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风机的工作原理及性能参数
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西安理工大学08届电力系优秀毕设
毕业设计（论文）
风力发电技术发展趋势研究专
业电气工程及其自动化班
电力081班学
生指导教师 张靠社教授
：风力发电技术发展趋势研究
批准日期毕 业 设 计（论 文）任 务 书
一、毕业设计(论文)课题
学生 风力发电技术发展趋势研究二、毕业设计(论文)工作自2012年 3 月 1日起至2012年 6 月 15 日止三、毕业设计(论文)进行地点四、毕业设计(论文)的内容要求风能是一种清洁的可再生能源，可利用的风能在全球范围内分布都很 广泛。风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分。然而， 风电作为电源具有间歇性和难以调度的特性，无论风电场装机容量大小、 采用何种风电机组技术，风电接入都会对接入地区电网的稳定性带来不同 程度的影响。设计任务1.
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文2.3.4.5.6.7.8.负责指导教师指 导 教 师接受设计论文任务开始执行日期学生签名3
：风力发电技术发展趋势研究
毕业设计（论文）进度表电气工程及其自动化（电力）系
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文
指导教师(签名)
学生(签名)年
：风力发电技术发展趋势研究
风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件及商业化发展前景的可再生能源技术。风能的合理开发和利用可以有效缓解目前能源匮乏及燃料资源给环境带来的污染问题，在远期有可能成为世界上重要的替代能源。随着风电技术日趋成熟，风电产业在全球范围得到大力发展，并保持持续增长的势头。文章综述了目前风力发电及其技术的发展与应用情况，对风力发电系统的类型、风电系统中所采用发电机的性能与特点以及未来风力发电技术的发展趋势进行了较详细深入的介绍，为更好地了解国内外风力发电的现状与发展趋势提供参考。
关键词：风力发电，可再生能源，风电并网,发电机
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文Research on the Development Trend of Wind PowerGeneration TechnologyABSTRACT
Wind power is the renewable energy technology with most mature technology, largest commercial development conditions and prospects in new energy technologies. Its rational use and development of wind energy can effectively alleviate the current shortage of energy and environmental pollution problems caused by fuel resources. In the long term wind energy is likely to become the most important alternative energy sources. With the maturity of power generation technology,wind power generation industry is increasing continuously on a global scale,and it maintains a sustained growth momentum.In this paper, wind resource and the status of wind energy were summarized. The key technologies and research topics on wind energy were then proposed.The wind power generation and its relative technology are reviewed，including the types of wind power generation system，performance and feature of generators applied in wind power generation system，and development tendency of future wind power generation technology，which providing references for well learning about the present status and development tendency of wind power generation at home and abroad.KEYWORDS: w wind po
：风力发电技术发展趋势研究
绪论 .............................. 错误！未定义书签。21.1
本课题背景 .......................... 错误！未定义书签。21.2
本课题研究意义 ....................................... 13第2章
风电发展的现状 ..................................... 132.1
风能资源分布及特点 ................................... 132.2
国外风力发电发展概况 ................................. 162.3
国内风力发电发展概况 ................................. 18第3章
风电机组的分类及控制 ............................... 193.1
风电机组分类 ......................................... 193.2
风力发电系统中的机组 ................ 错误！未定义书签。33.3
主流机组应用与控制 ................................... 283.3.1
双馈式异步风力发电机组 .......................... 293.3.2
直驱式永磁风力发电机组 .......................... 323.3.3
半直驱式风力发电机组 ............................ 33第4章
风力发电并网 ........................................ 354.1
风电并网系统组成 ..................................... 364.2
风电并网对电力系统的影响 ............................. 364.2.1
对电网频率和有功功率的影响 ...................... 374.2.2
对电网电压和无功功率的影响 ...................... 414.2.3
对电网谐波、闪变和电压波动的影响 ................ 424.3
风力发电系统实例 ..................................... 45第5章 风电发展的关键技术 ................................ 515.1
低电压穿越技术 ....................... 错误！未定义书签。5.2
电网接纳风电的关键技术 ............................... 568
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文5.3
适应风电发展的现代储能技术 ........................... 595.4
风电与其他电源联合运行技术 ........................... 635.5
风电功率预测技术 ..................................... 685.6
海上风力发电技术 ..................................... 71第6章
风电发展趋势研究 ................................... 776.1
风力发电的进展 ....................................... 776.2
国外风电发展对中国的启示 ............................. 816.3
中国风电现存主要问题与挑战 ........................... 856.4
风电未来发展趋势 ..................................... 88结论 ......................................................... 93致
谢 ....................................................... 94参考文献 ..................................................... 95
：风力发电技术发展趋势研究
由于石油、煤炭等非可再生资源的日渐消耗和矿物燃料发电带来的环境污染等严重问题，越来越多的国家在可再生资源研究和应用方面投入了大量人力和资金。在可再生能源利用中,风能具有很强的竞争力。风能发电在技术上日趋成熟,商业营运水平不断提高。另外,风力发电成本不断降低,同时常规能源发电由于环保要求增高,使得成本进一步增加,而且随着技术的进步,风力发电的成本将有进一步降低的巨大潜力。风能作为最重要的替代能源之一，正得到大规模的开发和利用，风力发电相关技术也取得了显著的进步。近几年来中国的风电产业也迅速发展，逐步成为欧洲和美国之后的全球主要市场之一。随着风电规模占全网容量比例的大幅增加,原有常规电源对电网运行的调整与控制能力被削弱,而风电电源很难像常规电源一样执行系统的调频、调压任务和抑制系统的功率震荡,所以风电场接入电网技术、风电场对电网运行的影响等问题日益突出。此外,风力发电功率输出随机性很强,波动很大且不可控,而且风电场大多建设在电网的末梢,网络结构相对薄弱,风电场并网运行必然会对电力系统的安全性、稳定性、电能质量、系统可靠性、电源和电网规划等方面带来一定的影响。所以要针对风电接入对系统的具体影响采取相应措施，改善其并网性能，尽可能降低其对电力系统运行的负面影响。本论文共六章，第一章介绍了本课题的背景，并阐述了本课题研究的主要内容和意义；第二章依据世界风能资源分布情况，具体介绍了当前国内外风力发电发展概况；第三章利用不同方法将风电机组进行分类，阐述了当前主流风力发电机组应用与控制；第四章基于国内外大型风电场的实例资料，介绍了风力发电的主流应用方式并网接入，重点探讨风电并网接入对系统的影响；第五章整理文献资料，详述风力发电发展的关键技术，其中包括低电压穿越技术、电网接纳风电关键技术、储能技术、风电功率预测技术、海上风电技术以及风力发电与其他电源联合运行技术；第六章10
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文针对风力发电现存问题及挑战，提出相应的解决措施，研究风力发电未来发展趋势。在本论文截稿时，对本论文末附的参考文献的作者也致以衷心的感谢。由于本人学识有限、时间仓促，论文中一定有许多疏漏之处及错误，殷切希望参考本次论文的老师和同学批评指正。
：风力发电技术发展趋势研究第一章 绪论1.1本课题背景日,日本当地时间14时46分,日本东北部海域发生里氏9.0级地震并引发海啸,同时造成日本福岛第一核电站1~4号机组发生核泄漏事故,造成重大人员伤亡和财产损失。此次地震引起的核辐射,让人类重新思考核能,并越来越关注可再生能源[1]。众所周知，可再生能源有水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能、地热能六大形式。随着传统石化能源的日益匮乏，可再生能源作为解决全球能源危机的绿色方案，受到世界各国的普遍重视。其中，风能源于太阳辐射使地球表面受热不均、导致大气层中压力分布不均而使空气沿水平方向运动所获得的动能。据估计，地球上可开发利用的风能约为2?107MW，是水能的10倍，只要利用1％的风能即可满足全球能源的需求[2]。同时风力发电是当今世界清洁可再生能源开发利用中技术最成熟、发展最迅速、商业化前景最广阔的发电方式之一，风电以其无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，造价低等特点，越来越受到世界各国的重视。早在很久以前它就被人们称为“蓝天白煤”。我国电力需求日益增加，而我国人口骤多，电力资源人均占有量变得更少。对于电力资源如此短缺之现状，无论从短期还是从长期来看，风力发电是电力可持续发展的最佳战略选择。风力发电将能迅速缓解我国能源急需和电力短缺的局面，对于缓解缺电，促进经济发展和提高社会效益具有非同寻常的意义，而且成为带有巨大商机的“朝阳产业”[3]。由于起步较晚，技术落后，我国的能源消费与世界主流有一定的差距。目前，世界平均电力消费中，煤电占39%、水电19%、核电16%、天然气15%、油电16%、风电等可再生能源占1%；其中，欧盟计划到2010年新能源提供的电力将提高到22%；而在我国的2010电力规划中，煤电占80%，水电占14.8%，燃气电占2.7%，核电占2.1%，风电等可再生能源占0.4%[4]。与其他可再生能源利用方式相比，风力发电是解决我国电力和能源紧缺的重要战略选择[5~7]。据中国气象科学研究院测算，我国的风力资源非常丰富，实际可供开12
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文发的陆地风能资源总储量有2.53亿kW，近期具备开发条件的风电场约有50个，分布在全国16个省(市、自治区)，风力发电已成为我国能源政策支持的重要发展方向。同时并网运行是风力发电最重要的运行方式，2007年，我国并网风电场总装机容量达605万kW，预计到2020年，总装机容量达2000万kW，将占全国发电发电量的1%[8]。由于现在风电市场急剧膨胀、装机容量连年翻倍增长、风电领域投资热潮迭起的现象背后，中国风电产业链市场竞争格局正在悄然发生变化。走出产业结构不均衡、产能盲目扩张、并网滞后利益博弈的困境，正在考验电网公司、风电设备厂商、零部件配套生产企业以及相关管理部门的快速反应能力[9]。1.2本课题研究目的及意义风电是可再生能源当中技术最成熟、价格最低的能源之一。近年来，在国家政策的大力扶持下，中国风电产业呈现出高速发展的态势，风电装机容量连年翻倍增长、风电领域投资热潮迭起。风力发电技术是一个多学科的综合性高技术系统工程。先进的风力发电机组控制系统会提高机组容量、改善风电质量、提高风电系统的效率和提高抗风险的能力[10]。然而，当前风电大规模并网对电网运行的冲击影响，仍然是制约风力发电发展的瓶颈。因此需要加大并网技术的研发，努力探讨如何通过机组设计和运行调度来实现风电大规模并入后电网的稳定可靠运行。并且风力发电技术不是十分成熟，风电场设计、建设、运行及并网方面还存在许多问题尚未彻底解决。并且经历全球金融危机之后，风电机组制造新秀的进入，搅乱了动荡中的风电市场，中国风电产业链市场竞争格局正在悄然发生变化。与此同时，随着市场的急剧膨胀，伴随风电产业发展的各种问题逐步凸显出来[11]。因此如何全面经济地利用风电，借鉴国外成熟的经验，寻求中国风力发电正确的发展方向是一个具有重要意义的研究课题。第二章 风电发展的现状2.1风能资源分布及特点根据世界气象组织估计，全球的可利用风能资源约为200亿kW，为地球上可利用水能资源的10倍。经估算全球风能蕴藏量约为33107kW，其中13
：风力发电技术发展趋势研究可利用的风能为231010kW。由于风能是来源于太阳能，因此也有人假设在太阳能进入地球大气时，每平方米的功率为1.35kW，假定约有60%的能量留在大气层中，其总能量为1.0431014kW。如果设想风能是该值的1%~2%，则风能为1.04??1012kW[12]。尽管各种估算数值不同，但总的来说全球具有巨大的风能资源，风能是取之不竭、用之不尽、可再生的清洁能源。
根据中国气象局第三次全国风能资源普查的结果，我国陆地10m高度层风能资源理论可开发储量为43.5亿kW、技术可开发量为2.97亿kW，技术可开发的陆地面积约为2?06年国家气候中心采用树脂模拟方法对我国风能资源进行了评价，结论是：在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地10m高度层风能资源技术可开发量为25.48亿kW。我国风力资源丰富，可开发量约为7~12亿kW，其中陆地约为6~10亿kW，海上约为1~2亿kW，按2009年风力发电装机容量1613亿kW，发电量269亿kW推算，未来每年可提供1.2~2万亿kW2h电量[13]。我国幅员辽阔，地形条件复杂，风能资源状况及分布特点随地形和地理位置的不同而相差很大。根据风资源类别划分标准，按年平均风速的大小，各地风力资源大体可划分为4个区域，见表2-1。
受大气环流、季风和海陆风的影响，我国风能资源较丰富的地区，主要分布在北部和沿海及近海岛屿两个带状范围内，青藏高原北部及内陆的一些特殊地形或湖岸地区也有一些风能较丰富的地区， 全国平均风速分布图如图2-1所示。14
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文
图2-1 全国平均风速分布图中国风能资源的特点：（1）风能资源季节分布与水能资源互补我国风能资源丰富，但季节分布不均匀，一般春季、秋季和冬季丰富，夏季贫乏。我国的水能资源丰富，雨季在南方大致是3~6月（或4~7月），在此期间的降水量约占全年的50%~60%[14]；在北方，不仅降水量小于南方，而且分布更不均匀，冬季是枯水季节分布恰好互补，大规模发展风力发电可以在一定程度上弥补我国水电冬春两季枯水期发电电力和电量的不足。（2）风能资源地理分布与电力负荷不匹配沿海地区电力负荷大，但是风能资源丰富的陆地面积小；北部地区风能资源很丰富，电力负荷很小，给风电的经济开发带来困难。由于大多数风能资源丰富区远离电力负荷中心，电网建设薄弱，大规模开发需要电网延伸的支撑。我国风电的开发程度还很低，截至2008年，风电装机容量为1.2?104MW，不到可开发量的1%。虽然目前各大电力公司及风电投资商在风力资源较好地区跑马圈地，所占容量也不过8?104MW，约占资源量低限的10%。未被开发的资源潜力还十分巨大。
2.2国外风力发电发展概况15
：风力发电技术发展趋势研究进入21世纪,全球可再生能源在不断发展,而在可再生能源中风能始终保持最快的增长态势,并成为继石油燃料、化土燃料之后的核心能源，目前世界风能发电厂以每年29%的增长速度在发展,根据全球风能协会(GWEC)的统计,至2009年底,全球风力发电机总装机容量达74.2GW,较2008年的59.1GW增长27%,如表2-2。由此可见,风电正在以超预期的发展速度不断增长。如今在全球的风能发展中,欧洲风能发电的发展速度很快,预计15年之后欧洲人口的一半将会使用风电。亚洲地区风力发电与美欧相比还比较缓慢,除印度一支独秀以外,其它国家风电装机容量均很小。风电累计装机容量居前五位(到2006年底)的国家依次是:德国(20620MW),西班牙(11615MW)、美国(11603MW)、印度(6270MW)和丹麦(3136MW)。表2-3为2009年底全球前十大风力发电市场总装机容量及市场占有率。欧洲是目前全世界风力发电发展速度最快,同时也是风电装机最多的地区。2010底欧洲地区累计风电装机容量为7708万kW,约占全球风电总装机容量的51%。尽管2010年欧洲风电装机增长幅度有所放缓,年增幅由2010年的58%降为2009年的51%，不过随着一些欧洲国家海上风电项目的发展,预计欧洲地区风电装机仍将维持快速增长的势头。其次为亚洲24.3%(3679MW)和北美洲地区21.3%(3230MW),其它地区合计市场占有率为3.7%(580MW)，如图2-2所示。
图2-2 2010年全球新增风力发电区域分布(数据来源GWEC-2010）
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文
2.3国内风力发电发展概况17
：风力发电技术发展趋势研究我国有着丰富的风能资源,幅员辽阔、海岸线较长,风能资源比较充足,风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部地区和东部至东南沿海地带及岛屿。“世界能源理事会”1994年风能评估报告指出,中国理论风力资源潜力是17,000TWh/年。我国可开发利用的风能储量约为10亿kW,其中,陆地上风能储量约2.53亿kW(依据陆地上离地面10m高度计算),海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW。但是,由于我国地形复杂、国土广阔,风能资源的地区性差异很大,即使在同一地区,风能也有较大的差别。风能利用历史可追溯到公元前，但进行风力发电科研的工作起步较晚，据资料统计，全国陆地上离地10m高度层上风能资源总储量约3226GW和4350GW，可开发和利用的陆地上风能储量有253GW和297GW。如果风能资源的开发和利用率实现60%，那么仅风能就可以支撑中国目前每年全部的电力需求[11]。我国利用风力发电是从20世纪50年代开始的，到20世纪80年代初，起步较晚，同发达国家相比，我们还有相当大的差距。至今，我国已经在河北张家口、辽宁营口、黑龙江富锦等等地区建成10多个百万千瓦级的大型风电基地，并初步形成几个千万千瓦级风电基地，并且计划在甘肃酒泉、江苏南通等地兴建GW级风电场。2008年全国并网风力发电容量又一次实现飞跃性的发展。继年实现年增长率分别为105.3%、127.3% 后[15]，再次实现了年增长率为105.8%。全年新增风电装机容量达624.6万kW，占2008 年全国新增发电装机容量的8.0%。近10多年来全国新增风电装机容量及年增长率情况如图2-3示。近几年，尤其是 年，我国风电装机连续3年增长翻番，风电在我国发电装机总容量中的比重有了大幅度提高。尽管同期全国发电装机总容量的增长也很快，但风电装机比重仍从2005年的0.25%提高到了2008年的1.53%。1992 年以来全国历年的累计风电装机容量及其占全国发电装机总容量的比重变化情况如图2-4所示。18
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文
图2-3 全国风电近年新增装机及年增长率（未含台湾省数据）
年全国风电装机及其占全国发电装机的比重
第三章 风电机组的分类及控制3.1风电机组类型风电机组是将风能转化为电能的装置，其基本原理为：风轮捕获风能带动风轮轴转动，风轮轴的转动机械能传递到发电机转子，拖动发电机发电，输出三相交流电。对于非直驱式风电机组，由于风轮转速较低，不符合发电机的要求，因此还配备齿轮箱，将风轮轴的转动传递到发电机主轴，同时通过齿轮结构进行增速，带动发电机发电。风力发电机则是将机械能转变成电能输送给负荷或电力系统，这就是风力发电的工作过程[16],如图3-1所示。19
：风力发电技术发展趋势研究图3-1 风力发电的工作过程由于风电机组的组成复杂，因此，根据不同的结构，风电机组有不同的分类方式。例如，按装机容量，按运行方式，按风轮轴方向，按功率调节方式，按传动形式等可分为以下几种。（1）按装机容量可以分为小型、中型、大型和特大型风电机组。小型机组指容量在0.1~1kW；中型机组指容量在1~100kW；大型机组指容量在100~1000kW，特大型为1000kW以上。（2）按运行方式可分为离网型风力发电机组和并网型风力发电机组。离网型风力发电机组不与电网连接，运行不受电网电压及频率的限制，因此不必设置控制运行的复杂系统，一般用于没有电网地区。而并网型风力发电机组产生的电能向电网输送，电压和频率必须与电网一致。（3）按风轮轴方向分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。水平轴风力发电机组是风轮轴基本上平行于风向的机组，工作时风轮的旋转平面与风向垂直。水平轴风力发电机组按风轮与塔架的相对位置可分为上风向和下风向，如图3-2（a）所示。垂直轴风力发电机组的风轮旋转轴与地面垂直，垂直轴风轮按形成转矩的机理又可分为阻力型和升力型，阻力型的效率低于升力型，如图3-2（b）所示。
(a)水平轴风力发电机组
(b)垂直轴风力发电机组图3-2 两种风轮轴方向的风力发电机组20
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文
（4）按功率调节方式分为定桨距风机、普通变桨距风机和主动失速型风机。定桨距风机：其风轮叶片直接与轮毂固定，安装角固定不变。失速型风力发电机组工作原理是在一定迎角范围内叶片翼型的升力系数与迎角成正比，超出一定迎角后气流开始分离，不再保持正比关系，当迎角大到一定程度后，升力系数下降，阻力系数增加称为失速。失速型风电机组的最大优点是，控制系统结构简单，制造成本低，可靠性高。但失速型风电机组的风能利用系数低，叶片上有较复杂的气动制动装置，当风速跃升时，会产生很大的机械应力，需要比较大的安全系数。普通变桨距风机：这种风机当风速过高时，通过减小叶片翼型上合成气流方向与翼型几何弦的攻角，改变风力发电机组获得的空气动力转矩，能使功率输出保持稳定。同时风机在启动过程也需要通过变距来获得足够的启动转矩。采用变桨距技术的风力发电机组还可使叶片和整机的受力状况大为改善，这对大型风力发电机组十分有利。主动失速型风机：主动失速型风力发电机组是定桨距型与变桨距型风力发电机组的结合。叶片采用失速叶片，在低风速时将桨距角调节到可获取最大功率输出的位置；当风速超过额定风速后，桨距角主动调到失速范围，使功率稳定在额定值或以下，限制功率超载。随着风速的不断变化，叶片仅需微调就能维持额定功率输出[17]。主动失速型风力发电机组的特点是既具备定桨距失速型风力发电机组的特点，又可进行变桨距调节，提高机组的运行效率，输出功率较平稳。（5）按传动形式可分为高传动比齿轮箱型、直接驱动型和半直驱型。
高传动比齿轮箱机组中的齿轮箱的主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风轮的转速较低，通常达不到风电机发电的要求，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现。
直接驱动型机组应用多极同步发电机可以去掉风力发电系统中常见的齿轮箱，让风力发电机直接拖动发电机转子运转在低速状态，这就没有了齿轮箱所带来的噪声、故障率高和维护成本大等问题，提高了运行可靠性。
而半直驱型机组的工作原理是以上两种形式的综合，这种风机减少了21
：风力发电技术发展趋势研究传统齿轮箱的传动比，同时也相应地减少了多极同步发电机的极数，从而减小了发电机的体积。（6）根据风力发电机的运行特征和控制方式分为恒速恒频风力发电机组和变速恒频风力发电机组。恒速恒频 ( constant speed constant frequency，CSCF)风力发电系统。这是20世纪80、90年代常见的一种类型的风力发电系统，机组容量已发展到兆瓦级，具有性能可靠、控制与结构简单的特点。但这种风电系统，当风速发生变化时，风力机的转速不变，风力机必偏离最佳转速，风能利用率Cp值也会偏离最大值，导致输出功率下降，浪费了风力资源，发电效率大大降低。变速恒频 ( variable speed constant frequency，VSCF) 风力发电系统。VSCF 风电系统风力机的转速可变化，当风速改变时，可适时地调节风力机转速，使之保持最佳状态，风能利用系数Cp接近或达到最佳，可实现对风能最大限度地捕获，由此优化了机组的运行条件，系统的发电效率也大为提高[18]。相对CSCF 风力发电系统，VSCF 风力发电系统转速运行范围较宽，可灵活地调节系统的有功和无功。目前，国内外已建或新建的大型风电场中的风电机组多采用这种运行方式，尤其是兆瓦级的大容量风电系统已成为主流的风力发电系统。目前在并网风力发电领域主要采用水平轴风电机组形式，其基本结构如图3-3所示，由风轮、传动系统、发电机、控制与安全系统、偏航系统、机舱、塔架和基础组成。
水平轴风电机组结构图22
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文
3.2风力发电系统中的机组根据基本结构以及运行原理，发电机通常可分为直流电机、感应异步电机和同步电机几大类。风力发电系统中电机类型繁多，包括以下类型。在 CSCF 风电系统中常用的发电机包括异步机感应电机和电励磁同步机。异步机运行稳定可靠、坚固耐用、结构简单便于维护，适用于各种恶劣的工况条件，但转速运行范围窄。电机定子一般通过变换器或软启动器与电网相连，如图3-4所示，通常还需并联无功补偿器，提供足够的无功补偿以维持机端电压稳定。软启动器的主要作用是限制并网时过大的冲击电流对电网的不利影响。23
：风力发电技术发展趋势研究
图3-4 带软启动器的异步机恒速恒频风电系统
图3-5 双PWM结构的异步恒速恒频风电系统电励磁同步电机，带有独立的励磁系统，是同步电机必不可缺的组成部分，必须通过励磁系统的激磁才能建立旋转磁场，旋转磁场以同步转速旋转运行。根据励磁系统的励磁方式可分为直流励磁、静止交流整流励磁和旋转交流整流励磁。旋转交流整流励磁无需电刷及滑环，可靠性大为提高。调节励磁可以改变电机无功功率以及功率因素，且并网运行供电可靠性高，频率稳定，电能质量好，这是同步机的显著优点。电励磁同步机恒速恒频风电系统如图 3-6所示。
图3-6 电励磁同步机恒速恒频风电系统
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文在 VSCF 风电系统中所采用的电机种类比较多，常见的有以下几种： ( 1) 笼型异步电机因转子结构像鼠笼而得名，风速改变时，风力机和发电机的转速也跟随调整，因此发电机输出的电压频率不是恒定的，利用电机定子和电网间的变换器，将频率转变成与电网相同的恒定频率，可见变速恒频控制是在定子侧实现的[19]。由于电机定子与变换器相连，变换器容量与发电机的相同，特别在大容量风电系统中将导致变换器成本、体积以及重量都明显增加，一般多应用于离网型风电系统。( 2) 绕线式异步电机a.普通绕线式异步发电机。这类发电机的滑差变化小，调速范围较窄，通常不超过 5%。利用改变转子回路外串电阻阻值大小的方式，就能改变转子回路中外串电阻所消耗的转差功率，以此达到改变电机转速的目的，但在转子回路串入电阻，使系统损耗加大。b.双速异步发电机。这种发电机具有2种不同的同步转速，即低同步转速和高同步转速。风速较低时采用低同步转速运行方式，维持低功率输出; 风速较高时采用高同步转速运行方式，与之对应则是高功率输出。根据异步电机理论，在电网频率恒定的情况下，只需改变极对数p，就能改变同步转速。通常通过安装2套不同绕组或改变定子绕组的接线方式就可改变极对数p。c.滑差可调异步发电机。根据风力机特性，当风速改变时，而风力机转速维持不变，风能利用效率Cp必将偏离最佳值，风力机发电效率将明显降低。若风速在一定范围内变化时，风力机的转速也可跟随变化，此时利用电力电子元件构成的控制机构，调整滑差可调绕线式异步发电机转子绕组中串接电阻值的大小就可保持转子电流恒定，不需要进行变桨距调节便可保持发电机输出功率恒定，避免了风速频繁变化引起输出功率的波动，供电质量明显改善； 变桨距调节机构也无须频繁操纵、控制，大大提高了系统运行的可靠性，有效地延长了机组的使用年限。d.交流励磁双馈异步发电机。这类发电机定子侧直接与电网相接，转子侧通过变换器与电网相连，定子、转子均可与电网双向传递功率，通过转子侧变换器可改变转子电流的频率、相角及幅值实现恒频输出。这种电25
：风力发电技术发展趋势研究机既可电动运行，也可发电运行，调速范围较宽，而定子侧输出电压与频率均可保持恒定； 对输出有功和无功可分别独立控制；对网侧有无功补偿的作用，可有效提高电网的功率因素，大大增强系统的稳定性。变换器只提供转差功率，其容量仅仅相当电机的20%～30%，可显著降低变换器的成本，是一种较为优化的变速恒频运行方案，在风力发电系统中得到了日益广泛的应用，如图3-7 所示。
双馈型变速恒频风电系统e.无刷双馈异步发电机。无刷双馈异步发电机定子包含2套极数不同的绕组：功率绕组，相当于双馈发电机的定子绕组，与电网直接相连； 控制绕组，相当于双馈发电机的转子绕组，通过变换器连接电网，转子采用磁阻式或者笼型结构形式； 虽然这种发电机的运行原理与双馈发电机的存在本质的不同，但都能利用相同的控制策略进行变速恒频调节。因发电机本身没有滑环和电刷，既降低了成本，又提高了运行的可靠性，如图3-8所示。
无刷双馈型变速恒频风电系统( 3) 永磁同步发电机永磁式发电机转子用永磁材料( 稀土中的钕铁硼永磁) 制成，无需独立的励磁绕组，因此励磁损耗低，同时它无需换向装置，具有效率高且寿26
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文命长等优点。永磁同发电机定子通过变换器与电网相连，因此变换器的容量与电机的相同，变速恒频运行是在定子侧实现的。若省去系统的齿轮箱部件，风力机与发电机直接耦合，即为直驱动式结构，如图 3-9 所示，否则为半驱式结构。直接耦合后无需传动装置，噪声大为降低，但发电机运行时转速比较低，导致电机机体体积相对较大，成本有所提高，但考虑省去了造价昂贵且易磨损的齿轮箱部件，整个机组的制造成本还是下降了，可靠性也大为提高，系统也更便于维护。
直驱式永磁同步机变速恒频风电系统2010年10月，首台中国自主研发设计、生产的单机最大容量 5M W 直驱永磁海上风电机组在湘潭电机股份有限公司下线，标志中国的大型风电设备制造企业已跻身世界先进行列。( 4) 混合励磁永磁同步发电机这种发电机是在永磁同步电机结构基础上改良而来，既含有永磁体，又带有自身的励磁系统。电机气隙磁场由2部分合成：一部分是由电励磁系统激励生成，这部分磁场强弱可调节； 另一部分则由电机的转子永磁体产生，是构成磁场的主体部分。它同时具有永磁同步电机及电励磁同步电机两者的优点：磁场既可调，励磁损耗又低，且效率高，又解决了永磁同步电机磁场难以调节的不足，有较好的发展应用前景[20]。( 5) 开关磁阻发电机开关磁阻发电机转子上既无绕组也无永磁体，电机定子上有集中绕组，利用控制器分时实现发电和励磁，因此结构简单，成本低，可靠性高；开关磁阻电机低速性能良好、启动转矩大、调速范围宽、过载能力强，可应用各种高低速驱动调速系统。目前，在风力发电系统也有一定的应用(小于 30kW)。27
：风力发电技术发展趋势研究( 6) 高压发电机。普通发电机通常只能在低压条件下运行，发电后必须通过升压变压器才能在电网上输送电能，这表明通过变压器输电时存在较大的功率损耗; 高压发电机在结构上与普通发电机并无特别之处，但高压发电机定子绕组采用高压电缆绕制，使得发电机可以运行于高压条件下(最高可达400 kV)，电机铜耗明显降低，提高了功率变换器输出电压的等级，风电系统经变压器升压就可向电网输电[21]。因省去了变压器和传动机构，电磁损耗较低，可靠性高。瑞士 ABB 公司就从事这方面的研究，并于1998年基于Power former技术研制了世界上台高压发电机。目前只有为数不多的风电系统采用这种发电机，如ABB公司以Wind former技术开发的风电系统。( 7) 储能式发电机。对于风电功率波动的问题，输出功率较小的情况下，通过加设滤波电容(或储能装置)，利用滤波电容削峰填谷的平滑作用可抑制功率大幅波动; 若输出功率很大，波动明显，电容器容量必须很大，导致电容体积、成本大幅增加，这对电容器的性能、稳定和可靠性要求很高，技术上实现不容易。利用储能式发电机，其输出功率的波动性将极大得到平缓控制，这就意味着风电功率波动导致大规模上网难这一技术难题能够克服。这种电机容量很小，通常应用于各种高低压断路器中，目前湘电对船舶用大功率储能电机的研制正在进行中，而在风力发电中的研究多处于理论阶段，尚无法投入使用。常见风力发电机结构及性能比较如表3-2所示。3.3主流机组应用与控制近年来进入风力发电领域的变速恒频风力发电机组，已逐渐成为风力发电机组的主流机型，其主要特点是在全桨变速有限变速风力发电机组的基础上，采用了转速可以在大范围变化的发电机及相应的电力电子技术，通过对最佳叶尖速比的跟踪，使得风力发电机组在所有的风速下均可获得最佳的功率输出。目前在各类风电机组中，两种最具竞争能力的结构形式是双馈式异步风力发电机组和直驱式永磁风力发电机组。大容量的机组大多采用这两种28
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文结构，但本节还介绍一种介于两者之间的半直驱式风力发电机组。3.3.1双馈式异步风力发电机组交流励磁双馈发电机的主要结构特点：定子与一般三相交流发电机定子一样，具有分布式交流绕组；转子不是采用同步发电机式的直流集中绕组，而是采用三相分布式对称交流绕组，与三相绕线式异步电机(绕线型感应电机)的转子结构相似，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样转子侧既可以输入电能也可以输出电能。它在正常工作时，其定子绕组接入工频电网，转子绕组经一个频率、幅值、相位都可以调节的三相变频电源供电[22]。
并网运行时的交流励磁双馈风力发电机系统如图14所示。交流励磁双馈发电机的运行原理：交流励磁双馈发电机定子接入电网，转子绕组由频率、相位、幅值可调的电源供给三相低频励磁电流，在转子中形成一个低速旋转的磁场，这个磁场转速与转子的机械转速相加等于定子磁场同步速，从而发电机定子绕组中感应出同步转速的工频电压[23]。当风速变化时转速随之变化，此时相应改变转子电流的频率和转子旋转磁场的转速以补偿电机转速变化，可达到变速恒频的目的。
图3-10 双馈式风力发电系统
图3-10 所示的就是使用广泛的双馈风力发电机，这种风电系统中定子直接与电网相连，转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动。双馈风力发电机既可以次同步速运行，又可以超同步速运行，变速范围宽，可跟踪最佳叶尖速比，实现最佳风能捕获，提高风电转换效率；它还可对输出的有功功率和无功功率进行控制，优化功率输出，提高了功率因数和电能质量。与恒速恒频风电机组相比，由于它的控制系统比较复杂，29
：风力发电技术发展趋势研究转子通过电刷和滑环与变频器连接，因此会降低双馈发电机运行的可靠性，同时由于该种发电机的频率和网侧频率是一种弱耦合关系，转子频率与电网频率之间是通过双PWM变频器转换，存在着谐波污染等问题。双馈发电机的结构与绕线式异步电机类似，不同的是转子通过变频器与升压变压器和电网连接。当风速变化引起发电机转速n变化时，控制转子电流的频率f2，可使定子频率f1恒定，当发电机的转速n小于定子旋转磁场的转速n1时，即n&n1，处于亚同步状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，发电机定子发出电能给电网；当n&n1时，处于超同步状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量流向逆向；当n=n1时，处于同步状态，此时发电机作为同步电机运行,变频器向转子提供直流励磁。由此可知，当发电的转速n变化时，若控制f2相应变化，可使f1保持恒定不变，即与电网频率保持一致，也就实现了变速恒频控制[24]。采用交流励磁双馈发电机的变速恒频风力发电系统具有以下优点：1、按吸收最大风能跟踪风速变化去调节转速，最大限度的捕捉风能，提高风力发电机组的效率。2、允许原动机在一定范围内变速运行,简化了调整装置,减少变速时的机械应力和磨损,同时使机组控制更加灵活、方便,提高了机组运行效率。3、采用一定的策略(如矢量控制,双PWM变频器等)可灵活调节系统的有功和无功功率,对电网而言此系统可起到功率因数补偿的作用。4、采用PWM技术可抑制谐波,减小开关损耗,提高效率。5、需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分,从而使变频装置体积减小、成本降低、投资减少。6、双馈发电机采用交流励磁，使发电机和电网系统构成了“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动，满足电网的要求。正是因为这些优点，使得双馈发电机成为变速恒频风力发电领域应用的主流发电机。常用的双馈发电机目前仍然有滑环和电刷，这是限制单机容量的因素。无刷双馈发电机已经开始在风电中试验，不久将可以应用到30
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文风力发电系统中。双馈式变浆变速机型，是目前大部分企业采用的技术，技术成熟，是风电行业主流的先进技术，其机组的结构示意图如图所示。通用公司、歌美飒、维斯塔斯、苏司兰、华锐、东汽、上海电气、北重、沈阳华创等公司，采用此技术。当前商业运行的DFIG风力发电机组最大容量已达到5MW。
图3-11 双馈式风力发电机组的结构示意图在双馈风力发电机控制发展过程中出现了很多控制策略，主要包括矢量控制、标量控制以及直接转矩控制。(1)矢量控制在双馈风力发电机组励磁控制中，以前往往采用矢量控制策略，分为两大类，即基于气隙磁场定向的矢量控制策略和基于定子磁场定向的矢量控制策略。对于并网型风力发电机，较多文献采用了定子磁场定向的矢量控制方法，它将同步旋转坐标系的d轴与双馈发电机的定子气隙磁场矢量重合，推导出基于定子气隙磁场定向的双馈发电机稳态下有功、无功解藕的励磁控制模型。但由于矢量控制的鲁棒性较差，并且由于矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果与理论分析的结果又一定的偏差，这是矢量控制技术存在的缺陷。31
：风力发电技术发展趋势研究(2)多标量控制基于多标量模型的双馈电机控制方法通过多标量模型变换电机系统到两个独立的线性子系统中，利用PI调节器控制定子的有功和无功。在该方案中，定义转子转速，定子磁链幅值的平方，定子磁链和转子电流的叉积和点积四个标量，并根据上述四个标量电机的微分方程，在忽略定子电阻的情况下，对定子磁通做归一化处理后，电机的有功功率和无功功率可以得到解祸控制。(3)直接转矩控制直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能的异步电动机变频调速系统。1977年美国学者A.B.Plunkett在IEEE杂志上首先提出了直接转矩控制理论，1985年由德国鲁尔大学DePenbrock教授和Tankahashi分别取得了直接转矩控制在应用上的成功，接着在1987年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围[25]。不同于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题。3.3.2直驱式永磁风力发电机组直驱型风力发电机组又称无齿轮箱风力发电机组。直驱型风力发电机组通常采用永磁同步发电机，转子使用永磁体，没有励磁系统。直驱型风力发电机组将风能转化为频率、幅值都变化的三相交流电，经整流后通过逆变转换为恒频恒压的三相交流电馈入电网。通过全功率变流装置，对系统的有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率地利用风能[17]。全变速的风力发电机组如图3-12所示，发电机的定子与电网通过大容量变频器连接。这种变频器起到无功补偿和与电网平滑连接的作用。直驱式风力发电系统因其噪声小、维护成本低、具有较好的低压穿越能力而受到越来越多的关注。永磁材料在性能改善的同时，价格也在不断降低，另外永磁电机不需要电励磁，控制更加简单，用在直驱式风力发电领域具有优势[26]。电力电子技术近年来的不断发展，原来限制直驱式风力发电系统大力发展的电力电子变换装置已经不再成为难以克服的问题。32
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图3-12 直驱式风力发电系统这种机组中变转速风力发电机通过全额变频器接入电网。由于发电机转子直接与风力机的轮毂相连接,因此直驱型风力发电机转速较低。当传递能量一定时,必然要求其具有较高的转矩,从而导致发电机体积较大[27]。低转速还导致发电机极数较多,为了获得合理的极距,必然要求发电机有较大的外部尺寸来放置磁极。同时,考虑到负载电流和气隙磁密的约束,随着直驱式风力发电机容量的增加,为保证转矩密度不会进一步显著的增加,转矩越高导致发电机体积越大。为了提高发电机的效率、减小发电机的重量,直驱式风力发电机通常被设计成外径较大、极距较小的结构[28~29]。此外,由于取消了齿轮箱,直驱式风力发电机组具有传动链简单、整体效率高、可靠性和可用性高等优点。目前,市场上直驱式风力发电机主要分为电激磁同步发电机(EESG, Electrically Excited Synchronous Generator)和永磁同步发电机(PMSG, Permenant Magnet Synchronous Generator)两大类。3.3.3半直驱式风力发电机组半直驱型风力发电机组又称混合型风力发电机组。一般采用单级齿轮箱升速，这种结构可以分别应用在双馈型与直驱型中。与直驱型风力发电机组相比，单级齿轮箱半直驱型风力发电机组具有较佳的能量成本比，同时由于发电机的特殊设计，大大减轻了发电机的体积和重量，方便安装和运输，具有较好的应用前景。目前，失速型风力发电机组已逐步被变桨变速型风力发电机组替代。在变桨变速型风力发电机组中，主流机型是双馈型风力发电机组，其次是直驱型风力发电机组，半直驱型风力发电机组正在研制阶段。并且风电机33
：风力发电技术发展趋势研究组的主要发展方向是重量更轻，结构更具有柔性,直接驱动和变速恒频等。从目前的发展趋势来看，以水平轴、上风向、三叶片的升力型机组为主流的风电机组[30]。(1)变桨距调节方式将会取代定桨距失速调节方式。变桨距调节能够按最佳参数运行，额定风速以下具有较高的风能利用系数，功率曲线饱满；额定风速以上功率输出稳定，不会造成发电机超负荷；较定距失速式整机受力状况得到改善,而且年发电量大。(2)变速运行方式将会取代恒速运行方式变速运行。在低风速时能够调节发电机反转矩以使转速跟随风速变化，从而保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时能够利用风轮转速的变化存储或释放部分能量，从而提高传动系统的柔性，使得功率输出更加平稳，以获得最大功率。(3)直驱式的市场份额会越来越大。直接驱动可省去齿轮箱，减少传动链能量损失、减少停机时间、发电成本和噪声，降低了维护费用，提高风电转换效率和可靠性。(4)风力发电机无刷化可提高系统运行的可靠性，实现免维护，提高发电效率。(5)大型风机系统和小型风机系统并列发展。在开发大型机的同时还应重视小型机。用于海洋作业时，景观、噪声等方面的问题不突出，适于采用数MW的大型机组；当受地形、系统等外部条件限制时，应用小型机较有利。(6)并网大型化与离网分散化互补运行。偏僻地区等电网较小，适用于离网分散型电力系统。
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文表3-2 风力发电中常见发电机结构和性能比较
第四章 风力发电并网作为对新型清洁能源的开发和利用，风力发电近年来发展迅速，各大发电企业纷纷上马风电。特别是在沿海等风能资源地区，风力发电接入电网的步伐不断加快、规模不断增大。风电的大量并网，也给电网的运行带来了一定的负面影响，风能具有随机变化的特性，而风力发电机组的输出功率与风速的立方成正比，因此风力发电机组的输出功率通常随着风速大幅快速变化。若将大量风电接入电网，将会对电网的电能质量和电网稳定性产生影响，电能质量下降，调度运行复杂化。在某些情况下会成为制约风电场装机容量的主要因素，甚至造成非常严重的事故。例如日清晨西北电网酒泉地区一个风电场单条馈线故障，导致该地区11个风电场引发风电机群发生大规模脱网事故。该事故是截止目前我国风电事故中脱网规模最大的一次，损失出力达840.43MW，西北主网频率最低至49.854Hz[31]。随着大规模风电的接入，风电容量在系统中所占比例的增加，其对系统的影响将不能被忽视。
：风力发电技术发展趋势研究风电场并网运行对电力系统电能质量、安全稳定带来诸多负面的影响，现如今风力发电逐步的规模化和产业化，风电场装机规模不断增大，风电场注入功率的变化对电网的影响也同益显著。为了更加充分的开发利用风力资源，在风电场建设之前，需要对并网风电场接入电力系统稳定的影响做深入的研究分析，这对风电场的规划设计以及电力系统的稳定运行都有着重要意义。4.1风电并网系统的组成风电并网系统由风力发电机群组成的风电场A、升压变电站B和输电线路L组成的并网型风力发电系统，是将风电电力通过PCC节点送入电力网络，再提供给用户，如图4-1所示。PCC节点是风电场与电网的连接点，又称公共连接点。
图4-1风电并网系统的组成风电相当于“负”负荷，具有间歇性和随机性。风电在电网中的使用受到一定的限制，同时大型风电场并网增加了电网运行调度的难度。4.2风电并网对电力系统的影响风电场向电网输送电能时必须保证一定的电能质量，通常电能质量由频率、电压、谐波、闪变和三相不平衡度组成。并网型风电场对于电网稳定性的主要威胁一方面是风速的波动性和随机性引起风电场出力随时间变化且难以预测，从而导致风力发电接入电力系统时存在安全隐患；另一方面是弱电网中风电注入功率过高引起的电压稳定性降低。再者，风力发电机组在电网瞬态故障下有可能会加剧电网故障，甚至引起局部电网崩溃。36
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文4.2.1对电网频率和有功功率的影响风电场发出的功率是随着风速随即切入或退出电网的。假定在某时刻，电网中的部分负荷由切入风电（?PG，W）供电，常规电源总发电有功功率P则等量地减少至PG0，如图4-2（a）所示。如果此时无风，风电电力下降到零，则由常规电源的旋转备用（?PG）供电，如图4-2（b）所示。?PG是在常规发电机调速系统的作用下调出的，这一过程伴随电网的频率调整。为保证不间断地给用户供电，电网为风电准备的?P由G必须是旋转备用的，发电机的一次调频功能实现[17]。
图4-2 风电场有功功率动态平衡风电切入、退出前后电网的稳态频率，可用下式计算，即KP??KG?KL???P?100%
（4-1） ?fKG??(PG0?PG)/PGN?p??G?100%
(f0?f)/f0?fKL?(PL0?PL)/PL0?PL??100%
（4-3） (f0?f)/f0?f37
：风力发电技术发展趋势研究??PGN
（4-4） PG0式中：PG0、PL0分别为与额定频率f0对应的发电有功功率和负荷有功功率；PG、PL分别为与频率f对应的发电有功功率和负荷有功功率；PGN为(PGN?PG0)为电网的旋转备用容量；所有常规发电机组额定有功之和，KP为电网的频率静态特性系数，需要由?、KG、KL等系数计算求出；KG为常规发电机组的频率静态特性系数，与各发电机的调速特性有关；KL为负荷频率静态特性系数，与所带负荷类型有关，在1~3之间；?为电网的旋转备用系数。例如：某电网旋转备用系数??1.05；常规发电机组频率静态特性系数KG?10.4；负荷的频率静态特性系数KL?1.5，风电所带负荷功率为总有功负荷的4%（?P%），计算无风时风电退出引起的频率变化。由计算结果可知，风电退出后，电网频率下降了0.322%，由50Hz下降到49.839Hz/s。在频率变化的同时，风电切入或退出还将引起电网中线路功率的振荡，这与风电切入功率的大小、切入的速度、切入点的位置及所连设备的惯性常数有关。如果风电切入点附近有相当于风电功率的负荷，这部分负荷就近吸收了风电电力，则引起的功率振荡就较小；如果风电切入点附近没有多少负荷，风电将根据潮流分配原理送到电网的其他地方，风电电力能否畅通送出，输电线路是否过载，是否会引起线路的功率振荡，则要借助于电网潮流、暂态计算程序等进行仿真分析计算。同时风电并网在对系统的有功调度也会产生重要影响，与常规能源电厂相比，风电场输出功率受风速等气象因素影响较大，输出功率是不完全可控。然而电力系统制定发电计划是基于电源的可靠性和负荷的可预测性，以往小规模风电接入系统时，一般将风电场作为负的负荷来处理，由于风速引起的功率波动在系统的容许范围内，扰动被系统消纳，对整个电网安382008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文全稳定影响较小。大规模风电接入系统时，由风速变化引起的功率波动会对电网运行造成严重影响甚至危及电网安全，必须对电网原有的运行调度方式进行优化和调整以应对大规模风电并网带来的问题。大规模风电并网会对系统供需平衡造成很大的影响，其系统结构如图所示，这就需要准确预测供需走势，预测是实施供需平衡调节的基础。供需差可能来源于负荷、潮流交换、间歇性电源等的变化。供需走势的预测对于系统运行至关重要。风电预测直接关系到整个调度系统的运行成本和调度安全问题，而目前的风电预测误差为10~15%远高于负荷预测误差，远不能达到系统运行对预测精度的要求，给大规模风电并网的系统运行带来很大隐患。同时需要足够的系统调节平衡资源来提升系统应对风电出力变化和不确定的能力，由于风电出力变化和不确定，导致系统必须维持很高的系统调节资源以作备用，降低了系统资源的利用率，否则系统将无法应对风电出力变化和不确定性，影响系统的安全可靠运行。
图4-3 大规模风电并网后电力系统结构大规模风电并网后，调度系统在原有基础上增加包括风电预测、风电场控制层、系统控制层等部分。风电场控制层接收系统控制层的调度指令，并且接收每台机组反馈的某一时段可以输出的功率限值，风电场控制层向风电场内的每台机组下发控制指令其中包括有功功率、无功功率。39
：风力发电技术发展趋势研究系统控制层调度指令制定是基于风电预测结果最优决策方案，其中包括风电场发电计划、常规能源电厂发电计划以及系统有功备用分配等内容。风电预测根据时间尺度不同分为短期风电预测（提供1~72h预测）和超短期风电预测（提供15min~4h预测），同时为提供可靠的风电预测信息，风电预测系统包括数值天气预报（NWP，Numerical Weather Prediction）、本地模型（LAM，Local Area Models）、风输出功率预测和地区重构。利用短期风电预测和负荷预测结果，制定满足日前电量交易计划的发电计划，同时风电和负荷的不确定性导致预测结果和实际运行中存在较大的偏差，并且目前日前计划在实际执行中受到各种约束条件影响，需要在实时调度中考虑这些约束进行动态有功优化。电力系统动态有功优化调度，一般由日前调度、实时调度和自动控制(AGC，Automatic Generation Control)组成。风电有功调度与控制的关键是如何合理调动相关非风电机组的协调配合作用，协调配合的过程需要与现有调度周期相接轨，能够通过适当技术手段调动出一定数量的常规能源机组。对于大规模风电场并网存在较大的峰谷差，风电在10min左右可能从零升到额定值，或从额定值降到零，这就需要调用系统中常规能源机组对风电场实际运行中出现高幅值功率波动协调控制。
风电并网后有功控制结构
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文大规模风电并网后有功控制分为两级控制，在线调度控制与自动发电控制AGC，此前在风电功率预测的基础上安排发电计划和调度任务，超短期风电功率预测精度较高，则可以在前期的调度计划进行再校正以减少系统中弥补有功供需不平衡的平衡容量，同时充分利用风电场有功备用与系统中可调机组中有功备用执行系统二次调频，保证系统频率稳定和正常的联络线交换功率。在线调度控制周期内，借助系统中常规能源机组的配合对预调度周期内的调度计划进行再校正；在自动控制时间级内，系统内AGC机组的实时偏差控制对在线调度计划外的功率波动进行实时调整。实际运行中应通过系统中在线调度常规能源电厂的可调机组和部分可控风电场进行出力调整，使主调AGC机组保持最大调节容量，跟踪风电功率变化，并足以应对风电预测偏差对系统造成的影响。从电力系统获取调节资源的角度考虑，对系统中调节资源进行划分，首先调用地区电网中的优势资源，将风电产生的扰动消纳；无法有效消纳扰动时，则将启用其他地区甚至全网资源将风电扰动进行跨地区或者全网消纳。4.2.2对电网电压和无功功率的影响风电的间歇性和随机性，不仅表现在对频率和有功的影响，还表现在对电压和无功的影响。无功和电压变化的原因是在有功变化的同时，线路和变压器的无功损耗大幅度变化。线路的电压降也随之变化，并影响电网母线的电压水平，产生电压偏差。电压偏差问题属于电网的稳态问题。大幅度波动的风速引起风电机组出力波动较大，所以风电功率的波动导致电网内某些节点电压偏差超出国家标准规定的限值。这种情况下可以采取在风电场装设一定的无功补偿装置或切除部分风电机组等措施，来改善电压水平或使注人电网的风电功率减少，进而减缓风电注入对系统的影响。另外，加强网架结构、采用具有电压无功控制能力的双馈变速风电机组，都可以更好地改善风电接入地区电网的电压水平与电压稳定性。实际运行过程中，在风电功率波动大、无功需求量大且变化相对较快时。单依靠电容器组快速投切不能满足控制的要求，这时就需要在风电场内安装能够在风速波动时提供快速的无功支撑，有利于电网和风电场的无功电压调节的动态无功补偿装置，文献[32~33]对无功41
：风力发电技术发展趋势研究控制的方法进行了研究。在一定的条件下，有功功率可以长距离传输，但无功功率则应采取就地平衡的办法，因为无功功率长距离输送的损耗很大，受端所剩无功很少，受端电压偏差也可能超过规程允许的范围。大规模风电场接入电力系统时，风电场对无功功率的需求是导致电网电压稳定性降低的主要原因。目前，风力发电多采用异步发电机它需要外部系统提供无功支持，当风电场容量大，无功控制能力不足时，易影响电压的稳定性。静态电压稳定问题：研究表明, 一方面风电场的有功出力使负荷特性极限功率增大，增强了静态电压稳定性；另一方面风电场的无功需求使负荷特性的极限功率减少，降低了静态电压稳定性。由于风电场大多采用异步发电机，变速恒频风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率，风电场的无功仍可看作是一个正的无功负荷，因此风电场可能引起电压稳定性降低或电压崩溃现象。但只要系统的无功供给足够多， 则整体上可以认为风电场的并网增强了系统的静态电压稳定性。也就是说，风电并网对电网静态电压稳定性的影响可以是正面的也可以是负面的，它跟风力发电机的运行点密切相关。暂态电压稳定问题：通常认为，大规模风电并网引起的电压稳定性问题属于动态范畴, 因此很多文献都是围绕暂态电压稳定性展开的。影响暂态电压稳定性的因素很多，一般说来有如下几部分。1) 电网的强弱；2) 风机的类型(定速风机采用的普通感应发电机常为鼠笼式感应发电机，这种发电机的一个特性就是减缓故障后的电压恢复，如果接入弱电网易导致电压不稳定和转于转速不稳定。变速风机是通过逆变器与电网连接的，减少了风电场对电网的冲击，而且故障后的电压恢复也较快，但是故障发生时，变速风机为保护逆变器而从电网中断开，这样会甩掉大量的风电，带来更大的负面影响)。 3) 风机气动功率调节技术。 4) 风电的穿透功率水平；5 ) 无功补偿。和电压稳定相关很直接的一个因素就是无功补偿， 尤其是对带有普通异步发电机的风力发电[34]。4.2.3对电网谐波、闪变和电压波动的影响谐波是电网电能质量的重要指标之一。一个理想的电网是以单一恒定42
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文频率（50Hz）与额定幅值的稳定电压供电的。近年来，随着在电网中大功率变流设备和调压装置的利用、高压直流输电的应用、大量非线性负荷的出现以及供电系统本身存在的非线性元件，使电网中的电压波形畸变越来越严重，对电网造成了很大的危害。供电系统中的元件损耗增大，用电设备的使用寿命降低，干扰通信系统的正常运行。严重时，甚至还能使设备损坏，自动控制失灵，继电保护误动作，因而造成停电事故等及其他问题。
不论何种类型的风力发电机组，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电流的主要来源是发电机组中的电力电子元件。对于恒速风力发电机组来说，在持续运行过程中没有电力电子元件的参与，因而也没有谐波电流的产生。当风力发电机组进行投入操作时，软并网装置处于工作状态，将产生部分谐波电流，但由于投入过程持续时间很短，这时的谐波电流注入实际上是可以忽略的。需要考虑谐波干扰的是变速恒频风力发电机组，在运行过程中机组的变流器始终处于工作状态，谐波电流的大小与机组的输出功率有关，也就是与风速的大小有关。风力发电机组可以看作谐波源，其自身特性会影响可能产生的谐波分量，此外，电网的强弱也是影响谐波成分的因素。相同的谐波源，接入弱电网的谐波问题比接入较强的电网更严重。适于建设大型风电场的并网运行就有可能对其所接入系统的电能质量造成影响。与电压闪变问题相比，风电并网带来的谐波问题不是很严重。风电场对电网电能质量的影响程度，与风力发电机组的类型、控制方式、风电场布置、所接入系统的短路容量及线路参数等因素有关。如果已知上述参数，则可以进行仿真分析，计算出由风力发电机组并网所产生的谐波分量，并用标准要求的限制值衡量是否超标。如不满足要求，则应采取相应的措施。电压波动和闪变，简称闪变。电压波动是指电压均方根值的脉动或连续的变化。电压变动是指电压变动特性d(t)在时间轴上相邻两个电压极值之差，电压变动的频度r是单位时间内电压变动的次数。产生闪变的原因是由波动负荷（风电可看作负的波动负荷）引起的。风力发电机组并网运行引起的电压波动，源于其脉动的功率输出，主要取决于风的湍流强度、风剪切、塔影效应和偏航等因素。对于三叶片风力发电机组而言，其周期43
：风力发电技术发展趋势研究性功率波动的频率为三倍的风力发电机叶片旋转频率，也就是常说的3p频率。3p频率范围通常为1~2Hz，该频率下的功率脉动占总的平均功率的比例较小。当多台风力发电机组同时运行时，将对输出功率的脉动产生平滑作用。脉动幅度有所降低，但多台风力发电机组同时运行时将向电网输入更多的风电功率，由此引起的电压波动幅值会更大。变速恒频型风力发电机组引起的这种周期性的电压波动幅值要小得多，这得益于变速恒频风力发电机组的控制效果。由风力发电机组并网运行产生的1~2Hz的周期性电压波动，正好位于人眼对灯光强度变动最敏感的频率范围内，由此可能引起闪变问题。恒速风力发电机组引起的闪变问题相对较为严重，变速风力发电机组引起的闪变强度只相当于恒速风力发电机组的四分之一。影响风力发电引起的电压波动和闪变的因素很多，如风况（平均风速和湍流强度等）、风电机组类型、控制系统（桨距和速度控制等）和电网状况（风电机组公共连接点的短路容量、电网线路X/R比和公共连接点所连接的负荷特性）等。风况对并网风电机组引起的电压波动和闪变影响很大，尤其是平均风速和湍流强度。随着风速的增大，风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大。当风速达到额定风速并持续增大时，恒速风电机组产生的电压波动和闪变继续增大，而变速风电机组因为能够平滑输出功率的波动，产生的电压波动和闪变却开始减小[35]。湍流强度对电压波动和闪变的影响较大，两者几乎成正比例增长关系[36~37]。并网风电机组类型和控制系统对风电机组的电能质量影响很大。例如，恒速风电机组对p和3p 频率比较敏感，会产生较大的电压波动和闪变；但变速风电机组却可以减轻3p频率的影响[35]，变速风电机组运行产生的电压波动和闪变水平远低于恒速风电机组，几乎是恒速风电机组的1/4[36]。并网风电机组公共连接点短路比和电网线路X/R 比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小。合适的X/R比可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉，从而使整个平均闪变值有所减轻。研究表明当线路X/R比很小时，并网风电机组引起的电压波动和闪变44
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文很大。当线路X/R比对应的线路阻抗角为60°~70°时，并网风电机组引起的电压波动和闪变最小。并网风电机组在启动、停止和发电机切换过程中也产生电压波动和闪变。文献[38]分别计算了恒速定桨距和恒速变桨距风电机组在切换操作过程中产生的电压波动和闪变，并与持续运行过程中产生的电压波动和闪变作了比较。由于启动时无法控制叶轮转矩，而持续运行过程中的功率波动较小，所以恒速定桨距风电机组在切换操作过程中产生的电压波动和闪变要比持续运行过程中产生的电压波动和闪变大。对于恒速变桨距风电机组，结论是相反的。在塔影、风剪切和有限的桨距调节范围的联合作用下，恒速变桨距风电机组持续运行过程中的功率波动幅值非常大，从而产生较大的电压波动和闪变；而恒速变桨距风电机组可以控制叶轮转矩，启动时产生的电压波动和闪变比较小。4.3风力发电系统实例风电场是在风能资源较好的地区安装几台、几十台甚至成百上千台风电机组，并按照一定的布局方式，形成风电机组群。风力发电机组发出的电能经过变压器、集成电路和风电场升压变电所输送到电网系统。风电场是一种大规模利用风能的有效方式，其效果图如图4-5所示。20世纪70年代末，风电场的概念首先由美国提出。到1987年世界上90%以上的风电场建在美国，主要分布在加利福尼亚州及夏威夷群岛，装有7000多台不同型号的风电机组，总装机容量在60万KW以上。欧洲的丹麦、荷兰、德国、英国等国也都有总装机容量达兆瓦级以上的风电场。截至2009年底，全球的风电装机容量达到了1.59亿KW，其中美国最多，为3516万KW，其次是中国，为2601万KW，德国排在第三位，为2578万KW。西班牙和印度分别位于第四位和第五位，中国新增装机容量达到了1380万KW，是世界上风电装机容量增长最多的国家[12]。45
：风力发电技术发展趋势研究
大型风电场效果图甘肃酒泉是全国较早开始开发风电的地区之一，根据《甘肃酒泉千万千瓦级风电基地规划报告》，到2010年酒泉地区总装机容量将达到516万kW,其中瓜州405万kW，玉门111万kW；2015年酒泉地区风电装机容量达到1271万kW，其中了那个瓜州640万kW、马鬃山400万kW、玉门231万kW；2020年酒泉地区风电装机容量超过2000万kW，建成甘肃“陆上三峡”。截至2009年底，甘肃酒泉地区已投产发电的风电装机容量已达到70.51万kW，在建或已经核准的风电装机容量为445.5万kW。
酒泉风电基地规划方案酒泉风电基地的主要特点：1、装机总规模巨大酒泉千万千瓦级风电基地是世界上最大的风电基地，仅考虑已经批复规划的万kW的风电建设规模，就已经超过了2008年全国的46
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文风电装机总容量，远期规划建设规模更是高达3000万kW。2、布局集中，远离负荷中心酒泉风电基地的风能开发利用主要集中玉门、瓜州、马鬃山三个区域内，其中玉门风电群距离兰州负荷中心的平均距离约为900km，瓜州风电群距离兰州负荷中心的平均距离约为1000km，马鬃山风电群距离兰州负荷中心的平均距离约为1100km，整个酒泉风电群距离兰州负荷中心的平均距离约为1000km，如果考虑在西北地区内消纳风电，距离负荷中心的平均距离更远，距离负荷中心1000km以上是目前已知的全世界距离最远的风电场。考虑万kW风电必须在全国电力市场消纳，其距离负荷中心的距离更远。3、送出工程电压等级最高、建设规模最大为了满足2010年建成投产的516万kW风电的送出需要，2009年初开工建设的酒泉千万千瓦级基地配套电网工程――750kV武胜―金昌―酒泉―安西输变电工程，建设规模为750kV双回输电线路为2?848km，变电容量840万KVA，风电送出工程总投资约90亿元[12]。甘肃酒泉风电基地所有风电项目直接或间接通过750kV电压等级接入系统，考虑万kW风电必须在全国电力市场消纳，需要建设电压等级更高的特高压直流输电工程。甘肃酒泉风电基地风电的接入系统电压等级世界最高，送出工程建设规模和投资世界最大。酒泉风电基地突破了电力负荷就近消纳的传统发展模式，大部分需要通过330kV电压等级汇集到750kV变电所，几乎所有电力电量需要通过750kV及更高电压等级的电网送到较远的负荷中心。风电汇集接入系统及送出是酒泉千万风电基地的主要特点，也是酒泉风电基地成功与否的关键。酒泉地区已投产发电的70.51万kW主要通过110kV电压等级接入330kV电网送出，2008年特许权中标的风电场均以2~3个打捆接入330kV升压变电所，再以I回330kV电压等级线路送入750kV安西变电所或就近接入附近330kV电网的方式接入电网。其余项目主要以110kV电压等级汇入330kV变电所接入系统，然后接入750电压等级送出。
：风力发电技术发展趋势研究
330KV瓜州变电站
河西750KV变电工程为满足风电送出，2010年将建成瓜州―酒泉―金昌―武胜双回750kV输电线路。2015年建设桥湾―酒泉I回750kV线路，线路长度为200km，建设桥湾―安西2回750kV线路，线路长度为160km。建设酒泉―张掖开关站I回750kV线路，线路长度为190km。另外还需要建设酒泉至东部地区的?800kV直流输电工程，建设规模为输电线路长度超过2500公里，以满足电力送出的需要。如此大规模风电接入电力系统，在国际上史无前例。但同时我们也应该冷静地看到可能面临的巨大挑战，以促进甘肃酒泉“陆上三峡”工程健康发展。由于风力发电和常规电源存在巨大的差异，难以承担常规电源在电力系统中的调峰、调频、调压和备用等方面的作用，而且存在一些影响电力系统安全稳定经济运行的因素，有很多问题需要我们去研究和解决。（1）输送能力问题甘肃河西电网主网架电压等级为330kV，电网西起330kV瓜州变电所，东到330kV永登和海石湾变电所，其中330kV瓜州至嘉峪关变电所为单回线路，其余采用330kV双回线路与甘肃主网相联，目前全线串联着7座变电所，输电线路全长约为1000km。甘肃河西电网是目前国内输电距离最长、串联变电所最多的330kV线路，受到电网结构和稳定水平的限制，输电能力较弱，正常电网运行方式下，河西电网西电东送的能力仅为70万kW左右，不仅无法满足酒泉“陆上三峡”风电基地的送出需要，即使不考虑张掖、黑河等水电送出，也无法满足现有风电的送出需要[12]。万kW以及2020年增加到2000万kW以上装机容量的风电项目，即使不考虑电力电量能否在甘肃电网消纳的问题，依靠交流输电技术难以将酒泉风电基地的发电出力全部输送到甘肃主网，要解决风电送出48
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文问题，只有引入特高压直流输电技术，才能彻底解决大规模风电基地远距离外送等问题。由于相关的技术工作开展的时间较短，即使采用了全世界最先进的?800kV特高压直流输电技术，应对风电功率波动的功率调节等技术问题还需要进一步深入研究。（2）调峰调频问题发电、供电和用电必须同时完成的特点，决定了整个电力系统的总发电负荷必须随用电负荷的变化而变化，由于用电负荷难以控制，要求电力系统内必须有部分发电机组承担随着用电负荷变化而变化的调整能力，即发电机的调峰能力；由于风电具有“风”的间歇性、波动性、随机性的特点，决定了风电的发电负荷难以控制，为了满足发供用同时完成的电力系统基本要求，必须有其他电源承担起适应风电发电负荷变化要求和相应反向变化的发电负荷调整能力。因此，具有风电的电力系统除了要求满足正常负荷变化的调峰能力以外，还必须满足适应风电随机性的调峰能力。截至2009年底，甘肃电网电源装机容量1804万kW，其中水电578.2万kW，火电1146.3万kW，风电79.5万kW。具备调峰能力的发电机组容量为700万kW，其中水电机组200万kW、火电机组500万kW，水电机组丰水期调峰能力弱，枯水期调峰能力较强。在甘肃电网，有很多火电机组是热电机组，承担着供暖、工业供热、用汽等任务，调峰能力有限。受到水电、火电机组运行方式以及检修因素的影响，系统内最大可能的调峰容量约为450万kW。另外，由于省内电网结构的原因可能限制部分机组的调峰能力，全省所有机组的不同时期的总调峰能力为250万kW，考虑其中有约为100万kW的机组调峰能力需要用于用电负荷调峰，能够承担风电调峰的发电能力仅为约150万kW，根本无法满足万kW风电所需的调峰能力的要求。依靠甘肃自有的水火电机组调峰是远远不够的，必须考虑西北五省区尤其用黄河中上游水电参与调峰。根据初步估算，西北五省可提供460万kW的调峰能力，基本满足516万kW风电建设的调峰需求；但其中涉及黄河水资源的综合利用，大规模跨省调峰的调度管理模式和电网辅助服务管理办法和交易规则等一系列管理问题。2010年，预计陕甘青宁电网最大负荷可达4150万kW，经计算一般情况下，陕甘青宁全网可为甘肃酒泉风电提供49
：风力发电技术发展趋势研究的保证调峰总容量为178万kW，优化水电运行方式后，陕甘青宁全网可为甘肃酒泉风电提供的调峰容量为288~410万kW。另外还存在水火电机组能否适应频繁调峰、电网能否适应系统潮流频繁大范围波动等方面技术问题。年以后，即使不考虑电力电量能否在甘肃电网消纳的问题，在现有技术水平下西北电网的总体调峰能力已经无法满足要求，需要在更大范围或新的调峰技术才能解决调峰问题。（3）电力电量消纳问题酒泉风电基地一期装机容量将达到516万kW，年上网电量约为108亿kWh。2010年甘肃省电网最大用电负荷980万kW，2011年甘肃省统调范围内最大负荷1060万kW，全省全社会用电量823亿kWh。甘肃省用电最大负荷仅为1060万kW，要消纳516万kW风电，从技术上看是不可能的。因此，无论从电力平衡、电量平衡方面考虑，万kW风电在省内难以消纳，必须在更大的市场考虑消纳问题。2015年及2020年以后，即使考虑全省用电负荷以年均10%的增长率增长，2015年及2020年装机容量所对应的风电发电量分别约为285亿、450亿kWh，即使考虑甘肃省用电量需求以年均8%的增长率增长，2015年以后，不仅甘肃电网无法消纳，预计西北电网也难以消纳。酒泉风电基地的送出和消纳问题只能在全国电力市场统筹综合考虑。（4）系统稳定问题2010年底投产的516万kW风电主要依靠750kV交流线路送出，对于kV双汇线路，线路的充电功率会随线路潮流、电压的变化幅度变化。由于风电的随机性特点，充电功率的快速变化将对电网的系统稳定产生巨大影响。风电规模越来越大，接入电压等级越来越高，由于风力发电的间歇性，将导致输出线路的输送功率大幅度变化，进而引起线路充电功率的大起大落，电网必须具备足够的、动态的感性和容性无功调节能力，同时要求各类发电机组与电网的协同调压，才可能实现电网电压的有效控制。交流联网整个电网的电压和频率之间相互影响、酒泉地区风电出力大幅度变化必然引起整个系统的电压、频率波动，电力系统存在频率和电压稳定问题。为了满足送出能力的要求，河西750kV电网必须同时采取750kV串补50
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文和可控高抗等多项最先进的柔性输电技术，另外，为了适应风电机组间歇性发电的需要，风电场升压站必须安装15%~20%的动态无功补偿设备（SVC或SVG），串补、可控高抗和动态无功补偿设备等柔性输电技术在河西电网同时应用，不仅可能产生次同步谐振问题，还需要综合研究柔性输电的控制策略问题。由于超大规模风电场数学模型不完善，面对超大规模风电的远距离输电问题，不仅缺乏实际运行管理经验，理论分析计算的结论仍然需要经过实践的检验，因此酒泉风电基地可能存在较大的系统稳定风险。万kW以及2020年增加到2000万kW以上装机容量的风电项目，受到交流输电技术和西北电力市场消纳能力的限制，必须通过特高压直流输电输送到华东、华中和华北。750kV超高压交流与超远距离特高压直流的组合，不仅国内外缺乏建设与运行管理经验，世界上也缺乏成熟的电网技术理论支撑，理论研究和实际应用的现状决定了可能存在较大的系统稳定问题。
第五章 风电发展的关键技术5.1低电压穿越技术低电压穿越（LVRT）是指在风电机组并网点电压跌落时，风电机组能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间区域。电压跌落会给电机带来一系列暂态过程，如出现过电压、过电流或转速上升等，严重危害风电机组本身及其控制系统的安全运行。一般情况下，若电网出现故障风电机组就会实施被动式自我保护而立即切除，并不考虑故障的持续时间和严重程度。这样能最大限度的保障风电机组的安全，并且在风力发电的电网穿透率较低时是可以接受的。然而，当风电在电网中占有较大比重时，若风电机组在电压跌落时仍采取被动保护式切除，则会增加整个系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，最终导致系统失稳，因此必须采取有效的LVRT技术和措施，以维护风电场电网的稳定[12]。以下就直驱式风电机组（PMSG）和双馈式风电机组（DFIG）分析电网电压跌落引起的过程，介绍目前一些主要的LVRT实现方案，然后从风电场51
：风力发电技术发展趋势研究的角度出发，综述目前能够提高风电场低电压穿越能的手段和措施。电压跌落对不同风电机组的影响：为了提高风电机组的低电压穿越能力，必须针对当前主流风电机组的运行特点进行研究，研究它们在电网故障与故障恢复过程中的暂态行为，消除或减轻在不离网控制情况下可能引起的机组损害。（1）双馈式风电机组的暂态现象双馈式风电机组的定子侧直接联接电网，电网电压跌落将导致风电机组中的双馈感应发电机转子侧过流，同时转子侧电流的迅速增加会导致转子励磁变流器直流侧电压升高，发电机励磁变流器的电流以及有功和无功都会产生振荡。这是因为双馈感应发电机在电网电压瞬间跌落的情况下，定子磁链会产生直流分量，而转子继续旋转，会产生较大的滑差，这样便会引起过压和过流的现象更为严重，因为在定子电压中含有负序分量，而负序分量可以产生很高的滑差。双馈式风电机组转子侧接有变流器，其电力电子器件的过压、过流能力有限。如果对电压跌落不采取控制措施限制故障电流，较高的暂态转子电流会对脆弱的电力电子器件构成威胁；且变流器输入输出功率的不匹配有可能导致直流母线电压的上升或下降（与故障时刻电机超同步速或次同步速有关）。因此，双馈式风电机组的低电压穿越实现较为复杂。电网发生故障尤其是不对称故障的过度过程中，电机电磁转矩会出现较大的波动，对风电机组齿轮箱等机械部件构成冲击，影响风电机组的运行和寿命。定子电压跌落时，电机输出功率降低，若不控制捕获功率，必然导致电机转速上升。在风速较高即机械动力转矩较大的情况下，即使故障切除，双馈电机的电磁转矩有所增加，也难较快抑制电机转速的上升，使双馈电机的转速进一步升高，吸收的无功功率进一步增大，使得定子端电压下降，进一步阻碍了电网电压的恢复，严重时可能导致电网电压无法恢复，致使系统崩溃。这种情况与电机的惯性、额定值及故障持续时间有关。（2）直驱式风电机组的暂态现象对于直驱式风电机组，定子经变流器与电网连接，发电机和电网不存在直接耦合。电网电压的瞬间降落会导致输出功率的减小，而发电机的输52
2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文出功率瞬时不变，显然功率不匹配将导致直流母线电压上升，这势必会威胁到电力电子器件安全。如采取控制措施稳定直流母线电压，必然会导致输出到电网的电流增大，过大的电流同样会威胁变流器的安全。当变流器直流侧电压在一定范围波动时，电机侧变流器一般都能保持可控性，在电网电压跌落期间，电机仍可以保持很好的电磁控制。所以同步直驱系统的低电压穿越实现相对双馈式风电机组而言较为容易。风电机组低电压穿越的实现方法：当电力系统发生短路故障从而导致系统电压下降时，风电机组出于保护自身的目的常主动跳闸切机随着风电的容量在整个电力系统中的比例日益提高，风电机组在系统电压下降时立即退出运行将会导致系统电压降落情况的恶化，十分不利于系统的稳定运行因此，目前国内外的风电场并网技术规定中都对风电机组的低电压穿越（Low Voltage Ride Through,LVRT）能力提出要求，部分要求十分严格 目前实现低电压穿越的主要方式包括采用旁路保护电路（Crowbar Circuit ）和采用新的控制方式[39]。（1）直驱式风电机组的低电压穿越实现电压跌落期间直驱式风电机组的主要问题在于能量不匹配导致直流电压的上升。一种方法是采取措施储存或消耗多余的能量以解决能量的匹配问题。这种设计的效果需要考虑成本、并网规范及故障深度和时间。具体方法是从变流器设计入手，选择器件时提高电力电子器件的耐压和过流值，并提高直流电容的额定电压。这样电压跌落时可以把直流母线的电压限定值调高，以储存多余的能量，并允许网侧逆变器电流增大，以输出更多的能量。但是考虑到器件成本，增加器件额定值是有限度的，而且在长时间和严重故障下，功率不匹配会很严重，有可能超出器件容量，因此，这种方法较适用于短时的电压跌落故障。另一种方法恰恰相反，它是通过减小发电机的输出功率来实现平衡。如减小同步机电电磁转矩设定值，这样会引起发电机的转速上升，从而达到允许转速的暂时上升来储存风电机组部分输入能量，这有效地减小了发电机的输出功率。如果故障不严重，可以不采取变桨控制，一旦电机转速上升过多或不便用上升转速来储存能量可以直接采取变桨控制。变桨可以从根本上减小风电机组的输入功率，有利于电压跌落时的功率平衡。这种53
：风力发电技术发展趋势研究策略结合增加器件容量的方法可进一步提高穿越裕度。对于更长时间的深度故障，可以考虑第三种方法，即采用额外电路单元储存或消耗多余能量。有的学者在直流母线上接一个储能系统，当检测直流电压过高则触发储能系统的开关器件，转移多余的直流储能，故障回复后将所储存的能量馈入电网。（2）双馈式风电机组的低电压穿越实现当前双馈式风电机组的低电压穿越技术一般有三种方案：1）采用了转子短路保护技术（Crowbar Protection）2)引入新型拓扑结构；3）采用合理的励磁控制算法[12]。a.转子短路保护技术。这是目前风电制造商采用较多的一种方法，其在发电机转子侧装有Crowbar电路，为转子侧电路提供旁路，在检测到电网系统故障出现电压跌落时，闭锁双馈感应发电机励磁变流器，同时投入转子回路的旁路保护装置，达到限制通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用，以此来维持发电机不脱网运行。此时双馈感应发电机按感应电动机方式运行。旁路电阻阻值的选取较为重要，阻值过小不能起到限制转子电流的作用，阻值过大又会在转子变流器转子侧带来过电压，起不到保护转子变流器的作用。另外Crowbar电路动作后双馈电机的稳态运行特性不仅和转子回路接入的Crowbar电路电阻大小有关，还受电网电压跌落程度的影响。 采用Crowbar电路的转子短路保护技术存在这样一些缺点：首先，需要增加新的保护装置从而增加了系统成本；另外，电网故障时，虽然励磁变流器和转子绕组得到了保护，但此时按感应电动机方式运行的机组将从系统中吸收大量的无功功率，这将导致电网电压稳定性的进一步恶化，而且传统的Crowbar保护电路的投切操作会对系统产生暂态冲击。b.引入新型拓扑结构。除了典型的Crowbar电路技术的应用外，有些还提出了一种新型低压旁路系统。54
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新型低压旁路系统图这种结构在双馈感应发电机定子侧与电网间串联反并可控硅电路。在正常运行时，这些可控硅全部导通，在电网电压跌落与恢复期间，为了承受电网故障电压大跌落所引起的转子侧大电流冲击，转子侧励磁变流器选用电流等级较高的大功率IGBT器件，这样来保证变流器在电网故障时不与转子绕组断开时的安全。电网电压跌落再恢复时，转子侧最大电流可能会达到电压跌落前的几倍。因此，当电网电压跌落严重时，为了避免电压回升时系统在转子侧所产生的大电流，在电压回升以前，将双馈感应发电机通过反并可控硅电路与电网脱网。脱网以后，转子励磁变流器重新励磁双馈感应发电机，电压一旦回升到允许的范围以内，双馈感应发电机便能迅速地与电网达到同步。再通过开通反并可控硅电路使定子与电网连接，这样可以减小对IGBT耐压、耐流的要求。这种方式的不足之处是：该方案需要增加系统的成本和控制的复杂性。考虑到定子故障电流中的直流分量，需要可控硅器件能通过门极关断，这要求很大的门极驱动电流，驱动电路复杂。由于该方案在输电系统故障时发电机脱网运行，因此对电网恢复正常运行起不到积极的支持作用。c.采用新的励磁控制策略。从制造成本的角度出发，最佳的办法是不改变系统硬件结构，而是通过修改控制策略来达到相同的低电压穿越效果，使得在电网故障时发电机能安全度越故障，同时变流器继续维持在安全工作状态。55
：风力发电技术发展趋势研究一般用数值仿真的方法对电网故障时发电机不脱网运行的励磁控制进行研究：通过适当提高现有双馈感应发电机励磁控制器中PI调节器的比例和积分系数，能够在一定范围内维持电网故障时发电机不脱网运行；利用硬性负反馈的方式补偿发电机定子电压和磁链变化对有功、无功解耦控制性能的影响，能够在一定程度上提高双馈感应发电机转子电流，保护转子励磁变流器；利用发电机电网侧变流器在电网故障过程中对电网电压的支持作用，通过协调转子和电网侧变流器的控制提高电网故障时发电机不脱网运行的控制效果。风电场的低电压穿越实现方法:由于以前的并网规则不需要风电场具有低电压穿越能力，因此以前安装的风电机组要么采用不具备无功补偿能力的恒速恒频机组，要么采用没有提供无功补偿功能的变速恒频机组，如果要更适应目前的并网规则要求，则必须对风电场进行改造。目前有以下几种方案可供选择：（1）在风电场采用动态无功补偿设备，动态提供风电机组暂态过程所消耗的无功，以恢复极端电压。（2）安装可控串补限制风电场机端输出