風力發電機晶閘管并網逆變器的研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 83。 34 本章小結 35 5 諧波抑制與無功補償 .......................................................................................................... 36 無功及諧波的危害 36 諧波的 危害 36 無功功率的影響 36 有源逆變器的無功及諧波分析 37 V 無功及諧波的分析 37 諧波抑制的方法 38 無功補償的方法 38 無功補償電容器和 LC 濾波器 39 系統的諧波補償 40 本章小結 42 6 結論 ...................................................................................................................................... 43 致 謝 ........................................................................................................................................ 44 參 考 文 獻 ............................................................................................................................ 45 附 錄 ........................................................................................................................................ 47 風力發電機晶閘管并網逆變器的研究 1 1 緒論 論文直接針對新能源課題中的 MW 級變速恒頻風力發電機組電控系統的研制這一研究項 目，主要研究用晶閘管作為電力電子變換元件實現風力發電系統的單機并網方案和風電場集中并網方案。 風力發電的應用現狀及前景展望 風力發電的現狀 ⑴ 風電成本逐年降低 盡管風電成本受很多因素的制約 ,但其發展趨勢是逐漸降低的。隨著風電技術的改進 ,風電機組越來越便宜和高效。增大風電機組的單機容量就減少了基礎設施的費用 ,而且同樣的裝機容量需要更少數目的機組 ,這也節約了成本。隨著融資成本的降低和開發商的經驗日益豐富 ,項目開發的成本也相應得到降低。風電機組可靠性的改進也減少了 運行維護的平均成本。 ⑵ 海上風電悄然興起 海上有豐富的風能資源和廣闊平坦的區域 ,使得近海風電技術成為近來研究和應用的熱點。多兆瓦級風電機組在近海風電場的商業化運行是風能利用的新趨勢。到 2020 年末 ,圍繞歐洲海岸線 ,海上風電總裝機 600 MW ,集中在丹麥、瑞典、荷蘭和英國。 風力發電的前景展望 風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，其在地球上蘊量巨大。全球的風能約為 109MW，其中可利用的風能為 2107MW，比地球上可開發利用的水能總 量還要大 10 倍。風很早就被人們利用主要是通過風車來抽水、磨面等，而現在，人們感興趣的是如何利用風能來發電。 風力發電機組技術的發展經歷了從多種結構形式逐步向少數幾種過渡的過程。 20世紀 80 年代初期，市場上有上風向式和下風向式；風輪主軸有水平的和垂直的；風輪葉片數有三個﹑兩個﹑甚至一個的；葉片材料有木頭的和玻璃鋼的。到現在只剩下以水平軸﹑上風向﹑三葉片的機組為主，其中又有定槳距和變槳距風輪，定轉速和變轉速發電機，有齒輪箱和無齒輪箱等幾種。 2020 年全球風電產業在去年全球經濟危機的沖擊下逆勢上漲 31％，新增裝 機容量為 萬兆瓦，將總裝機容量推升至 萬兆瓦。全球風電裝機總量預計在未來五年增加兩倍至 44700 萬千瓦，且可能在十年內擴大至近 100000 萬千瓦。 2020 年，中國的漲幅引領全球風電產業，其新增裝機容量超過 100％，從 2020 年風力發電機晶閘管并網逆變器的研究 2 的 萬兆瓦上漲到 2020 年底的 萬兆瓦，新增裝機容量達到 萬兆瓦。同年，美國風電產業的漲勢也強勁，其新增裝機容量上漲 39％，約為 1 萬兆瓦，總裝機容量達到 萬兆瓦。歐洲新增裝機容量上漲 萬兆瓦，達到 萬兆瓦。其中，西班牙新增容量達到 2460MW，德國達到 1920MW。 以歐美等發達國家為代表，全球風電呈現出規模化的發展態勢。據預測，未來五年，全球風電仍將保持 20％以上的增長速度。截止 2020 年底，全球風電裝機容量已達到 億。 最后，從政策上來了解各國對發展風力發電的態度。為促進風力發電的發展，世界各國政府特別是歐美國家出臺了許多優惠政策，主要包括有 :投資補貼、低利率貸款、規定新能源必須在電源中占有一定比例、從電費中征收附加基金用于發展風電、減排 C02獎勵等。歐洲的德國、丹麥、荷蘭等采用政府財政扶持、直接補貼的措施發展本國的風力發電事業 。美 國通過金融支持，由聯邦和州政府提供信貸資助來扶持風力發電事業 。印度通過鼓勵外來投資和加強對外合作交流來發展風力發電事業 。日本采取的措施則是優先采購風電。多種多樣的優惠政策促進了各國風力發電的快速發展。 我國風電發展概況 我國現代風力發電機技術的開發利用起源于 20 世紀 70 年代初。經過初期發展﹑單機分散研制﹑示范應用﹑重點攻關﹑實用推廣﹑實用化和標準化幾個階段的發展，無論在科學研究﹑設計制造，還是試驗﹑示范﹑應用推廣等方面均有了長足的進步和很高的提高，并取得了明顯的經濟效益和社會效益。截至 2020 年底， 全國累計生產離網型風力發電機組 18 萬多臺。 1986 年 4 月，中國第一個風電場在山東榮成并網發電， 3 臺 55KW 機組是由航空部和山東省由丹麥引進的，同年 10 月作為國際科技合作項目，利用比利時政府贈送的 4臺 200KW 機組建成平潭示范風電場。從 1989 年起全國各地陸續利用外國政府贈送或優惠貸款引進機組建設風電場，裝機容量逐年增加， 2020 年底全國共有 26 個風電場，裝機容量達到 萬千瓦。 1997 年當年裝機超過 10 萬千瓦，達到一個高峰。 2020 年以后中國風力機進入了快速發展時期。 2020 年中國成為第一大風電 裝機市場，新增裝機容量為 1375 萬千瓦，增長率連續6 年超過 100％，成為增長速度最快的國家。累積裝機容量達到 2580 萬千瓦，超過德國，位列全球第二。 2020 年我國的兆瓦級風力機占據了市場的主導。 2020 年新增裝機的單機平均容量為 ，而 2020 年的數字變成了 ，并且去年兆瓦級風力機的市場份額占到了86％，其中 67％在 以上。截至 2020 年底，我國風電并網總容量達 1613 萬千瓦，同比增長 ％ .其中， 2020 年風電電量為 269 億千瓦時，同比增長 ％，占總電風力發電機晶閘管并網逆變器的研究 3 量的 ％ 。我國已建立起了兩百多個風電場，風電場的迅速發展帶動了風能產業的發展和風能技術的進步，我國已能自行研制兆瓦級風力發電機組，最大功率達到 ，并且開始規劃海上風電項目。 我國風力發電行業發展前景廣闊，預計未來很長一段時間都將保持高速發展，同時盈利能力也將隨著技術的逐漸成熟穩步提升。在 “十二五 ”期間，我國風力發電新增裝機速度仍將繼續保持較快增長，風電場建設、并網發電、風電設備制造等領域已成為投資熱點，市場前景很好。預計到 2020 年，將在新疆﹑甘肅﹑內蒙古﹑河北﹑東北以及江蘇沿海等地建立 6 個千萬千瓦風電基地 ，在河北﹑內蒙古﹑遼寧等地建立若干百萬千瓦風電基地。 大型并網風電場接入電力系統的現狀及主要問題 并網型風力發電機組 并網型風力發電機組可分為恒速恒頻風力發電系統和變速恒頻風力發電系統。恒速恒頻風力發電系統的基本結構是自然風吹動風力機 ,經齒輪箱升速后驅動異步發電機將風能轉化為電能。目前國內外普遍使用的是水平軸、上風向、定槳距 (或變槳距 ) 風力機 ,其有效風速范圍為 3～ 30 m/ s ,額定風速一般設計為 8～ 15 m/ s ,風力機的額定轉速大約為 20～ 30 r/ min 。變速恒頻風力發電 系統的發展依賴于大容量電力電子技術的成熟 ,從結構和運行方面可分為直接驅動的同步發電機系統和雙饋感應發電機系統。在風力機直接驅動同步發電機構成的變速恒頻發電系統中 ,風力機直接與發電機相連 ,不需要齒輪箱升速 ,發電機輸出電壓的頻率隨轉速變化 ,通過交 直 交或交 交變頻器與電網相聯 ,在電網側得到頻率恒定的電壓。雙饋感應風力發電機組的基本結構包括繞線式異步發電機、變頻器和控制環節 ,其定子繞組直接接入電網 ,轉子采用三相對稱繞組 ,經背靠背的雙向電壓源變頻器與電網相連 ,給發電機提供交流勵磁 ,勵磁頻率即為發電機的轉差頻 率。 變速恒頻風力發電機組實現了發電機轉速與電網頻率的解耦 ,降低了風力發電與電網之間的相互影響 ,但是它的缺點是結構復雜、成本高、技術難度大。但隨著電力電子技術的發展 ,變速恒頻風力發電技術也將進一步成熟。特別是雙饋感應發電機 ,不僅改善了風電機組的運行性能 ,而且大大降低了變頻器的容量 ,至今已逐漸發展成風力發電設備的主流。 恒速恒頻風力發電系統具有結構簡單、成本低、過載能力強以及運行可靠性高等優點 ,是過去幾年主要的風力發電設備。但是在恒速恒頻風力發電系統中 ,一方面 ,風電機組直接與電網相耦合 ,風電的特性將直接對電網 產生影響 ,另一方面 ,其發電設備為異步發電機 ,它的運行需要無功電源的支持 ,加重了電網的無功負擔 ,使系統的潮流分布更加復雜。因此它的并網運行將給系統的規劃、設計和運行帶來許多不同于常規能源發電的新問題 ,隨著風力發電規模的不斷擴大 ,這些問題將愈加突出。 風力發電機晶閘管并網逆變器的研究 4 風電場與常規能源電廠主要區別 風電場運行與常規能源發電廠相比在很多方面具有共性 ,需要解決的只是風力發電產生的特殊問題。風力發電與常規能源發電 (比如火電、水電和核電 ) 相比 ,主要區別如下 ： (1) 由于風力的隨機性和間歇性 ,風電場的有功輸出亦具有隨機性 ,大小取決于風速的變比 ,而常規能源的有功輸出和無功輸出都可以準確預測。 (2) 過去廣泛采用的風電機組屬于異步發電機 ,雖然在機端出口處裝設無功補償電容器組 ,但在輸出有功的同時 ,發電機仍然會吸收電網的無功功率 ,從而引起機端出口電壓的波動 ,而常規能源機組都是同步發電機組。 (3) 相對于常規能源機組 ,風電機組的單機容量較小 ,大量風電機組并列運行是風電場的重要特點。 并網存在的主要問題 (1) 風力發電機并網過程對電網的沖擊 異步發電機的并網條件是頻率和電壓要與電網一致。異步發電機直接并網時 ,沒有獨立的 勵磁裝置 ,并網前發電機本身沒有電壓 ,因此并網時必然伴隨一個過渡過程 ,流過 5～6 倍額定電流的沖擊電流 ,一般經過幾百毫秒后轉入穩態。沖擊電流的大小與其本身暫態電抗和并網時的電壓高低有關 ,其有效值還與并網時的滑差有關。滑差越大則交流暫態衰減時間就越長 ,并網時沖擊電流有效值也就越大。風力發電機組與大電網并聯時 ,合閘瞬間的沖擊電流對發電機及電網系統安全運行不會有太大影響。但對小容量的電網而言 ,風電場并網瞬間將會造成電網電壓的大幅度下跌 ,從而影響接在同一電網上的其他電器設備的正常運行 ,甚至會影響到整個電網的穩定與安全 。目前可以通過裝設軟起動裝置和風機非同期并網來削弱沖擊電流 ,但同時給電網帶來一定的諧波污染。 (2) 風電場運行對電能質量的影響 風速變化、湍流以及風力機尾流效應造成的紊流會引起風電功率的波動和風電機組的頻繁啟停 。風機的桿塔遮蔽效應使風電機組輸出功率存在周期性的脈動。功率的變化將會使電網頻率在一定范圍波動 ,影響電網中頻率敏感負荷的正常工作。風電功率的