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論文關(guān)鍵字：風能發(fā)電機電能

論文摘要：風能是一種清潔，安全，可再生的綠色能源，利用風能對環(huán)境無污染，對生態(tài)無破壞，環(huán)保效益和生態(tài)效益良好，對于人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。進入20世紀70年代，在世界范圍內(nèi)爆發(fā)的能源危機告誡人們，要生存就要尋找開發(fā)新能源，此后各國政府紛紛制定能源政策支持新能源的開發(fā)利用?，F(xiàn)今調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放、緩解環(huán)境污染、加強能源安全已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點。國家對可再生能源的利用,特別是風能開發(fā)利用給予了高度重視。

近年來，世界風力發(fā)電事業(yè)蓬勃發(fā)展，截至2006年年底，全世界風力發(fā)電裝機容量已達7422萬千瓦，預計到2010年全世界風力發(fā)電裝機容量將達到149．5吉瓦。

我國風能資源豐富。據(jù)中國氣象科學研究院的初步測算,我國陸地10m高度處可開發(fā)儲量為2.53億kW,海上可開發(fā)儲量為7.5億kW,總計約10億kW,風能利用潛力巨大。2005年以來我國每年的風電新增裝機容量連年翻番，2005年裝機容量126萬KW，2006年裝機容量260萬KW，2007年裝機容量590萬KW，至2008年底風電裝機容量已超過1000萬KW。國家規(guī)劃,到2020年中國風電裝機規(guī)模將達3000萬kW。在國家政策和資源優(yōu)勢的推動下,中國風能開發(fā)利用取得了長足進步。

風力發(fā)電在并網(wǎng)時由于沖擊電流的存在，會對電網(wǎng)電壓產(chǎn)生影響。由于風力發(fā)電是一種間歇性能源，風電場的功率輸出具有很強的隨機性，所以為了保證風電并網(wǎng)以后系統(tǒng)運行的可靠性，需要額外安排一定容量的旋轉(zhuǎn)備用以響應風電場的隨機波動。各種形式的風力發(fā)電機組運行時對無功功率的需求不同，依靠電容補償來解決無功功率平衡問題，發(fā)電機的無功功率與出力有關(guān)，由此也影響電網(wǎng)的電壓。

大型風力發(fā)電機組的投入運行，使大規(guī)模風力發(fā)電場的建設成為可能，風電事業(yè)正逐步向產(chǎn)業(yè)化邁進。在某些地方，風力發(fā)電已經(jīng)在電網(wǎng)中占有了相當?shù)谋戎?，它的運行狀況直接關(guān)系到整個電網(wǎng)的安全性和可靠性。為了更加安全、充分的利用風力資源，迫切需要深入研究大規(guī)模風電場并網(wǎng)運行的相關(guān)技術(shù)問題，是保證并入大規(guī)模風電場后電力系統(tǒng)仍然可以正常穩(wěn)定運行的重要前提。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

過去很長一段時期以來，由于結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，風力發(fā)電系統(tǒng)主要采用恒速恒頻發(fā)電方式，但采用恒速恒頻方式的風力發(fā)電機組發(fā)電效率較低，而且機械承受的應力較大，相應的裝置成本較高。近年來，隨著大規(guī)模電力電子技術(shù)的日趨成熟，同時為實現(xiàn)不同風速下實現(xiàn)最大風能捕獲從而高效發(fā)電，國內(nèi)外正在采用變速恒頻發(fā)電方式，變速恒頻發(fā)電方式可以大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運行轉(zhuǎn)速,來適應因風速變化而引起的風力機功率的變化,可以最大限度的吸收風能,因而效率較高；控制系統(tǒng)采取的控制手段可以較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無功功率,但控制系統(tǒng)較為復雜；低風速下風機轉(zhuǎn)速相應下降，從而大大降低了系統(tǒng)的機械應力和裝置成本，近年來變速恒頻風力發(fā)電機組成了大容量風力發(fā)電設備的主要選擇方向。

恒速恒頻風力發(fā)電機組的并網(wǎng)包括同步發(fā)電機的并網(wǎng)和異步發(fā)電機的并網(wǎng)。同步發(fā)電機在重載情況下并網(wǎng)，若不進行有效的控制，常會發(fā)生嚴重的無功振蕩和失步，對系統(tǒng)造成嚴重的影響。用于風力發(fā)電的同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，常采用自動準同步并網(wǎng)和自同步并網(wǎng)方式。前者由于風速的不確定性，通過該方法并網(wǎng)比較困難；后者的并網(wǎng)操作相對簡單，使并網(wǎng)在短時間內(nèi)完成，但要克服合閘時有沖擊電流的缺點。異步風力發(fā)電機控制裝置簡單，而且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步，運行比較穩(wěn)定。然而，異步發(fā)電機直接并網(wǎng)時會產(chǎn)生發(fā)電機額定電流5-7倍的沖擊電流，不僅對電網(wǎng)造成沖擊而且影響機組壽命；另外異步發(fā)電機本身不發(fā)無功功率，需要進行無功補償。[

變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)有多種，例如同步發(fā)電機交/直/交系統(tǒng)的并網(wǎng)運行和雙饋發(fā)電機系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。在變速恒頻風力發(fā)電的眾多種方案中,最具優(yōu)勢的方案是采用雙饋感應發(fā)電機的并網(wǎng)型交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電機組。

同步發(fā)電機交/直/交系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，由于采用頻率變換裝置進行輸出控制,因此并網(wǎng)時沒有電流沖擊,對系統(tǒng)幾乎沒有影響。由于同步發(fā)電機組工作頻率與電網(wǎng)頻率是彼此獨立的,風輪及發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以變化,不必擔心發(fā)生同步發(fā)電機直接并網(wǎng)運行可能出現(xiàn)的失步問題。在風電系統(tǒng)中使用阻抗匹配和功率跟蹤反饋來調(diào)節(jié)輸出負荷,可使風力發(fā)電機組按最佳效率運行,向電網(wǎng)輸送更多的電能。

雙饋發(fā)電機系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，風力機起動后帶動發(fā)電機至接近同步轉(zhuǎn)速時電網(wǎng),并網(wǎng)時基本上無電流沖擊。風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可隨風負載的變化及時做出相應的調(diào)整,產(chǎn)生最大的電能輸出。而且通過調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機勵磁電流的頻率、幅值和相位，可以保證發(fā)電機在變速運行的情況下發(fā)出恒定頻率的電力,并可以調(diào)節(jié)無功功率和有功功率。

交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機和電網(wǎng)之間是一種柔性連接，尤其對無刷雙饋電機而言，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)交流勵磁電流的調(diào)節(jié)與控制，就可在變速運行的任何轉(zhuǎn)速下滿足并網(wǎng)條件，實現(xiàn)變速恒頻無沖擊電流的高效并網(wǎng)。其勵磁繞組與電網(wǎng)間的雙向變頻器功率，僅為發(fā)電機系統(tǒng)的一小部分功率。可以預見，在未來幾年內(nèi)，無刷雙饋電機在變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中將會獲得廣泛的應用，對全國的風力發(fā)電等機電產(chǎn)品的更新?lián)Q代起推動作用，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟和社會效益。

研究(設計)內(nèi)容

對主要風力發(fā)電機組類型進行對比研究，不同機型的發(fā)電機原理、結(jié)構(gòu)、運行特性和對電力系統(tǒng)的影響不盡相同，有必要進行研究。

對風力發(fā)電機組并網(wǎng)方式進行比較分析研究，主要是同步發(fā)電機的并網(wǎng)方式和異步發(fā)電機的并網(wǎng)方式進行比較分析，并對目前主流的變速恒頻風力發(fā)電機組中的雙饋感應發(fā)電機進行重點探討。

電壓水平是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要指標，研究了風力發(fā)電并網(wǎng)運行后電力系統(tǒng)的電壓特性。

從風電場接入地區(qū)的中樞點電壓水平、風電系統(tǒng)負荷的輕重、風電場的無功補償容量大小等各個方面分析探討影響風電機組最大注入功率的各種因素。

綜合分析幾種常用風力發(fā)電機的并網(wǎng)控制技術(shù)，分析比較它們各自應用于風力發(fā)電上的優(yōu)缺點。并提出風力發(fā)電技術(shù)今后的發(fā)展趨勢。

研究(設計)方法及技術(shù)路線

首先建立幾種常用風力發(fā)電機的數(shù)學模型，建立風速、風力機模型，并利用已建立的數(shù)學模型對發(fā)電機原理進行探討，研究各風力發(fā)電機的運行特性，并就各種發(fā)電機并網(wǎng)時對電網(wǎng)的影響進行理論探討，特別是與電網(wǎng)有功、無功交換功率及對電網(wǎng)電壓的影響進行探討，找出合適的并網(wǎng)運行控制方案。

本課題研究的難點有：1）風力發(fā)電機數(shù)學模型的建立；由于風力發(fā)電機類型較多，不同電機的數(shù)學模型不一樣，不能建立統(tǒng)一的、適應各種機型的數(shù)學模型。2）該課題的探討主要停留在理論上，并進行適當?shù)姆抡嬗嬎?，難以進行實驗驗證時間安排

第九周

詳細地了解設計題目、設計任務、設計要求、預期效果。本周內(nèi)主要完成：①明確設計任務的具體內(nèi)容。②完成開題報告。③編制初步設計方案

第十周

通過分析設計任務，提出各自的問題。

第十一周、第十二周

①將設計任務再次細化，提出更加具體的問題。②開始設計預期目標的整體方案，包括相關(guān)硬件、軟件方案，提出可行性。

第十三周、第十四周

①設計方案更加具體化，使之更加清晰，明確提出可達到的預期效果。②再次論證方案的可行性。③對設計方案各部分進行系統(tǒng)的分析計算，解決設計中出現(xiàn)的具體問題。

第十六周

總結(jié)前兩個階段的工作成果，編寫設計說明書。

第十七周

①妥善保存設計系統(tǒng)。②修改畢業(yè)論文，并完成打印。③準備答辯

預期成果

預期成果為幾種常見風力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行控制方案，并以論文論文的形式表達出來?？赡艿膭?chuàng)新點為：考慮充分利用電力存儲或者能量存儲技術(shù)，降低風能資源的隨機性對電網(wǎng)造成的不利影響，改善風能資源的利用條件，盡可能達到可控的目的。

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