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1.2国内外风力发电的发展现状概述随着人类社会的发展，世界各国对能源的需求量将会越来越大。在21世纪的今天，世界各国对能源的过度开采和利用，务必会造成资源的日益枯竭，如何找到一种可再生能源来摆脱能源危机将成为世界人们普遍关心的话题。所谓可再生能源就是指取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源。它包括风能、潮汐能、太阳能、地热能、生物质能等。目前数风力发电发展最快、规模最大、商业化前景最好。风能的优点在于，它是一种具有安全可靠、无污染、可再生、分布广泛、储量丰富的自然能源。世界气象组织估计全球的风能约为2.74x109MW，其中可利用的风能为2只107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，相当于10800亿吨标准煤产生的能量，约是全世界目前能源消耗量的100倍。风力发电是可再生能源中技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。目前，风力发电在世界各国发展迅猛，2009年，全球风电总装机容量达到159GW，相当于23台EPR核电机组发电量，2009年全球风力发电增长31.7%。预计2010年全球风电总装机容量达到203GW，2020年全球风电总装机容量将达到1900GW，约为2009年总装机容量的12倍。中国幅员辽阔，海岸线长，温藏有丰富的风能资源，为发展我国的风电事业创造了十分有利的条件。根据中国气象科学研究院对全国900多个气象站测算，我国陆地风能资源的理论储量达3226亿KW(离地1Om高的风能估计)，可开发的风能资源储量达2.53亿KW，这些风能主要集中在我国北部地区，主要包括内蒙古、新疆、黑龙江、河北、西藏、甘肃、青海以及吉林等省、区。我国风能资源沿海及其岛屿，其可开发的风力资源为10亿KW，这些风能主要分布在江苏、浙江、广东、海南、辽宁、山东、上海、福建、和广西等城市。目前，风力发电在我国也发展迅猛，2009年，我国风电场的总装机容量达26GW，同比增长113%。预计2010年我国总装机容量将超过37GW。根据世界风力发电协会2010年发布2009年世界风力报告指出，目前风力发电总装机容量前3名分别是美国、中国、德国，这3个国家的风力发电总装机容量为86.946GW，约占全球总装机容量的55%。如果加上第4、第5位的西班牙和印度，则前5个国家的总装机容量合计117.02Gw，约占全球风力发电容量的3/4。这显示着风力发电技术的成太原理工大学硕士研究生论文熟和发展前景的乐观，世界各国对风力发电的推广，不遗余力。下图是2009年世界各国风力发电的累计装机容量和新增装机容量(单位：MW)。图1-12009年世界各国风力发电累计装机容量和新增装机容量2009年度，全世界风力发电新增装机容量为38312GW。其中，中国新增装机容量为13.8GW，约占全世界的1/3，成为了世界风力发电新增装机容量最大的国家，累计装机容量从2008年的12.21GW增长到2009年的26.01GW。在当今全球经济形势下，风电依然保持如此快的发展速度，这表明了风力发电将将是挽救能源危机的最佳选择。下图是2000-2009年我国风力发电的累计装机容量和新增装机容量(单位：MW)。图1-22000-2009年我国风力发电的累计装机容量和新增装机容量近十年来，我国风力发电从2000年的累计装机容量344WM增长到2009年的26.01GW。这一令人的发展速度，主要来源于中国积极的能源政策。随着我国可再生能源政策的不断出台和电网配套建设的完善，我国巨大的风电发展潜力将得到进一步激发，有能力成为世界风力发电的超级大国。1.3国内外研究现状1.3.1风力发电技术的发展1、风力发电机容量的发展目前世界上投运的风电机组中大部分都在1MW以上，最大机组的单机容量可达SMW.美国和英国分别己研制了7WM和10WM的巨大型风力发电机。预计到2020年，世界上将会出现20WM、30WM甚至更大容量的风电机组。风电机组的研发将由机组的制造转变为机组的并网。我国成功研制的3MW双馈风电机组和2.SMW直驱永磁风电机组已经并网发电。2、定桨矩向变桨矩和变速恒频发展风力发电机组在变速运行情况下和恒速运行情况下相比，有以下优点：变速风力发电机组一般采用双馈异步发电机或者永磁同步发电机，双馈异步电机的转子侧通过背靠背的变频器(AC刃C/AC)连接到电网，能实现能量双向流动。并且，变速风力发电机组可以通过调节发电机的转速来跟随风速的变化，能使风力机的叶尖速比达到最佳，从而最大限度地利用风能，提高风力发电机的运行效率。变桨距相对于定桨矩的优点：叶片的桨距角可以根据风速的变化而自动调节，当实际风速低于额定风速时，使风力机最大限度的利用风能，向电网多输送电能，当实际风速高于额定风速时，能保持风电机组输出功率稳定，避免过载运行，此外还能在实际风速高于切出风速时，可以利用桨叶顺桨，避免风机受到损坏。3、双馈式风机向直驱式风机发展目前，国内外风力发电机主要有普通异步风机、双馈感应风机、直驱永磁同步风机三种，而前二者应用广泛。随着电力电子技术的发展，风力发电机开始从双馈感应向直驱永磁转变。直驱永磁同步发电机和双馈感应发电机的主要区别在于不同的传动，发电结构。在电网兼容性方面，直驱永磁同步发电机具备较强的电容补偿和低电压穿越能力，对电网冲击小。在空气动力学性能方面，直驱式受风速限制较小，直驱永磁同步发电机通过电磁感应原理发电，在低于额定风速下输出功率较大、效率较高。在电控要求方面，直驱永磁同步发电机运行难度更大。在噪声和维护成本方面，直驱永磁同步风电机组没有齿轮箱，噪音低，维修费用也低。1.3.2风电场的电力系统小干扰稳定性研究现状对于含风电场的电力系统小干扰稳定性分析大体上分为以下几个方面：风电机组建模、简单风电系统的小干扰稳定性分析、风电场对电力系统小干扰稳定性影响分析。1、风电机组模型的研究现状研究含风电场的电力系统小干扰稳定稳定性，首先要建立合适的风电机组以及风电场模型。风电场接入电力系统以来，风电机组的模型问题尤其是暂态模型一直是风力发电的研究热点，很多文献在风电机组的建模以及模型的验证上都做过许多的工作。针对风电场接入电力系统后，研究其对电力系统小干扰稳定性产生的影响，需要对相应的风电系统建立适合小干扰稳定分析的数学模型。对于控制作用较为突出的双馈感应风电机组和直驱永磁风电机组，其变频器控制系统的模型也是尤为重要的。文献[18]阐述了无刷双馈风力发电机的结构和发电调速原理，推导出了无刷双馈电机的数学模型，并在Matlab/Simulink上建模和仿真。仿真结果验证了建模的正确性，为以后双馈感应发电机的建模奠定了基础。文献[19]建立了适合小干扰稳定分析的普通异步发电机组的数学模型，在推导异步发电机的线性化状态方程时，忽略了定子磁链的暂态过程。该论文在建模过程中考虑了桨距角控制系统的时间延时常数，但是没有考虑风电机组的轴系模型，风电机组的轴系采用单质量快模型来描述。文献[20]建立了计及定子磁链暂态的异步发电机详细模型、忽略定子磁链暂态的异步发电机简单模型以及忽略定转子磁链暂态异步发电机的稳定模型，同时建立了单质量块和两质量块的轴系模型。对上述5种不同组合的风电机组，在Matlab/SimulinLk平台上仿真比较了三相短路故障下的风电机组的暂态行为。文献[2l]建立了适合小干扰稳定性分析的双馈感应发电机的数学模型，在推导变频器控制系统状态方程时，考虑了转子侧变频器控制系统的模型，但是没有考虑网侧变频器控制系统的模型。文献[22]详细推导了双馈感应发电机模型和风力机的轴系模型，同时给出了单质量块轴系模型和两质量块轴系模型，比较分析了双馈感应风电机组在单质量块模型和两质量块轴系模型情况下定子暂态行为。文献[23]提出了适合于小干扰稳定性研究的双馈感应发电机的降价模型。建立了双馈感应发电机的8阶详细模型；在此基础上，根据双馈感应发电机中各物理量衰减快慢提出了简化的2阶模型，且研究了影响该模型稳定性因素。最后，通过算例仿真分析了2阶模型、8阶模型以及传统的6阶模型的小干扰稳定性。文献[25]采用等效集中质量法以及动力学方程建立了包含机械传动的轴系模型和发电机动态方程在内的8阶模型，该模型同时考虑了风力机和发电机的动态特性，弥补当前各种模型过于简化的不足。上述文献在研究风电系统的小干扰稳定性时，很少有文献在风电机组建模时，将风电机组中变频器机侧控制系统模型和网侧控制系统模型都考虑进去。2、含风电场简单电力系统的分析文献[17]通过对异步风力发电机组的风电场接入无穷大系统和3机9节点系统的两种情况进行小干扰稳定性分析。分析结果表明，与风电机组强相关的振荡模式有着较好的阻尼；当风电场与3机9节点系统相连时，风电场对系统中与其它同步发电机强相关振荡模式的影响很小，为含风电场的电力系统小干扰稳定性分析提供了理论依据和实用工具。文献[22]研究了双馈感应风电机组接入简单系统的小干扰稳定性，分析比较了单质量块和两质量块的轴系模型对研究系统的小干扰稳定性影响。同时还比较分析了考虑和忽略定子暂态过程时状态变量与各振荡模式的相关性。仿真分析表明，风电机组在不同的轴系模型情况下，对分析系统小干扰稳定有一定的影响。但是本文在分析过程中忽略了双馈感应电机的转子侧变频器控制模型。文献[26]研究了双馈感应风力发电机组的风电场接入电力系统的小干扰稳定性。首先建立了简单而实用的双馈感应发电机模型，基于定子磁链定向的控制方法，建立了转子侧变频器的有功和无功控制模型。分析了双馈机风电场接入3机9节点系统的小干扰稳定性。分析结果表明，在一定程度上，双馈机风电场有利于系统的小干扰稳定。文献=26]研究了直驱永磁同步风电机组的小干扰稳定性。首先，建立直驱永磁同步风电机组有无控制器的两种小干扰稳定模型，采用特征值分析方法分析了直驱永磁同步风电机组无穷大系统的小干扰稳定，结果表明直驱永磁同步风电机组在没有控制器情况下是小干扰稳定的，但有控制器可以改善直驱永磁风力发电机组的小干扰稳定，最后通过时域仿真法验证了分析的正确性。3、含风电场电力系统的分析文献[27]研究了异步风力发电机组的风电场接入内蒙古电网后的电力系统小干扰稳定性，分析比较了风电场的运行状态对研究电网的小干扰稳定及阻尼特性的影响。分析结果表明，随着风电场出力的变化，使得网内同步发电机组的运行方式发生变化，导致了某些局部振荡模式的出现或消失。网内和网间各机群间的振荡模式并没有发生变化，但其阻尼特性发生了变化；而且增加了与风电机组强相关的振荡模式，其具有较好的阻尼特性。但本文没有考虑联络线功率变化时系统的小干扰稳定性。文献[28]推导出了包含轴系、桨距角控制系统、双馈感应发电机及其控制系统在内的双馈机组数学模型。以此模型为基础，研究了大规模风电场对通辽外送型电网的小干扰稳定性的影响。通过对该系统的不同运行方式和相同运行方式下的不同发电负荷大小以及传输风电和火电的特性进行对比分析，深入研究了大规模的风电外送对电力系统的小干扰稳定性影响。研究结果表明：(l)大规模风电场接入通辽系统后风电场的不同运行状态和出力大小会对电力系统的振荡模态以及阻尼特性产生影响。(2)系统的不同运行方式可能会造成某些局部振荡模式的出现或消失，但是这些振荡模式的阻尼比一般比较高。文献[29]以瑞典实际电网为研究对象，分析了普通异步风电机组、双馈感应风电机组、直驱永磁同步风电机组对系统的振荡阻尼和区域功率振荡的影响。分析结果表明，三种不同类型的风电机组对瑞典电网和挪威电网之间的跨区域振荡模式有明显的影响，普通异步风电机组能够改善系统的振荡阻尼，有利于系统小干扰稳定；而双馈感应风电机组和直驱永磁同步风电机组都使系统的振荡阻尼有所降低，恶化了系统小干扰稳定。三种不同类型的风电机组影响挪威和芬兰之间的跨区域振荡模式比局部振荡模式更明显。该论文在分析过程中没有考虑风电机组的轴系模型，分析直驱永磁同步风电机组对系统振荡阻尼的影响时，把风电场看着负的负荷，没有考虑全功率变频器控制模型，而且仅仅分析了风电场对单一振荡模式的影响。1.3.3风电场接入电力系统其他问题研究大容量风电场并入电网后