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1、风能发电及风力发电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68倍，甚至
2、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
3、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
4、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
5、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15
6、00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
7、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
8、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
9、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、
10、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
11、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
12、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
13、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；
14、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，Dennis Woodford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(Uni
15、versity of Manitoba)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Dennis Woodford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(Versatile too1)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：UNIX OS, Windows95, 98, NT；Fortran 编辑器；浏览器和TCP/IP协议。 2.1 PSCAD/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。2.2 PSCAD软件模块的构成2.2.1 文件管理系统 当用户涉及PSCAD时所
