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第1章 緒
1.1 課題的目的和意義

論

風(fēng)能是一種清潔的永續(xù)能源，與傳統(tǒng)能源相比，風(fēng)力發(fā)電不依賴外部能源， 沒(méi)有燃料價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)電成本穩(wěn)定，也沒(méi)有碳排放等環(huán)境成本；此外，可利用 的風(fēng)能在全球范圍內(nèi)分布都很廣泛。正是因?yàn)橛羞@些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，風(fēng)力發(fā)電逐 漸成為許多國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。 風(fēng)能是目前最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用潛力

的可再生能源，并且風(fēng)力發(fā)電被認(rèn)為 是我國(guó)能源和電力可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的最現(xiàn)實(shí)選擇。近5年，全世界風(fēng)電裝機(jī)容量 和發(fā)電量的增速均超過(guò)30％，風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家的風(fēng)電量已超過(guò)國(guó)內(nèi)總發(fā)電量的 10%[1]。近年來(lái)，特別是《可再生能源法》實(shí)施以來(lái)，中國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)和風(fēng)電市 場(chǎng)發(fā)展十分迅速，截止到2008年底，裝機(jī)容量達(dá)到近1000萬(wàn)千瓦，2010年很有 可能達(dá)到2500萬(wàn)千瓦；國(guó)家制定的2020年風(fēng)電裝機(jī)3000萬(wàn)千瓦的目標(biāo)，有可能 在2011年實(shí)現(xiàn)。因此，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，2020年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)的最保守估計(jì) 是8000萬(wàn)千瓦，一般估計(jì)是1億千瓦，樂(lè)觀的估計(jì)為1.2億千瓦[2]。 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能大規(guī)模利用的有效方式，但風(fēng)電場(chǎng)輸出功率取 決于風(fēng)速，具有不可控和不可預(yù)期性。當(dāng)電力系統(tǒng)中接納的風(fēng)電機(jī)組容量超過(guò) 一定比例時(shí)，隨機(jī)波動(dòng)的風(fēng)電功率接入電網(wǎng)容易引起電網(wǎng)頻率波動(dòng)，進(jìn)而增加 電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓、運(yùn)行調(diào)度等輔助服務(wù)負(fù)擔(dān)，造成電網(wǎng)運(yùn)行成本的增加；當(dāng)功 率波動(dòng)超出電力系統(tǒng)調(diào)峰能力范圍時(shí)，還將進(jìn)一步導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率越限，嚴(yán) 重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 平抑風(fēng)電輸出功率波動(dòng)的有效途徑是采用儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)與 風(fēng)力發(fā)電的協(xié)調(diào)運(yùn)行來(lái)平抑注入電網(wǎng)的功率波動(dòng)，使風(fēng)電場(chǎng)注入到電網(wǎng)的功率 能夠根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求而靈活控制。但由于大儲(chǔ)能系統(tǒng)成本昂貴，如何 利用有限容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化風(fēng)電功率輸出、改善聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行性能是一項(xiàng)重要研 究課題。 本文針對(duì)以上問(wèn)題研究了利用儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的柔性風(fēng)力發(fā)電

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系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)如何配置、平抑控制策略如何設(shè)計(jì)、及儲(chǔ)能系統(tǒng)充 放電控制如何實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。研究成果對(duì)促進(jìn)我國(guó)風(fēng)電發(fā)展，提 高既有電力系統(tǒng)容許的風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用具有重要的應(yīng) 用價(jià)值。

1.2

課題研究現(xiàn)狀

1.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展現(xiàn)狀
并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從 20 世紀(jì) 80 年代中期開(kāi)始逐步實(shí)現(xiàn)了商品化、產(chǎn)業(yè) 化。經(jīng)過(guò)近 20 年的發(fā)展，容量已從數(shù)千瓦級(jí)曾大到兆瓦級(jí)[3]。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功能是將風(fēng)中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電 能，送到電網(wǎng)中，圖 1-1 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的一般構(gòu)成[4]，主要包括風(fēng)力機(jī)、齒 輪箱（可選） 、發(fā)電機(jī)、電能變換裝置（可選）等。

圖 1-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一般構(gòu)成

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，根據(jù)槳葉是否可調(diào)節(jié)分 類，風(fēng)力機(jī)可分為定槳距風(fēng)力機(jī)和變槳距風(fēng)力機(jī)和主動(dòng)失速風(fēng)力機(jī)三種。 1、定槳距風(fēng)力機(jī) 定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：槳葉與輪轂的連接是固定的，即 當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。定槳距風(fēng)力機(jī)是根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉 片失速特性來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的輸出功率。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)葉片翼 型發(fā)生變化，使風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪捕獲風(fēng)能的能力下降，保證風(fēng)力機(jī)輸出功率不隨風(fēng) 速上升而增加，而使輸出功率不超過(guò)額定功率。

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2、變槳距風(fēng)力機(jī) 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是指整個(gè)葉片繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片攻角在 一定范圍(一般 0°~90°)內(nèi)變化，以便調(diào)節(jié)輸出功率不超過(guò)設(shè)計(jì)容許值。 變槳距風(fēng)力機(jī)是通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)槳距角來(lái)改變?nèi)~片的風(fēng)能捕獲能力，進(jìn)而 調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的輸出功率。風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的槳距角，限制風(fēng)力機(jī)的 風(fēng)能捕獲以維持風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，為發(fā)電機(jī)組的軟并網(wǎng)創(chuàng)造條件。 當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，保持風(fēng)力機(jī)槳距角恒定，通過(guò)發(fā)電機(jī)調(diào)速控制使 風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于最佳葉尖速，維持風(fēng)力機(jī)組在最佳風(fēng)能捕獲效率下運(yùn)行。 當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)槳距角，使風(fēng)輪葉片的失速效應(yīng)加深， 從而限制風(fēng)能的捕獲。 3、主動(dòng)失速風(fēng)力機(jī) 將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相結(jié)合，充分吸取 了自動(dòng)失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，槳葉采用失速特性，，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。 在低風(fēng)速時(shí)，將槳葉節(jié)距調(diào)節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調(diào)整優(yōu)化機(jī)組功 率的輸出；當(dāng)風(fēng)力機(jī)發(fā)出的功率超過(guò)額定功率后，槳葉節(jié)距主動(dòng)向失速方向調(diào) 節(jié)，將功率調(diào)整在額定值以下，限制機(jī)組最大功率輸出，隨著風(fēng)速的不斷變化， 槳葉僅需要微調(diào)維持失速狀態(tài)。制動(dòng)剎車時(shí)，調(diào)節(jié)槳葉相當(dāng)于氣動(dòng)剎車，很大 程度上減少了機(jī)械剎車對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊。主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點(diǎn)是其繼承定 槳距失速型的特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變槳距調(diào)節(jié)，提高了機(jī)同頻率后并入電 網(wǎng)。機(jī)組在葉片設(shè)計(jì)上采用了變槳距結(jié)構(gòu)。 從今后的發(fā)展趨勢(shì)看，在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中將普遍采用變槳距技術(shù)。 另外，根據(jù)圖 1-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一般構(gòu)成中各部件類型及組合的不同，目 前主要有以下三類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)： 1、恒速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 其特點(diǎn)是在有效風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的交流電能的頻率恒定，發(fā)電 機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速變化范圍很小，近似恒定；通常該類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī) 組為鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)組。 2、變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 其特點(diǎn)是在有效風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)組定子發(fā)出的交流電能的頻率恒定，

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而發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速變化；通常該類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)組為雙饋感應(yīng) 式異步發(fā)電機(jī)組。 3、變速變頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 其特點(diǎn)是在有效風(fēng)速范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)組定子側(cè)產(chǎn)生的交流電能的頻率和發(fā) 電機(jī)組轉(zhuǎn)速都是變化的，因此，此類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要串聯(lián)電力變流裝置才能 實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。通常該類風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)組為永磁同步發(fā)電機(jī)組。 圖 1-2～圖 1-4 是幾種典型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖[5]。

圖 1-2 恒速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖 1-3 變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖 1-4 變速變頻直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)存在的問(wèn)題及研究現(xiàn)狀
風(fēng)力發(fā)電機(jī)是以風(fēng)作為原動(dòng)力，風(fēng)的波動(dòng)性和間歇性決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 輸出特性也是波動(dòng)和間歇的。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)容量較小時(shí)，這些特性對(duì)電力系統(tǒng)的影

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響并不顯著，但隨著風(fēng)電場(chǎng)容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的影 響就會(huì)越來(lái)越顯著[6]。 1、對(duì)電網(wǎng)頻率的影響 風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)頻率的影響取決于風(fēng)電場(chǎng)容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤．?dāng)風(fēng)電 場(chǎng)容量在系統(tǒng)中所占的比例較大時(shí)，其輸出功率的波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)頻率的影響會(huì) 比較顯著，將會(huì)影響到電網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)中其他一些頻率敏感負(fù)荷的正常 工作。并且當(dāng)功率波動(dòng)超出電力系統(tǒng)調(diào)峰能力范圍時(shí)，還將進(jìn)一步導(dǎo)致電力系 統(tǒng)頻率越限，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[7]。 2、對(duì)電網(wǎng)電壓的影響 風(fēng)能資源豐富的地區(qū)人口稀少，負(fù)荷量小，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，波動(dòng)的風(fēng) 電功率的注入改變了電網(wǎng)的潮流分布，對(duì)局部電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓產(chǎn)生較大的影響， 主要有電壓波動(dòng)和閃變。 風(fēng)速變化、風(fēng)機(jī)投切、風(fēng)湍流等都會(huì)引起電壓波動(dòng)和閃變，尤其是在較為 薄弱的電網(wǎng)，將導(dǎo)致突然的瞬間電壓跌落，致使電網(wǎng)電壓波動(dòng)以及風(fēng)力發(fā)電機(jī) 的頻繁掉線，從而會(huì)造成更大的電壓波動(dòng)和電量損失[8]。 針對(duì)以上問(wèn)題國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種解決方案： 文獻(xiàn)[9]針對(duì)風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)度與控制帶來(lái)的困難，提 出一種風(fēng)電系統(tǒng)有功調(diào)度的二層結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，即在在線調(diào)度周期內(nèi)，借助系 統(tǒng)內(nèi)常規(guī)發(fā)電機(jī)組的配合對(duì)預(yù)調(diào)度周期內(nèi)的發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行再校正以及在自動(dòng)控 制時(shí)間級(jí)內(nèi)通過(guò)與風(fēng)電機(jī)組緊密關(guān)聯(lián)的自動(dòng)發(fā)電控制機(jī)組的實(shí)時(shí)偏差調(diào)控對(duì)在 線調(diào)度計(jì)劃外的功率波動(dòng)進(jìn)行調(diào)整的策略。 文獻(xiàn)[10]基于電氣剖分原理提出了一種風(fēng)電系統(tǒng)調(diào)度方法，該方法通過(guò)電氣 剖分尋找與風(fēng)電場(chǎng)關(guān)系最緊密的常規(guī)機(jī)組，通過(guò)對(duì)這些機(jī)組進(jìn)行輸出功率調(diào)整 來(lái)及時(shí)補(bǔ)償由風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)引起的有功功率缺失（或過(guò)剩）。 文獻(xiàn)[11]在現(xiàn)有風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)則的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的配電系統(tǒng)風(fēng) 電有功負(fù)荷分配方法，以使風(fēng)電更好地配合系統(tǒng)運(yùn)行。該方法以饋線終端為控 制單元，當(dāng)系統(tǒng)頻率出現(xiàn)偏差時(shí)，由饋線終端制定負(fù)荷分配方案，并向配電饋 線中的各風(fēng)電機(jī)組下發(fā)分配指令。 以上文獻(xiàn)均是從電網(wǎng)調(diào)度的角度，通過(guò)限制風(fēng)電場(chǎng)有功出力或調(diào)整常規(guī)發(fā)

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