【正文】 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(wú)功可分別獨(dú)立控制；對(duì)網(wǎng)側(cè)有無(wú)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。圖 37 雙饋型變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng) 。因發(fā)電機(jī)本身沒(méi)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。永磁同發(fā)電機(jī)定子通過(guò)變換器與電網(wǎng)相連，因此變換器的容量與電機(jī)的相同，變速恒頻運(yùn)行是在定子側(cè)實(shí)現(xiàn)的。直接耦合后無(wú)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)。( 4) 混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī) 這種發(fā)電機(jī)是在永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改良而來(lái)，既含有永磁體，何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究28又帶有自身的勵(lì)磁系統(tǒng)。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(chǎng)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(chǎng)難以調(diào)節(jié)的不足，有較好的發(fā)展應(yīng)用前景 [20]。目前，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也有一定的應(yīng)用(小于 30kW)。 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(guò)升壓變壓器才能在電網(wǎng)上輸送電能，這表明通過(guò)變壓器輸電時(shí)存在較大的功率損耗。 因省去了變壓器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁損耗較低，可靠性高。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(kāi)發(fā)的風(fēng)電系統(tǒng)。對(duì)于風(fēng)電功率波動(dòng)的問(wèn)題，輸出功率較小的情況下，通過(guò)加設(shè)濾波電容(或儲(chǔ)能裝置)，利用濾波電容削峰填谷的平滑作用可抑制功率大幅波動(dòng)。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。常見(jiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及性能比較如表 32 所示。目前在各類(lèi)風(fēng)電機(jī)組中，兩種最具競(jìng)爭(zhēng)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。 雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：定子與一般三相交流發(fā)電機(jī)定子一樣，具有分布式交流繞組；轉(zhuǎn)子不是采用同步發(fā)電機(jī)式的直流集中繞組，而是采用三相分布式對(duì)稱(chēng)交流繞組，與三相繞線式異步電機(jī)(繞線型感應(yīng)電機(jī))的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相似，只是轉(zhuǎn)子繞組上加有滑環(huán)和電刷，這樣轉(zhuǎn)子側(cè)既可以輸入電能也可以輸出電能。 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。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)轉(zhuǎn)速隨之變化，此時(shí)相應(yīng)改變轉(zhuǎn)子電流的頻率和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速以補(bǔ)償電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，可達(dá)到變速恒頻的目的。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(wú)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。雙饋發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)類(lèi)似，不同的是轉(zhuǎn)子通過(guò)變頻器與升壓變壓器和電網(wǎng)連接。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]。2022 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文31 允許原動(dòng)機(jī)在一定范圍內(nèi)變速運(yùn)行,簡(jiǎn)化了調(diào)整裝置,減少變速時(shí)的機(jī)械應(yīng)力和磨損,同時(shí)使機(jī)組控制更加靈活、方便,提高了機(jī)組運(yùn)行效率。采用 PWM 技術(shù)可抑制諧波,減小開(kāi)關(guān)損耗,提高效率。雙饋發(fā)電機(jī)采用交流勵(lì)磁，使發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成了“柔性連接” ，即可以根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，精確的調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓，避免并網(wǎng)時(shí)發(fā)生的電流沖擊和過(guò)大的電壓波動(dòng)，滿(mǎn)足電網(wǎng)的要求。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。雙饋式變漿變速機(jī)型，是目前大部分企業(yè)采用的技術(shù)，技術(shù)成熟，是風(fēng)電行業(yè)主流的先進(jìn)技術(shù)，其機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。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。(1)矢量控制 在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制中，以前往往采用矢量控制策略，分為兩大類(lèi)，即基于氣隙磁場(chǎng)定向的矢量控制策略和基于定子磁場(chǎng)定向的矢量控制策略。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。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(diǎn)積四個(gè)標(biāo)量，并根據(jù)上述四個(gè)標(biāo)量電機(jī)的微分方程，在忽略定子電阻的情況下，對(duì)定子磁通做歸一化處理后，電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率可2022 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文33 以得到解禍控制。1977 年美國(guó)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(guó)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)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又稱(chēng)無(wú)齒輪箱風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。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(guò)逆變轉(zhuǎn)換為恒頻恒壓的三相交流電饋入電網(wǎng)。 全變速的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組如圖 312 所示，發(fā)電機(jī)的定子與電網(wǎng)通過(guò)大容量變頻器連接。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(lái)越多的關(guān)注。電力電子技術(shù)近年來(lái)的不斷發(fā)展，原來(lái)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(wèn)題。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。低轉(zhuǎn)速還導(dǎo)致發(fā)電機(jī)極數(shù)較多,為了獲得合理的極距,必然要求發(fā)電機(jī)有較大的外部尺寸來(lái)放置磁極。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]。目前,市場(chǎng)上直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要分為電激磁同步發(fā)電機(jī)(EESG, Electrically Excited Synchronous Generator)和永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG, Permenant Mag Synchronous Generator)兩大類(lèi)。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。 目前，失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已逐步被變槳變速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組替代。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。 (1)變槳距調(diào)節(jié)方式將會(huì)取代定槳距失速調(diào)節(jié)方式。 (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。 (3)直驅(qū)式的市場(chǎng)份額會(huì)越來(lái)越大。 (4)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)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。在開(kāi)發(fā)大型機(jī)的同時(shí)還應(yīng)重視小型機(jī)。 (6)并網(wǎng)大型化與離網(wǎng)分散化互補(bǔ)運(yùn)行。表 32 風(fēng)力發(fā)電中常見(jiàn)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和性能比較何優(yōu)琪：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究36第 4 章 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng) 作為對(duì)新型清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用，風(fēng)力發(fā)電近年來(lái)發(fā)展迅速，各大發(fā)電企業(yè)紛紛上馬風(fēng)電。風(fēng)電的大量并網(wǎng)，也給電網(wǎng)的運(yùn)行帶來(lái)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。在某些情況下會(huì)成為制約風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的主要因素，甚至造成非常嚴(yán)重的事故。該事故是截止目前我國(guó)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)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、安全穩(wěn)定帶來(lái)諸多負(fù)面的影響，2022 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文37 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(chǎng)裝機(jī)規(guī)模不斷增大，風(fēng)電場(chǎng)注入功率的變化對(duì)電網(wǎng)的影響也同益顯著。 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(chǎng) 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(guò) PCC 節(jié)點(diǎn)送入電力網(wǎng)絡(luò)，再提供給用戶(hù)，如圖 41 所示。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(jī)性。 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響 風(fēng)電場(chǎng)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。再者，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)瞬態(tài)故障下有可能會(huì)加劇電網(wǎng)故障，甚至引起局部電網(wǎng)崩潰。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。G是在常規(guī)發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的作用下調(diào)出的，這一過(guò)程伴隨電網(wǎng)的頻率G?調(diào)整。圖 42 風(fēng)電場(chǎng)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(zhuān)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(lèi)型有關(guān)，在 1~3 之間； 為L(zhǎng) ?電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)。%P? 由計(jì)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 。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(méi)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(guò)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。然而電力系統(tǒng)制定發(fā)電計(jì)劃是基于電源的可靠性和負(fù)荷的可預(yù)測(cè)性，以往小規(guī)模風(fēng)電接入系統(tǒng)時(shí)，一般將風(fēng)電場(chǎng)作為負(fù)的負(fù)荷來(lái)處理，由于風(fēng)速引起的功率波動(dòng)在系統(tǒng)的容許范圍內(nèi)，擾動(dòng)被系統(tǒng)消納，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響較小。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(cè)供需走勢(shì)，預(yù)測(cè)是實(shí)施供需平衡調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。供需走勢(shì)的預(yù)測(cè)對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要。同時(shí)需要足夠的系統(tǒng)調(diào)節(jié)平衡資源來(lái)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(wú)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。風(fēng)電場(chǎng)控制層接收系統(tǒng)控制層的調(diào)度指令，并且接收每臺(tái)機(jī)組反饋的某一時(shí)段可以輸出的功率限值，風(fēng)電場(chǎng)控制層向風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的每臺(tái)機(jī)組下發(fā)控制指令其中包括有功功率、無(wú)功功率。2022 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文41 風(fēng)電預(yù)測(cè)根據(jù)時(shí)間尺度不同分為短期風(fēng)電預(yù)測(cè)（提供 1~72h 預(yù)測(cè)）和超短期風(fēng)電預(yù)測(cè)（提供 15min~4h 預(yù)測(cè)） ，同時(shí)為提供可靠的風(fēng)電預(yù)測(cè)信息，風(fēng)電預(yù)測(cè)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(cè)和地區(qū)重構(gòu)。 電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)有功優(yōu)化調(diào)度，一般由日前調(diào)度、實(shí)時(shí)調(diào)度和自動(dòng)控制(AGC，Automatic Generation Control)組成。對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)高幅值功率波動(dòng)協(xié)調(diào)控制。在線調(diào)度控制周期內(nèi)，借助系統(tǒng)中常規(guī)能源機(jī)組的配合對(duì)預(yù)調(diào)度周期內(nèi)的調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行再校正；在自動(dòng)控制時(shí)間級(jí)內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)AGC 機(jī)組的實(shí)時(shí)偏差控制對(duì)在線調(diào)度計(jì)劃外的功率波動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。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(shì)資源，將風(fēng)電產(chǎn)生的擾動(dòng)消納；無(wú)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。無(wú)功和電壓變化的原因是在有功變化的同時(shí)，線路和變壓器的無(wú)功損耗大幅度變化。電壓偏差問(wèn)題屬于電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。這種情況下可以采取在風(fēng)電場(chǎng)裝設(shè)一定的無(wú)功補(bǔ)償裝置或切除部分風(fēng)電機(jī)組等措施，來(lái)改善電壓水平或使注人電網(wǎng)的風(fēng)電功率減少，進(jìn)而減緩風(fēng)電注入對(duì)系統(tǒng)的影響。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，在風(fēng)電功率波動(dòng)大、無(wú)功需求量大且變化相對(duì)較快時(shí)。在一定的條件下，有功功率可以長(zhǎng)距離傳輸，但無(wú)功功率則應(yīng)采取就2022 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（電力）專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文43 地平衡的辦法，因?yàn)闊o(wú)功功率長(zhǎng)距離輸送的損耗很大，受端所剩無(wú)功很少，受端電壓偏差也可能超過(guò)規(guī)程允許