jī)容量的 %。1992 年以來全國歷年的累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量及其占全國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康谋戎刈兓闆r如圖 24 所示。圖 31 風(fēng)力發(fā)電的工作過程由于風(fēng)電機(jī)組的組成復(fù)雜，因此，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，風(fēng)電機(jī)組有不同的分類方式。（2）按運(yùn)行方式可分為離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)輪軸基本上平行于風(fēng)向的機(jī)組，工作時(shí)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直。 定槳距風(fēng)機(jī)：其風(fēng)輪葉片直接與輪轂固定，安裝角固定不變。 普通變槳距風(fēng)機(jī)：這種風(fēng)機(jī)當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，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(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)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(fēng)速時(shí)將槳距角調(diào)節(jié)到可獲取最大功率輸出的位置；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，槳距角主動(dòng)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(dòng)比齒輪箱機(jī)組中的齒輪箱的主要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。（6）根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征和控制方式分為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 變速恒頻 ( variable speed constant frequency，VSCF) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 目前在并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域主要采用水平軸風(fēng)電機(jī)組形式，其基本結(jié)構(gòu)2022 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文23 如圖 33 所示，由風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制與安全系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、機(jī)艙、塔架和基礎(chǔ)組成。異步機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡單便于維護(hù)，適用于各種惡劣的工況條件，但轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍窄。根據(jù)勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁方式可分為直流勵(lì)磁、靜止交流整流勵(lì)磁和旋轉(zhuǎn)交流整流勵(lì)磁。圖 36 電勵(lì)磁同步機(jī)恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng) 在 VSCF 風(fēng)電系統(tǒng)中所采用的電機(jī)種類比較多，常見的有以下幾種：( 1) 籠型異步電機(jī) 因轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)像鼠籠而得名，風(fēng)速改變時(shí)，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也跟隨調(diào)整，因此發(fā)電機(jī)輸出的電壓頻率不是恒定的，利用電機(jī)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(cè)實(shí)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(dá)到改變電機(jī)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(fēng)速較高時(shí)采用高同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行方式，與之對(duì)應(yīng)則是高功率輸出。根據(jù)風(fēng)力機(jī)特性，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，而風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速維持不變，風(fēng)能利用效率 Cp 必將偏離最佳值，風(fēng)力機(jī)發(fā)電效率將明何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究26顯降低。這種電機(jī)既可電動(dòng)運(yùn)行，也可發(fā)電運(yùn)行，調(diào)速范圍較寬，而定子側(cè)輸出電壓與頻率均可保持恒定； 對(duì)輸出有功和無功可分別獨(dú)立控制；對(duì)網(wǎng)側(cè)有無功補(bǔ)償?shù)淖饔?，可有效提高電網(wǎng)的功率因素，大大增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因發(fā)電機(jī)本身沒有滑環(huán)和電刷，既降低了成本，又提高了運(yùn)行的可靠性，如圖38 所示。直接耦合后無需傳動(dòng)裝置，噪聲大為降低，但發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速比較低，導(dǎo)致電機(jī)機(jī)體體積相對(duì)較大，成本有所提高，但考慮省去了造價(jià)昂貴且易磨損的齒輪箱部件，整個(gè)機(jī)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(hù)。它同時(shí)具有永磁同步電機(jī)及電勵(lì)磁同步電機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)：磁場既可調(diào)，勵(lì)磁損耗又低，且效率高，又解決了永磁同步電機(jī)磁場難以調(diào)節(jié)的不足，有較好的發(fā)展應(yīng)用前景 [20]。 普通發(fā)電機(jī)通常只能在低壓條件下運(yùn)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(shí)存在較大的功率損耗。目前只有為數(shù)不多的風(fēng)電系統(tǒng)采用這種發(fā)電機(jī)，如ABB 公司以 Wind former 技術(shù)開發(fā)的風(fēng)電系統(tǒng)。利用儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)，其輸出功率的波動(dòng)性將極大得到平緩控制， 這就意味著風(fēng)電功率波動(dòng)導(dǎo)致大規(guī)模上網(wǎng)難這一技術(shù)難題能夠克服。目前在各類風(fēng)電機(jī)組中，兩種最具競爭能力的結(jié)構(gòu)形式是雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)如圖 14 所示。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)既可以次同步速運(yùn)行，又可以超同步速運(yùn)行，變速范圍寬，可跟蹤最佳葉尖速比，實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能捕獲，提高風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率；它還可對(duì)輸出的有功功率和無功功率進(jìn)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(dāng)發(fā)電的轉(zhuǎn)速 n 變化時(shí)，若控制 f2 相應(yīng)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(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制 [24]。采用 PWM 技術(shù)可抑制諧波,減小開關(guān)損耗,提高效率。常用的雙饋發(fā)電機(jī)目前仍然有滑環(huán)和電刷，這是限制單機(jī)容量的因素。當(dāng)前商業(yè)運(yùn)行的 DFIG 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大容量已達(dá)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(fù)雜性，使得實(shí)際的控制效果與理論分析的結(jié)果又一定的偏差，這是矢量控制技術(shù)存在的缺陷。1977 年美國學(xué)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(xué) DePenbrock 教授和Tankahashi 分別取得了直接轉(zhuǎn)矩控制在應(yīng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其噪聲小、維護(hù)成本低、具有較好的低壓穿越能力而受到越來越多的關(guān)注。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接與風(fēng)力機(jī)的輪轂相連接,因此直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低。為了提高發(fā)電機(jī)的效率、減小發(fā)電機(jī)的重量,直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常被設(shè)計(jì)成外徑較大、極距較小的結(jié)構(gòu) [28~29]。一般采用單級(jí)齒輪箱升速，這種結(jié)構(gòu)可以分別應(yīng)用在雙饋型與直驅(qū)型中。并且風(fēng)電機(jī)組的主要發(fā)展方向是重量更輕，結(jié)構(gòu)更具有柔性,直接驅(qū)動(dòng)和變速恒頻等。 (2)變速運(yùn)行方式將會(huì)取代恒速運(yùn)行方式變速運(yùn)行。 (4)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無刷化可提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，提高發(fā)電效率。 (6)并網(wǎng)大型化與離網(wǎng)分散化互補(bǔ)運(yùn)行。風(fēng)電的大量并網(wǎng)，也給電網(wǎng)的運(yùn)行帶來了一定的負(fù)面影響，風(fēng)能具有隨機(jī)變化的特性，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速的立方成正比，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率通常隨著風(fēng)速大幅快速變化。該事故是截止目前我國風(fēng)電事故中脫網(wǎng)規(guī)模最大的一次，損失出力達(dá) ，西北主網(wǎng)頻率最低至[31]。 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的組成 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)群組成的風(fēng)電場 A、升壓變電站 B 和輸電線路 L 組成的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是將風(fēng)電電力通過 PCC 節(jié)點(diǎn)送入電力網(wǎng)絡(luò)，再提供給用戶，如圖 41 所示。 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響 風(fēng)電場向電網(wǎng)輸送電能時(shí)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(shí)刻，電網(wǎng)中的部分負(fù)荷由切入風(fēng)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(fēng)電場有功功率動(dòng)態(tài)平衡風(fēng)電切入、退出前后電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)頻率，可用下式計(jì)算，即 （41）%10?????fPKLGP? （42） /)(00fpffGN （43）1/)(0?????fPffPKLLL （44）0GN?2022 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文39 式中： 、 分別為與額定頻率 對(duì)應(yīng)的發(fā)電有功功率和負(fù)荷有功0GPL0f功率； 、 分別為與頻率 對(duì)應(yīng)的發(fā)電有功功率和負(fù)荷有功功率；f為所有常規(guī)發(fā)電機(jī)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(jì)算求出；PK?KL為常規(guī)發(fā)電機(jī)組的頻率靜態(tài)特性系數(shù)，與各發(fā)電機(jī)的調(diào)速特性有關(guān)；G為負(fù)荷頻率靜態(tài)特性系數(shù)，與所帶負(fù)荷類型有關(guān)，在 1~3 之間； 為L ?電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)。如果風(fēng)電切入點(diǎn)附近有相當(dāng)于風(fēng)電功率的負(fù)荷，這部分負(fù)荷就近吸收了風(fēng)電電力，則引起的功率振蕩就較??；如果風(fēng)電切入點(diǎn)附近沒有多少負(fù)荷，風(fēng)電將根據(jù)潮流分配原理送到電網(wǎng)的其他地方，風(fēng)電電力能否暢通送出，輸電線路是否過載，是否會(huì)引起線路的功率振蕩，則要借助于電網(wǎng)潮流、暫態(tài)計(jì)算程序等進(jìn)行仿真分析計(jì)算。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)對(duì)系統(tǒng)供需平衡造成很大的影響，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示，這就需要準(zhǔn)確預(yù)測供需走勢，預(yù)測是實(shí)施供需平衡調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。同時(shí)需要足夠的系統(tǒng)調(diào)節(jié)平衡資源來提升系統(tǒng)應(yīng)對(duì)風(fēng)電出力變化和不確定的能力，由于風(fēng)電出力變化和不確定，導(dǎo)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(yīng)對(duì)風(fēng)電出力變化和不確定性，影響系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。2022 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文41 風(fēng)電預(yù)測根據(jù)時(shí)間尺度不同分為短期風(fēng)電預(yù)測（提供 1~72h 預(yù)測）和超短期風(fēng)電預(yù)測（提供 15min~4h 預(yù)測） ，同時(shí)為提供可靠的風(fēng)電預(yù)測信息，風(fēng)電預(yù)測系統(tǒng)包括數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP，Numerical Weather Prediction） 、本地模型（LAM，Local Area Models） 、風(fēng)輸出功率預(yù)測和地區(qū)重構(gòu)。對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)存在較大的峰谷差，風(fēng)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(jī)組對(duì)風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)高幅值功率波動(dòng)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(duì)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)資源進(jìn)行劃分，首先調(diào)用地區(qū)電網(wǎng)中的優(yōu)勢資源，將風(fēng)電產(chǎn)生的擾動(dòng)消納；無法有效消納擾動(dòng)時(shí)，則將啟用其他地區(qū)甚至全網(wǎng)資源將風(fēng)電擾動(dòng)進(jìn)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(shí)際運(yùn)行過程中，在風(fēng)電功率波動(dòng)大、無功需求量大且變化相對(duì)