风力发电接入微电网技术研究

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景及意义
人类很早就开始利用风，公元前 200 年就有记载。19 世纪之前，社会生产力低，风能得到了广泛的利用；在进入 19 世纪之后，廉价的蒸汽机开始出现，，加之当时燃料，风能的利用所占比重逐渐降到最低点。当今，随着人类经济社会和各行各业的飞速发展，社会对能源需求量也在不断增加，尤其是对煤、石油等化石燃料需求越来越大。但是人类的大量开采和使用，这些资源在逐渐枯竭，导致几次资源危机的发生，尤其是 1973 年，发生的石油危机造成的影响最大；此外，直接燃烧化石燃料对环境也会造成严重的污染。同时，煤、石油也被誉为“工业的粮食”、“工业的血液”，燃烧只是利用了它们的化学能，造成很大的浪费。基于对环境保护的重视，对化石燃料的节约，世界各国纷纷把对可再生能源的利用作为将来的能源发展方向，而对风能的利用又是重要的组成部分，目前风能主要利用方式是发电。先将风的动能转变成机械动能，再将机械能转化为电能，这就是风力发电。它具有无污染、设备使用寿命长、范围广等优点，这也是其它传统发电方式不具备的优点。一般来说，当风速达到三级时就有利用价值，但一般超过 4 米/秒时才适合用来发电。根据实验数据，以一台 55kW 风力机为例，风速在 9.5 米/秒时，机组输出功率为额定值 55kW，；当风速为 8 米/秒时，功率减少为 38kW；风速在 6米/秒时，只有 16kW；而风速只有 5 米/秒时，仅为 9.5kW。因此风速越快，输出功率越大，经济效益也越高。当前我国仍以火电机组为主，对煤炭等化石能源需求量巨大，且这些化石燃料不可再生，还是工业生产的重要原料，直接燃烧用于发电是很大的浪费，还会污染环境。风力发电是一种无污染的发电方式，且风能是一种可再生能源，符合我国的可持续发展战略。我国的风力资源丰富，大多数地区的年平均风速都在 4 米/秒以上，在西北、东北、青藏高原和东南沿海地区和部分岛屿，年平均风速更高；尤其是新疆山口地区，几乎全年都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前景的。
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1.2 国内外研究现状
人类利用风力历史很长，但在数千年的时间里，主要是利用风能转化为其它形式的机械能，直到 1877 年才诞生第一台风力发电机。1941 年美国研制成功世界上第一台兆瓦级风力发电机，使得大规模风力发电成为了可能。然而当时化石燃料价格低廉，风力发电被边缘化，并未受到重视，直到 1973 年能源危机的发生，促使风力发电得到了较快的发展，1987 年，美国研制成功 3.2MW 风力发电机，与此同时，加拿大研制出 34MW 风力发电机组。到 2013 年底，有 16个欧洲国家、4 个亚太国家、4 个美洲国家风电装机容量超过 1000MW。2013 年加拿大新增装机容量 1599MW，28 个欧盟国家新增装机总容量达 11159MW，同时，巴西新增装机容量也接近 1000MW。我国是最早利用风能的国家之一，但利用风力发电起步较晚，直到 1986 年才在山东荣成建立第一座风力发电场。近年来我国风电发展较快，年风电装机容量以 10%以上的速度增长，2013 年我国新增风电装机容量 1609 万 kW，并在西藏建成该省第一座风电场，总装机容量超过 9000 万 kW，年发电量达134.0TWh，成为第三大电源，共有 16 个省（市）风力发电累计并网量超过 100万 kW。预计到 2020 年，风电装机容量将达到 2.5 万 kW。与此同时我国自主研发的风电设备所占比重也越来越大，2004 年仅 10%，到 2013 年超过 70%，价格也从“十一五”初期的 7000 元/kW 降到了 4000 元/kW。
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第 2 章 风力发电及运行仿真

2.1 风力发电
风能是一种清洁的可再生能源，风力发电是当前风能利用的主要形式，风力发电机主要有机舱、叶片、塔架、导流罩、风轮轴、齿轮增速箱、发电机、和风向标、风速仪等组成。机舱：装有并保护风力发电机重要设备。叶片：风力使叶片转动，将风能转化为机械能，传送到风轮轴。塔架：搭载风力发电设备，通常的，高度越高，风力发电机所受风速越大，叶片可以造得更大，输出功率也越大。导流罩：迎风状态时，风会沿着导流罩均匀分流，使每个叶片都接受相同的风力。风轮轴和齿轮增速箱：将叶片的机械能传送给齿轮增速箱，再通过齿轮增速箱加速后带动发电机发电。风向标和风速仪：目前风力发电机组最高只能承受 25 米/秒风速，因此需要时刻检测风速和风向。当风速超过最大设计时可立刻采取措施，保证整个设备的安全。风力发电机组有双馈型、永磁型等。风力发电也分为离网型风力发电系统和并网型风力发电系统。
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2.2 风速、贝兹理论、叶尖速比以及机械转矩
风速是指空气的移动速度。衡量风能是否能用于发电的指标通常是年平均风速。相较于励磁同步发电机，永磁同步发电机有着以下优点：（1）、结构简单、可靠性高。励磁发电机需要外加一个励磁绕组。当励磁绕组因电流过大导致发热时间过长时，可能会烧坏。永磁发电机采用永磁体提供磁场，不会引起发热等问题，使用寿命长，结构也较励磁绕组简单，造价低廉。（2）、体积小、重量轻。永磁体体积比励磁绕组小，相应的发电机体积也可以造得小，重量也得到减轻。（3）、效率高。励磁发电机需要励磁电源，以及碳刷、滑环，运行时增加了机械摩擦损耗。永磁发电机无需电励磁，理论上只有少量机械损耗，效率高。一般的，发电机转速在 25r/s~100r/s 时，励磁发电机效率只有 50%左右，而永磁发电机可达 80%。（4）、运行方便，成本低。风力发电机组一般都离地 20 米甚至更高，检修困难，采用励磁发电机装置励磁电源困难，且检修间隔时间短。永磁同步发电机检修间隔时间长，无需增加励磁设备。由于有着以上优点，本文以永磁同步发电机作为风力发电系统主机。永磁同步发电机的转子的磁链由永磁体磁场强度决定。将定子电压在q0d 同步旋转坐标系下进行分解，其中，同步旋转坐标系的 d 轴是转子磁链的方向。
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第 3 章 微电网及风力发电机并网最佳条件 ........16
3.1 微电网 ......... 16
3.2 风力发电机并网最佳条件 ..... 17
3.3 孤岛现象 ...... 20
3.4 孤岛检测法 ........ 21
3.5 孤岛检测仿真 .... 22
3.6 本章小结 ..... 24
第 4 章 风力发电机数量对并网暂态过程的影响 .......25
4.1 风力发电机数量对并网暂态过程的影响 ......... 25
4.2 风力发电机并网时微电网无电压电流 ...... 25
4.3 风力发电机并网时微电网有电压电流 ...... 30
4.4 小结 ...... 34
第 5 章 含风力发电机的微电网控制模式及仿真 .......35
5.1 微电网控制模式 ....... 35
5.2 结果与结论 ........ 42
5.3 本章小结 ..... 42

第 5 章 含风力发电机的微电网控制模式及仿真

5.1 微电网控制模式
随着社会的发展，微电网技术将越来越广泛地应用于日常生活中。生活用电负荷在一天中会出现很大的变化，如图 5.1 所示，其高峰和低谷相差了 4 倍，且在短时间内有一个爆发式增长，对电网将产生很大的扰动，如果微电网处于孤网运行时，其本身所带负荷较小，扰动会更严重，将产生很大的冲击电流，加速风力发电机绝缘结构老化，甚至直接损坏整个风力发电机，导致用户停电。因此，需采取相应的控制模式，将暂态过程的电流、电压变化控制在一个小范围内，保证微电网的稳定运行和风力发电机的安全。主从控制模式是将微电网中各个 DG 采取不同的控制方法，并赋予不同的职能。其中的一个或几个作为主控，其它作为“从属”。并网运行时，所有 DG均采用 P/Q 控制策略；孤岛运行时，主控 DG 控制策略切换为 U/f 控制，以确保向微电网中的其它 DG 提供电压和频率参考，负荷变化也随主控 DG 来跟随，因此要求其功率输出应能够在一定范围内可控，且能够足够快地跟随负荷的波动，而其他从属地位的 DG 仍采用 P/Q 控制策略。主控 DG 一般采用 DG+储能装置。此方案能充分利用利用储能装置的快速充放电功能和 DG 所具有的可较长时间维持微电网孤岛运行的优势，有效的抑制由于 DG 动态响应速度慢引起的电压和频率大幅波动问题。

结论

本文以风力发电和微电网作为研究对象，采用 MATLAB/SIMULINK 对风力发电机以及微电网进行仿真，对结果进行分析，结合理论验证模型的正确性。本论文具体研究工作如下：
（1）、介绍风轮机以及永磁发电机原理并建立数学模型，以此为基础建立风力发电机模型进行仿真，验证建模的可行性。
（2）、对微电网进行了介绍，并建立风力发电机接入微电网模型，比较风力发电机在高电压、高频率和低电压、低频率并网时冲击电流峰值，通过结果分析确定微电网处于不同运行状态时风力发电机并网最佳条件。
（3）、介绍孤岛现象及各种孤岛检测法，并选择主动移频孤岛检测法进行仿真，通过实验可知在断开连接后 0.04s 可检测到微电网出现孤岛效应，因此该策略能快速、有效检测到孤岛现象。
（4）、在完成风力发电接入微电网模型的基础上，比较微电网在容量相同，风力发电机数量不同时对微电网暂态过程的影响，结果显示风力发电及数量即使不同，也不会对暂态过程产生影响。
（5）、概述微电网控制模式，并对 U/f 控制模式进行仿真，结果显示该控制模式能有效控制微电网突然接入较大负荷产生的扰动。
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参考文献（略）