新能源发电技术报告

1、新能源报告 上学期，选修了本实验室的特色课程“新能源发电技术” ，本课程一共 6 讲，分别介绍了风 力发电与光伏发电的一些基本概念、 研究热点还有一些具体的研究内容。 听完以后觉得受益 匪浅， 即扩大了知识面又为自己的研究开拓了一些新的思路。 本报告总共分为两个部分： 风 电部分与光伏部分，下面分别予以介绍。风力发电部分一、风力发电概述 风能是一种蕴藏丰富、分布广泛、清洁而可再生的能源，也是最重要的替代能源之一。近年来，中国风电呈现快速增长趋势，自 2004 年以来，中国风电装机容量连续第 5 年实现 100%增长，2009年新增装机增长率达 124.3% ，累计装机增长率达 114.8%。据

2、估计，到 2020 年中国有望实现 1 亿或 1.2 亿 kW 的风电装机容量。因此中国的风电市场可谓潜力巨大。 国内发展现状 中国风力发电装机容量正飞速增长着。 2000 至 2009 年的 10 年间，风能累计 装机容量的平均增长率达 72.8。自 2005年起， 总装机容量增长率更是超过了 100%。2009 年我国除台湾省外其他地区共新增风电装机 10,129 台，装机容量达 1,380 万 kW ，超过美国 成为全球当年新增装机容量最多的国家。基本概念 风能：空气运动产生的动能称为“风能” 。 风能密度：单位时间内通过单位截面积的风能。 风速与风级：风速就是空气在单位时间内移动的距离

3、。根据不同的风速分为不同风级。 风频：风频指风向的频率， 即在一定时间内某风向出现的次数占各风向出现总次数的百分比。 风力机： 将风能转换为机械能的动力机械， 可以用作发电也可以动力输出， 当作为发电解释 时可以是离网、并网型通用。风电机组：由风力机与发电机组成，多指并网型。风电机组简介 将风能转换为电能的动力机械，由叶片、轮、传动系统、控制系统、发电机、 测风系统、 偏航系统等组成。 风力机可分为水平轴风力机和垂直轴风力机两大类， 但由于垂 直轴风力机施工难度较高等问题， 制约着它的普及， 目前风电场中所用到的风机大多是水平 轴风力机。根据发电机(同步、异步、双馈) 、风力机功率调节技术(定

4、桨距失速、变桨距、 主动失速)以及风力发电机控制方式(恒速恒频、变速恒频)的不同类型，风力发电机的系 统组成也有所不同。其中典型的风力发电机系统包括以下4 种： (1)基于普通异步发电机的恒速风电机组 (2) 基于异步发电机的最优滑差风电机组 (3)基于双馈感应发电机的变速、变桨 距控制风电机组 (4) 基于同步发电机的变速、变桨距控制风电机组二、风力发电电压稳定性分析基本概念 电压稳定性是指在给定的初始运行状态下，电力系统遭受扰动后系统中所有母线 维持稳态电压的能力， 它依赖于负荷需求与系统向负荷供电之间保持恢复平衡的能力。 电 压稳定可以分为小干扰电压稳定和大干扰电压稳定。电压稳定性分析方

5、法 电压稳定性的分析方法可分为静态分析法和动态分析法两种。静态分 析方法即主要是把电压稳定看作是一个潮流是否存在可行解的问题， 也就是要列出电力系统 的潮流方程。 动态分析方法即考虑到电力系统是具有强非线性的动态系统， 从系统的微分方 程入手进行研究的方法。 静态分析方法主要有最大功率法、 灵敏度法。 动态分析方法主要有 小扰动法等。研究有关风电系统电压稳定性问题， 既要与常规的电力系统电压稳定性相联系， 也要与 之相区别。 这也是一直讨论的热点问题。 它的问题在于两方面， 风能的一次能源不确定性以 及双馈异步发电机的特殊性。 因此在建模、 仿真的研究中出现了很多争议， 因为有时仅仅会 因为系

6、统建模的不同而导致最后的结果相差悬殊。 研究有关风电系统电压稳定性问题需要经过系统建模、 分析方法、 失稳机理、 控制措施 这四个步骤，前面已经提到，根据风电系统模型以及分析方法（动、静态）的不同，可能会 出现差异甚至得不到想要的结果。本实验室在研究风电系统电压稳定性问题上取得了很大的突破， 即引入了一种非线性动 力系统稳定性的研究方法分岔理论，并已有很大的进展。风电系统电压稳定性分岔研究 分岔理论是对非线性动态系统进行结构稳定性分析的有力 工具，主要研究系统随参数改变而引起的解的结构和稳定性的变化过程。 分岔理论是一个抽 象的数学理论， 但有些条件下分岔理论能够很好的解释电力系统中电压失稳的

7、现象， 并已得 到广泛的应用。分岔分类 静态分岔：研究静态方程的平衡点的数目及稳定性随参数变动而发生的突然改变 （如鞍结分岔 ）。动态分岔：研究动力系统平衡点附近的轨线的拓扑结构随参数变动而发生的突然改变（如HOPF 分岔）。其中若发生了动分岔，则说明系统结构出现了失稳。分岔分析 当系统中的雅克比矩阵的特征值在原点时， 此时为静分岔； 当系统中的雅克比矩 阵特征值为一对实部为零的共轭复根时，此时为动分岔。目前， 在风电系统电压稳定性分析中， 静分岔的研究已经取得了一定的成果， 但是对动 分岔的研究仍处于理论探讨阶段。风电系统中的混沌现象基本概念 目前，对混沌还没有一个明确的定义。一个普遍的说法

8、是确定性系统中貌似随机 的不规则运动。混沌现象实际上是一种非线性振荡现象，同时“非线性”与“混沌”并不等 价。但是混沌现象虽然表面看上去杂乱无序，实际上有自己的结构和秩序。特征 （ 1）对初值的敏感性，即初始条件的极小偏差将会引起结果的巨大差异。（ 2）存在混沌吸引子 （ 3）具有分形结构（ 4）具有普适性与稳定性的关系 混沌现象的出现与稳定性有一定的联系。由于电力系统的非线性，当遭受 到周期性负荷扰动时， 只要负荷满足一定条件， 就会发生混沌振荡， 严重时会导致系统解裂。 从中可以看出，混沌现象可以导致系统失稳，但是要满足一定的条件。混沌的产生途径 （1）倍周期分岔 （ 2）拟周期分岔 （3

9、）大能量的激发三、风力发电的控制技术风力发电机组工作原理 风机从风中吸收的有功功率，即风机的输出功率与空气密度、风力 机叶片面积、 风能利用系数以及作用于风力机的风速等因素有关， 其中风能利用系数又与桨 距角、叶轮半径、 电机的角速度有关， 通过控制桨距角和电机转速都可改变风机吸收的风能。 风力发电机组分类 风力发电机组根据并网时控制方式的不同可以分为恒速恒频型以及变速 恒频型。发电机组与电网并网时 , 要求风电的频率与电网的频率保持一致，因此其频率是固 定不变的。 其中恒速恒频型风力发电机组的转速基本维持恒转速运转， 从而输出恒定额定频 率的交流电。变速恒频型风力发电机组在风力发电过程中，让

10、风车的转速随风速而变化 , 再 通过其它控制方式来得到恒频电能。 变速恒频机组的特点是风车和发电机的转速可在很大范 围内变化而不影响输出电能的频率。 由于风车的转速可变， 可以通过适当的控制， 最大限度 地利用风能发电。风力发电机组的控制技术 也可分恒速恒频、变速恒频发电机系统两种情况考虑。恒速恒频 的控制技术包括无功补偿、变桨距、 发电机切换、软并网控制。 变速恒频的控制技术包括启 动并网、最佳功率跟踪、额定风速以上控制。四、风电系统的研究热点风电系统是一个多学科交叉的系统， 其研究热点也不尽相同。 就电力系统方面而言， 有 一些研究热点与实际的问题紧密联系， 而有一些则是前沿的理论的分析。

11、 如今的研究热点大 体分为以下几个方面：（1） 风电系统的低电压穿越问题（ 2） 风电场的建模（3） 运用分岔控制方法，设计电力系统分岔控制器光伏发电部分一、光伏系统介绍 光伏系统组成 光伏系统的基本原理是利用太阳能的光生伏特效应通过半导体硅电池将光能 直接转换为电能。一般，光伏系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。根据其 实现功能的不同，可分为离网型发电系统、并网型发电系统、 混合型发电系统。目前光伏系 统的研究主要集中在孤岛检测、最大功率跟踪、能量变换、稳定性分析这几个方面。二、光伏系统中的混沌现象随着光伏发电应用的日益广泛， 它们在电力系统中所占比例也越来越高。 光伏系统与电

12、力系统并网运行后将会有以下两个问题产生：（1）光伏电源在并网以后的振荡问题。 由于光伏并网发电系统是一个非线性电力系统， 因此具有常规电力系统的特征。 即系统在遭受周期 性负荷扰动时，只要周期性负荷幅值满足一定条件，光伏并网发电系统就会发生混沌振荡。 （2）光伏发电系统中的逆变器、 DC/DC 变换器等设备中包含着大量的电力电子器件。这些 器件在实际运行中常常会出现一些非线性的现象。其中有些非线性的现象即混沌现象。三、光伏并网系统电压稳定性与常规电力系统相同， 光伏系统的电压稳定性也分为静态、 暂态两类。 同时也要注意其 区别，即光伏电站的功率因数为1。在光伏电站的潮流中，其功率因数为1，可看作是有功功率时变、无功功率为零的 PQ节点，因而有别于常规电力