风力发电毕业论文讲解.pdf

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1、华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 1 风力发电对电网影响的研究 摘要 风力发电作为一种绿色能源有着改善能源结构，经济环保等方面的优势，也是未来能 源电力发展的一个趋势，但风力发电技术要具备与传统发电技术相当的竞争力，还存在一 些问题有待解决，本文从风力发电对电力系统的影响入手，总结了风电网并入电网主要面 临的一些技术问题，如风力发电场的规模问题，对电能质量的影响，对稳定性的影响，对 保护装置的影响等，然后针对这些技术问题，提出了一些解决方案及措施。并介绍了一些 新的措施，以建设我国具有自主产权的风电产业。 关键词 : 风力发电，电能质量，稳定性，解决方案 华北电力大学继续教育学院本

2、科毕业设计（论文） 2 目录 摘要1 第一章风力发电的历史与发展 4 1.1 风力发电的意义 4 1.2 世界风力发电的发展状况 .4 1.3 中国风力发电的发展状况5 第二章 风力发电系统 6 2.1 风力发电的原理 6 2.2 恒速恒频发电系统 6 2.3 变速恒频发电系统 6 2.3.1 不连续变速系统 .7 2.3.2 连续变速系统 .7 2.3.3 变速恒频发电系统的特点.8 2.3.4 变速恒频发电系统的结构.8 第三章 功率控制系统 9 3.1 异步发电机 9 3.2 整流装置 9 3.2 1 整流电路的选择策略 .9 3.2.2 稳压电路的选择策略 .10 3.2.3 逆变电路

3、的选择策略 11 3.3 控制系统 .11 第四章 风力发电对电力系统的影响12 4.1 对电能质量的影响 12 4.1.1 影响12 4.1.2 解决措施 .12 4.2 对电网稳定性的影响 13 4.2.1 影响.13 4.2.2 解决措施 13 4.3 对保护装置的影响 .14 4.3.1 影响14 4.3.2 解决措施 .14 4.4 电压稳定性 .14 第五章 风电场对策 15 5.1 无功控制有功调度 .15 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 3 5.2 低压穿越 .15 5.3 风电功率预测技术 15 结语.17 参考文献 18 附录.19 华北电力大学继续教育学院本

4、科毕业设计（论文） 4 第一章风力发电的历史与发展 1.1 风力发电的意义 能源是国民经济发展和人类生活必须的重要物质基础。我国能源面临最突出的问题是 国内化石类能源供应严重不足。一项关于我国未来能源供需报告曾预测，2020年国内可供 应常规能源的量不到2 亿吨标准煤，能源缺口将为4 亿5亿吨，需要从国外进口。如果要 减轻我国对石油和天然气进口的依赖，必须调整能源结构，大规模开发可再生资源。可再 生能源将作为主要的替代能源，而风力发电则是可再生能源发展的的重点，市场广阔、前 景光明、将为国民经济发展提供更充足的物质保证。 风力发电是当前既能获得能源，又能减少有害气体排放的最佳途径之一。目前我国

5、的 电能结构中 75%是煤电，排放污染严重，增加风电等清洁能源比重刻不容缓。在减少室温 气体二氧化碳和导致酸雨的二氧化硫等有害气体排放、保护环境、缓解全球气候变暖方面， 风电是有效措施之一。风力发电产生的效益除了经济和环境效益以外，还有就业效益和脱 贫致富等社会综合效益。 综上所述，发展风力发电意义重大，及减少对石油、煤炭等化石类能源的依赖，减少 环境污染；又能创造就业，促进地区经济增长。风力发电是现代社会成熟的、效率最为显 著的能源转换技术之一，具有无可比拟的优势。 1.2 世界风力发电的发展状况 随着国际社会能源紧缺压力的不断增大，风力发电得到了高度的重视。近20 多年来， 风电技术日趋成

6、熟，应用规模越来越大。风力发电在欧洲发展最快，德国的风电发展处于 领先地位，在近期德国制定的风电发展长远规划中指出，到2025 年风电要实现占电力总 容量的 25%，到 2050 年实现占总用量的50%的目标。另外，丹麦的风能发电已经可以满 足 18%的用电需求，法国也在制定风能发电的长远发展规划。同时，亚洲的风力发电也在 保持较快的发展势头。其中，印度政府积极推动风能发展，积极鼓励大型企业进行投资发 展风电，并保持实施优惠政策激励风能制造基地，目前印度已经成为世界第五大风电生产 国。（附录 1、附录 2、附录 3） 1.3 中国风力发电的发展状况 我国地域幅员辽阔，是世界上风力资源较为丰富的

7、国家之一，全国可开发利用的风能 约 2.5 亿千瓦。有沿海（山东、浙江、福建、广东）和东北至西北（包括内蒙古、新疆、 甘肃）两大风带，风的质量很好，为开发风力发电提供了基础环境和条件，因此我国也在 大力提倡风力发电。我国从70 年代开始进行并网风力发电的尝试。早期，山东，新疆等 地引入国外风力发电机组开始我国风电场的运行试验与示范。1997年在国家有关优惠政策 和国家计委“成风计划”的推动下，年总装机容量越至10.88 万千瓦。总的来说我国风能 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 5 并网发电已经走过了30 年历程，但是跟国外相比，我国装机容量仍然偏低，并且从设备 制造水平来说还未走

8、出“试验”阶段，但是同时也看出我国风电潜力巨大。（附录4） 随着风电技术的日趋完善， 已经形成一种富有活力的新兴产业，并向产业化、 设备化、 大型化、设备实用化、取能高度化、成本低廉化和开发多元化等方向发展。（附录5） 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 6 第二章风力发电系统 2.1 风力发电的原理 因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，风力发电正在世界上形成 一股热潮。风力发电的原理比较简单，类似于水利发电，风力发电就是利用风力带动风车 叶片旋转，在透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术， 大约是每秒三公尺的微风速度，便可以开始发电。风机发

9、出的电因为质量不高难以直接应 用，所以要实现利用就必须要将发出的电能进行变换，满足并网要求，这样就需要我们设 计一个可靠的整流逆变系统和控制系统来对其进行变换和控制，使其满足条件。 2.2 恒速恒频发电系统 恒速恒频发电系统一般说来比较简单。所采用的发动机主要有两种，即同步发电机和 鼠笼型感应发电机。前者运行于由电机级数和频率所决定的同步转速，后者则以稍高于同 步速的转速运行。 风力发电中所用的同步发电机绝大部分是三相同步电机。其输出连接到邻近的三相电 网或输配电线。其输出连接到邻近的三相电网或输配电线。因为三相电机比起相同额定功 率的单相电机来，一般体积小、效率较高、而且便宜，所以只有在功率

10、很小和仅有单相电 网的少数情况下才会考虑用单相发电机。 同步发电机的主要优点是可以像电网或负载提供无功功率，一台额定容量125KVA、 功率因数为 0.8 的同步发电机可以在提供100KW 额定功率的同时，向电网提供+75KW 和 -75KW 之间的任何无功功率值。它不仅可以并网运行，也可以单独运行，满足各种不同负 载的需要。 同步发电机的缺点是它的结构以及控制系统比较复杂，成本相对于感应发电机也比较 高。 感应发电机也称为异步发电机，有鼠笼型和线绕型两种。在恒速恒频系统中，一般采 用鼠笼型异步发电机。它的定子铁心和定子绕组的结构与同步发电机相同。转子采用笼形 结构，转子铁心由硅钢片叠成，呈圆

11、筒形。槽中嵌入金属导条，在铁心两端用铝或铜端环 将导条短接。转子不需要外加励磁，没有滑环和电刷，因而结构简单、坚固，基本无需维 护。（附录 6、附录 7） 2.3 变速恒频发电系统 这是 20 世纪 70 年代中期以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统，其主要优点是 在于风轮以变速运行，可以在很宽的风俗范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高 了风力发电机的运行效率，从风中获取的能量可以比恒速风力发电机高得多。此外，这种 风力发电机在结构上和使用中还有很多的优越性。利用电力电子学是实现变速运行的最佳 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 7 最好的办法之一，虽然与恒速恒频系统相比可能

12、使风电转换装置的电气部分变得较为复杂 和昂贵，但电气部分的成本在中、大型风力发电机组所占比例不大，因而发展中、大型变 速恒频风电机组受到许多国家的重视。 2.3.1 不连续变速系统 一般来说，利用不连续变速发电机可以获得连续变速运行的某些好处，但不是全部好 处。主要效果是比以前单一转速的风电机组有较高的年发电量，因为它能在一定的风速范 围内运行于最佳叶尖速比附近。但它对风速的快速变化实际上只是一台单速风力机，因此 不能期望它像连续变速系统那样有效的获取变化的风能。更重要的是，他不能利用转子的 惯性来吸收峰值转矩，所以这种方法不能改善风力机的疲劳寿命。 2.3.2 连续变速系统 连续变速系统可以

13、通过多种方法来得到，包括机械方法、电/机械方法、电气方法及电 子学方法等。 机械方法如采用变速比液压传动或可变传动比机械传动，电/机械方法如采用 定子可旋转的感应发电机，电气式变速系统如采用高滑差感应发电机或双定子感应发电机 等。这些方法虽然可以得到连续的变速运行，但都存在这样或那样的缺点和问题，在实际 应用中难以推广。目前看来最有前景的当属电力电子学方法，这种变速发电系统主要有两 部分组成，及发电机和电力电子变换装置。发电机可以是市场上已有的，通常电机如同步 电机、鼠笼型感应发电机、绕线型感应发电机等。也有近来刚研制的新型发电机如磁场调 制发电机、无刷双馈发电机等；电力电子变换装置有交流/直

14、流/交流变换器和交流 /交流变 换器等。 2.3.3 变速恒频发电系统的特点 变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化，而不影 响输出电能的频率。可以通过适当的控制，使风力机的尖速比处于或接近最佳值，从而可 以最大限度的利用风能。另外，对于恒速风机来讲，当风速跃升时，巨大的风能将通过风 轮机传递给主轴、齿轮和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力，如果这种过 程重复出现会引起这些部件的疲劳损坏，因此设计时应该加大安全系数，从而导致制造成 本增加。而风力发电机采取变速运行时，当风速跃升产生的巨大风能，部分被加速旋转的 风轮吸收以功能的形式储存于高速运转的风轮中，从

15、而避免主轴及传动机构承受过大的扭 矩和应力。当风速下降时，在电力电子装置调控下，将高速风轮所释放的能量转变为电能 送入电网，风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用，使风力机内部能量传输 部件的应力变化比较平稳，防止破坏机械应力产生，从而使风力发电机组运行更加平稳和 安全。 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 8 2.3.4 变速恒频发电系统的结构 变色恒频风力系统以变速恒频为核心，系统结构包括： 风能机、齿轮箱、异步发电机、 整流装置、储能装置、控制系统六部分。 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 9 第三章功率控制系统 3.1 异步发电机 异步发电机三相电枢绕组的

16、输出电压将是由频率为 mr ff和 mr ff的两个分量组成 的调幅波。通过并联桥式整流器整流，然后通过可控硅开关电路，将波形的一半反向，最 后经滤波器滤波， 即得到与发电机转速无关频率为 m f 的恒频正旋波输出。 它实质上是利用 一台三相高频交流发电机，通过磁场调制和解调技术来产生一个所需的低频单相输出。发 电机系统输出电压的频率和相位仅取决于励磁电流的频率和相位，而与发电机的转速无 关。这个特点非常适合用于并网运行，风力发电机的励磁通过励磁变压器取自电网，这样， 风力发电机的输出总是自动与电网同步，不存在失步问题，而且整个系统控制相当简单， 运行非常可靠。它的另一个优点是可以使风力机在很

17、大风速范围内按最佳效率运行，提高 了风能转化效率，且简化风力机的调速机构，只需采取适当的限速措施即可，并且在限速 运行区仍可允许转速有一定范围的波动，从而可降低风力机机械部分的造价，并能提高运 行可靠性。另外，电路输出波形中谐波分量很小，可以得到相当好的正弦输出波形。 异步发电机一直是风能系统中常用的能量转换器，因为把异步发电机并入电网的手续 极为简单，只要将转子带动到尽可能接近同步转速，并注意转子向定子旋转磁场转向一致， 即可并入电网。通常同步发电机并入电网时必须整步，并且并入电网时有时会发生振荡与 失步。而且，变速运行的风力发电机能捕捉更多的风能，这可从三个方面来说明：当风速 低于用来发出

18、与电网同频率电能所需的速度时，仍能利用此时的风能。第二，通过对电压 和频率的动态控制允许发电机工作在最大效率点。第三，电压和频率的动态控制使电机励 磁能跟踪风俗变化， 因此可以降低机械传动的能量损耗。但该机组的主要缺点是风速小时， 电能输出少。为此在风力发电机组的机电变换器线路中利用不同极对数和不同额定功率值 的两台异步发电机的方法， 可以达到增加输出的目的。 该方案是在电网频率不变的情况下， 由风轮运行工况变换为电机转速变化工况，从而增加了电能输出，还可以实现机组的平衡 起动和电磁制动，以及电网电压故障时，控制线路中的伺服电动机可得到备用电源。 利用两台发电机无疑会增加风力发电机组的年发电量

19、，但同时也会增加主电气设备的 成本，增加这就的运行费用。因此，也有采用一台双速变极发电机来替代两台不同额定功 率值得异步发电机。 3.2 整流装置 3.2.1 整流电路的选择策略 1）整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电，应用十分 广泛，电路形式多种多样，各具特色。可从各种角度对整流电路进行分类，分类方法有： 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路； 按交流输入相数可分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向可分为单向或双 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 10 向；又分为单拍电路和双拍电路。 2）各种整流电路优缺

20、点的比较 A）单相半波可控整流电路的特点是：简单，但输出脉动大， 变压器二次侧电流中含直 流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大了 设备的容量。 B）单相桥式全控整流电路与单相全波二者的区别在于：单相全波可控整流电路中变压 器的二次绕组带中心抽头， 结构较复杂。绕组及铁芯对铜、 铁等材料的消耗比单相全桥多， 在当今世界上有色金属资源有限的情况下，这是不利的。 单相全波可控整流电路中只用2 个晶闸管，比单相全控桥式可控整流电路少2 个，相 应的，晶闸管的门及驱动电路也要少2 个；但是在单相全波可控整流电路中，晶闸管承受 的最大电压是单相全控桥式整流电路的2

21、倍。 单相全波可控整流电路中，导电回路只含1 个晶闸管，比单相桥少1 个，因而也少了 一次管压降。 C）单相桥式半控整流电路的特点：该电路实用中需加设续流二极管 R VD，以避免可能 发生的失控现象。 D）电容滤波的单相不可控整流电路的特点：适用于交直交变换器、不间断电源、 开关电源等应用场合中，常用于小功率单相交流输入的场合。 3.2.2. 稳压电路的选择策略 开关稳压电源发展迅速，种类繁多，从工作方式上，可分为可控整流型、斩波型和隔 离型三大类。 1） 所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件做调整开关，由交流市 电电网供电，可直接供电，也可经过变压器变压后供电。在可工作的半波内

22、，截去正弦曲 线的前一部分，这部分所占角度成为截止角，导通的正弦曲线的后一部分称为导通角，靠 调导通角的大小，达到调整输出电压和稳定输出电压的目的。 2） 所谓斩波型开关稳压电源指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电 路的输出端得到单向的脉动直流，经滤波得到与输出电压不同稳定的直流输出电压，从输 出电压取样，经比较、放大、控制脉冲信号，控制调整开关的导通时间和截止时间的相对 长短达到稳压的目的。 3） 所谓隔离型开关电源，是指输出回路与逆变电路之间，经过高频变压器，由磁场 的变化实现能量传递，没有电流之间的直流接通。习惯上称为直流变换器。直流变换器不 都是隔离型开关稳压器，如正弦波震

23、荡状态，还有不少直流变换器没有稳压功能。严格的 说，直流变换器包括隔离开关型稳压器，但为了通俗，还是采用直流变换器一词。直流变 换器是指直流电压供电，经开关电路，将直流变为交流，因与整流作用相反，因此通常称 为逆变器。经过逆变器将直流供电能量转变成频率很高的交流能量，再经变压器隔离、变 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 11 压，再整流，得到新的直流输出电压。从输出取样，经放大、反馈至逆变器，控制它的工 作，达到稳定输出电压的目的。 3.2.3. 逆变电路的选择策略 1）直接逆变后用工频变压器升压至交流220V 这种方法电路结构简单，控制也比较容易。但是因为使用工频变压器，从而增大

24、了体 积、重量和成本。另外，逆变时由于输入电压低，造成电流大，功率管的选择比较困难。 还有逆变后电流比较大，从而后级工频变压器的制作也比较困难。 2）高频链逆变技术逆变出交流220V 电压 这种方法因为使用高频变压器，因此体积小、重量轻、成本也低。但是由于是新兴技 术，逆变时要精确确定电压过零点和电流过零点，因此控制电路比较复杂、难以控制。另 外，目前采用高频链逆变技术的逆变器只能用于低功率范畴。 3）高频升压后接逆变器逆变出交流220V 电压 这种方法不但控制简单，而且也避免了使用工频变压器。升压电路可供选择的电路结 构形式有多种，如升压斩波器、升降压斩波器、单端反激式、双端开关电源等。实际

25、中可 以选择输出隔离的电路结构形式，也可以选择不隔离的电路结构形式。 3.3 控制系统 为使风力机组能够稳定运行，必须对其进行有效的控制。考虑到风力发电机组的特殊 性，按重要性的顺序，控制器应依次满足以下要求： 1）风能转换系统是稳定的； 2）运行过程中，在各种不确定的因素如阵风、剪切风、负载变化作用下具有鲁棒性； 3）控制代价小，即对不同输入信号的幅值有一定限制，如调向的时间等； 4）最大限度的将风能转化为电能，即在额定风速以下，可能使发电机在每一种风速 时，输出的电功率达到最大，额定风速以上时则保持输出电功率为常量； 5）风力发电机输出的电功率保持恒压恒频，有较高的电能品质质量 华北电力大

26、学继续教育学院本科毕业设计（论文） 12 第四章风力发电对电力系统的影响 4.1 对电能质量的影响 4.1.1 影响 风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，可能 影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波以及周期性电压脉动等。电压 波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。电压波动的危害表现在照明 灯光闪烁、电视机画面质量下降、电动机转速不均匀和影响电子仪器、计算机、自动控制 设备的正常工况等。影响风力发电产生波动和闪变的因素有很多: 随着风速的增大，风电 机组产生的电压波动和闪变也不断增大。并网风电机组在启动、停止和发电机切换过程中 也产

27、生电压波动和闪变。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪 变越小。另外，风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当，将会向电网注入谐波电流， 引起电压波形发生不可接受的畸变，并可能引发由谐振带来的潜在问题。 异步电机作为发电机运行时，没有独立的励磁装置，并网前发电机本身没有电压，因 此并网时必然伴随一个过渡过程， 流过 56 倍额定电流的冲击电流， 一般经过几百 ms 后 转入稳态。风力发电机组与大电网并联时，合闸瞬间的冲击电流对发电机及电网系统安全 运行不会有太大影响。但对小容量的电网，风电场并网瞬间将会造成电网电压的大幅度下 跌，从而影响接在同一电网上的其他电器设备的正常运

28、行，甚至会影响到整个电网的稳定 与安全。 4.1.2 解决措施 一、改善电网结构 并网风电机组的公共连接点短路比和电网的线路x/r 比是影响风电机组引起的电压波 动和闪变的重要因素。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变 越小。合适的电网线路x/r 比可使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补 偿掉，从而使整个平均闪变值有所减轻。研究表明，当线路x/r 比很小时，并网风电机组 引起的电压波动和闪变很大。当线路x/r 比对应的线路阻抗角为6070时，并网风电 机组引起的电压波动和闪变最小。另外，通过人工干预使风电机组不同时启停，可以减小 启停机对电网的影响。 二、安

29、装电力电子装置 对于风电场并网过程对电网造成的冲击，通常采用的是双向晶闸管控制的软启动装置。 当风力机将发电机带到同步速附近时，发电机输出端断路器闭合，使发电机经一组双向晶 闸管与电网连接，通过电流反馈对双向晶闸管导通角进行控制，使双向晶闸管的触发角由 180向 0 逐渐打开，并网过程结束后，将双向晶闸管短接。通过采用这种软启动方式， 可以将风电场并网时的冲击电流限制在1.21.5 倍额定电流以内， 得到一个比较平滑的并 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 13 网过程。 4.2 对电网稳定性的影响 4.2.1 影响 风力发电通常接入到电网的末端，改变了配电网功率单向流动的特点，使潮

30、流流向和 分布发生改变，这在原有电网的规划和设计时是没有预先考虑的。因此，随着风电注入功 率的增加，风电场附近局部电网的电压和联络线功率将会超出安全范围，严重时会导致电 压崩溃。由于采用异步发电机，风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的 无功功率。 因此，为了补偿风电场的无功功率， 每台风力发电机都配有功率因数校正装置， 目前常用的是分组投切的并联电容器。电容器的无功补偿量的大小与接入点电压的平方成 正比，当系统电压水平较低时，并联电容器的无功补偿量迅速下降，导致风电场对电网的 无功需求上升，进一步恶化电压水平，严重时会造成电压崩溃。由于异步发电机的功率恢 复特性，当电网发生短路故

31、障时，若故障切除不及时，也将容易导致暂态电压失稳。另 一方面，随着风电场规模的不断扩大，风电场在系统中所占的比例不断增加，风电输出的 不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大，对系统稳定性的影响就更加显著，严重情况 下将会使系统失去动态稳定性，导致整个系统的瓦解。 4.2.2 解决措施 一、分组切换电容器 分组快速投切电容器组对系统进行无功补偿的算法，计及了风速和负荷变化对风电场 输出有功功率和无功功率影响。但是，这种分组投切的电容器不能实现连续的电压调节， 其电容器的投切次数有一定的限制，其动作也有一定延时，因此对于风速的快速变化造成 的电压波动难以解决。 二、静止无功补偿器（ SVC) SV

32、C 可快速平滑的调节无功补偿功率的大小，提供动态的电压支撑， 改善系统的运行 性能。将 SVC 安装在风电场的出口， 根据风电场接入点的电压偏差量来控制SVC 补偿的 无功功率，能够稳定风电场节点电压，降低风电功率波动对电网电压的影响。对某个具体 的系统安装 SVC 装置前和安装 SVC 装置后进行了仿真计算，结果表明在安装SVC 装置 后，风电场节点电压的波动明显降低;当发生故障后， SVC 的动态无功调节能力可以加快 故障切除后风电场节点电压的恢复过程，改善系统的稳定性。 三、超导储能装置（ SMES) SMES 能量密度高，其储能密度可达108 J/m3，而且能够快速吞吐有功功率。通过采

33、 用基于 GTO 的双桥结构换流装置， SMES 可在四象限灵活的调节有功和无功功率，为系 统提供功率补偿， 跟踪电气量的波动。 文献提出了在风电场出口安装SMES 装置，充分利 用 SMES 有功无功综合调节的能力， 可降低风电场输出功率的波动，稳定风电场电压。 同 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 14 时 SMES 是一种有源的补偿装置， 与 SVC 相比其无功补偿量对接入点电压的依赖程度小， 在低电压时的补偿效果更好。另外，SMES 代表了柔性交流输电系统（FACTS）的新技术 方向，将 SMES 用于风力发电可以实现对电压和频率的同时控制。 4.3 对保护装置的影响 4.

34、3.1 影响 为了减少风电机组的频繁投切对接触器的损害，在有风期间风电机组都保持与电网相 连，当风速在起动风速附近变化时，允许风电机组短时电动机运行，风电场与电网之间联 络线的功率流向有时是双向的。因此，风电场继电保护装置的配置和整定应充分考虑到这 种运行方式。 异步发电机在发生近距离三相短路故障时不能提供持续的故障电流，在不对称故障时 提供的短路电流也非常有限。因此，风电场保护的技术困难是如何根据有限的故障电流来 检测故障的发生，使保护装置准确而快速的动作。另一方面，尽管风力发电提供的故障电 流非常有限，但也有可能会影响现有配电网络保护装置的正确运行，这在最初的配电网保 护配置和整定时是没有

35、考虑到的。 4.3.2 解决措施 在风电场保护装置的配置与整定方面，目前通常的做法是按照终端变电站的方案进行 配置和整定。主要依靠配电网的保护来切除网络的故障，然后由孤岛保护、低电压保护等 措施来逐台切除风电机组。从而在故障期间断开风电场与系统的连接，而当故障清除后， 控制风电场自动重新并网。但是对于今后有大量风电场接入配电网的情况，这种方法会降 低系统的可靠性。 4.4 电压稳定性 大型风电场及其周围地区，常常会有电压波动大的情况。主要是因为以下三种情况。 风力发电机组启动时仍然会产生较大的冲击电流。单台风力发电机组并网对电网电压的冲 击相对较小，但并网过程至少持续一段时间后（约为几十秒）才

36、基本消失，多台风力发电 机组同时直接并网会造成电网电压骤降。因此多台风力发电机组的并网需分组进行，且要 有一定的间隔时间。当风速超过切出风速或发生故障时，风力发电机会从额定出力状态自 动退出并网状态，风力发电机组的脱网会产生电网电压的突降，而机端较多的电容补偿由 于抬高了脱网前风电场的运行电压，从而引起了更大的电网电压的下降。 风电场风速条件变化也将引起风电场及其附近的电压波动。比如当风场平均风速加 大，输入系统的有功功率增加，风电场母线电压开始有所降低，然后升高。这是因为当风 场输入功率较小时，输入有功功率引起的电压升数值小，而吸收无功功率引起的电压降 大；当风场输入功率增大时，输入有功引起

37、的电压升数值增加较大，而吸收无功功率引起 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 15 的电压降增加较小。如果考虑机端电容补偿，则风电场的电压增加。特别的，当风电场 与系统间等值阻抗较大时，由于风速变动引起的电压波动现象更为明显。研究发现，使 用电力电子转换装置的风力发电机，能够减少电压波动，比如并网时风电场机端若能提供 瞬时无功，则启动电流也大大减小，对地方电网的冲击将大大减轻。值得一提的是，如果 采用异步发电机作为风力发电机，除非采取必要的预防措施，如动态无功补偿、加固网络 或者采用HVDC 连接，否则当网络中某处发生三相接地故障时，将有可能导致全网的电 压崩溃。 华北电力大学继续教

38、育学院本科毕业设计（论文） 16 第五章风电场对策 5.1 无功控制有功调度 大型风电场的风力发电机几乎都是异步发电机，在其并网运行时需从电力系统中吸收 大量无功功率，增加电网的无功负担，有可能导致小型电网的电压失稳。因此风力发电机 端往往配备有电容器组，进行无功补偿，从而提高电网运行质量及降低成本。双馈型变速 恒频风力发电机对这一系列问题有很好地解决作用，由于添加了控制环节，它具有了以下 优良特性： 1） 可以实现对无功功率的控制双馈发电机在实现电压控制的同时还可以从电网中 吸收无功功率或是为电网提供无功补偿。 2）可以通过对转子励磁电流的独立控制实现了有功和无功功率的解耦控制。具体原理 是

39、，双馈发电机在转子侧的变频器通过转子电流d 轴分量实现对转子转速和力矩的控制， 无功和励磁则是通过转子电流的q 轴分量来控制的。 同时，电网侧的变频器也以类似的方 式工作， d 轴分量通过直流电压媒介电路控制有功功率，实现转子侧与电网侧变频器之间 的有功交换。 5.2 低压穿越 低压穿越是指风电机组并网点电压跌落时，风电机组能够保持并网，甚至向电网提供 一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间区域。 电压跌落会给电机带来一系列暂态过程，如出现过电压、过电流或转速上升等，严重危害 风电机组本身及其控制系统的安全运行。一般情况下，若电网出现故障风电机组会实施被 动

40、式自我保护而立即切除，并不考虑故障的持续时间和严重程度。这样能最大限度的保障 风电机组的安全，并且在风力发电的电网穿透率较低时是可以接受的。然而，当风电在电 网中占有较大比重时，若风电机组在电压跌落时仍采取被动保护式切除，则会增加整个系 统的恢复难度，甚至可能家具故障，最终导致系统失稳，因此必须采取有效的LVRT 技术 和措施，以维护风电场电网的稳定。（附录8） 5.3 风电功率预测技术 在电力系统调度领域，可预测性是处理风电波动的关键。准确预测风电的发电量有助 于调度人员提前组织管理电力系统中的风电波动性。风电预测的准确度会密切影响电力系 统调度所需的调频和调峰机组的容量，因此风电预测在风电

41、的经济并网方面有着举足轻重 的地位。 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 17 结语 随着风电的高速发展，对风电并网的研究会越来越重要。影响风电并网的技术障碍包 括缺少风电场规划、风力发电机和风电场模型的模拟软件、风电场输出预测等。建议通 过硬件建设，改进电网负荷平衡能力；通过软件建设，提高电网的调度能力和水平；制订 严格的风电入网标准，促进风机制造技术的进步；提高风电短期预测技术能力和水平。 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 18 参考文献 1.陈世坤。电机设计 M. 北京：机械工业出版社 2.潘文霞，陈允平，沈祖治。风力发电机的发展现状J 3.王效良。并网风力发电机组电控系统的设计。J电力系统自动化 4.王松，姚兴佳。风电场远程数据采集与监控系统的开发J 节能 5.于德志。基于 VPN 的风力发电场远程通信管理系统实现J 当代通信 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 19 附录 1.全世界新增装机情况 2.全世界累计装机容量情况 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 20 3.全世界装机容量排名 4.我国各年度新增及累计装机容量 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 21 5.单机装机容量变化 6.同步发电机示意图 华北电力大学继续教育学院本科毕业设计（论文） 22 7.异步发电机示意图 8.低压穿越示意图