风力发电机组并网运行研究.docx

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1、论文风力发电机组并网运行研究论文题目：风力发电机组并网运行研究二十世纪八十年代以来，并网型风力发电以其独特的能源、环保优劣和规模化效益，得到了长足发展，从而风电场并网运行带来的各种问题也引起了人们的广泛关注。随着风电场规模的不断扩大，风电特性对电网的负面影响越来越显著，成为制约风电场规模不断扩大的重要障碍，因此为了进一步开发风电造福人类，深入研究风电场并网运行后对电网造成的影响成为迫切需要解决的问题。尽管当今风电技术发展很迅速，各种新型的风力发电机相比以前都有了很大的进步，它们对风电并网运行的负面影响也在不断减少，但目前大多风电场仍采用普通异步发电机为发电技术的恒速恒频发电系统，异步发电机的一

2、些特性使得研究它的并网运行对电网电压稳定性带来的影响成为必要，这个问题也是本文要研究的主要内容。本文在第一章介绍了风力发电的一些发展现状，并阐述了跟风电有关的相关概念,阐明了研究大规模风电并网系统电压稳定性的重要意义；在第二章论述了风力发电系统的组成及分类，指出了不同风力发电系统的特点，并就风电的并网运行对电力系统电压稳定性的影响这一问题进行了大致分析：在第三章，根据风力发电系统各主要组成部分的数学模型建起了基于Matlab / Simulink仿真环境下的动态仿真模型；在第四章则主要研究风力发电并网运行对电力系统功率因数和网损的影响。在第五章主要研究风力发电机组的基本运行特性和并网运行动态性

3、能。电压稳定性是一个很复杂的问题，本文所作的工作还很少，需要更加深入的研究,为以后风电的大规模应用做出贡献。关键词：风力发电；风电场；并网分析；风力发电场电压稳定性论文类型：研究报告1绪论11.1 研究背景11.2 研究的内容和方法11.3 研究意义22风能与风力发电机组52.1 风能资源的特点52.2 风力发电的特点62.3 风力发电机组的类型72.3.1 鼠笼式感应风力发电机组72.3.2 交一直一交变频并网同步风力发电机组82.3.3 双馈感应风力发电机组83风力发电系统并网仿真模型113.1 Matlab 仿真软件的简介113.2 风速模型113.2.1 基本风113.2.2 阵风12

4、3.2.3 渐变风123.2.4 随机风133.3 风力发电机的数学模式分析133.4 异步发电机的暂态数学模型153.4.1 异步发电机的定子电压方程153.4.2 异步发电机转子电磁暂态方程153.4.3 异步发电机的转子运动方程153.4.4 异步发电机电磁功率方程164风力发电机组并网方式分析研究174.1 风力发电并网运行对电力系统其他性能的影响174.1.1 风力发电对电力系统功率因数的影响174.1.2 风力发电对电力系统网损的影响195风力发电机组的基本运行特性和并网运行动态性能研究15.1 风力发电机组的静态有功特性与稳定极限15.2 静态无功特性25.3 短路电流特性35.

5、4 并网运行动态性能研究46结论与展望9声明1.1 研究背景风能是一种丰富、清洁和可再生的一次能源，而电力是一种最重要的二次能源。当前，世界各国对于能源安全和环境保护等问题愈来愈重视，风力发电技术作为解决能源和环境问题、满足可持续发展要求的有效和重要手段，得到迅速的发展，成为全球增长最快的能源。据全球风能理事会（GWEC）介绍，2011年全球风电新装容量41GW以上，比201（）年增加21%,使全球总装机容量超过238 GW。迄今全世界已有75个国家安装了商业化风电，其中22个国家超过了 1 GW。中国超过美国，成为世界上风电设备制造大国和风电装机容量最多的国家。在我国，风力发电同样得到了广泛

6、关注和快速发展，截至2010年底，中国成为全球最大风电装机国，中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。风力发电的发展对能源、环境、制造等各个领域带来了新的机遇和挑战，也得到了不同领域人们的关注。对于电力系统，作为一种不同于传统火电、水电或核电的发电型式，风力发电至少有三个新的特点：（1）作为风力发电机组原动机的风力机，其出力受到自然界风速变化的影响，并在本质上不受人们的控制；（2）风力发电采用了各种新型的发电机组，它们与传统发电型式中的同步发电机在运行和控制特性方面有着很大的差异，且风力发电机组单机容量远小于当代火力、水力或核能

7、发电厂中的主流发电机组；（3）风力发电受到风能资源地域性分布的限制，大多位于电网相对薄弱的地区、电网末端、甚至远离现有电网的地区。风力发电的这些新的特点将为其并网运行的电力系统带来许多新的特性和影响，尤其在当前风力发电容量快速增长、局部电网有可能以风力发电为主要电源的情况下,风力发电对电力系统的影响不容忽视。因此，对风力发电并网运行特性的研究是当前电力工作者迫切需要解决的一个课题。1.2 研究的内容和方法本研究的主要目的有以下几点：分析各种因素作用下风力发电并网运行对电力系统的影响、研究风力发电最大并网容量的限制性条件、研究并提出改善风力发电并网运行的措施。为此，本研究的主要内容有：(1)研究

8、风能资源的特点，及其对风力发电的基本要求。风能资源虽然是易于变化和不可控制的，但是它也遵循一定的规律，对这些规律的研究和把握是开展与风力发电有关的各类研究的基础；(2)主要风力发电机组类型的对比研究。通过长期的发展，目前形成了几种不同的主流风力发电机组类型，它们的原理、结构、运行特性和对电力系统的影响都是不尽相同的，在开展深入研究之前，有必要对它们的基本特性开展研究和对比；(3)风力发电并网运行稳态性能研究。电压水平是电力系统稳态运行的重要指标,一般认为，风力发电并网运行主要受到电压的制约，所以，本部分的研究重点是风力发电并网运行后电力系统的电压特性，包括不同系统配置和风力发电对电压的影响，以

9、及电压变化对风力发电并网容量的限制。对于在配电网接入系统的风力发电，它将改变局部电网的潮流流向和大小，因此对网损、功率因数等指标有着相应的影响，这也属于本部分的研究内容。本部分研究以风力发电系统静态有功与无功特性为基本依据，主要采用基于潮流的研究方法；(4)风力发电并网运行动态性能研究。风力发电经常处于风速变化的扰动之中，由此引发的动态过程是风力发电的显著特点；此外，由于风力发电采用了新型的发电机，其动态性能也不同于传统的同步发电机，这些因素对电力系统动态性能的影响是本部分研究的重点，主要包括：风力发电并网过程动态、风力发电引起的电压波动和闪变、风力发电系统谐波研究、风力发电在电网故障等暂态过

10、程中的特性及其稳定与控制和风力发电对继电保护系统的影响等。本部分研究在风力发电机组控制原理和动态特性分析的基础上，主要采用时域仿真的研究方法，并采用频域分析等方法作为必要的补充。L3研究意义随着能源的短缺及环境污染的日益严重，分布式发电(DG, Distributedgeneration)以其一次能源的丰富性、环境友好性及装机方式的灵活性逐渐成为电力系统新的研究热点.其中风力发电是近年来得以迅速发展的一种发电形式，具有发电技术比较成熟、发电价格较低、建设周期较短等优点，在未来电力系统发展中将占有重要的地位。风力发电形式可分为离网型和并网型，并网型风力发电是近几年来风电发展的主要趋势，也是本文的

11、研究重点.并网型风力发电通常是由多台大容量(50KW-2MW)的风力发电机组组成，被称为大型风电场。大型风电场并网运行多具有以下特点旧：1)输入风能的变化有随机性；2)大多风电场距离电力主系统和负荷中心较远。所以一般风电场与地方薄弱电联结;3）含异步发电机的风力发电机组运行时向系统输送有功功率，吸取无功功率；4）原来的地方电力系统的线路按常规设计建设，缺乏电雎控制设备和措施。因此，随着风电容量在电网的比例迅速增加，并网系统的电压问题逐渐暴露出来。大功率风电在运行时将对系统的电雎稳定性产生影响，应从早期的小型风电场引起的电能质量问题研究上升到对大型风电场并网的电压稳定性的研究.另外，风电场的电压

12、稳定性是制约并网风电容量的一个重要因素，所以为了更多、更有效地利用风能造福于人类，研究并网风电特别是大型风电并网对电网系统的电压稳定性有很大的意义。本文所作的主要工作是这样的：1、描述了当前风力发电系统的常用类型及其组成部分2、对定桨矩+鼠笼型异步发电机和变桨矩+双馈异步发电机的数学模型进行了描述，并在Matlab/Simulink基础上，得到了仿真模型。3、基于仿真模型分析大型风电场并网对电力系统电压稳定性的影响。2风能与风力发电机组2.1 风能资源的特点风能资源状况是发展风力发电最基础的工作。风速概率分布是体现风能资源统计特性的重要指标，也是在风电场规划设计和并网技术研究中所必须的重要依据

13、。风是自然界的产物，人们目前还无法对其进行有效的控制，但是风速的变化和分布也是有一定的规律可循的。简言之，风速可分解为缓慢变化的分量和快速变化的分量。在一定的时间尺度上，风速的平均值可以认为是不变的，这种平均值就是缓慢变化的分量。如人们常取10分钟的风速平均值进行研究，通过长年累月的风速观测，用该平均值来估计观测地风力资源的状况，风能研究领域中常用来表示风速统计状况的Weibull分布就是这种风速平均值的一种反映。在人们需要从长期的角度进行研究时，Weibull分布是一种非常有效的工具。在图2-1中，给出了长期风速Weibull分布在不同参数下的曲线。k 二 1.25 1.5-2.0+ 2.5

14、 x工0W ind speed (in/s)0.15: suop=zoqojd图2-1不同参数下的Weibull型风速分布曲线在风力发电系统动态研究中，还需要对风速的快速变化分量进行研究和建模。一种做法是将风速分解为四种分量，其中基本风表示慢速变化分量，阵风、斜坡分量和背景噪声组成了快速变化分量，且阵风是快速变化分量的主要部分。但是这种模型难以确定阵风或斜坡分量参数的方法。现在的风力发电系统的研究中，还往往采用平均风速分量与湍流分量相叠加的风速模型。在这种模型中，平均风速可在数分钟至数十分钟的时间尺度内保持不变，风速的变化由湍流分量给出。这时，湍流可以看作是一个平稳随机过程，并且满足两个条件：

15、一是风速序列与平均风速的偏差服从零均值高斯分布，二是风速序列满足一定的功率谱密度。这里的第一个条件限定了风速变化的范围，第二个条件则限定了风速变化的频率和幅度，这对风力发电系统的动态行为是至关重要的。2.2 风力发电的特点风力发电是将风能转化为电能以便加以利用的技术，风力发电的规模取决于对风能利用的大小。在这个过程中，风力机是原动机，将风能转化为旋转机械能，然后带动各种类型的发电机，将机械能转化为电能，再通过输、变电系统接入大规模电网、或者就近组成孤立供电系统。所以，风力机是风力发电的源头，风力发电的特性在很大程度上与风力机有关。对一台实际的风力机，其机械输出功率PW7”)可以下式表示：1 , aPWT = -p7rR1v3Cp(2-1)其中，0为空气密度，U为风速，R为风力机扫略半径，G，为风能利用系数，表示风力机将风能转化为转轴上输出机械能的效率。g不是一个常量，而是随着风力机的转速而变化的，通常