【正文】 III1 緒言 課題背景 1 課題研究的目的和意義 1 2 2 3 4 5 7 7 7 82風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹 9 9 9 10 10 11 14 14 15 163風(fēng)電場穿透功率極限計算 17 17 18 18 19 20 21 22 224風(fēng)電場穿透功率極限的近似線性規(guī)劃優(yōu)化算法 24 近似線性規(guī)劃 24 25 26 27 28 305總結(jié)與展望……………………………………………………………31致 謝…………………………………………………………………...32參考文獻(xiàn)………………………………………………………………...33附 錄…………………………………………………………………...35381 緒言 課題背景目前,并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電的主流形式。一方面，風(fēng)力資源較好的地區(qū)往往人口稀少、負(fù)荷量小、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，風(fēng)電功率注入電網(wǎng)會改變了局部的潮流分布，對局部電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性有很大影響，因而限制了風(fēng)電場接人系統(tǒng)的方式和規(guī)模。單機(jī)容量很小的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，對于大電網(wǎng)的影響可以忽略。電力公司十分擔(dān)心大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行會影響系統(tǒng)的供電質(zhì)量和可靠性。即系統(tǒng)的穿透功率極限計算，是當(dāng)前十分緊迫的研究課題。它是一種取之不盡、用之不竭、無需開采和運(yùn)輸?shù)男履茉?。風(fēng)力發(fā)電可以取得顯著的能源效益和環(huán)境效益。并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電是大規(guī)模利用風(fēng)能的最經(jīng)濟(jì)的方式。中國電力部，為了改善電力結(jié)構(gòu)，于1993年決定加快風(fēng)電的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，開始大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電，將清潔的風(fēng)能作為21世紀(jì)能源可持續(xù)發(fā)展的一個重要組成部分?！笆濉逼陂g，我國計劃新增風(fēng)電1192MW ，其間，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展重點是，新建設(shè)100MW風(fēng)電場約35座(包括海上風(fēng)電場)，并取得規(guī)模效益[1]。風(fēng)電的這些特點將影響到電力系統(tǒng)的安全性。隨著風(fēng)電場容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，風(fēng)力發(fā)電對系統(tǒng)的影響就會越來越明顯。另外，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行受制于系統(tǒng)的運(yùn)行條件，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行條件比較惡劣，如電壓水平比較低時，風(fēng)電機(jī)組就很容易在系統(tǒng)擾動或風(fēng)速波動下停機(jī)，從而使系統(tǒng)造成有功缺額，不僅給風(fēng)電場帶來經(jīng)濟(jì)損失，也可能使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 近年來，隨著我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的不斷發(fā)展，新建風(fēng)電場的規(guī)模越來越大。為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，有必要對系統(tǒng)中風(fēng)電場的容量作一定的限制。20世紀(jì)初，法國出現(xiàn)了第一臺用現(xiàn)代快速風(fēng)輪驅(qū)動的發(fā)電機(jī)。從70年代能源危機(jī)以來，許多國家都更加重視新能源和可再生能源的研究、開發(fā)和利用，使得風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能等發(fā)電技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。1999年全世界風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量約13400MW，比1998年增長了38%，超過了任何一種電力增長的速度，其中裝機(jī)容量較多的國家是：德國4074MW、美國2622MW、丹麥1600MW[4]。美國能源部期望2010年風(fēng)電至少能達(dá)到國內(nèi)電力消耗的10%。已有5個歐洲國家計劃使風(fēng)電達(dá)本國總發(fā)電量的10%左右，丹麥甚至計劃2030年達(dá)到40%，歐盟目前風(fēng)力發(fā)電市場規(guī)模已達(dá)到80～100億美元，已成為歐洲的新興經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。1999年日本在北海道氈前町投資45億日元，安裝20臺1MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，建成了日本最大的風(fēng)力發(fā)電場，預(yù)計未來幾年的投資將達(dá)到1000億日元。2002年4月2日，在首屆世界風(fēng)能大會上歐洲風(fēng)能協(xié)會宣布，截至2001年底，全球風(fēng)力發(fā)電能力已經(jīng)達(dá)到2400萬kw，比上一年增長650萬kw，創(chuàng)下世界風(fēng)力發(fā)電功率年增長的最高記錄。在首屆世界風(fēng)能大會上國際能源署署長普里德爾表示，使人們普遍接受風(fēng)力發(fā)電的辦法之一是繼續(xù)降低風(fēng)力發(fā)電的成本。中國10m高度層實際可開發(fā)的風(fēng)能儲量為250GW，這說明中國風(fēng)能資源豐富。新疆北部、內(nèi)蒙古、甘肅北部，東南沿海及其附近島嶼是中國風(fēng)能資源豐富地區(qū)。并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電是大規(guī)模利用風(fēng)能最經(jīng)濟(jì)的方式，隨著技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)電成本將繼續(xù)下降。1986年國內(nèi)投資在山東榮城創(chuàng)建了我國第一座風(fēng)電場，選用了當(dāng)時比較成熟的商品機(jī)型，3臺丹麥Vestas55kW定槳距失速調(diào)節(jié)型機(jī)組，雖然容量較小，但它體現(xiàn)了政府對于風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的重視。到1998年底。為滿足可持續(xù)新能源，尤其是對風(fēng)電發(fā)展越來越高的要求，我國明確“十五”期間風(fēng)力發(fā)電發(fā)展目標(biāo)。,，河北張北、江蘇如東和啟東地區(qū)新增90 MW,遼寧營口、大連、廣東南澳、上海崇明和南匯等地新增80MW，其余省份“十五”。風(fēng)力發(fā)電迅速發(fā)展的主要原因是各國政府的鼓勵政策和風(fēng)電機(jī)組制造技術(shù)的進(jìn)步。優(yōu)惠政策是發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要動力。在愛爾蘭的西北地區(qū)的Donegal郡，當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)電場使用了風(fēng)電場控制系統(tǒng)。為了充分的利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能資源，風(fēng)電場安裝了5臺600KW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，還有風(fēng)電場控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)會在風(fēng)電場端的電網(wǎng)電壓過高的情況下減少風(fēng)電場電能的輸出。 風(fēng)電場控制系統(tǒng)風(fēng)電場控制系統(tǒng)己根據(jù)丹麥電力系統(tǒng)操作人員提出的要求作了改進(jìn)，這些要求都是關(guān)于大型風(fēng)電場與電網(wǎng)連接的問題。為了能大規(guī)模利用風(fēng)能，風(fēng)電場的電能的輸出應(yīng)該得到控制，控制裝置應(yīng)該可以在2秒鐘內(nèi)將風(fēng)電場的輸出降到額定值的20%，控制裝置還應(yīng)可以將電場的總輸出控制在一個定值[7]。在九五期間，我國研制出采用微機(jī)控制的SJ50A型大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組微機(jī)控制裝置，可對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實現(xiàn)自動監(jiān)測。2001年，由中國科學(xué)研究院電工所承擔(dān)的國家“大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究”的兩個關(guān)鍵性專題項目通過了專家驗收。大容量、低成本半導(dǎo)體設(shè)備的持續(xù)發(fā)展開辟了一條通向變速恒頻電力系統(tǒng)的大門?，F(xiàn)在發(fā)電過程中應(yīng)用此項技術(shù)使用的最多的兩個方法是:將風(fēng)機(jī)輸出的變動電壓和變動頻率完全轉(zhuǎn)換為直流，在將它轉(zhuǎn)換為交流，或者另一種方法，當(dāng)變速感應(yīng)電機(jī)的繞線式轉(zhuǎn)子通過一個半導(dǎo)體系統(tǒng)的合適的變頻電流調(diào)制，定子將會向內(nèi)部聯(lián)接的母線提供恒壓、恒頻的功率。近年來，風(fēng)力發(fā)電的研究和開發(fā)人員越來越注重風(fēng)電系統(tǒng)的設(shè)計分析工具的開發(fā)，通過使用這些工具來改進(jìn)規(guī)范設(shè)計準(zhǔn)則。分析與大電網(wǎng)相連的風(fēng)電場在故障中和故障后的暫態(tài)特性的分析工具可[9]現(xiàn)己開發(fā)出，此工具己被用于評估故障對風(fēng)電場的影響和評價提高風(fēng)電場運(yùn)行特性的方法。在這些模型中，重點是單個風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整個風(fēng)電場、所有風(fēng)電場的風(fēng)況模型[10]。用于分析異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性以及計算風(fēng)電場接入電網(wǎng)的穿透功率極限的異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定數(shù)學(xué)模型[11]。文獻(xiàn)[13]中采用已建立的風(fēng)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合一實際風(fēng)電場接入運(yùn)行情況，研究了風(fēng)電機(jī)組引起的電網(wǎng)電壓波動現(xiàn)象。風(fēng)能資源通常遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，風(fēng)電場的輸出隨著風(fēng)速風(fēng)向的變化而變化，風(fēng)力發(fā)電的特性目前尚未完全明確，所以制約了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。同時，系統(tǒng)需要有與風(fēng)電場額定容量相當(dāng)?shù)膫溆萌萘?，在風(fēng)停時替代風(fēng)電場。上述考慮的情況都是在最差的條件下，之所以在最差的條件下考慮是因為我們未能很好的了解風(fēng)與真實系統(tǒng)間的相互影響。諧波上世紀(jì)80年代建造的第一代風(fēng)力發(fā)電場，使用老式的雙向變換系統(tǒng)，變換器使用全橋電路，無附加的諧波矯正和濾除設(shè)備，產(chǎn)生了低階的諧波。隨著諧波治理設(shè)備和先進(jìn)的電力電子設(shè)備在變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用，諧波不再是系統(tǒng)注重的焦點。所以，在系統(tǒng)運(yùn)行中，線路上的損失加大，風(fēng)電場與電網(wǎng)連接點的功率因素難以控制。通過電力電子技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)可在足夠的范圍內(nèi)控制功率因數(shù)。解決的辦法包括，減少風(fēng)電場的容量，架設(shè)新的傳輸線，添加靜態(tài)無功控制器和自適應(yīng)無功控制器。頻率控制 當(dāng)風(fēng)電場與脆弱、孤立的電網(wǎng)相連時，要保持系統(tǒng)的正常電壓就有困難。在加利福尼亞的風(fēng)電場地區(qū)，維持正常的系統(tǒng)頻率已不再是一個問題，但在夏威夷，問題就不同了。為了能向系統(tǒng)提供更多的風(fēng)能，就需要有一定的解決措施。系統(tǒng)的風(fēng)電場穿透功率極限計算一直是人們非常關(guān)心的課題。由于風(fēng)電場穿透功率極限計算牽涉的因素較多，目前尚沒有一個統(tǒng)一適用的算法和公式。本文運(yùn)用近似線性規(guī)劃優(yōu)化的方法對風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行了動態(tài)仿真。在對風(fēng)電場容量值不斷修正的過程中，修正值的選取是風(fēng)電場穿透功率極限計算的關(guān)鍵。當(dāng)系統(tǒng)十分復(fù)雜時，仿真次數(shù)的增多會使計算量變得很大。通過近似線性規(guī)劃方法，先將原計算風(fēng)電場穿透功率極限的非線性目標(biāo)約束函數(shù)作線性化。應(yīng)用該方法可以快速準(zhǔn)確地求取風(fēng)電場穿透功率極限。因此，本文研究路線如下：1. 通過介紹風(fēng)電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的電壓和頻率等一系列的影響，來引申出計算風(fēng)電場并網(wǎng)的極限穿透功率的重要性；2. 介紹了一系列計算風(fēng)電場極限穿透功率的方法，通過對這些方法的認(rèn)識，了解到這些方法中的不足之處，進(jìn)而去尋求一種更準(zhǔn)確、更快速的方法來計算風(fēng)電場極限穿透功率；3. 提出了基于近似線性規(guī)劃地風(fēng)電場穿透功率極限的優(yōu)化算法，在通過動態(tài)仿真求取風(fēng)電場穿透功率極限的過程中，采用近似線性規(guī)劃方法進(jìn)行了優(yōu)化，并采用算例系統(tǒng)進(jìn)行驗證。在計算風(fēng)電場穿透功率極限過程中，通過應(yīng)用近似線性規(guī)劃，對計算過程進(jìn)行了優(yōu)化。因為大型并網(wǎng)風(fēng)電場對于電力系統(tǒng)的影響主要來自于它的功率不穩(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身的特性，如在風(fēng)機(jī)起停時和在不同的運(yùn)行方式時，對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率會有影響。本章簡要介紹了風(fēng)資源及其特性，然后介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，最后介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率特性。風(fēng)功率密度不但與風(fēng)速大小有關(guān)，而且和空氣密度有關(guān)。風(fēng)速測量儀所測的風(fēng)速受到受障礙物、地形、地貌等影響，因此距離風(fēng)速儀一定距離的風(fēng)速可能與測量點的風(fēng)速差別較大。盡管風(fēng)速改變跟當(dāng)?shù)卦S多因素有關(guān)，但大家普遍接受了下面的反應(yīng)風(fēng)速變化的經(jīng)驗公式，適用于300米以下： ()其中V0是距地面H0高度處觀測到的風(fēng)速，V是高度H處的風(fēng)速，一般H0的值是10米，~。對數(shù)公式在30~50米的高度范圍內(nèi)擬合的最好，而對整個邊界層高度，指數(shù)公式更為精確，又因其簡便，所以經(jīng)常使用的還是指數(shù)公式[15]。由上式可知，影響風(fēng)電機(jī)輸出功率的外部因素主要為風(fēng)電場的空氣密度和風(fēng)速。因此在風(fēng)能計算中，風(fēng)速具有決定性的意義。風(fēng)功率密度與空氣密度成正比，空氣密度與氣溫、氣壓和空氣濕度等有關(guān)： ()其中：P是平均氣壓，E是絕對濕度，T是溫度。由風(fēng)速的概率密度函數(shù)和風(fēng)功率密度公式可以求出風(fēng)功率密度的概率密度函數(shù)： ()由于風(fēng)資源的特性，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、控制和保護(hù)方式上都有著自身的特點。風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)一般選用三相異步發(fā)電機(jī)作為最終和能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。由于風(fēng)速的大小隨著高度而增加，所以風(fēng)機(jī)一般都很高；又由于風(fēng)功率密度較低，平均值小于1000W/m，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)都會采用大直徑的風(fēng)輪口為了高效利用風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時要將其葉尖速比(Tip Speed Ratio)保持在6~8間，此時風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換系數(shù)(Power Coefficient)最高，(貝茨Bentz極限)[16]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)依據(jù)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)以及其在氣流中的位置大體上可分為兩大類：一類為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一類為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，其風(fēng)輪圍繞一個垂直軸旋轉(zhuǎn)。垂直軸風(fēng)機(jī)只占到已安裝的商用風(fēng)機(jī)的3%。根據(jù)漿葉的不同，分為以下三種：1．定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。為了提高風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速時的效率，通常采用雙速發(fā)電機(jī)（即大/小發(fā)電機(jī)）。定槳失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是失速調(diào)節(jié)由指槳葉本身完成，簡單可靠，當(dāng)風(fēng)速變化引起的輸出功率的變化只通過槳葉的被動失速調(diào)節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，使控制系統(tǒng)大為減化。通常很少應(yīng)用在兆瓦級以上的大型風(fēng)力機(jī)上。在運(yùn)行過程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在0176。此時控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制。在低風(fēng)速肘，將槳葉節(jié)距調(diào)節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調(diào)整優(yōu)化機(jī)組功率的輸出；當(dāng)風(fēng)力機(jī)發(fā)出的功率超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值上。根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分有恒速恒頻和變速恒頻兩種，恒速恒頻機(jī)組的整體效率較低,而變速恒頻這種調(diào)節(jié)方式是目前公認(rèn)的最優(yōu)化調(diào)節(jié)方式，也是未來風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的主要方向?？刂粕弦埠莒`活，可以較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無功功率，但控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。另外需要電容無功補(bǔ)償裝置。各大風(fēng)力發(fā)電制造商如：Vestas，NEG，Micon，Nordex都有此類產(chǎn)品。在繞線轉(zhuǎn)子輸入由電力電子裝置控制的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，可以加大異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率（可到10%），使得發(fā)電機(jī)在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)向電網(wǎng)送電。3．雙饋發(fā)電機(jī)雙饋電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機(jī)，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三根電源激勵，所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵，一般采用交—交變頻器或交—直—交變頻器供以低頻電流。通過改變勵磁頻率，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速．這樣在負(fù)荷突然變化時，迅速改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，充分利用轉(zhuǎn)子的動能，釋放和吸收負(fù)荷，對電網(wǎng)的擾動遠(yuǎn)比常規(guī)電機(jī)小。雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)通過變頻器的控制器對逆變電路小功率器件的控制，可以改變雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達(dá)到調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速、有功功率和無功功率的目的。整個控制系統(tǒng)可分為：轉(zhuǎn)速調(diào)整單元、有功功率調(diào)整單元和電壓調(diào)整單元（無功功率調(diào)整）。由于雙饋電機(jī)既可調(diào)節(jié)有功功率，又可調(diào)節(jié)無功功率，有風(fēng)時，機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電；無風(fēng)時，也可作抑制電網(wǎng)頻率和電壓波動的補(bǔ)償裝置。機(jī)組效率低等問題。穩(wěn)頻的作用，提高了發(fā)電質(zhì)量。但這種結(jié)構(gòu)也還存在一些問題，如控制電路復(fù)雜一些，不同的控制方法效果有一定差異。目前國內(nèi)有多家開發(fā)成功雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)，如蘭州電機(jī)有限責(zé)任公司與清華大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)合作研制的兆瓦級變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制設(shè)備，采用全數(shù)字化矢量控制方法。4．永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)由變漿距風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機(jī)，省去了增速用齒輪箱。對風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作點的控制是通過控制逆變器送到電網(wǎng)的電流實現(xiàn)對直流環(huán)節(jié)電壓的控制，從而控制風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。除了永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)可以直接并網(wǎng)外，還可以構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)（群）。風(fēng)電場由