风能发电及风力发电论文.doc

1引 言 作为可再生能源的风力资源以其蕴量巨大；可以再生；分布广泛；没有污染等优势而在各国发展迅速。虽然风能资源还有密度低，不稳定，地区差异大等缺点，但是仍然不能阻挡它快速发展的强劲势头。大中型风力发电机组联网发电是当前世界范围内风能利用的主要形式。目前风力发电已成为技术最成熟、最具商业化前景的新型发电方式之一，而且商品化的兆瓦级风力发电机组已成为新建风电场的主力机型。 由于异步发电机对并网要求低，控制和保护比较简单，并网运行稳定，因此采用异步发电机的风力发电机组是国内外商品化的风力发电机组所采取的主要技术方案。但异步发电机直接并入电网时，其冲击电流会达到其额定电流的6～8倍，甚至10倍以上，该冲击电流会对电网、叶轮以及发电机本身造成严重的冲击，甚至会影响其它联网机组的正常运行。另外，并网冲击电流也会对电机接触器、主空气开关等开关设备造成较强的冲击。因此，限制发电机并网时引起的冲击电流成为风力发电控制系统的关键技术之一。 目前风力发电机组普遍采用软并网技术，用于限制异步发电机并网时的瞬态冲击电流。软并网系统运用大功率晶闸管进行限流，在机组电动启动或并网过程中控制系统根据收到命令情况和相应传感器的信号对并网过程进行控制，并网结束后旁路晶闸管支路短接，并网过程结束。 前人在软并网这方面作了大量的工作，探讨了利用何种并网方式能有效的解决并网时产生的冲击电流对发电机和电网的影响的问题，研究了利用软并网来限制冲击电流幅值的效果如何以及分析了用晶闸管进行软并网时晶闸管如何控制等问题。但由于风力发电机组并网过程是一个非常复杂的非线性过程，另外，软并网装置对晶闸管的要求非常严格，这在技术上是一个很大的难题。目前仍待解决的问题是用何种并网方式可既简单又方便地把并网时的冲击电流限制在允许的限度内，另外，若利用晶闸管进行软并网，怎样才能做到每只晶闸管的特性完全一致以及在并网过程中如何控制晶闸管才能更好地达到限制冲击电流的目的。 本论文针对上述问题，首先对风力发电的一般原理进行了解，建立了软启动数学模型、软并网系统仿真模型及相应的控制系统仿真模型，在PSCAD/EMTDC环境下对风力发电机组直接并网和软并网过程进行了仿真模拟实验，并对仿真结果进行了分析和研究。 本论文所建立的风力发电机组直接并网仿真模型和软并网仿真仿真模型，可直观的分析风力发电机组直接并网和软并网过程并进行比较，通过对仿真结果的分析和研究得出通过利用晶闸管进行软并网可把并网时产生的冲击电流限制在允许的范围内，确保了发电机组和电网的正常运行。另外，通过对发电机软并网装置中晶闸管控制电路的触发规律与发电机并网转速之间的关系进行仿真和分析，可得出晶闸管控制电路的好坏也直接关系着冲击电流的幅值大小。以上这些结论为限制并网时的冲击电流对电网和发电机的影响提供了一些参考。 第一章 绪论 1.1 风能开发与风力发电 人类利用风能已有数千年历史，在蒸汽机发明以前风能曾经作为重要的动力，用于船舶的航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。 到了19世纪末，开始利用风力发电，这在解决农村电气化方面显示了重要的作用，特别是20世纪70年代以后利用风力发电更进入一个蓬勃发展的阶段。 1.2 风力发电的基本原理 1.2.1 现代风力发电机简介 先前的风力发电机发出的电时有时无，电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的。一阵狂风吹来，风轮越转越快，系统就会被吹跨。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。 齿轮箱可以将很低的风轮转速（600千瓦的风机通常为27转/分）变为很高的发电机转速（通常为1500转/分）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，600千瓦的风机机舱总重20多吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。 风机是有许多转动部件的。业已说明，机舱在水平面旋转，随时跟风。风轮沿水平轴旋转，以便产生动力。在变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况。在停机时，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼。液压系统就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用。 控制系统是现代风力发电机的神经中枢。现代风机是无人值守的。就600千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在14米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。现代风机的存活风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。要知道，通常所说的12级飓风，其风速范围也仅