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风能发电及风力发电论文
1引言
作为可再生能源的风力资源以其蕴量巨大；可以再生；分布广泛；没有污染等优势而在各国发展迅速。
虽然风能资源还有密度低，不稳定，地区差异大等缺点，但是仍然不能阻挡它快速发展的强劲势头。
大中型风力发电机组联网发电是当前世界范围内风能利用的主要形式。
目前风力发电已成为技术最成熟、最具商业化前景的新型发电方式之一，而且商品化的兆瓦级风力发电机组已成为新建风电场的主力机型。
由于异步发电机对并网要求低，控制和保护比较简单，并网运行稳定，因此采用异步发电机的风力发电机组是国内外商品化的风力发电机组所采取的主要技术方案。
但异步发电机直接并入电网时，其冲击电流会达到其额定电流的6～8倍，甚至10倍以上，该冲击电流会对电网、叶轮以及发电机本身造成严重的冲击，甚至会影响其它联网机组的正常运行。
另外，并网冲击电流也会对电机接触器、主空气开关等开关设备造成较强的冲击。
因此，限制发电机并网时引起的冲击电流成为风力发电控制系统的关键技术之一。
目前风力发电机组普遍采用软并网技术，用于限制异步发电机并网时的瞬态冲击电流。
软并网系统运用大功率晶闸管进行限流，在机组电动启动或并网过程中控制系统根据收到命令情况和相应传感器的信号对并网过程进行控制，并网结束后旁路晶闸管支路短接，并网过程结束。
前人在软并网这方面作了大量的工作，探讨了利用何种并网方式能有效的解决并网时产生的冲击电流对发电机和电网的影响的问题，研究了利用软并网来限制冲击电流幅值的效果如何以及分析了用晶闸管进行软并网时晶闸管如何控制等问题。
但由于风力发电机组并网过程是一个非常复杂的非线性过程，另外，软并网装置对晶闸管的要求非常严格，这在技术上是一个很大的难题。
目前仍待解决的问题是用何种并网方式可既简单又方便地把并网时的冲击电流限制在允许的限度内，另外，若利用晶闸管进行软并网，怎样才能做到每只晶闸管的特性完全一致以及在并网过程中如何控制晶闸管才能更好地达到限制冲击电流的目的。
本论文针对上述问题，首先对风力发电的一般原理进行了解，建立了软启动数学模型、软并网系统仿真模型及相应的控制系统仿真模型，在PSCAD/EMTDC环境下对风力发电机组直接并网和软并网过程进行了仿真模拟实验，并对仿真结果进行了分析和研究。
本论文所建立的风力发电机组直接并网仿真模型和软并网仿真仿真模型，可直观的分析风力发电机组直接并网和软并网过程并进行比较，通过对仿真结果的分析和研究得出通过利用晶闸管进行软并网可把并网时产生的冲击电流限制在允许的范围内，确保了发电机组和电网的正常运行。
另外，通过对发电机软并网装置中晶闸管控制电路的触发规律与发电机并网转速之间的关系进行仿真和分析，可得出晶闸管控制电路的好坏也直接关系着冲击电流的幅值大小。
以上这些结论为限制并网时的冲击电流对电网和发电机的影响提供了一些参考。
第一章绪论
1.1风能开发与风力发电
人类利用风能已有数千年历史，在蒸汽机发明以前风能曾经作为重要的动力，用于船舶的航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。
到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是20世纪70年代以后利用风力发电更进入一个蓬勃发展的阶段。
1.2风力发电的基本原理
1.2.1现代风力发电机简介
先前的风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的。
一阵狂风吹来，风轮越转越快，系统就会被吹跨。
为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。
齿轮箱可以将很低的风轮转速（600千瓦的风机通常为27转/分）变为很高的发电机转速（通常为1500转/分）。
同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。
偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。
要知道，600千瓦的风机机舱总重20多吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。
风机是有许多转动部件的。
业已说明，机舱在水平面旋转，随时跟风。
风轮沿水平轴旋转，以便产生动力。
在变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况。
在停机时，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼。
液压系统就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用。
控制系统是现代风力发电机的神经中枢。
现代风机是无人值守的。
就600千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在14米/秒左右发出额定功率。
然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。
现代风机的存活风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。
要知道，通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒。
风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网。
并监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。
1.3风力发电的特点
风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。
在理论上，最好的风轮约60%的风能转化为机械能。
现代风力发电机组风轮效率可达40%。
在风力发电机组输出达到额定功率之前，其功率与风速的立方成正比。
风力发电的突出优点是[1]：
环境效益好，不排放任何有害气体和废气物。
风电场虽然占了大片土地，但是风力发电机组基础使用面积很小，不影响农田和牧场的正常生产。
到风的地方往往是荒滩或山地，建设风力发电场的同时也开发了旅游资源。
1.4中国风力发电的现状与趋势
风电起源于20世纪70年代，风电技术成熟于八十年代。
自90年代以来，风电进入大发展阶段，单机容量兆瓦级风电机设备已投入商业化运行。
风力发电是近年来世界各国普遍关注的可再生能源开发项目，发展速度非常快。
1997-2004年，全球风电装机年平均增长率达26.1%。
目前全球风电装机容量已达到5000万千瓦左右，相当于47座标准核电站。
1.4.1中国风能资源的分布
中国风能资源丰富，根据全国900多个气象站的观测资料估计，我国陆地风能资源总储量约32.26亿千瓦，其中可开发利用的风能资源总量为2.53亿千瓦，居世界首位；中国近海（水深小于15米）风能资源，估计为陆上的三倍，即近海的风能储量约为7.5亿千瓦。
这样，陆上和近海10米高处技术可开发风能资源总量，总计约为10亿千瓦。
现代大型风力发电机组高度已超过50米，50米处的风能密度为10米高处的2倍，这样，中国技术可开发的风能资源总量，即可高达20亿千瓦。
我国东南沿海和山东、辽宁沿海及其岛屿，内蒙古北部，甘肃、新疆北部以及松花江下游等地区均属风能资源丰富区，年平均风速大于等于6m/s，有效风能密度大于等于200W/m2，有很好的开发利用条件。
这些地区中很多地方常规能源贫乏，无电或严重缺电，尤其是新疆、内蒙古的大部分草原牧区及沿海几千个岛屿，人口分散，电网难以通达，或无电力供应，或采用很贵的柴油发电。
在上述地区，利用风力发电，以节约能源，改善环境，缓解电力供应紧张状况，具有重要意义。
另一方面，这几年我国的交通条件得到很大的改善，电网覆盖程度有了很大的提高，不少风能资源丰富地区已置于电网覆盖之下，这也为建设大型风电场提供了有利条件。
上述情况决定了我国发展风电的特点是：
在风能资源丰富或较丰富的边远无电、缺电地区，以发展小型或中型独立运行的风电系统（包括风力/柴油联合发电和风/光联合发电等）为主，利用风力发电解决边远地区的生活用电和部分生产用电；在风力资源丰富、电网通达的地区，风力发电则作为一种清洁的可再生能源，补充和逐步代替部分常规能源，缓解电力供应紧张的矛盾，提高当地的环境质量，所以应以发展大型风电场为主[1]。
1.4.2中国风力发电的规划
风力发电场是将多台并网型风力发电机安装在风力资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电，简称风电场。
风电场是大规模利用风电的有效方式，于20世纪80年代在美国兴起。
我国计划到2010年，并网风电装机达到500万千瓦。
目前，我国的风电装机容量还不到全国总装机容量（4.5亿千瓦）的0.5%，根据我国能源发展规划，我国风电具有大规模发展的前景和市场需求。
风力发电能够成为中国电源结构的重要组成部分，发展风电有利于调整能源结构。
目前中国的电源结构中75%是煤电，排放污染严重，增加风电等清洁电源比重刻不容缓。
尤其在减少二氧化碳等温室气体排放，缓解全球气候变暖方面，风电是有效措施之一。
从长远看，中国常规能源资源人均拥有量相对较少，为保持经济和社会的可持续发展，必须采取措施解决能源供应。
中国风能资源丰富，如果能够充分开发，按目前估计的技术可开发储量计算，风电年发电量可达几万亿千瓦时。
据官方和专家的推算，中国2020年需要10亿千瓦的发电装机，4万亿千瓦时的发电量，之后如果按照人均2千瓦，达到中等发达国家生活水平的基本要求，在2050年中国需要大约30亿千瓦的发电装机和12万亿千瓦时的发电量。
庞大的装机和发电量需求，给风力发电的发展提供了足够的空间。
由中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会主持、绿色和平和欧洲风能协会共同资助的报告指出，中国有能力在2020年实现3000-4000万千瓦的风电装机容量，年发电量将达800亿千瓦时，可满足8000万人的用电需求，同时每年可减少4800万吨的二氧化碳排放量。
专家们预测，我国风电发展可能将分为3个阶段进行：
首先在2010年之前完成起步阶段，风电装机达400-500万千瓦，初步奠定风电产业基础；第二阶段是2020年达到3000万—4000万千瓦，实现快速发展，在全部发电装机中占有一定比例；第三阶段是在2020年之后超过核电成为第三大发电电源，并在2050年前后达到或超过4亿千瓦，超过水电，成为第二大主力发电电源[5]。
中国经济持续快速发展，对能源的需求增长很快，常规能源的供应及其带来的环境问题日益突出，风电随着技术的发展和批量的增大，成本将会继续下降，必然成为重要的清洁电源。
第二章PSCAD/EMTDC软件简介
为了研究高压直流输电系统，DennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局（ManitobaHydro）开发完成了EMTDC的初版，随后在曼尼托巴大学（UniversityofManitoba）创建高压直流输电研究中心，多年来该直流输电研究中心在DennisWoodford的领导下不断完善了EMTDC的元件模型库和功能，使之发展为既可以研究交直流电力系统问题，又能够完成电力电子仿真及非线性控制的多功能工具（Versatiletoo1）[7]。
是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。
可模拟任意大小的交直流系统。
操作环境为：
UNIXOS,Windows95,98,NT；Fortran编辑器；浏览器和TCP/IP协议。
2.1PSCAD/EMTDC的程序结构和功能特点
PSCAD/MTDC软件的主要功能是进行电力系统时域和频域仿真，还可以进行交流系统的谐波研究、暂态扭矩的分析、直流系统的启动、直流系统换相方法研究、串联或并联的多端输电系统的电磁暂态仿真、同杆架设的交直流电路的相互影响等。
EMTDC程序具有“拍照”功能，可记录下某个时刻系统中工作状态，为重新计算提供正确的条件，可以在此基础上进一步研究系统的暂态过程。
2.2PSCAD软件模块的构成
2.2.1文件管理系统
当用户涉及PSCAD 时所遇到的第一个软件模块就是文件管理系统。
采用一种工程/算题/文件的分层结构来表示用户进行电力系统模拟研究的数据库结构。
如果得到授权可以进入该数据库, 这样, 局部网上的不同用户可以共享同一个数据库。
从文件管理软件模块可以直接进行诸如备份、储存、文件编缉、拷贝和删除等操作。
通过选择文件管理模块屏幕右上角的适当菜单可调用PSCAD 的其它软件模块, 很多情况下将所有的软件模块同时激活, 有些模块的图像可能暂时隐藏在正在处理的模块图像之下。
2.2.2建模DRAFT模块
建模程序包是PSCAD 程序族中最有功效的。
借助建模包, 用户可以用图形的方法建立需要进行模拟研究的电力系统模型。
通过选择不同的功能, 建模包可以为EMTDC 或RTDS模拟研究准备必需的文件。
电力系统元部件图像位于调色板中（建模窗口的右侧）并可移至画布上（左侧）, 通过将各元部件模型互连便完成了电力系统模型。
不同元部件模型所需的参数可在调用这些模型时屏幕上出现的菜单中直接输入。
具有大量互联元部件的电力系统模型同样易于处理, 因为画布部分可分为很多层次并可在屏幕上滚动显示。
当用户完成了模型构筑时, 可以通过基于PS格式的激光打印机或者可以接受HP-GL 命令的绘图仪输出硬拷贝。
2.2.3架空线T-LINE和电缆CABLE模块
确定架空输电线和电缆的行波模型所需数据的计算过程是相当复杂的。
为了确定变换矩阵、模式传输时间和波阻抗, 需要进行特征值分析。
为了完成这种分析, 需要使用T-LINE和CABLE 模块。
通过功能选择可以产生单频率模式模型或者完全的频率相关行波模型。
架空线模型所需要的数据有导线的空间相对位置以及导线的半径和电阻率。
对于电缆, 每一导电层和绝缘层的半径和特性都是必需的。
由T-LINE和CABLE 模块所产生的数据可以直接输入到PSCAD 的建模（DRAFT）模块中。
2.2.4运行RUN TIME模块
运行模块中的EMTDC 操作员控制台软件模块和RTDS控制台软件模块可分别为运行EMTDC和RTDS提供控制操作功能和数据收集系统功能。
软件中提供了完善的界面, 允许使用者装入、启动或停止一个模拟算题, 并可在模拟过程中与之通讯。
由于采用了多种仪表和模拟过程数据在线绘图, 允许使用者获得相关模拟算题的即时反馈。
使用者所激发的动态过程, 如整定值改动、开关操作以及故障触发可以通过操纵滑触头、电位器、开关和按钮进行。
2.2.5单曲线绘图UNIPLOT和多曲线绘图MULTIPLOT模块
EMTDC 和RTDS所产生的数据的分析和绘图是通过单曲线绘图模块进行的。
可以对数据进行标尺整定和通用格式整定。
对于绘图用的数据可直接进行傅里叶分析。
如果要处理大量的数据, 可以通过编程的办法形成自动处理顺序。
多曲线绘图模块可以将单曲线绘图模块绘出的曲线整理成适合报告应用。
可将多根曲线组合安排在单张纸上。
使用者可以直接处理曲线并在纸面上添加需要的文字说明并可绘制其它美化标志。
2.3EMTDC模块
EMTDC 是一套基于软件的电磁暂态模拟程序, 可以通过PSCAD 进行调用。
用户可以通过调用随EMTDC 主程序一起提供的库程序模块或利用用户自己开发的元部件模型有效地组装任何可以想象出的电力系统模型和结构。
EMTDC 的威力之一是可以较为简单地模拟复杂电力系统, 包括直流输电系统和其相关的控制系统。
2.3.1利用EMTDC可进行的模似研究范围
（1）一般的电力系统电磁暂态研究
（2）直流输电结构和控制
（3）FACTS（灵活交流输电系统）元部件模型
（4）同步发电机和感应电动机的扭矩效应和自励磁研究
（5）静止补偿器研究
（6）非线性控制系统研究
（7）变压器饱和研究, 如铁磁振荡和铁芯饱和不稳定性研究
（8）绝缘配合研究
（9）谐波相互影响研究
（10）新型控制系统原则的开发
（11）陡前波分析
2.4PSCAD/EMTDC的应用
PSCAD／EMTDC典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，参数随时间变化的规律，此外PSCAD／EMTDC软件广泛应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。
第三章风能数学模型的建立和仿真
3.1风能的数学模型
风能作用于风力机的叶片上，作为风力发电机的原动力。
为了能较准确的描述自然界的风能的随机性和间歇性的变化特点，在工程上一般采用简化的四分量模型来模拟风速随时间变化的特征。
3.1.1基本风
基本风可以由风电场测量所得的威布尔（Weibull）分布参数近似确定
（3-1）
式中：
A、K——表示威布尔分布尺度参数和形状参数；
——伽马函数。
在实际领导真时我们近似认为vwB是一个不随时间变化的分量，也就是取vwB为一个常数。
3.1.2阵行风
vwG用于表述风速的突然变化，在3个时间段内有不同的风速。
（1）0（2）T1G<=1<（T1G+TG）,风速vuG=vcos。
Vcos表示在该时间段内风速变化具有佘弦特性，其表达式为：
（3-2）
式中：
vmaxG——阵行风最大的风速（m/s）
t——时间（s）
T1G——出现阵性风的时间（起动时间s）
TG——阵性风的持续时间
（3）t>T1G+TG风速vwG=0
可见当t=T1G时 vcos=0
t=（T1G+TG/2）vcos=vmax
t=T1G+TGvcos=0
阵性风变化过程如图所示：
图3-1阵行风随时间变化曲线图
在分析风电系统对电压波动的影响时，通常用阵性风来考核较大的风速变化时的电压波动的特性。
3.1.3渐变风
vwR用于描述风速的逐渐的变化。
在4个时间区段内有不同风速
（1）0（2）T1R<=tvramp表示在该时间区段内风速线性变化表达式：
（3-3）
可见t=T1Rvramp=0
t=T2Rvramp=vmax
（3）T2R<=t,<=T2R+TR风速vwR=vmax
（4）t>=T2R+TR风速vwR=0
渐变风变化过程：
图3-2渐变风随时间变化曲线图
3.1.4随机噪声风
vwN用以描述在指定的高度的风速变化的随机风的特性，由许多谐波分量构成，其表达式为：
（3-4）
——随机分布的离散间距
——第I个分量的角频率
——第I个分量的初相角为0~2Pi之间分布的随机量
——第I个分量的振幅
（3-5）
式中：
kN——地表摩擦系数
F——拢动范围m2
——相对高度的平均风速（m/s）
3.1.5综合风速表达式
综合风速表达式即是对前面的四个分量风的表达式求和即可，其表达式如下：
（3-6）
3.2风能的仿真
3.2.1基本风的仿真
我们将基本风作为常数考虑，仿真模块与结果如图4·3和4·4所示。
在仿真基本风模块时取常数为8m/s。
图3-3基本风仿真模块
图3-4基本风输出仿真波形
3.2.2阵形风的仿真
阵形风仿真模块与结果如图4-5和4-6所示。
图3-5阵形风仿真模块
图3-6阵形风输出仿真波形
3.2.3渐变风的仿真
渐变风仿真模块与结果如图4-7和4-8所示。
图3-7渐变风仿真模块
图3-8渐变风输出仿真波形
3.2.4随机噪声风的仿真
随即噪声风的仿真模块与结果如图4-9和4-10所示。
图3-9随机噪声风仿真模块
图3-10随机噪声风输出仿真波形
3.2.5综合风的仿真
综合风就是前四种风的求和，仿真模块与结果如图4-11与4-12所示。
图3-11综合风仿真模块
图3-12综合风输出仿真波形
第四章异步风力发电机的并网
4.1异步发电机的基本原理
4.1.1异步发电机的基本原理简介
风力发电系统中并网运行的异步发电机，其定子与同步电机的定子基本相同，定子绕组为三相的，可接成三角形或星形接法；转子则有鼠笼型和饶线型两种。
根据异步电机理论，异步电机并网运行时由定子三相绕组电流产生的旋转磁场的同步转速决定于电网的频率及电机绕组的极对数
ns=60f/p（4-1）
式中：
ns为同步转速；f为电网频率；p为绕组极对数。
按照异步发电机理论可知，当异步电机连接到频率恒定的电网上时，异步电机可以有不同的运行状态；当异步电机的转速小于异步电机的同步转速时（即nns）,则异步电机将处于发电运行状态，此时异步电机吸收由原动机供给的机械能而向电网输出电能。
4.1.2发电机的启动
电动机起动是指风力发电机组在静止状态时，把发电机用作电动机将机组起动到额定转速并切人电网。
电动机起动目前在大型风力发电机组的设计中不再进入自动控制程序。
因为气动性能良好的桨叶在风速v>4m／s的条件下即可使机组顺利地自起动到额定转速。
电动机起动一般只在调试期间无风时或某些特殊的情况下，比如气温特别低，又未安装齿轮油加热器时使用。
电动机起动可使用安装在机舱内的上位控制器按钮或是通过主控制器键盘的起动按钮操作，总是作用于小发电机。
发电机的运行状态分为发电机运行状态和电动机运行状态。
发电机起动瞬间，存在较大的冲击电流（甚至超过额定电流的10倍），将持续一段时间（由静止至同步转速之前），因而发电机起动时需采用软起动技术，根据电流反馈值，控制起动电流，以减小对电网冲击和机组的机械振动。
电动机起动时间不应超出60s，起动电流小于小发电机额定电流的3倍。
4.2异步风力发电机的并网方法
因为风力机为低速运转的动力机械，在风力机与异步发电机转子之间经增速齿轮传动来提高以达到适合异步发电机运转的转速,一般与电网并联运行的异步发电机多选用4极或6极电机,因此异步发电机转速必须超过1500r/min或1000r/min,才能运行在发电状态,向电网送电。
显见,电机极对数的选择与增速齿轮箱关系密切,若电机极对数选小,则增速齿轮传动的速比增大,齿轮箱增大,但电机的尺寸则小些；反之,若电机极对数选大些,则传动速比减小,但电机的尺寸大些。
根据电机理论,异步发电机并入电网运行时,是靠滑差率来调整负荷的,其输出的功率与转速转速近乎成线性关系,因此对机组的调整要求,不像同步发电机那么严格精确,不需要同步设备和整步操作,只要转速接近同步转速时就可并网,国内及国外与电网并联运行的风力发电机组中,多采用异步发电机,但异步发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流（约为异步发电机额定电流的4～7倍）,并使电网电压瞬时下降.随着风力发电机组单机容量的不断增大,这种冲击电流对发电机自身部件的安全及对电网的影响也愈加严重[5]。
过大的冲击电流，有可能使发电机与电网连接的主回路中的自动开关断开；而电网电压的较大幅度下降,则可能会使低电压保护动作,从而导致异步发电机根本不能并网。
当前在风力发电系统中采用的异步发电机并网方法有以下几种。
4.2.1直接并网
这种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同,当风力机驱动的异步发电机转速接近同步转速时即可并入电网；自动并网的信号由测速装置给出,而后通过自动空气开关合闸完成并网过程。
显见这种并网方式比同步发电机的准同步并网简单。
但如上所述，直接并网时会出现较大的冲击电流及电网电压的下降，因此这种并网方法只适用于异步发电机容量在百千瓦级以下，而电网容量较大的情况下。
中国最早引进的550kW风力发电机组及自行研制的50kW风力发电机组都是采用这种方法并网的。
4.2.2降压并网
这种并网方法是在异步发电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，以达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网
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