第 1 章 緒論

1.1 課題研究背景及意義
人類很早就開始利用風，公元前 200 年就有記載。19 世紀之前，社會生產(chǎn)力低，風能得到了廣泛的利用；在進入 19 世紀之后，廉價的蒸汽機開始出現(xiàn)，，加之當時燃料，風能的利用所占比重逐漸降到最低點。當今，隨著人類經(jīng)濟社會和各行各業(yè)的飛速發(fā)展，社會對能源需求量也在不斷增加，尤其是對煤、石油等化石燃料需求越來越大。但是人類的大量開采和使用，這些資源在逐漸枯竭，導致幾次資源危機的發(fā)生，尤其是 1973 年，發(fā)生的石油危機造成的影響最大；此外，直接燃燒化石燃料對環(huán)境也會造成嚴重的污染。同時，煤、石油也被譽為“工業(yè)的糧食”、“工業(yè)的血液”，燃燒只是利用了它們的化學能，造成很大的浪費�；趯Νh(huán)境保護的重視，對化石燃料的節(jié)約，世界各國紛紛把對可再生能源的利用作為將來的能源發(fā)展方向，而對風能的利用又是重要的組成部分，目前風能主要利用方式是發(fā)電。先將風的動能轉(zhuǎn)變成機械動能，再將機械能轉(zhuǎn)化為電能，這就是風力發(fā)電。它具有無污染、設備使用壽命長、范圍廣等優(yōu)點，這也是其它傳統(tǒng)發(fā)電方式不具備的優(yōu)點。一般來說，當風速達到三級時就有利用價值，但一般超過 4 米/秒時才適合用來發(fā)電。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，以一臺 55kW 風力機為例，風速在 9.5 米/秒時，機組輸出功率為額定值 55kW，；當風速為 8 米/秒時，功率減少為 38kW；風速在 6米/秒時，只有 16kW；而風速只有 5 米/秒時，僅為 9.5kW。因此風速越快，輸出功率越大，經(jīng)濟效益也越高。當前我國仍以火電機組為主，對煤炭等化石能源需求量巨大，且這些化石燃料不可再生，還是工業(yè)生產(chǎn)的重要原料，直接燃燒用于發(fā)電是很大的浪費，還會污染環(huán)境。風力發(fā)電是一種無污染的發(fā)電方式，且風能是一種可再生能源，符合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。我國的風力資源豐富，大多數(shù)地區(qū)的年平均風速都在 4 米/秒以上，在西北、東北、青藏高原和東南沿海地區(qū)和部分島嶼，年平均風速更高；尤其是新疆山口地區(qū)，幾乎全年都是大風天。在這些地區(qū)，發(fā)展風力發(fā)電是很有前景的。
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
人類利用風力歷史很長，但在數(shù)千年的時間里，主要是利用風能轉(zhuǎn)化為其它形式的機械能，直到 1877 年才誕生第一臺風力發(fā)電機。1941 年美國研制成功世界上第一臺兆瓦級風力發(fā)電機，使得大規(guī)模風力發(fā)電成為了可能。然而當時化石燃料價格低廉，風力發(fā)電被邊緣化，并未受到重視，直到 1973 年能源危機的發(fā)生，促使風力發(fā)電得到了較快的發(fā)展，1987 年，美國研制成功 3.2MW 風力發(fā)電機，與此同時，加拿大研制出 34MW 風力發(fā)電機組。到 2013 年底，有 16個歐洲國家、4 個亞太國家、4 個美洲國家風電裝機容量超過 1000MW。2013 年加拿大新增裝機容量 1599MW，28 個歐盟國家新增裝機總容量達 11159MW，同時，巴西新增裝機容量也接近 1000MW。我國是最早利用風能的國家之一，但利用風力發(fā)電起步較晚，直到 1986 年才在山東榮成建立第一座風力發(fā)電場。近年來我國風電發(fā)展較快，年風電裝機容量以 10%以上的速度增長，2013 年我國新增風電裝機容量 1609 萬 kW，并在西藏建成該省第一座風電場，總裝機容量超過 9000 萬 kW，年發(fā)電量達134.0TWh，成為第三大電源，共有 16 個�。ㄊ校╋L力發(fā)電累計并網(wǎng)量超過 100萬 kW。預計到 2020 年，風電裝機容量將達到 2.5 萬 kW。與此同時我國自主研發(fā)的風電設備所占比重也越來越大，2004 年僅 10%，到 2013 年超過 70%，價格也從“十一五”初期的 7000 元/kW 降到了 4000 元/kW。
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第 2 章 風力發(fā)電及運行仿真

2.1 風力發(fā)電
風能是一種清潔的可再生能源，風力發(fā)電是當前風能利用的主要形式，風力發(fā)電機主要有機艙、葉片、塔架、導流罩、風輪軸、齒輪增速箱、發(fā)電機、和風向標、風速儀等組成。機艙：裝有并保護風力發(fā)電機重要設備。葉片：風力使葉片轉(zhuǎn)動，將風能轉(zhuǎn)化為機械能，傳送到風輪軸。塔架：搭載風力發(fā)電設備，通常的，高度越高，風力發(fā)電機所受風速越大，葉片可以造得更大，輸出功率也越大。導流罩：迎風狀態(tài)時，風會沿著導流罩均勻分流，使每個葉片都接受相同的風力。風輪軸和齒輪增速箱：將葉片的機械能傳送給齒輪增速箱，再通過齒輪增速箱加速后帶動發(fā)電機發(fā)電。風向標和風速儀：目前風力發(fā)電機組最高只能承受 25 米/秒風速，因此需要時刻檢測風速和風向。當風速超過最大設計時可立刻采取措施，保證整個設備的安全。風力發(fā)電機組有雙饋型、永磁型等。風力發(fā)電也分為離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)。
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2.2 風速、貝茲理論、葉尖速比以及機械轉(zhuǎn)矩
風速是指空氣的移動速度。衡量風能是否能用于發(fā)電的指標通常是年平均風速。相較于勵磁同步發(fā)電機，永磁同步發(fā)電機有著以下優(yōu)點：（1）、結構簡單、可靠性高。勵磁發(fā)電機需要外加一個勵磁繞組。當勵磁繞組因電流過大導致發(fā)熱時間過長時，可能會燒壞。永磁發(fā)電機采用永磁體提供磁場，不會引起發(fā)熱等問題，使用壽命長，結構也較勵磁繞組簡單，造價低廉。（2）、體積小、重量輕。永磁體體積比勵磁繞組小，相應的發(fā)電機體積也可以造得小，重量也得到減輕。（3）、效率高。勵磁發(fā)電機需要勵磁電源，以及碳刷、滑環(huán)，運行時增加了機械摩擦損耗。永磁發(fā)電機無需電勵磁，理論上只有少量機械損耗，效率高。一般的，發(fā)電機轉(zhuǎn)速在 25r/s~100r/s 時，勵磁發(fā)電機效率只有 50%左右，而永磁發(fā)電機可達 80%。（4）、運行方便，成本低。風力發(fā)電機組一般都離地 20 米甚至更高，檢修困難，采用勵磁發(fā)電機裝置勵磁電源困難，且檢修間隔時間短。永磁同步發(fā)電機檢修間隔時間長，無需增加勵磁設備。由于有著以上優(yōu)點，本文以永磁同步發(fā)電機作為風力發(fā)電系統(tǒng)主機。永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子的磁鏈由永磁體磁場強度決定。將定子電壓在q0d 同步旋轉(zhuǎn)坐標系下進行分解，其中，同步旋轉(zhuǎn)坐標系的 d 軸是轉(zhuǎn)子磁鏈的方向。
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第 3 章 微電網(wǎng)及風力發(fā)電機并網(wǎng)最佳條件 ........16
3.1 微電網(wǎng) ......... 16
3.2 風力發(fā)電機并網(wǎng)最佳條件 ..... 17
3.3 孤島現(xiàn)象 ...... 20
3.4 孤島檢測法 ........ 21
3.5 孤島檢測仿真 .... 22
3.6 本章小結 ..... 24
第 4 章 風力發(fā)電機數(shù)量對并網(wǎng)暫態(tài)過程的影響 .......25
4.1 風力發(fā)電機數(shù)量對并網(wǎng)暫態(tài)過程的影響 ......... 25
4.2 風力發(fā)電機并網(wǎng)時微電網(wǎng)無電壓電流 ...... 25
4.3 風力發(fā)電機并網(wǎng)時微電網(wǎng)有電壓電流 ...... 30
4.4 小結 ...... 34
第 5 章 含風力發(fā)電機的微電網(wǎng)控制模式及仿真 .......35
5.1 微電網(wǎng)控制模式 ....... 35
5.2 結果與結論 ........ 42
5.3 本章小結 ..... 42

第 5 章 含風力發(fā)電機的微電網(wǎng)控制模式及仿真

5.1 微電網(wǎng)控制模式
隨著社會的發(fā)展，微電網(wǎng)技術將越來越廣泛地應用于日常生活中。生活用電負荷在一天中會出現(xiàn)很大的變化，如圖 5.1 所示，其高峰和低谷相差了 4 倍，且在短時間內(nèi)有一個爆發(fā)式增長，對電網(wǎng)將產(chǎn)生很大的擾動，如果微電網(wǎng)處于孤網(wǎng)運行時，其本身所帶負荷較小，擾動會更嚴重，將產(chǎn)生很大的沖擊電流，加速風力發(fā)電機絕緣結構老化，甚至直接損壞整個風力發(fā)電機，導致用戶停電。因此，需采取相應的控制模式，將暫態(tài)過程的電流、電壓變化控制在一個小范圍內(nèi)，保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和風力發(fā)電機的安全。主從控制模式是將微電網(wǎng)中各個 DG 采取不同的控制方法，并賦予不同的職能。其中的一個或幾個作為主控，其它作為“從屬”。并網(wǎng)運行時，所有 DG均采用 P/Q 控制策略；孤島運行時，主控 DG 控制策略切換為 U/f 控制，以確保向微電網(wǎng)中的其它 DG 提供電壓和頻率參考，負荷變化也隨主控 DG 來跟隨，因此要求其功率輸出應能夠在一定范圍內(nèi)可控，且能夠足夠快地跟隨負荷的波動，而其他從屬地位的 DG 仍采用 P/Q 控制策略。主控 DG 一般采用 DG+儲能裝置。此方案能充分利用利用儲能裝置的快速充放電功能和 DG 所具有的可較長時間維持微電網(wǎng)孤島運行的優(yōu)勢，有效的抑制由于 DG 動態(tài)響應速度慢引起的電壓和頻率大幅波動問題。

結論

本文以風力發(fā)電和微電網(wǎng)作為研究對象，采用 MATLAB/SIMULINK 對風力發(fā)電機以及微電網(wǎng)進行仿真，對結果進行分析，結合理論驗證模型的正確性。本論文具體研究工作如下：
（1）、介紹風輪機以及永磁發(fā)電機原理并建立數(shù)學模型，以此為基礎建立風力發(fā)電機模型進行仿真，驗證建模的可行性。
（2）、對微電網(wǎng)進行了介紹，并建立風力發(fā)電機接入微電網(wǎng)模型，比較風力發(fā)電機在高電壓、高頻率和低電壓、低頻率并網(wǎng)時沖擊電流峰值，通過結果分析確定微電網(wǎng)處于不同運行狀態(tài)時風力發(fā)電機并網(wǎng)最佳條件。
（3）、介紹孤島現(xiàn)象及各種孤島檢測法，并選擇主動移頻孤島檢測法進行仿真，通過實驗可知在斷開連接后 0.04s 可檢測到微電網(wǎng)出現(xiàn)孤島效應，因此該策略能快速、有效檢測到孤島現(xiàn)象。
（4）、在完成風力發(fā)電接入微電網(wǎng)模型的基礎上，比較微電網(wǎng)在容量相同，風力發(fā)電機數(shù)量不同時對微電網(wǎng)暫態(tài)過程的影響，結果顯示風力發(fā)電及數(shù)量即使不同，也不會對暫態(tài)過程產(chǎn)生影響。
（5）、概述微電網(wǎng)控制模式，并對 U/f 控制模式進行仿真，結果顯示該控制模式能有效控制微電網(wǎng)突然接入較大負荷產(chǎn)生的擾動。
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參考文獻（略）