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1、摘 要 风能是一种可再生无污染的绿色能源。它是一种取之不尽、用之不竭、无需开采、运输的新能源。利用风能发电则是当今世界各国为解决能源紧缺，提高环境质量的一项有效措施。风资源最大的特点就是风速的大小和方向的随机性，风的这种特性决定了风力发电厂输出功率的随机性。随着国内风力发电事业的不断发展，百兆瓦级的风电场将会越来越多，这种大型风电场并网运行将会对系统造成较大的影响。对于大型并网风电场并网对系统正常运行造成的影响，可以通过计算并网风电场的最大穿透功率，来解决大型风电场并网给系统带来的电压和频率扰动等问题，进而提出了一种风电场穿透功率极限计算的优化方法。论文主要内容如下：1通过介绍风电场并网对电力
2、系统的电压和频率等一系列的影响，来引申出计算风电场并网的极限穿透功率的重要性；2介绍了计算风电场极限穿透功率的几种方法，通过对这些方法的认识，了解到这些方法中的不足之处，进而去寻求一种更准确、更快速的方法来计算风电场极限穿透功率；3由于求解风电场穿透功率极限时，如若考虑到系统各种运行方式的话，计算量将会很大，为了能够减少计算量，本文提出了一种基于近似线性规划的风电场穿透功率极限优化的改进算法，通过近似线性规划方法，将原计算风电场穿透功率极限的非线性目标约束函数作线性化再应用线性近似解去逼近非线性真实解。应用该方法可以快速准确地求取风电场穿透功率极限。通过在IEEE39节点系统上仿真计算，验证了
3、所提方法的有效性及其快速准确的特点。关键词：电力系统，风力发电场，穿透功率极限，近似线性规划ABSTRACTThe wind power is a kind of renewable green power resources. It is a permanent source with not to exploiting and transporting. To solve the problem of energys shortage and improve the environment quality, a lot of countries use wind power to prod
4、uce electricity. The power output of a wind power plant is stochastic, which is determined by the wind and wind turbine generators. With the development of wind industry, there will be more wind plants of 100MW.This kind of large wind plants will bring many problems to the power systems operating. A
5、bout the normal operating influence of large wind plants interconnected the power system, can solve the problems about the voltage and frequency waves through calculating the wind farm penetration. The paper introduces an optimal method based on approximate linear programming for calculating the win
6、d farm penetration. The major research and contributions are as follows:1. Through with introduces of series influences about system voltage and frequency when the wind farm interconnected the power system, put out the important of calculating the wind farm penetration. 2. Introduce series measures
7、about calculate the wind farm penetration, through recognize this measures, to understand the shortcomings of it, and look for a more accuracy and more faster measure to calculate the wind farm penetration. 3. If more system operation modes are taken into account, the calculation of wind farm penetr
8、ation will be more complicated. This paper introduces an optimal method based on approximate linear programming for calculating the wind farm penetration. This method gets the object function and constraint function approximately linearized first. Then it uses the linear solution to find the accurat
9、e solution. The results on New England 39 system demonstrate that this method is rapid, precise and effective.Keywords: Power systems, Wind Farm, Penetration, Approximate Linear Programming目 录摘 要.IABSTRACT.II目 录.III1 绪言1.1 课题背景11.2 课题研究的目的和意义11.3国内外概况21.3.1国外风力发电发展概况21.3.2国内风力发电发展概况31.3.3国内外现状和发展41.
10、4大型风力发电场的并网主要问题51.5论文的主要工作71.5.1研究主要内容71.5.2研究方案路线71.5.3论文主攻方向82风力发电系统介绍2.1简述92.2风资源特性92.2.1高度的影响92.2.2风功率密度102.3风力发电机介绍102.3.1风力发电机的类型112.3.2风力发电机的调速装置142.3.3风力发电机的运行与控制142.3.4风力发电机并网控制方式152.4风力发电机的功率特性163风电场穿透功率极限计算3.1简述173.2风电场穿透功率极限定义173.3影响风电场穿透功率极限的主要因素183.4风电场穿透功率极限计算方法183.4.1基于电力系统暂态稳定算法193.
11、4.2基于机会约束规划算法203.4.3基于随机规划的并网算法213.4.4基于二阶泰勒展开式搜索计算方法223.4.5基于静态安全约束的方法224风电场穿透功率极限的近似线性规划优化算法4.1概述244.2 近似线性规划244.3设计步骤与框图254.4极限穿透功率的近似线性优化计算方法264.5风电场极限穿透功率优化计算步骤274.6算例仿真分析284.7结论305总结与展望31致 谢.32参考文献.33附 录.351 绪言1.1 课题背景目前,并网型风力发电机组是风力发电的主流形式。风能的随机性特点使并网运行的风力发电机组对电网的电能质量及安全稳定构成威胁。一方面，风力资源较好的地区往往
12、人口稀少、负荷量小、电网结构相对薄弱，风电功率注入电网会改变了局部的潮流分布，对局部电网的电能质量和稳定性有很大影响，因而限制了风电场接人系统的方式和规模。另一方面，风力发电的原动力是不可控的，它所处的发电状态以及出力的多少决定于风速的大小，风速的不稳定性和间歇性决定了风电机组的出力也具有波动性和间歇性。单机容量很小的风力发电机组，对于大电网的影响可以忽略。但是，随着风电机组单机容量增大和风电场规模的扩大，大型风电场并网运行对电力系统的影响也越来越明显。电力公司十分担心大规模风电并网运行会影响系统的供电质量和可靠性。因此，确定系统在正常运行前提下可以接受的最大风电装机容量。即系统的穿透功率极限
13、计算，是当前十分紧迫的研究课题。1.2 课题研究的目的和意义风能是一种可再生无污染的绿色能源。它是一种取之不尽、用之不竭、无需开采和运输的新能源。利用风能发电则是当今世界各国为解决能源紧缺，降低温室气体排放，提高环境质量而采取的一项非常有效的措施。风力发电可以取得显著的能源效益和环境效益。中国风能资源丰富，为了充分利用风能，需要大力发展我国的风力发电事业。并网风力发电是大规模利用风能的最经济的方式。随着技术的发展和规模的扩大，风力发电的成本将会继续下降，这必将进一步推动风电的发展，使整个风电发展进入一个良性的循环。中国电力部，为了改善电力结构，于1993年决定加快风电的产业化进程，开始大规模开
14、发风电，将清洁的风能作为21世纪能源可持续发展的一个重要组成部分。1995年11月，国家科委、国家计委和国家经贸委共同制定了新能源和可再生能源发展纲要(1996-2010)，把“大型风力发电机制造”和“风电场及其与电力系统相关的技术研究”定为新能源和可再生能源发展优先项目。“十五”期间，我国计划新增风电1192MW ，其间，风力发电发展重点是，新建设100MW风电场约3-5座(包括海上风电场)，并取得规模效益1。风力发电作为一种新能源，具有许多与常规发电方式不同的特点：风电是一种间歇性能源，风电机组的启停及其出力具有随机性；目前风力发电一般采用异步发电机，在向系统送出有功的同时还要从系统吸收无
15、功；在现有的技术水平下风力发电还无法预报，因此，风电基本上是不可调度的。风电的这些特点将影响到电力系统的安全性。当风电场的容量较小时，这些特性对电力系统的影响并不明显。随着风电场容量在系统中所占比例的增加，风力发电对系统的影响就会越来越明显。大风速扰动会使系统的电压和频率产生很大的变化，严重时可能使系统失去稳定。另外，风电机组的运行受制于系统的运行条件，当系统运行条件比较恶劣，如电压水平比较低时，风电机组就很容易在系统扰动或风速波动下停机，从而使系统造成有功缺额，不仅给风电场带来经济损失，也可能使系统失去稳定。为了描述某一电力系统中能够承受的风电场容量，因而引入了风电场穿透功率极限的概念。 近
16、年来，随着我国风力发电事业的不断发展，新建风电场的规模越来越大。大型风电场并网运行，将会对系统的稳定性和可靠性造成一定的影响，且风电场容量越大,对系统的影响也越大。为了确保系统的正常运行，有必要对系统中风电场的容量作一定的限制。通过对风电场穿透功率极限的分析研究，可为有关部门制定风力发电场发展规模提供科学的分析手段和理论依据，也可用于电力系统规划和运行调度。1.3国内外概况1.3.1国外风力发电发展概况20世纪初，法国出现了第一台用现代快速风轮驱动的发电机。到了20世纪30年代，各国已开始研制中型、大型风力发电机。从70年代能源危机以来，许多国家都更加重视新能源和可再生能源的研究、开发和利用，
17、使得风能、太阳能和生物质能等发电技术取得了长足的进步。以风力发电为例，商品化并网型风力发电机组，单机容量已由80年代的几十kW发展到1.5MW，容量更大的风力发电机组也在试验研究之中。1999年全世界风力发电总装机容量约13400MW，比1998年增长了38%，超过了任何一种电力增长的速度，其中装机容量较多的国家是：德国4074MW、美国2622MW、丹麦1600MW4。目前，在新能源领域，风力发电技术已经比较成熟，经济指标逐渐接近清洁煤发电，因此，许多国家都把发展风力发电作为改善能源结构，减少环境污染和保护生态环境的一种措施纳入国家的发展规划。美国能源部期望2010年风电至少能达到国内电力消
18、耗的10%。近十年里，美国在大型风力发电机组生产方面的投资年平均增长率达22%，1997年投资4.25亿美元，加上软件则达7.5亿美元，近期目标是使风电成本降到4美分千瓦时。已有5个欧洲国家计划使风电达本国总发电量的10%左右，丹麦甚至计划2030年达到40%，欧盟目前风力发电市场规模已达到80100亿美元，已成为欧洲的新兴经济领域。亚洲近两年虽受金融危机的冲击，但日本、印度、韩国、泰国和巴基斯坦等国家在风力发电方面的投资有增无减。1999年日本在北海道毡前町投资45亿日元，安装20台1MW风力发电机组，建成了日本最大的风力发电场，预计未来几年的投资将达到1000亿日元。拉丁美洲地区目前已有1
19、9家企业生产中、小型风力发电机组，总产量超过25万台，一个重要特点是私人投资风电比例大，发达国家的私人资本也迅速涌入，巴西、阿根廷、委内瑞拉等均有美、欧商人投资于风力发电行业。2002年4月2日，在首届世界风能大会上欧洲风能协会宣布，截至2001年底，全球风力发电能力已经达到2400万kw，比上一年增长650万kw，创下世界风力发电功率年增长的最高记录。尽管全世界风力发电增长幅度很大，但是各个地区的发展并不平衡。在首届世界风能大会上国际能源署署长普里德尔表示，使人们普遍接受风力发电的办法之一是继续降低风力发电的成本。为了普及风力发电，就必须加强风力发电的研发工作，降低风力发电的成本，提高风力发
20、电的稳定性。1.3.2国内风力发电发展概况中国10m高度层实际可开发的风能储量为250GW，这说明中国风能资源丰富。但是我国目前已安装的风电容量只有350 MW，这又说明了我国风力发电事业还有待发展。新疆北部、内蒙古、甘肃北部，东南沿海及其附近岛屿是中国风能资源丰富地区。在这些地区冬春季风大，降雨量少，夏季风小，降雨量大，这与水电有较好的互补性，可以考虑建设风水互补的混合系统。并网风力发电是大规模利用风能最经济的方式，随着技术的发展和规模的扩大，风电成本将继续下降。为了改善电力结构，中国电力部于1993年决定加快风电的产业化进程，开始大规模开发风电，将清洁的风能作为21世纪能源可持续发展的一个
21、重要组成部分。1986年国内投资在山东荣城创建了我国第一座风电场，选用了当时比较成熟的商品机型，3台丹麦Vestas55kW定桨距失速调节型机组，虽然容量较小，但它体现了政府对于风力发电事业的重视。这是中国并网风电发展过程中的一个里程碑5。到1998年底，全国风力发电总装机容量达223.6兆瓦。此后，在国家有关部委的领导和支持下，中国的风电事业开始稳步发展。为满足可持续新能源，尤其是对风电发展越来越高的要求，我国明确“十五”期间风力发电发展目标。“十五”期间，我国计划新增风电1192MW。其中达板城及阿拉山口地区新增98.7MW，内蒙古辉腾锡勒及赤峰地区新增138.5MW，吉林通榆地区新增92
22、.8MW,黑龙江富锦及木兰地区新增61.8MW，河北张北、黄骅及承德地区新增91.8MW，江苏如东和启东地区新增90 MW,辽宁营口、大连、沈阳等地新增97.6MW，广东南澳、惠来和湛江等地新增90.4MW，上海崇明和南汇等地新增80MW，其余省份“十五”期间合计新增350.4MW。“十五”期间，风力发电发展重点是:一是新建设100 MW风电场约3-5座(包括海上风电场)，并取得规模效益，二是鼓励有风能资源但还未建设一座风电场地区的电力企业或非电力企业开发风电项目，尤其在经济发达地区，风电上网电价也较易分摊，更需加快速度开发风电1。风力发电迅速发展的主要原因是各国政府的鼓励政策和风电机组制造技
23、术的进步。国外许多发达国家都有鼓励风力发电发展的优惠政策。优惠政策是发展风力发电的主要动力。为了大力发展风力发电，我国也出台了鼓励风力发电税收的优惠政策。1.3.3国内外现状和发展在爱尔兰的西北地区的Donegal郡，当地的风电场使用了风电场控制系统。电网公司担心它们的电网电压会越限，所以要求Donegal郡的风电场容量不可超过4*600KW，或是风电场主必须采用智能型风电场控制系统来确保风电场端的电网电压不会超过指定的最大值。为了充分的利用当地的风能资源，风电场安装了5台600KW的风力发电机，还有风电场控制系统，控制系统会在风电场端的电网电压过高的情况下减少风电场电能的输出。风电场控制系统
24、如图1.1所示6。图1.1 风电场控制系统风电场控制系统己根据丹麦电力系统操作人员提出的要求作了改进，这些要求都是关于大型风电场与电网连接的问题。这些要求明确了风电场在电网正常运行和故障时的运行方式。为了能大规模利用风能，风电场的电能的输出应该得到控制，控制装置应该可以在2秒钟内将风电场的输出降到额定值的20%，控制装置还应可以将电场的总输出控制在一个定值7。我国对于大型风电场的控制亦在积极研究。在九五期间，我国研制出采用微机控制的SJ-50A型大型风力发电机组微机控制装置，可对大型风力发电机组实现自动监测。该控制装置的主要功能有:风力发电机组的自启动，停机顺序控制，双向可控硅软并网，电气保护
25、和安全保护8。2001年，由中国科学研究院电工所承担的国家“大型风力发电系统关键技术的研究”的两个关键性专题项目通过了专家验收。这两个项目是600kW风力发电机组单机电气控制技术及装备的研制和风电场集中和远程控制技术。大容量、低成本半导体设备的持续发展开辟了一条通向变速恒频电力系统的大门。由于在生产线上调速电机使用的快速增长说明了现今的电力电子的高可靠性。现在发电过程中应用此项技术使用的最多的两个方法是:将风机输出的变动电压和变动频率完全转换为直流，在将它转换为交流，或者另一种方法，当变速感应电机的绕线式转子通过一个半导体系统的合适的变频电流调制，定子将会向内部联接的母线提供恒压、恒频的功率。
26、这个装置通常被称为感应电机双向调制，它拥有电力电子设备额定功率小的优点。近年来，风力发电的研究和开发人员越来越注重风电系统的设计分析工具的开发，通过使用这些工具来改进规范设计准则。现在己有一些设计和分析工具。分析与大电网相连的风电场在故障中和故障后的暂态特性的分析工具可9现己开发出，此工具己被用于评估故障对风电场的影响和评价提高风电场运行特性的方法。另外，还有估计风电场电能质量的改进工具。在这些模型中，重点是单个风力发电机、整个风电场、所有风电场的风况模型10。国内也有些这方面的研究。用于分析异步风力发电机组接入系统的动态稳定性以及计算风电场接入电网的穿透功率极限的异步风力发电系统动态稳定数学
27、模型11。还有风电场的发电可靠性模型，模型考虑了风速的随机变化、不同风电场之间风速的相关性、风电机组的功率特性及其强迫停运率、风电机组的布置和尾流效应以及气温等因素对风电场输出功率的影响，该模型可用于随机生产模拟和随机潮流分析等方面12。文献13中采用已建立的风电系统数学模型，结合一实际风电场接入运行情况，研究了风电机组引起的电网电压波动现象。1.4大型风力发电场的并网主要问题风能由于其自身特性使得它未被人们充分利用。风能资源通常远离负荷中心，风电场的输出随着风速风向的变化而变化，风力发电的特性目前尚未完全明确，所以制约了风力发电的发展。由于风的不可控性和不可预知性，风电场不能像常规电厂一样拥
28、有稳定的可靠性。同时，系统需要有与风电场额定容量相当的备用容量，在风停时替代风电场。这样的话，风电在电网中占的比率将会限制在较小的范围内，由于其与电网相联成本较高，这往往会超出能量本身的价值。上述考虑的情况都是在最差的条件下，之所以在最差的条件下考虑是因为我们未能很好的了解风与真实系统间的相互影响。风电场接入系统会给系统带来谐波；同时它要从系统吸收无功功率；会引起电压的波动；需要频率控制。谐波上世纪80年代建造的第一代风力发电场，使用老式的双向变换系统，变换器使用全桥电路，无附加的谐波矫正和滤除设备，产生了低阶的谐波。今天，改进的变换器产生的谐波分量非常小，低于IEEE推荐的电能质量监测标准。
29、随着谐波治理设备和先进的电力电子设备在变速风力发电机中的应用，谐波不再是系统注重的焦点。无功功率早期的风电场里，使用的异步发电机，没有安装无功补偿设备。所以，在系统运行中，线路上的损失加大，风电场与电网连接点的功率因素难以控制。现在，电网都要求风电场确保其与电网连接点的功率因数。通过电力电子技术的应用，现代变速风力发电机可在足够的范围内控制功率因数。电压波动将风电场建在偏远地区时，通过原先电网向当地负荷供电的传输线与电网相连，电压波动难以控制成为人们关注对象。解决的办法包括，减少风电场的容量，架设新的传输线，添加静态无功控制器和自适应无功控制器。显然，减少风电场的容量非人所愿，架设新的传输线成
30、本太高。频率控制 当风电场与脆弱、孤立的电网相连时，要保持系统的正常电压就有困难。当阵风使得风电场的输出迅速变化时，系统的频率就会发生变化。在加利福尼亚的风电场地区，维持正常的系统频率已不再是一个问题，但在夏威夷，问题就不同了。美国电能研究所(EPRI)研究表明，在夏威夷，由于风电场输出功率变化导致系统容量每分钟减少达10兆瓦时，或是系统负荷增加每分钟达10兆瓦时，系统就会失去维持频率在一定范围内的能力14。为了能向系统提供更多的风能，就需要有一定的解决措施。如采用电力电子控制并网的现代变速风机，或是采用附加旋转备用的自动发电控制系统。1.5论文的主要工作1.5.1研究主要内容系统的风电场穿透
31、功率极限计算一直是人们非常关心的课题。以往的研究表明，影响风电场穿透功率极限的因素很多，这些因素包括系统运行的稳定性、经济性和可靠性的约束，此外还有系统的运行方式、系统的旋转备用、风能资源及风电场分布、常规机组出力限制等。由于风电场穿透功率极限计算牵涉的因素较多，目前尚没有一个统一适用的算法和公式。采用常用的一种方法是，应用动态仿真，检验系统在几种典型的运行方式下，在某种风电比率下，系统的安全稳定性，进而求得系统可以接受的最大风电装机容量，算出风电场穿透功率极限。本文运用近似线性规划优化的方法对风电场并网运行进行了动态仿真。通过对风电场并网运行的动态研究，计算了风电场穿透功率极限。1.5.2研
32、究方案路线在对风电场容量值不断修正的过程中，修正值的选取是风电场穿透功率极限计算的关键。仅靠人为地修正风电场容量，即不科学也很难快速准确的求得风电场最大容量。当系统十分复杂时，仿真次数的增多会使计算量变得很大。为了克服上述不足，本文应用近似线性规划方法，对风电场穿透功率极限求解进行了优化。通过近似线性规划方法，先将原计算风电场穿透功率极限的非线性目标约束函数作线性化。再应用线性近似解去逼近非线性真实解。应用该方法可以快速准确地求取风电场穿透功率极限。通过在NewEngland39节点系统上仿真计算，验证了所提方法的有效性及其快速准确的特点。因此，本文研究路线如下：1. 通过介绍风电场并网对电力
33、系统的电压和频率等一系列的影响，来引申出计算风电场并网的极限穿透功率的重要性；2. 介绍了一系列计算风电场极限穿透功率的方法，通过对这些方法的认识，了解到这些方法中的不足之处，进而去寻求一种更准确、更快速的方法来计算风电场极限穿透功率；3. 提出了基于近似线性规划地风电场穿透功率极限的优化算法，在通过动态仿真求取风电场穿透功率极限的过程中，采用近似线性规划方法进行了优化，并采用算例系统进行验证。1.5.3论文主攻方向针对大型风电场并网所引起的系统稳定问题，本文通过对风电场并网运行的动态特性研究，并以IEEE(NEWENGLAND)39节点系统为例，研究并计算了风电场穿透功率极限。在计算风电场穿
34、透功率极限过程中，通过应用近似线性规划，对计算过程进行了优化。2风力发电系统介绍2.1简述在就风电场并网对系统产生的影响进行分析时，需要了解风资源特性和风电机组的输出功率特性。因为大型并网风电场对于电力系统的影响主要来自于它的功率不稳定性。风电场的功率不稳定性源自于风的变化。风力发电机自身的特性，如在风机起停时和在不同的运行方式时，对于风力发电机输出的功率会有影响。上述这些因素影响着风力发电机发出的功率，进而影响着与风机相联的系统的电压和系统频率。本章简要介绍了风资源及其特性，然后介绍了风力发电机，最后介绍了风力发电机的功率特性。2.2风资源特性风资源最大的特点就是风速的大小和方向的随机性，另
35、外风速的大小随着高度的增加而增加，风速受障碍物、地形、地貌等影响。风功率密度不但与风速大小有关，而且和空气密度有关。风电机组在野外运行，因此受到气温、雨雪等气象条件的影响。风速测量仪所测的风速受到受障碍物、地形、地貌等影响，因此距离风速仪一定距离的风速可能与测量点的风速差别较大。2.2.1高度的影响实际上空气有粘性，最底层的风由于和地表的摩擦而变缓，就是说风速随海拔高度的改变而改变。尽管风速改变跟当地许多因素有关，但大家普遍接受了下面的反应风速变化的经验公式，适用于300米以下： (2.1)其中V0是距地面H0高度处观测到的风速，V是高度H处的风速，一般H0的值是10米，n是一个大约0.10.
36、4的系数。引入近地表面粗糙度长度z0这个参数，风速与高度关系的公式能用对数公式表达： (2.2)其中地面粗糙度长度z0，是由地表面类型决定的，此时H和H0分别是距离零风速平面的高度，而V和V0是H和H0高度处的风速。对数公式在3050米的高度范围内拟合的最好，而对整个边界层高度，指数公式更为精确，又因其简便，所以经常使用的还是指数公式15。2.2.2风功率密度风功率密度是与风向垂直的单位面积的风功率，其表达式为: (2.3)其中：w是风功率密度，是空气密度，q是风的动态压力，x是风吹过的距离。由上式可知，影响风电机输出功率的外部因素主要为风电场的空气密度和风速。在近地层中，空气密度的量级为10
37、0，而风速立方(v3)的量级为102103。因此在风能计算中，风速具有决定性的意义。但由于我国地形复杂，空气密度的影响也必须加以考虑。风功率密度与空气密度成正比，空气密度与气温、气压和空气湿度等有关： (2.4)其中：P是平均气压，E是绝对湿度，T是温度。如果知道海拔高度z，可通过下面公式计算： (2.5)可见，海拔高度2000米处的空气密度约是1.1084kg/m3，对于相同的风速，风功率密度仅是海平面风功率密度的90.5%。由风速的概率密度函数和风功率密度公式可以求出风功率密度的概率密度函数： (2.6)2.3风力发电机介绍由于风资源的特性，使得风力发电机在结构、运行、控制和保护方式上都有
38、着自身的特点。现在风电场中普遍使用的是水平轴、三叶片大型并网风力发电机。风力机发电机一般选用三相异步发电机作为最终和能量转换设备。三相异步发电机具量轻、体积小，维护简单方便等特点。由于风速的大小随着高度而增加，所以风机一般都很高；又由于风功率密度较低，平均值小于1000W/m，所以风力发电机都会采用大直径的风轮口为了高效利用风能，风力发电机在运行时要将其叶尖速比(Tip Speed Ratio)保持在68间，此时风力发电机的功率转换系数(Power Coefficient)最高，可达0.4，理论上最大值为0.59(贝茨Bentz极限)16。在通常情况下，风力发电机容量越大，其转速越低，所以需要
39、在发电机与风轮间安装增速齿轮箱。2.3.1风力发电机的类型风力发电机依据风轮的结构以及其在气流中的位置大体上可分为两大类：一类为水平轴风力发电机，一类为垂直轴风力发电机。水平轴风力发电机在运行时，风轮围绕一个水平轴旋转，风轮的旋转平面与风向垂直。垂直轴风力发电机运行时，其风轮围绕一个垂直轴旋转。现在用于并网发电的风力发电机，普遍是水平轴三叶片。垂直轴风机只占到已安装的商用风机的3%。水平轴风机对于不同类型的风力发电机，控制单元会有所不同，但主要是因为发电机的结构或类型不同而使得控制方法不同，加上定桨距和变桨距，形成多种结构和控制方案。根据浆叶的不同，分为以下三种：1定桨距失速调节型风力发电机组
40、定桨距是指桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。失速是指桨叶本身所具有的失速特性，当风速高于额定风速时，气流将在桨叶的表面产生涡流，使效率降低，产生失速，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机（即大/小发电机）。在低风速段运行的，采用小电机使桨叶具有较高的气动效率，提高一些发电机的运行效率。定桨失速调节型的优点是失速调节由指桨叶本身完成，简单可靠，当风速变化引起的输出功率的变化只通过桨叶的被动失速调节而控制系统不作任何控制，使控制系统大为减化。但是在输入变化的情况下，风力发电机组只有很小的机会能运行在最佳状态下，因此机组的整
41、体效率较低。通常很少应用在兆瓦级以上的大型风力机上。2变桨距调节型风力发电机组变奖距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。3主动失速调节型风力发电机组将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节。在低风速肘，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨距角调整优化机组功率的输
42、出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主动向失速方向调节，将功率调整在额定值上。由于功率曲线在失速范围的变化率比失速前要低得多，控制相对容易，输出功率也更加平稳。根据风机转速分有恒速恒频和变速恒频两种，恒速恒频机组的整体效率较低,而变速恒频这种调节方式是目前公认的最优化调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化，可以最大限度的吸收风能，因而效率较高。控制上也很灵活，可以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统较为复杂。变速恒频又根据发电机的不同分为以下几种：1异步感应发电机通过晶闸管控制的软并网装置接入
43、电网，并网冲击电流较大。另外需要电容无功补偿装置。控制电路简单。各大风力发电制造商如：Vestas，NEG，Micon，Nordex都有此类产品。2绕线转子异步发电机对于绕线转子异步发电机可以采用功率辅助调节方式，即转子电流控制（RCC）方式来配合变浆距机构，共同完成发电机输出功率的调节。在绕线转子输入由电力电子装置控制的发电机转子电流，可以加大异步发电机转差率（可到10%），使得发电机在较大的转速范围内向电网送电。以提高异步发电机的风能利用率。3双馈发电机双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三根电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交
44、交变频器或交直交变频器供以低频电流。双馈电机励磁可调量有三个：一是可以调节励磁电流的幅值；二是可以改变励磁电流的频率；三是可以改变励磁电流的相位。通过改变励磁频率，可调节转速这样在负荷突然变化时，迅速改变电机的转速，充分利用转子的动能，释放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小。另外，通过调节转子励磁电流的幅值和相位，来调节有功功率和无功功率。双馈电机控制系统通过变频器的控制器对逆变电路小功率器件的控制，可以改变双馈发电机转子励磁电流的幅值、频率及相位角，达到调节其转速、有功功率和无功功率的目的。既提高了机组的效率，又对电网起到稳频、稳压的作用。整个控制系统可分为：转速调整单元、有功功率调整单
45、元和电压调整单元（无功功率调整）。它们分别接受风速和转速，有功功率、无功功率指令，并产生一个综合信号，送给励磁控制装置，改变励磁电流的幅值、频率与相位角，以满足系统的要求。由于双馈电机既可调节有功功率，又可调节无功功率，有风时，机组并网发电；无风时，也可作抑制电网频率和电压波动的补偿装置。双馈电机应用于风力发电中，可以解决风力机转速不可调。机组效率低等问题。同时，由于双馈电机对无功功率、有功功率均可调，对电网可起到稳压。稳频的作用，提高了发电质量。与同步机交一直一交系统相比，它还具有变频装置容量小（一般为发电机额定容量的10%20%左右）、重量轻的优点。但这种结构也还存在一些问题，如控制电路复
46、杂一些，不同的控制方法效果有一定差异。另外该结构比其他结构更容易受到电网故障的影响。目前国内有多家开发成功双馈电机控制系统，如兰州电机有限责任公司与清华大学、沈阳工业大学合作研制的兆瓦级变速恒频双馈异步风力发电系统控制设备，采用全数字化矢量控制方法。中科院电工研究所研制的兆瓦级变速恒频风电机组电控系统，该系统采用IGBT技术、双PWM双向可逆变流控制。4永磁直驱同步发电机由变浆距风轮机直接驱动永磁同步发电机，省去了增速用齿轮箱。发电机输出先经整流器变为直流，再经IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器将电能送到电网。对风力发电机工作点的控制是通过控制逆变器送到电网的电流实现对直流环节电压的控制，从而
47、控制风轮机的转速。发电机发出电能的频率、电压、电功率都是随着风速的变化而变化的，这样有利于最大限度地利用风能资源，而恒频恒压并网的任务则由整流逆变系统完成。除了永磁直驱同步发电机可以直接并网外，还可以构成风力发电机（群）。如ABB公司的“Windformer” 采用的高压永磁直驱同步发电机（群），结构如下：单机容量为35MW，输出额定电压高达20kV，频率为510Hz，每一台发电机机端只配置有整流器，把交流变换为直流，通过直流母线实现与风电场其他机组(群)的并联运行，既提高了可靠性，又改进了效率。风电场由一台大容量公用逆变器把直流母线的直流电转换成50Hz的交流电，电压为12kV，可直接并入当地电网使用，也可经变压器升压至更高电压后并入更高压电网传输到远处。永磁直驱同步发电机系统存在的缺点是：对永磁材料的性能稳定性要求高，电机重量增加，IGBT逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的120
