風電并網(wǎng)穩(wěn)定性開題報告

1、南京工程學院畢業(yè)設(shè)計開題報告課題名稱：風力發(fā)電場并網(wǎng)運行穩(wěn)定性研究學生姓名： 李金鵬 指導教師： 陳剛 所在院部： 電力工程學院 專業(yè)名稱： 電氣工程及其自動化 南京工程學院2012年3月5日說明1根據(jù)南京工程學院畢業(yè)設(shè)計(論文)工作管理規(guī)定，學生必須撰寫畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告，由指導教師簽署意見、教研室審查，系教學主任批準后實施。2開題報告是畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學生應(yīng)當在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，開題報告不合格者不得參加答辯。3畢業(yè)設(shè)計開題報告各項內(nèi)容要實事求是，逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。

2、第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。4本報告中，由學生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述，應(yīng)不少于2000字，沒有經(jīng)過整理歸納，缺乏個人見解僅僅從網(wǎng)上下載材料拼湊而成的開題報告按不合格論。5開題報告檢查原則上在第24周完成，各系完成畢業(yè)設(shè)計開題檢查后，應(yīng)寫一份開題情況總結(jié)報告。畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告學生姓名李金鵬學號專業(yè)電氣工程及其自動化指導教師姓名陳剛職稱講師所在院部電力工程學院課題來源自擬課題課題性質(zhì)工程研究課題名稱風力發(fā)電場并網(wǎng)運行穩(wěn)定性研究畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容和意義內(nèi)容：早期風電的單機容量較小，大多采用結(jié)構(gòu)簡單、并網(wǎng)方便的異步發(fā)電機，直接和配電網(wǎng)相連，對系統(tǒng)影響不大。但隨著風電場的容量越來越

3、大，對系統(tǒng)的影響也越來越明顯，而風電場所在地區(qū)往往人口稀少，處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，承受沖擊的能力很弱，給配電網(wǎng)帶來諧波污染、電壓波動及閃變等問題。因此以恒速恒頻異步風力發(fā)電機組成的風電場為研究對象，建立風力發(fā)電系統(tǒng)的線性化狀態(tài)方程。研究包含風電場的電力系統(tǒng)潮流算法，利用MATLAB及其仿真平臺實現(xiàn)電力系統(tǒng)潮流計算以及機電暫態(tài)仿真。分析比較各種潮流算法的優(yōu)缺點。建立簡單系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定分析線性化狀態(tài)方程，得出了狀態(tài)矩陣元素的參數(shù)表示形式。用特征值分析方法研究大型風電場接入電網(wǎng)后的系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定問題。分析風電場改變對系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響。采用時域仿真方法研究大型風電場接入電網(wǎng)后的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題。

4、意義：據(jù)國際能源署統(tǒng)計，全球風力發(fā)電機總裝機容量1999年的2000兆瓦增加到2005年的60000兆瓦，世界風能市場裝機資金達450億歐元，提供50萬個就業(yè)崗位。風能這種清潔能源每年可以減少2.04億噸的二氧化碳排放量。 隨著風電裝機容量的增加，在電網(wǎng)中所占比例的增大，風能的隨機性、間隙性特點，和風電場采用異步發(fā)電機的一些特性，使穩(wěn)態(tài)電壓值上升、過電流、保護裝置的動作誤差，電壓閃變、諧波、浪涌電流造成的電壓降落，從而使得風電的并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的安全，穩(wěn)定運行帶來重大的影響。其中最為突出的問題就是使風電系統(tǒng)的電能質(zhì)量嚴重下降，甚至導致電壓崩潰。風電場脫網(wǎng)事故頻發(fā)，對電網(wǎng)安全運行構(gòu)成威脅，所以進行

5、風力發(fā)電并網(wǎng)運行穩(wěn)定性研究是非常必要的。文獻綜述國內(nèi)外風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀初，法國出現(xiàn)了第一臺用現(xiàn)代快速葉輪驅(qū)動的發(fā)電機。到了20世紀30年代，各國已開始研制中型、大型風力發(fā)電機。國際能源署統(tǒng)計全球風力發(fā)電機總安裝容最從1990年的2000兆瓦增加到2005年底的60000兆瓦。目前，德國的總裝機容量已達到21000兆瓦，超過了美國躍居世界首位。到2l世紀初，風能依舊是世界上發(fā)展最快的能源。 我國風力發(fā)電起步較晚。自80年末引進大型風力發(fā)電機以來，經(jīng)過十多年的不斷引進、消化、吸收、積累了一定的經(jīng)驗。我國并網(wǎng)型風力發(fā)電技術(shù)在80年代中期開始進行試驗、示范、經(jīng)過多年努力，現(xiàn)在逐步轉(zhuǎn)向規(guī)模開發(fā)

6、目前我們已掌握600KW定槳距失速風電機組的組裝技術(shù)和關(guān)鍵部件。 近年來，我國風電產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展?！笆晃濉逼陂g風電裝機容量連續(xù)五年翻番，成為全球風電裝機規(guī)模第一大國。隨著風電發(fā)展，風電企業(yè)和風電設(shè)備制造企業(yè)迅速成長，配套電網(wǎng)建設(shè)逐步加強，風電整體運行態(tài)勢良好，為我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整戰(zhàn)略的順利實施和節(jié)能減排目標的實現(xiàn)作出了重要貢獻。目前幾種較為流行的風電技術(shù)1.定槳距失速型風電技術(shù)（Stall Regulation） 這種技術(shù)是以槳葉翼型本身的失速特性為基礎(chǔ)，當風速超過額定風速時，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉葉表面形成渦流，從而限制功率。其特點是：控制與調(diào)節(jié)簡單可靠，但槳葉與塔架的受力大，根

7、據(jù)風能利用系數(shù)Cp，不能保證在額定風速之前Cp最大。2.變槳距型風電技術(shù)（Pitch Regulation） 這種技術(shù)為達到控制吸收風能，使風輪機葉片安裝角隨風速變化，將通過變距調(diào)節(jié)器來調(diào)控。葉片節(jié)距角在零度附近時，風速在額定以下；當風速在額定以上時，為保證發(fā)電機的輸出功率在合適范圍內(nèi)，必須調(diào)整葉片攻角。變槳距風電機組比定槳距風電機組所需的起動風速低，停機沖擊應(yīng)力小。在實際中，相對風速的反應(yīng)，風機槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)有一定的時延，在陣風到來時，槳距調(diào)節(jié)會因為來不及動作，而造成瞬時風機過載，不利于其運行。由于風能所擁有的隨機波動性，并且普通的調(diào)節(jié)方法跟不上風速變化所引起的發(fā)電機功率變化，這顯然對電網(wǎng)與風

8、電質(zhì)量影響極大。文獻綜述3.主動定槳距型風電技術(shù)（Active Stall Regulation） 國際上風機制造商已在他們的新產(chǎn)品中采用了此技術(shù)，這種方法的主要特點是：槳葉應(yīng)用定槳距失速調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距技術(shù)，輸出功率在額定以下時，采用變槳距調(diào)節(jié)方式；輸出功率在額定以上時，采用定槳距調(diào)節(jié)方式，其優(yōu)點是：功率輸出波動幅度較小且比較平穩(wěn)。4.變速恒頻風電技術(shù)（Variable Speed Constant Frequency） 綜合以上幾種風電技術(shù)，目前最優(yōu)良的調(diào)節(jié)技術(shù)當屬變速恒頻技術(shù)。它為了達到效率最高，發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，系統(tǒng)效率提高，可以在輸出功率低于額定功率之前就能實現(xiàn)。最早在上世

9、紀40年代，這種技術(shù)就出現(xiàn)了，但當時沒能得到很好的發(fā)展應(yīng)用，是受到控制技術(shù)和電力電子器件水平的制約，兆瓦級的變速恒頻風電技術(shù)直到80年代原蘇聯(lián)、日本等國才投入運行。 風力發(fā)電有兩種不同的類型，即：獨立運行的“離網(wǎng)型”和接入電力系統(tǒng)運行的“并網(wǎng)型”?！半x網(wǎng)型”的風力發(fā)電規(guī)模較小，通過蓄電池等儲能裝置或者與其他能源發(fā)電技術(shù)相結(jié)合（如風電/水電互補系統(tǒng)、風電柴油機組聯(lián)合供電系統(tǒng)）可以解決偏遠地區(qū)的供電問題。“并網(wǎng)型”的風力發(fā)電是規(guī)模較大的風力發(fā)電場，容量大約為幾兆瓦到幾百兆瓦，由幾十臺甚至成百上千臺風電機組構(gòu)成。并網(wǎng)運行的風力發(fā)電場可以得到大電網(wǎng)的補償和支撐，更加充分的開發(fā)可利用的風力資源，是國內(nèi)外

10、風力發(fā)電的主要發(fā)展方向。風電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響及目前主要解決方法 小規(guī)模風電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響主要是以下幾個方面：穩(wěn)態(tài)電壓值的上升、過電流、保護裝置的動作誤差，電壓閃變、諧波、浪涌電流造成的電壓降落。大規(guī)模風電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響除了以上那些方面外，還會有電力系統(tǒng)的振蕩和電壓穩(wěn)定性問題。 目前提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的主要對策是：1.采用動態(tài)無功補償如靜止補償器SVC等，可以改善系統(tǒng)暫態(tài)特性，從而提高風電場的安全容量。動態(tài)無功補償裝置SVC等的容量選取需結(jié)合具體電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、風電場容量和SVC的調(diào)節(jié)特性確定。2.低電壓自動切除風電機組是系統(tǒng)故障后維持電網(wǎng)穩(wěn)定的有效控制措施，但切除過多要考慮電網(wǎng)的調(diào)

11、節(jié)控制能力。3.加強電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和提高相應(yīng)負荷的功率因數(shù)也可以提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和風電場的安全容量。4.必要時可考慮直流接入電網(wǎng)的方式，如正規(guī)劃建文獻綜述設(shè)的上海東海大橋100MW海上風電場就提出基于輕型HDVC的并網(wǎng)方案。在眾多的約束中，電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性可能是影響風電場規(guī)模的重要因素，必要時控制風電場接入系統(tǒng)的容量。目前風力發(fā)電發(fā)展存在的問題 風電裝機的快速增加，加大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行壓力。隨著風電裝機在電網(wǎng)中所占的比例不斷增長，風電對電網(wǎng)的影響從局部配電網(wǎng)逐漸擴大到主網(wǎng)。多數(shù)風電基地，遠離負荷中心，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，缺乏電源支撐，需要在原來運行方式的基礎(chǔ)上，額外安排一定容量的旋轉(zhuǎn)備用以應(yīng)對風電場輸

12、出功率的隨機波動。 風電隨機性、間隙性和反調(diào)峰性的特點，使主網(wǎng)調(diào)峰調(diào)壓、頻率控制等方面難度增加，加大了電網(wǎng)穩(wěn)定運行的風險。另外，一些受端電網(wǎng)潮流隨風電出力而變化較大，局部電網(wǎng)安全風險增加。其中最為突出的問題就是使風電系統(tǒng)的電能質(zhì)量嚴重下降，甚至導致電壓崩潰。 風電場脫網(wǎng)事故頻發(fā)，對電網(wǎng)安全運行構(gòu)成威脅。由于風電機組性能不滿足要求、風電場設(shè)計安裝存在隱患、并網(wǎng)檢測手段不足、風電場運行維護和調(diào)度管理薄弱等原因，致使風電機組脫網(wǎng)事故頻發(fā)，直接影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。隨著風電并網(wǎng)容量的增大，這種影響日趨嚴重，較小故障就可能引發(fā)電網(wǎng)電壓的較大波動，造成大規(guī)模風電機組脫網(wǎng)，導致地區(qū)電網(wǎng)瓦解，甚至擴大為大面積

13、停電事故。風力發(fā)電的發(fā)展趨勢 新型，高效率、高可靠性風力發(fā)電機組不斷推陳出新。高技術(shù)含量不斷增加。從空氣動力學的應(yīng)用來看，風機風輪葉片的定槳距調(diào)節(jié)或稱失速調(diào)節(jié)，變槳距調(diào)節(jié)及主動失速調(diào)節(jié)并行發(fā)展，使風能的利用率得到提高；從電力電子技術(shù)與發(fā)電機技術(shù)結(jié)合上來看，新型雙速異步發(fā)電機、變滑差異步發(fā)電機、雙饋發(fā)電機、低速永磁發(fā)電機、高壓發(fā)電機以及同步發(fā)電機與交一直一交變頻系統(tǒng)或交一交變頻系統(tǒng)組合應(yīng)用的相繼出現(xiàn)，提高了風力發(fā)電機組的效率及技術(shù)：從風力發(fā)電杌并入電網(wǎng)的技術(shù)方面來看，異步發(fā)電機軟并網(wǎng)，同步發(fā)電機經(jīng)變頻器并網(wǎng)，使得并網(wǎng)的可靠必得以提高，減少了對電網(wǎng)的干擾。 并網(wǎng)風力發(fā)電機組單機容量逐步增大，風電工

14、業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模日益擴大。進入上世紀90年代以后，并網(wǎng)風力發(fā)電機的容量向大型化的發(fā)展異常迅速。風力機的尺寸和輸山功率也迅速增大。目前兆瓦級風力發(fā)電機也已研制成功，并投入商業(yè)化運行。 風電成本呈下降趨勢。新型、高效、大型機組的研制成功，產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；⑸涛墨I綜述業(yè)化生產(chǎn)的口趨完善與擴大，為降低風力發(fā)電成本及電價提供了基礎(chǔ)。事實證明，風力發(fā)電機組的單位千瓦造價和風力發(fā)電的電價逐年都有較大降低，這正說明了風電與常規(guī)能源發(fā)電的競爭中地位逐步增強。 由陸地風電場向海上風電場發(fā)展。海面氣流流動速度比在陸地上快，而且平穩(wěn)，還有海上風電場機組運轉(zhuǎn)時發(fā)山的噪音遠離居民地，噪音干擾少等優(yōu)點，使得風力機不僅在陸地上發(fā)展

15、，而且可以向海上發(fā)展。 風力發(fā)電系統(tǒng)由風力發(fā)電機組，監(jiān)測顯示裝置，控制裝置等組成。風力發(fā)電機組由發(fā)電機和風輪機組成，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)代風電技術(shù)是涉及空氣動力學、機械傳動、電機、自動控制、力學、材料學等多學科的綜合性的系統(tǒng)工程，風力機按其在空間旋轉(zhuǎn)位置可以分為水平軸（HAWT）與立軸風機（VAWT），現(xiàn)在的風電中大都應(yīng)用水平軸風機；從運行方式來看，風力發(fā)電又可以分為聯(lián)合獨立式，并網(wǎng)，獨立三種運行方式?，F(xiàn)代風電機功率控制主要采取定槳距失速控制和變槳距控制兩種方式，定槳距的其槳距角固定不變；變槳距是指可以利用控制技術(shù)改變其槳距角的大小。文獻綜述參考文獻1李建麗，李黎黎.大規(guī)模風電場并列的電壓穩(wěn)定性

16、問題探討太陽能，2006(6)：4850.2吳學光，張學成.異步風力發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性分析的數(shù)學模型及其應(yīng)用J.電網(wǎng)技術(shù)，1998，22(6):69-70.3風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運行技術(shù)/李建林，許洪華等著.北京：機械工業(yè)出版社，2008.12.4風力發(fā)電技術(shù)及工程/宋海輝主編.北京：中國水利水電出版社，2009.5風電場并網(wǎng)技術(shù)/朱莉等編著.北京：中國電力出版社，2011.1.6李東東.風力發(fā)電機組并網(wǎng)控制與仿真分析J.水電能源科學，2006，24(1):9-11.7雷亞洲.與風電并網(wǎng)相關(guān)的研究課題J.電力系統(tǒng)自動化，2003，27(8):84-89.8馬幼捷，張繼東.風電場的穩(wěn)定問題J.可再

17、生能源，2006(3):37-39.9李鋒，魯一川.大規(guī)模風力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響J.中國電力，2006，39(11):80-84.10遲永寧，王偉勝，戴慧珠.大型風電場對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響J.電力系統(tǒng)自動化，2006，30(5):10-14.11World Wind Energy Association. Worldwide Wind Energy Capacity at 47616MW - 8321MW added in 2004. Press Release March 2005..12P.Soerensen, A.D.Hansen, Pedro An

18、dre Carvalho Rosas.Wind Models for Prediction of Power Fluctuations of Wind FarmsJ. Wind Eng.Ind.Aerodyn.No.90, pg.1381-1402, 2002.研究內(nèi)容1. 基于MATLAB軟件對風速仿真模型的建立。 風速是風力機的原動力，它的模型相對于風電機組比較獨立。為了較精確地描述風的隨機性和間歇性的特點，本研究中沿用國內(nèi)外使用較多的風力四分量模型，各分量分別為基本風、陣風、漸變風和隨機風。2.風力發(fā)電技術(shù)方案 方案1：定槳距失速型風電技術(shù)，這種技術(shù)是以槳葉翼型本身的失速特性為基礎(chǔ)，當風

19、速超過額定風速時，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉葉表面形成渦流，從而限制功率。其特點是：控制與調(diào)節(jié)簡單可靠，但槳葉與塔架的受力大，根據(jù)風能利用系數(shù)Cp，不能保證在額定風速之前Cp最大。 方案2：變槳距型風電技術(shù)，這種技術(shù)為達到控制吸收風能，使風輪機葉片安裝角隨風速變化，將通過變距調(diào)節(jié)器來調(diào)控。葉片節(jié)距角在零度附近時，風速在額定以下；當風速在額定以上時，為保證發(fā)電機的輸出功率在合適范圍內(nèi)，必須調(diào)整葉片攻角。變槳距風電機組比定槳距風電機組所需的起動風速低，停機沖擊應(yīng)力小。在實際中，相對風速的反應(yīng)，風機槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)有一定的時延，在陣風到來時，槳距調(diào)節(jié)會因為來不及動作，而造成瞬時風機過載，不利于其運

20、行。由于風能所擁有的隨機波動性，并且普通的調(diào)節(jié)方法跟不上風速變化所引起的發(fā)電機功率變化，這顯然對電網(wǎng)與風電質(zhì)量影響極大。 方案3:變速恒頻風電技術(shù)，目前最優(yōu)良的調(diào)節(jié)技術(shù)當屬變速恒頻技術(shù)。它為了達到效率最高，發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，系統(tǒng)效率提高，可以在輸出功率低于額定功率之前就能實現(xiàn)。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)有多種，但最具優(yōu)勢的方案是采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機的并網(wǎng)型交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電機組。但其需要對發(fā)電機輸出的全部功率進行變頻控制，故需配備全功率變頻器，變頻器成本較高，控制系統(tǒng)體積龐大；永磁發(fā)電機使用價格很高的高導磁率磁性材料，大大增加其成本；永磁發(fā)電機功率因數(shù)特性差，必須由變頻器來進行補償；要求永磁材料具有很高的穩(wěn)定性，而高溫以及電樞反應(yīng)等原因可能導致永磁材料失磁。 綜合以上三種方案，我認為定槳距失速型風電技術(shù)雖然