【導(dǎo)讀】風(fēng)力發(fā)電逐漸成為許多國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。景的可再生能源技術(shù)。風(fēng)能的合理開發(fā)和利用可以有效緩解目前能源匱乏。隨著風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在全球范圍得到大力發(fā)展，并保。持持續(xù)增長的勢頭。本文在綜合相關(guān)資料的基礎(chǔ)上,總結(jié)了世界風(fēng)能資源及。各國風(fēng)電發(fā)展的現(xiàn)狀,提出了風(fēng)電發(fā)展中的一系列技術(shù)問題和研究方向。狀與發(fā)展趨勢提供參考。

　　

【正文】 中，利用 PI 調(diào)節(jié)器控制定子的有功和無功。在該方案中，定義轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，定子磁鏈幅值的平方，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子電流的叉積和點積四個標(biāo)量，并根據(jù)上述四個標(biāo)量電機的微分方程，在忽略定子電阻的情況下，對定子磁通做歸一化處理后，電機的有功功率和無功功率可以得到解禍控制。 (3)直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展 起來的一種高性能的異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)。 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]。不同于矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制具有魯棒性強、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度快、控制結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，它在很大程度上解決了矢量控制中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計算量大、對參數(shù)變化敏感等問題。 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機組 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組 又稱無齒輪箱風(fēng)力發(fā)電機組。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組通常采用永磁同步發(fā)電機，轉(zhuǎn)子使用永磁體，沒有勵磁系統(tǒng)。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組將風(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)。通過全功率變流裝置，對系統(tǒng)的有功功率和無功功率進行控制，實現(xiàn)最大功率跟蹤，最大效率地利用風(fēng)能 [17]。 全變速的風(fēng)力發(fā)電機組如圖 312 所示，發(fā)電機的定子與電網(wǎng)通過大容量變頻器連接。這種變頻器起到無功補償和與電網(wǎng)平滑連接的作用。直驅(qū)式風(fēng)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(guān)注。永磁材料在性能改善的同時，價格也在不斷降低，另外永磁電機不需要電勵磁，控制更加簡單，用在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有優(yōu)勢 [26]。電力電子技術(shù)近年來的不斷發(fā)展，原來限制直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大力發(fā)展的電力電子變換裝置已經(jīng)不再成為難以克服的問題。 2020級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計論文 33 圖 312 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 這種機組中變轉(zhuǎn)速風(fēng)力發(fā)電機通過全額變頻器接入電網(wǎng)。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接與風(fēng)力機的輪轂相連接 ,因此直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速較低。當(dāng)傳遞能量一定時 ,必然要求其具有較高的轉(zhuǎn)矩 ,從而導(dǎo)致發(fā)電機體積較大 [27]。低轉(zhuǎn)速還導(dǎo)致發(fā)電機極數(shù) 較多 ,為了獲得合理的極距 ,必然要求發(fā)電機有較大的外部尺寸來放置磁極。同時 ,考慮到負(fù)載電流和氣隙磁密的約束 ,隨著直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機容量的增加 ,為保證轉(zhuǎn)矩密度不會進一步顯著的增加 ,轉(zhuǎn)矩越高導(dǎo)致發(fā)電機體積越大。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(fēng)力發(fā)電機通常被設(shè)計成外徑較大、極距較小的結(jié)構(gòu) [28~29]。此外 ,由于取消了齒輪箱 ,直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組具有傳動鏈簡單、整體效率高、可靠性和可用性高等優(yōu)點。 目前 ,市場上直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機主要分為電激磁同步發(fā)電機 (EESG, Electrically Excited Synchronous Generator)和永磁同步發(fā)電機 (PMSG, Permenant Mag Synchronous Generator)兩大類。 半直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組 半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組又稱混合型風(fēng)力發(fā)電機組。一般采用單級齒輪箱升速，這種結(jié)構(gòu)可以分別應(yīng)用在雙饋型與直驅(qū)型中。與直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組相比，單級齒輪箱半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組具有較佳的能量成本比，同時由于發(fā)電機的特殊設(shè)計，大大減輕了發(fā)電機的體積和重量，方便安裝和運輸，具有較好的應(yīng)用前景。 目前，失速型風(fēng)力發(fā)電 機組已逐步被變槳變速型風(fēng)力發(fā)電機組替代。在變槳變速型風(fēng)力發(fā)電機組中，主流機型是雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組，其次是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組，半直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機組正在研制階段。并且風(fēng)電機何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究 34 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)動和變速恒頻等。從目前的發(fā)展趨勢來看，以水平軸、上風(fēng)向、三葉片的升力型機組為主流的風(fēng)電機組 [30]。 (1)變槳距調(diào)節(jié)方式將會取代定槳距失速調(diào)節(jié)方式。變槳距調(diào)節(jié)能夠按最佳參數(shù)運行，額定風(fēng)速以下具有較高的風(fēng)能利用系數(shù)，功率曲線飽滿；額定風(fēng)速以上功率輸出穩(wěn)定，不會造成發(fā)電機超負(fù)荷；較定距失 速式整機受力狀況得到改善 ,而且年發(fā)電量大。 (2)變速運行方式將會取代恒速運行方式變速運行。在低風(fēng)速時能夠調(diào)節(jié)發(fā)電機反轉(zhuǎn)矩以使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，從而保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能；高風(fēng)速時能夠利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化存儲或釋放部分能量，從而提高傳動系統(tǒng)的柔性，使得功率輸出更加平穩(wěn)，以獲得最大功率。 (3)直驅(qū)式的市場份額會越來越大。直接驅(qū)動可省去齒輪箱，減少傳動鏈能量損失、減少停機時間、發(fā)電成本和噪聲，降低了維護費用，提高風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率和可靠性。 (4)風(fēng)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。 (5)大型風(fēng)機系統(tǒng)和小型風(fēng)機系統(tǒng)并列發(fā)展。在開發(fā)大型機的同時還應(yīng)重視小型機。用于海洋作業(yè)時，景觀、噪聲等方面的問題不突出，適于采用數(shù) MW 的大型機組；當(dāng)受地形、系統(tǒng)等外部條件限制時，應(yīng)用小型機較有利。 (6)并網(wǎng)大型化與離網(wǎng)分散化互補運行。偏僻地區(qū)等電網(wǎng)較小，適用于離網(wǎng)分散型電力系統(tǒng)。 2020級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計論文 35 表 32 風(fēng)力發(fā)電中常見發(fā)電機結(jié)構(gòu)和性能比較 第四章 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng) 作為對新型清潔能源的開發(fā)和利用，風(fēng)力發(fā)電近年來發(fā)展迅速，各大發(fā)電企業(yè)紛紛上馬風(fēng)電。特別是在沿 海等風(fēng)能資源地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電接入電網(wǎng)的步伐不斷加快、規(guī)模不斷增大。風(fēng)電的大量并網(wǎng)，也給電網(wǎng)的運行帶來了一定的負(fù)面影響，風(fēng)能具有隨機變化的特性，而風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率與風(fēng)速的立方成正比，因此風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功率通常隨著風(fēng)速大幅快速變化。 若將大量風(fēng)電接入電網(wǎng)，將會對電網(wǎng)的電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，電能質(zhì)量下降，調(diào)度運行復(fù)雜化。在某些情況下會成為制約風(fēng)電場裝機容量的主要因素，甚至造成非常嚴(yán)重的事故。例如 2020 年 2 月 24 日清晨西北電網(wǎng)酒泉地區(qū)一個風(fēng)電場單條饋線故障，導(dǎo)致該地區(qū) 11個風(fēng)電場引發(fā)風(fēng)電機 群發(fā)生大規(guī)模脫網(wǎng)事故。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 ，西北主網(wǎng)頻率最低至 [31]。隨著大規(guī)模風(fēng)電的接入，風(fēng)電容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，其對系統(tǒng)的影響將不能被忽視。 何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究 36 風(fēng)電場并網(wǎng)運行對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、安全穩(wěn)定帶來諸多負(fù)面的影響，現(xiàn)如今風(fēng)力發(fā)電逐步的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化，風(fēng)電場裝機規(guī)模不斷增大，風(fēng)電場注入功率的變化對電網(wǎng)的影響也同益顯著。為了更加充分的開發(fā)利用風(fēng)力資源，在風(fēng)電場建設(shè)之前，需要對并網(wǎng)風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響做深入的研究分析，這 對風(fēng)電場的規(guī)劃設(shè)計以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行都有著重要意義。 風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機群組成的風(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)點送入電力網(wǎng)絡(luò)，再提供給用戶，如圖 41 所示。 PCC 節(jié)點是風(fēng)電場與電網(wǎng)的連接點，又稱公共連接點。 圖 41風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的組成 風(fēng)電相當(dāng)于“負(fù)”負(fù)荷，具有間歇性和隨機性。風(fēng)電在電網(wǎng)中的使用受到一定的限制，同時大型風(fēng)電場并網(wǎng)增加了電網(wǎng)運行調(diào)度的難度。 風(fēng)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。并網(wǎng)型風(fēng)電場對于電網(wǎng)穩(wěn)定性的主要威脅一方面是風(fēng)速的波動性和隨機性引起風(fēng)電場出力隨時間變化且難以預(yù)測，從而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電接入電力系統(tǒng)時存在安全隱患；另一方面是弱電網(wǎng)中風(fēng)電注入功率過高引起的電壓穩(wěn)定性降低。再者，風(fēng)力發(fā)電機組在電網(wǎng)瞬態(tài)故障下有可能會加劇電網(wǎng)故障，甚至引起局部電網(wǎng)崩潰。 2020級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計論文 37 對電網(wǎng)頻率和有功功率的影響 風(fēng)電場發(fā)出的功率是隨著風(fēng)速隨即切入或退出電網(wǎng)的。假定在某時刻，電網(wǎng)中的部分負(fù)荷由切入風(fēng) 電（ WP? ）供電，常規(guī)電源總發(fā)電有功功率 GP ，則等量地減少至 0GP ，如圖 42（ a）所示。如果此時無風(fēng)，風(fēng)電電力下降到零，則由常規(guī)電源的旋轉(zhuǎn)備用（ GP? ）供電，如圖 42（ b）所示。 GP? 是在常規(guī)發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)的作用下調(diào)出的，這一過程伴隨電網(wǎng)的頻率調(diào)整。為保證不間斷地給用戶供電，電網(wǎng)為風(fēng)電準(zhǔn)備的 GP? 必須是旋轉(zhuǎn)備用的，由發(fā)電機的一次調(diào)頻功能實現(xiàn) [17]。 圖 42 風(fēng)電場有功功率動態(tài)平衡 風(fēng)電切入、退出前后電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)頻率，可用下式計算，即 %1 0 0??????? fPKKK LGP ? （ 41） %1 0 0/)( /)( 000 ????????? fpfff PPPK GGNGGG （ 42） %1 0 0/)( /)( 00 00 ??????? fPfff PPPK LLLLL （ 43） 何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究 38 0GGNPP?? （ 44） 式中： 0GP 、 0LP 分別為與額定頻率 0f 對應(yīng)的發(fā)電有功功率和負(fù)荷有功功率； GP 、 LP 分別為與頻率 f 對應(yīng)的發(fā)電有功功率 和負(fù)荷有功功率； GNP 為所有常規(guī)發(fā)電機組額定有功之和， )( 0GGN PP ? 為電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用容量； PK 為電網(wǎng)的頻率靜態(tài)特性系數(shù)，需要由 ? 、 GK 、 LK 等系數(shù)計算求出； GK 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(guān)； LK 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； ? 為電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)。 例如：某電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用系數(shù) ?? ；常規(guī)發(fā)電機組頻率靜態(tài)特性系數(shù)?GK ；負(fù)荷的頻率靜態(tài)特性系數(shù) ?LK ，風(fēng)電所帶負(fù)荷功率為總有功負(fù)荷的 4%（ %P? ），計算無風(fēng)時風(fēng)電退出引起的頻率變化。 由計算 結(jié)果可知，風(fēng)電退出后，電網(wǎng)頻率下降了 %，由 50Hz 下降到 。在頻率變化的同時，風(fēng)電切入或退出還將引起電網(wǎng)中線路功率的振蕩，這與風(fēng)電切入功率的大小、切入的速度、切入點的位置及所連設(shè)備的慣性常數(shù)有關(guān)。如果風(fēng)電切入點附近有相當(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?。蝗绻L(fēng)電切入點附近沒有多少負(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。 同時風(fēng)電并網(wǎng)在對系統(tǒng)的有功調(diào)度也會產(chǎn)生重要影響，與常規(guī)能源電廠相比，風(fēng)電場輸出功率受風(fēng)速等氣象因素影響較大，輸出功率是不完全可控。然而電力系統(tǒng)制定發(fā)電計劃是基于電源的可靠性和負(fù)荷的可預(yù)測性，以往小規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)時，一般將風(fēng)電場作為負(fù)的負(fù)荷來處理，由于風(fēng)速引起的功率波動在系統(tǒng)的容許范圍內(nèi)，擾動被系統(tǒng)消納，對整個電網(wǎng)安2020級電氣工程及其自動化（電力）專業(yè)畢業(yè)設(shè)計論文 39 全穩(wěn)定影響較小。大規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)時，由風(fēng)速變化引起的功率波動會對電網(wǎng)運行造成嚴(yán)重影響甚至危及電網(wǎng)安全，必須對電網(wǎng)原有的運行調(diào)度方式進行優(yōu)化和調(diào)整以應(yīng)對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)帶來的問題。 大規(guī) 模風(fēng)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(jié)構(gòu)如圖所示，這就需要準(zhǔn)確預(yù)測供需走勢，預(yù)測是實施供需平衡調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。供需差可能來源于負(fù)荷、潮流交換、間歇性電源等的變化。供需走勢的預(yù)測對于系統(tǒng)運行至關(guān)重要。 風(fēng)電預(yù)測直接關(guān)系到整個調(diào)度系統(tǒng)的運行成本和調(diào)度安全問題，而目前的風(fēng)電預(yù)測誤差為 10~15%遠(yuǎn)高于負(fù)荷預(yù)測誤差，遠(yuǎn)不能達到系統(tǒng)運行對預(yù)測精度的要求，給大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的系統(tǒng)運行帶來很大隱患。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(yīng)對風(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)對風(fēng)電出力變化和不確定性，影響系統(tǒng)的安全可靠運行。 圖 43 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，調(diào)度系統(tǒng)在原有基礎(chǔ)上增加包括風(fēng)電預(yù)測、風(fēng)電場控制層、系統(tǒng)控制層等部分。風(fēng)電場控制層接收系統(tǒng)控制層的調(diào)度指令，并且接收每臺機組反饋的某一時段可以輸出的功率限值，風(fēng)電場控制層向風(fēng)電場內(nèi)的每臺機組下發(fā)控制指令其中包括有功功率、無功功率。 何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢研究 40 系統(tǒng)控制層調(diào)度指令制定是基于風(fēng)電預(yù)測結(jié)果最優(yōu)決策方案，其中包括風(fēng)電場發(fā)電計劃、常規(guī)能 源電廠發(fā)電計劃以及系統(tǒng)有功備用分配等內(nèi)容。風(fēng)電預(yù)測根據(jù)時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 1