2008级电气工程及其自动化（电力）专业毕业设计论文
我国并网风电场总装机容量达605万kW，预计到2020年，总装机容量达2000万kW，将占全国发电发电量的1%[8]。由于现在风电市场急剧膨胀、装机容量连年翻倍增长、风电领域投资热潮迭起的现象背后，中国风电产业链市场竞争格局正在悄然发生变化。走出产业结构不均衡、产能盲目扩张、并网滞后利益博弈的困境，正在考验电网公司、风电设备厂商、零部件配套生产企业以及相关管理部门的快速反应能力[9]。
1.2本课题研究目的及意义
风电是可再生能源当中技术最成熟、价格最低的能源之一。近年来，在国家政策的大力扶持下，中国风电产业呈现出高速发展的态势，风电装机容量连年翻倍增长、风电领域投资热潮迭起。风力发电技术是一个多学科的综合性高技术系统工程。先进的风力发电机组控制系统会提高机组容量、改善风电质量、提高风电系统的效率和提高抗风险的能力[10]。
然而，当前风电大规模并网对电网运行的冲击影响，仍然是制约风力发电发展的瓶颈。因此需要加大并网技术的研发，努力探讨如何通过机组设计和运行调度来实现风电大规模并入后电网的稳定可靠运行。并且风力发电技术不是十分成熟，风电场设计、建设、运行及并网方面还存在许多问题尚未彻底解决。并且经历全球金融危机之后，风电机组制造新秀的进入，搅乱了动荡中的风电市场，中国风电产业链市场竞争格局正在悄然发生变化。与此同时，随着市场的急剧膨胀，伴随风电产业发展的各种问题逐步凸显出来[11]。因此如何全面经济地利用风电，借鉴国外成熟的经验，寻求中国风力发电正确的发展方向是一个具有重要意义的研究课题。
第二章 风电发展的现状
2.1风能资源分布及特点
根据世界气象组织估计，全球的可利用风能资源约为200亿kW，为地球上可利用水能资源的10倍。经估算全球风能蕴藏量约为3×107kW，其中可利用的风能为2×1010kW。由于风能是来源于太阳能，因此也有人假设在太阳能进入地球大气时，每平方米的功率为1.35kW，假定约有60%的能量留在大气层中，其总能量为1.04×1014kW。如果设想风能是该值的1%~2%，
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则风能为1.04?1012~2.08?1012kW[12]。尽管各种估算数值不同，但总的来说全球具有巨大的风能资源，风能是取之不竭、用之不尽、可再生的清洁能源。 根据中国气象局第三次全国风能资源普查的结果，我国陆地10m高度层风能资源理论可开发储量为43.5亿kW、技术可开发量为2.97亿kW，技术可开发的陆地面积约为2?1011m2。2006年国家气候中心采用树脂模拟方法对我国风能资源进行了评价，结论是：在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地10m高度层风能资源技术可开发量为25.48亿kW。
我国风力资源丰富，可开发量约为7~12亿kW，其中陆地约为6~10亿kW，海上约为1~2亿kW，按2009年风力发电装机容量1613亿kW，发电量269亿kW推算，未来每年可提供1.2~2万亿kW·
采用交流励磁双馈发电机的变速恒频风力发电系统具有以下优点： 1、按吸收最大风能跟踪风速变化去调节转速，最大限度的捕捉风能，提高风力发电机组的效率。
2、允许原动机在一定范围内变速运行,简化了调整装置,减少变速时的机械应力和磨损,同时使机组控制更加灵活、方便,提高了机组运行效率。
3、采用一定的策略(如矢量控制,双PWM变频器等)可灵活调节系统的有功和无功功率,对电网而言此系统可起到功率因数补偿的作用。
4、采用PWM技术可抑制谐波,减小开关损耗,提高效率。
5、需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分,从而使变频装置体积减小、成本降低、投资减少。
6、双馈发电机采用交流励磁，使发电机和电网系统构成了“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动，满
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足电网的要求。
正是因为这些优点，使得双馈发电机成为变速恒频风力发电领域应用的主流发电机。常用的双馈发电机目前仍然有滑环和电刷，这是限制单机容量的因素。无刷双馈发电机已经开始在风电中试验，不久将可以应用到风力发电系统中。双馈式变浆变速机型，是目前大部分企业采用的技术，技术成熟，是风电行业主流的先进技术，其机组的结构示意图如图所示。通用公司、歌美飒、维斯塔斯、苏司兰、华锐、东汽、上海电气、北重、沈阳华创等公司，采用此技术。当前商业运行的DFIG风力发电机组最大容量已达到5MW。
图3-11 双馈式风力发电机组的结构示意图
在双馈风力发电机控制发展过程中出现了很多控制策略，主要包括矢量控制、标量控制以及直接转矩控制。 (1)矢量控制
在双馈风力发电机组励磁控制中，以前往往采用矢量控制策略，分为两大类，即基于气隙磁场定向的矢量控制策略和基于定子磁场定向的矢量控制策略。对于并网型风力发电机，较多文献采用了定子磁场定向的矢量控制方法，它将同步旋转坐标系的d轴与双馈发电机的定子气隙磁场矢量
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重合，推导出基于定子气隙磁场定向的双馈发电机稳态下有功、无功解藕的励磁控制模型。但由于矢量控制的鲁棒性较差，并且由于矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果与理论分析的结果又一定的偏差，这是矢量控制技术存在的缺陷。 (2)多标量控制
基于多标量模型的双馈电机控制方法通过多标量模型变换电机系统到两个独立的线性子系统中，利用PI调节器控制定子的有功和无功。在该方案中，定义转子转速，定子磁链幅值的平方，定子磁链和转子电流的叉积和点积四个标量，并根据上述四个标量电机的微分方程，在忽略定子电阻的情况下，对定子磁通做归一化处理后，电机的有功功率和无功功率可以得到解祸控制。 (3)直接转矩控制
直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能的异步电动机变频调速系统。1977年美国学者A.B.Plunkett在IEEE杂志上首先提出了直接转矩控制理论，1985年由德国鲁尔大学DePenbrock教授和Tankahashi分别取得了直接转矩控制在应用上的成功，接着在1987年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围[25]。不同于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题。
3.3.2直驱式永磁风力发电机组
直驱型风力发电机组又称无齿轮箱风力发电机组。直驱型风力发电机组通常采用永磁同步发电机，转子使用永磁体，没有励磁系统。直驱型风力发电机组将风能转化为频率、幅值都变化的三相交流电，经整流后通过逆变转换为恒频恒压的三相交流电馈入电网。通过全功率变流装置，对系统的有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率地利用风能[17]。
全变速的风力发电机组如图3-12所示，发电机的定子与电网通过大容量变频器连接。这种变频器起到无功补偿和与电网平滑连接的作用。直驱式风力发电系统因其噪声小、维护成本低、具有较好的低压穿越能力而受
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