新能源發(fā)電技術(shù)報告

1、新能源報告上學(xué)期，選修了本實驗室的特色課程“新能源發(fā)電技術(shù)”，本課程一共6 講，分別介紹了風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電的一些基本概念、研究熱點還有一些具體的研究內(nèi)容。聽完以后覺得受益匪淺， 即擴大了知識面又為自己的研究開拓了一些新的思路。本報告總共分為兩個部分：風(fēng)電部分與光伏部分，下面分別予以介紹。風(fēng)力發(fā)電部分一、風(fēng)力發(fā)電概述風(fēng)能是一種蘊藏豐富、分布廣泛、清潔而可再生的能源，也是最重要的替代能源之一。近年來，中國風(fēng)電呈現(xiàn)快速增長趨勢，自2004 年以來，中國風(fēng)電裝機容量連續(xù)第5 年實現(xiàn)100%增長，2009 年新增裝機增長率達124.3%，累計裝機增長率達114.8%。據(jù)估計， 到 2020年中國有望實

2、現(xiàn)1 億或 1.2 億 kw 的風(fēng)電裝機容量。因此中國的風(fēng)電市場可謂潛力巨大。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀中國風(fēng)力發(fā)電裝機容量正飛速增長著。2000 至 2009 年的 10 年間，風(fēng)能累計裝機容量的平均增長率達72.8。自 2005 年起， 總裝機容量增長率更是超過了100%。2009年我國除臺灣省外其他地區(qū)共新增風(fēng)電裝機10,129 臺，裝機容量達1,380 萬 kw ，超過美國成為全球當(dāng)年新增裝機容量最多的國家?；靖拍铒L(fēng)能：空氣運動產(chǎn)生的動能稱為“風(fēng)能”。風(fēng)能密度：單位時間內(nèi)通過單位截面積的風(fēng)能。風(fēng)速與風(fēng)級：風(fēng)速就是空氣在單位時間內(nèi)移動的距離。根據(jù)不同的風(fēng)速分為不同風(fēng)級。風(fēng)頻： 風(fēng)頻指風(fēng)向的頻率， 即

3、在一定時間內(nèi)某風(fēng)向出現(xiàn)的次數(shù)占各風(fēng)向出現(xiàn)總次數(shù)的百分比。風(fēng)力機： 將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能的動力機械，可以用作發(fā)電也可以動力輸出，當(dāng)作為發(fā)電解釋時可以是離網(wǎng)、并網(wǎng)型通用。風(fēng)電機組：由風(fēng)力機與發(fā)電機組成，多指并網(wǎng)型。風(fēng)電機組簡介將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的動力機械，由葉片、輪、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、發(fā)電機、測風(fēng)系統(tǒng)、 偏航系統(tǒng)等組成。風(fēng)力機可分為水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機兩大類，但由于垂直軸風(fēng)力機施工難度較高等問題，制約著它的普及， 目前風(fēng)電場中所用到的風(fēng)機大多是水平軸風(fēng)力機。根據(jù)發(fā)電機（同步、異步、雙饋）、風(fēng)力機功率調(diào)節(jié)技術(shù)（定槳距失速、變槳距、主動失速）以及風(fēng)力發(fā)電機控制方式（恒速恒頻、變速恒頻）的不同類型，

4、風(fēng)力發(fā)電機的系統(tǒng)組成也有所不同。其中典型的風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)包括以下4 種： (1)基于普通異步發(fā)電機的恒速風(fēng)電機組(2)基于異步發(fā)電機的最優(yōu)滑差風(fēng)電機組(3)基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機的變速、變槳距控制風(fēng)電機組(4)基于同步發(fā)電機的變速、變槳距控制風(fēng)電機組二、風(fēng)力發(fā)電電壓穩(wěn)定性分析基本概念電壓穩(wěn)定性是指在給定的初始運行狀態(tài)下，電力系統(tǒng)遭受擾動后系統(tǒng)中所有母線維持穩(wěn)態(tài)電壓的能力，它依賴于負荷需求與系統(tǒng)向負荷供電之間保持恢復(fù)平衡的能力。電壓穩(wěn)定可以分為小干擾電壓穩(wěn)定和大干擾電壓穩(wěn)定。電壓穩(wěn)定性分析方法電壓穩(wěn)定性的分析方法可分為靜態(tài)分析法和動態(tài)分析法兩種。靜態(tài)分析方法即主要是把電壓穩(wěn)定看作是一個潮流是否存在可

5、行解的問題，也就是要列出電力系統(tǒng)的潮流方程。 動態(tài)分析方法即考慮到電力系統(tǒng)是具有強非線性的動態(tài)系統(tǒng)，從系統(tǒng)的微分方程入手進行研究的方法。靜態(tài)分析方法主要有最大功率法、靈敏度法。 動態(tài)分析方法主要有小擾動法等。研究有關(guān)風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題，既要與常規(guī)的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性相聯(lián)系，也要與之相區(qū)別。 這也是一直討論的熱點問題。它的問題在于兩方面，風(fēng)能的一次能源不確定性以及雙饋異步發(fā)電機的特殊性。因此在建模、 仿真的研究中出現(xiàn)了很多爭議，因為有時僅僅會因為系統(tǒng)建模的不同而導(dǎo)致最后的結(jié)果相差懸殊。研究有關(guān)風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題需要經(jīng)過系統(tǒng)建模、分析方法、 失穩(wěn)機理、 控制措施這四個步驟，前面已經(jīng)提到，根

6、據(jù)風(fēng)電系統(tǒng)模型以及分析方法（動、靜態(tài)）的不同，可能會出現(xiàn)差異甚至得不到想要的結(jié)果。本實驗室在研究風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題上取得了很大的突破，即引入了一種非線性動力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究方法分岔理論，并已有很大的進展。風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分岔研究分岔理論是對非線性動態(tài)系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的有力工具，主要研究系統(tǒng)隨參數(shù)改變而引起的解的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的變化過程。分岔理論是一個抽象的數(shù)學(xué)理論， 但有些條件下分岔理論能夠很好的解釋電力系統(tǒng)中電壓失穩(wěn)的現(xiàn)象，并已得到廣泛的應(yīng)用。分岔分類靜態(tài)分岔：研究靜態(tài)方程的平衡點的數(shù)目及穩(wěn)定性隨參數(shù)變動而發(fā)生的突然改變（如鞍結(jié)分岔 )。動態(tài)分岔：研究動力系統(tǒng)平衡點附近的軌線的拓撲

7、結(jié)構(gòu)隨參數(shù)變動而發(fā)生的突然改變（如hopf 分岔） 。其中若發(fā)生了動分岔，則說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了失穩(wěn)。分岔分析當(dāng)系統(tǒng)中的雅克比矩陣的特征值在原點時，此時為靜分岔； 當(dāng)系統(tǒng)中的雅克比矩陣特征值為一對實部為零的共軛復(fù)根時，此時為動分岔。目前， 在風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析中，靜分岔的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但是對動分岔的研究仍處于理論探討階段。風(fēng)電系統(tǒng)中的混沌現(xiàn)象基本概念目前，對混沌還沒有一個明確的定義。一個普遍的說法是確定性系統(tǒng)中貌似隨機的不規(guī)則運動?；煦绗F(xiàn)象實際上是一種非線性振蕩現(xiàn)象，同時“非線性”與“混沌”并不等價。但是混沌現(xiàn)象雖然表面看上去雜亂無序，實際上有自己的結(jié)構(gòu)和秩序。特征（1）對初值的

8、敏感性，即初始條件的極小偏差將會引起結(jié)果的巨大差異。（2）存在混沌吸引子（3）具有分形結(jié)構(gòu)（4）具有普適性與穩(wěn)定性的關(guān)系混沌現(xiàn)象的出現(xiàn)與穩(wěn)定性有一定的聯(lián)系。由于電力系統(tǒng)的非線性，當(dāng)遭受到周期性負荷擾動時，只要負荷滿足一定條件，就會發(fā)生混沌振蕩，嚴重時會導(dǎo)致系統(tǒng)解裂。從中可以看出，混沌現(xiàn)象可以導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，但是要滿足一定的條件。混沌的產(chǎn)生途徑（1）倍周期分岔（2）擬周期分岔（3）大能量的激發(fā)三、風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)風(fēng)力發(fā)電機組工作原理風(fēng)機從風(fēng)中吸收的有功功率，即風(fēng)機的輸出功率與空氣密度、風(fēng)力機葉片面積、 風(fēng)能利用系數(shù)以及作用于風(fēng)力機的風(fēng)速等因素有關(guān)，其中風(fēng)能利用系數(shù)又與槳距角、葉輪半徑、 電機的角

9、速度有關(guān)， 通過控制槳距角和電機轉(zhuǎn)速都可改變風(fēng)機吸收的風(fēng)能。風(fēng)力發(fā)電機組分類風(fēng)力發(fā)電機組根據(jù)并網(wǎng)時控制方式的不同可以分為恒速恒頻型以及變速恒頻型。發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時, 要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，因此其頻率是固定不變的。 其中恒速恒頻型風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速基本維持恒轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，從而輸出恒定額定頻率的交流電。變速恒頻型風(fēng)力發(fā)電機組在風(fēng)力發(fā)電過程中，讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化, 再通過其它控制方式來得到恒頻電能。變速恒頻機組的特點是風(fēng)車和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風(fēng)車的轉(zhuǎn)速可變，可以通過適當(dāng)?shù)目刂?，最大限度地利用風(fēng)能發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)也可分恒速恒頻、變

10、速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)兩種情況考慮。恒速恒頻的控制技術(shù)包括無功補償、變槳距、發(fā)電機切換、軟并網(wǎng)控制。變速恒頻的控制技術(shù)包括啟動并網(wǎng)、最佳功率跟蹤、額定風(fēng)速以上控制。四、風(fēng)電系統(tǒng)的研究熱點風(fēng)電系統(tǒng)是一個多學(xué)科交叉的系統(tǒng)，其研究熱點也不盡相同。就電力系統(tǒng)方面而言，有一些研究熱點與實際的問題緊密聯(lián)系，而有一些則是前沿的理論的分析。如今的研究熱點大體分為以下幾個方面：（1）風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越問題（2）風(fēng)電場的建模（3）運用分岔控制方法，設(shè)計電力系統(tǒng)分岔控制器光伏發(fā)電部分一、光伏系統(tǒng)介紹光伏系統(tǒng)組成光伏系統(tǒng)的基本原理是利用太陽能的光生伏特效應(yīng)通過半導(dǎo)體硅電池將光能直接轉(zhuǎn)換為電能。一般，光伏系統(tǒng)由太陽能電池板

11、、蓄電池、控制器、逆變器組成。根據(jù)其實現(xiàn)功能的不同，可分為離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)、混合型發(fā)電系統(tǒng)。目前光伏系統(tǒng)的研究主要集中在孤島檢測、最大功率跟蹤、能量變換、穩(wěn)定性分析這幾個方面。二、光伏系統(tǒng)中的混沌現(xiàn)象隨著光伏發(fā)電應(yīng)用的日益廣泛，它們在電力系統(tǒng)中所占比例也越來越高。光伏系統(tǒng)與電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行后將會有以下兩個問題產(chǎn)生：（1）光伏電源在并網(wǎng)以后的振蕩問題。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是一個非線性電力系統(tǒng)，因此具有常規(guī)電力系統(tǒng)的特征。即系統(tǒng)在遭受周期性負荷擾動時，只要周期性負荷幅值滿足一定條件，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)就會發(fā)生混沌振蕩。（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器、dc/dc 變換器等設(shè)備中包含著大量的電力電子器件。這些器件在實際運行中常常會出現(xiàn)一些非線性的現(xiàn)象。其中有些非線性的現(xiàn)象即混沌現(xiàn)象。三、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性與常規(guī)電力系統(tǒng)相同，光伏系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性也分為靜態(tài)、暫態(tài)兩類。 同時也要注意其區(qū)別，即光伏電站的功率因數(shù)為1。在光伏電站的潮流中，其功率因數(shù)為1，可看作是有功功率時變、無功功率為零的pq 節(jié)點，因而有別于常規(guī)電力