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(fēng)，公元前 200 年就有記載。19 世紀(jì)之前，社會生產(chǎn)力低，風(fēng)能得到了廣泛的利用；在進(jìn)入 19 世紀(jì)之后，廉價的蒸汽機(jī)開始出現(xiàn)，，加之當(dāng)時燃料，風(fēng)能的利用所占比重逐漸降到最低點。當(dāng)今，隨著人類經(jīng)濟(jì)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(dǎo)致幾次資源危機(jī)的發(fā)生，尤其是 1973 年，發(fā)生的石油危機(jī)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(yán)重的污染。同時，煤、石油也被譽(yù)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(xué)能，造成很大的浪費�；趯Νh(huán)境保護(hù)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(fēng)能的利用又是重要的組成部分，目前風(fēng)能主要利用方式是發(fā)電。先將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變成機(jī)械動能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這就是風(fēng)力發(fā)電。它具有無污染、設(shè)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(dāng)風(fēng)速達(dá)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(fēng)力機(jī)為例，風(fēng)速在 9.5 米/秒時，機(jī)組輸出功率為額定值 55kW，；當(dāng)風(fēng)速為 8 米/秒時，功率減少為 38kW；風(fēng)速在 6米/秒時，只有 16kW；而風(fēng)速只有 5 米/秒時，僅為 9.5kW。因此風(fēng)速越快，輸出功率越大，經(jīng)濟(jì)效益也越高。當(dāng)前我國仍以火電機(jī)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(fēng)力發(fā)電是一種無污染的發(fā)電方式，且風(fēng)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(fēng)力資源豐富，大多數(shù)地區(qū)的年平均風(fēng)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(fēng)速更高；尤其是新疆山口地區(qū)，幾乎全年都是大風(fēng)天。在這些地區(qū)，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電是很有前景的。
........

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
人類利用風(fēng)力歷史很長，但在數(shù)千年的時間里，主要是利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為其它形式的機(jī)械能，直到 1877 年才誕生第一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)。1941 年美國研制成功世界上第一臺兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)，使得大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電成為了可能。然而當(dāng)時化石燃料價格低廉，風(fēng)力發(fā)電被邊緣化，并未受到重視，直到 1973 年能源危機(jī)的發(fā)生，促使風(fēng)力發(fā)電得到了較快的發(fā)展，1987 年，美國研制成功 3.2MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)，與此同時，加拿大研制出 34MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)電裝機(jī)容量超過 1000MW。2013 年加拿大新增裝機(jī)容量 1599MW，28 個歐盟國家新增裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá) 11159MW，同時，巴西新增裝機(jī)容量也接近 1000MW。我國是最早利用風(fēng)能的國家之一，但利用風(fēng)力發(fā)電起步較晚，直到 1986 年才在山東榮成建立第一座風(fēng)力發(fā)電場。近年來我國風(fēng)電發(fā)展較快，年風(fēng)電裝機(jī)容量以 10%以上的速度增長，2013 年我國新增風(fēng)電裝機(jī)容量 1609 萬 kW，并在西藏建成該省第一座風(fēng)電場，總裝機(jī)容量超過 9000 萬 kW，年發(fā)電量達(dá)134.0TWh，成為第三大電源，共有 16 個�。ㄊ校╋L(fēng)力發(fā)電累計并網(wǎng)量超過 100萬 kW。預(yù)計到 2020 年，風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到 2.5 萬 kW。與此同時我國自主研發(fā)的風(fēng)電設(shè)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。
........

第 2 章 風(fēng)力發(fā)電及運行仿真

2.1 風(fēng)力發(fā)電
風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前風(fēng)能利用的主要形式，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有機(jī)艙、葉片、塔架、導(dǎo)流罩、風(fēng)輪軸、齒輪增速箱、發(fā)電機(jī)、和風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀等組成。機(jī)艙：裝有并保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)重要設(shè)備。葉片：風(fēng)力使葉片轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，傳送到風(fēng)輪軸。塔架：搭載風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，通常的，高度越高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所受風(fēng)速越大，葉片可以造得更大，輸出功率也越大。導(dǎo)流罩：迎風(fēng)狀態(tài)時，風(fēng)會沿著導(dǎo)流罩均勻分流，使每個葉片都接受相同的風(fēng)力。風(fēng)輪軸和齒輪增速箱：將葉片的機(jī)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(jī)發(fā)電。風(fēng)向標(biāo)和風(fēng)速儀：目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最高只能承受 25 米/秒風(fēng)速，因此需要時刻檢測風(fēng)速和風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速超過最大設(shè)計時可立刻采取措施，保證整個設(shè)備的安全。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有雙饋型、永磁型等。風(fēng)力發(fā)電也分為離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
........

2.2 風(fēng)速、貝茲理論、葉尖速比以及機(jī)械轉(zhuǎn)矩
風(fēng)速是指空氣的移動速度。衡量風(fēng)能是否能用于發(fā)電的指標(biāo)通常是年平均風(fēng)速。相較于勵磁同步發(fā)電機(jī)，永磁同步發(fā)電機(jī)有著以下優(yōu)點：（1）、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。勵磁發(fā)電機(jī)需要外加一個勵磁繞組。當(dāng)勵磁繞組因電流過大導(dǎo)致發(fā)熱時間過長時，可能會燒壞。永磁發(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)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(yīng)的發(fā)電機(jī)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(jī)需要勵磁電源，以及碳刷、滑環(huán)，運行時增加了機(jī)械摩擦損耗。永磁發(fā)電機(jī)無需電勵磁，理論上只有少量機(jī)械損耗，效率高。一般的，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在 25r/s~100r/s 時，勵磁發(fā)電機(jī)效率只有 50%左右，而永磁發(fā)電機(jī)可達(dá) 80%。（4）、運行方便，成本低。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般都離地 20 米甚至更高，檢修困難，采用勵磁發(fā)電機(jī)裝置勵磁電源困難，且檢修間隔時間短。永磁同步發(fā)電機(jī)檢修間隔時間長，無需增加勵磁設(shè)備。由于有著以上優(yōu)點，本文以永磁同步發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主機(jī)。永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的磁鏈由永磁體磁場強(qiáng)度決定。將定子電壓在q0d 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行分解，其中，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的 d 軸是轉(zhuǎn)子磁鏈的方向。
..........

第 3 章 微電網(wǎng)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)最佳條件 ........16
3.1 微電網(wǎng) ......... 16
3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jié) ..... 24
第 4 章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量對并網(wǎng)暫態(tài)過程的影響 .......25
4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量對并網(wǎng)暫態(tài)過程的影響 ......... 25
4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時微電網(wǎng)無電壓電流 ...... 25
4.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時微電網(wǎng)有電壓電流 ...... 30
4.4 小結(jié) ...... 34
第 5 章 含風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jié)果與結(jié)論 ........ 42
5.3 本章小結(jié) ..... 42

第 5 章 含風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shù)將越來越廣泛地應(yīng)用于日常生活中。生活用電負(fù)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(fù)荷較小，擾動會更嚴(yán)重，將產(chǎn)生很大的沖擊電流，加速風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)老化，甚至直接損壞整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致用戶停電。因此，需采取相應(yīng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fù)荷變化也隨主控 DG 來跟隨，因此要求其功率輸出應(yīng)能夠在一定范圍內(nèi)可控，且能夠足夠快地跟隨負(fù)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(yīng)速度慢引起的電壓和頻率大幅波動問題。

結(jié)論

本文以風(fēng)力發(fā)電和微電網(wǎng)作為研究對象，采用 MATLAB/SIMULINK 對風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及微電網(wǎng)進(jìn)行仿真，對結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)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(fēng)輪機(jī)以及永磁發(fā)電機(jī)原理并建立數(shù)學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行仿真，驗證建模的可行性。
（2）、對微電網(wǎng)進(jìn)行了介紹，并建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入微電網(wǎng)模型，比較風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jié)果分析確定微電網(wǎng)處于不同運行狀態(tài)時風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)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(yīng)，因此該策略能快速、有效檢測到孤島現(xiàn)象。
（4）、在完成風(fēng)力發(fā)電接入微電網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，比較微電網(wǎng)在容量相同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)量不同時對微電網(wǎng)暫態(tài)過程的影響，結(jié)果顯示風(fēng)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(jìn)行仿真，結(jié)果顯示該控制模式能有效控制微電網(wǎng)突然接入較大負(fù)荷產(chǎn)生的擾動。
............
參考文獻(xiàn)（略）