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风力发电机并网后的电网电压和功率分析
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&&风力发电机并网后的电网电压和功率分析,主要是双馈风力发电机
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你可能喜欢风能发电对无功功率需求和电压分布的影响；KunYang,A.Garba,C.S.Tan,；UniversityofStrathclyde,；摘要：本文提出了一种展示不同渗透率与分散性的风能；在一个测试系统里面，详细研究了关于无功功率需求从；关键词：无功功率需求，无功功率损耗，风电渗透率，；1.简介；在20世纪的最后十年，全世界每三年的风电装机容量；作为一种能
风能发电对无功功率需求和电压分布的影响
Kun Yang, A. Garba, C.S. Tan, K.L. Lo
University of Strathclyde, Glasgow G11XW, United Kingdom
摘要：本文提出了一种展示不同渗透率与分散性的风能发电对于系统电压分布和系统无功功率需求影响的分析方法。在一个改进的IEEE30节点网络，分析了从5%到35%的渗透率与分散程度的风能发电的几个方案。
在一个测试系统里面，详细研究了关于无功功率需求从风电低渗透率（即5%到15%），到一个高渗透率（即20%到35%）的影响。不同方案结果表明，风能发电并非总是有利于提高电力传输中的电压分布。不同的风电渗透率和分布的确改变了系统的运行。它能为其实用性提供一个信号，基于无功功率需求和电压分布，在有类似的风力环境的情况下，风能渗透率和风力发电场的位置是可优化的。
关键词：无功功率需求，无功功率损耗，风电渗透率，电压分布。
在20世纪的最后十年，全世界每三年的风电装机容量约为每三年翻一番。区别于传统的能源形式，风能是一种无燃料，无空气污染的能源，并且由于它的大发电装机容量和先进的控制技术，风力发电在所有的再生能源中具有很明显的竞争力。因此，风力发电越来越受到追捧。
作为一种能量来源，风能有着间歇性和通常的不可调度性。嵌入到实际的电力系统后，风能发电机不仅要向电力网络提供有功功率，而且也要向其提供无功功率。但是，风能发电场有很大的无功功率需求，加之其间歇性的发电模式，最终将会给电力系统的稳定运行造成巨大的影响。
风能发电机组无论在输电和配电的电压水平中，都能得到整合。文献[2-7]研究了风力发电机组对输配电系统的影响。研究表明，风电分配到配电系统中，能提高整个系统的电压分布，并且能减少系统损耗[6,8]。这主要是由配电网络的放射状特征而决定的。但是，风电在输电系统的整合，并不能提高系统总体的电压分布和损耗。这应该是由于输电网络是一个网状网络，潮流分布之间相互牵制。
在一些欧洲国家，例如在爱尔兰，为了满足电力需求的增长，风能在输电网络得到了很高程度的整合，并且成为了代替一些能源企业（即热电厂）[5]中等量能量的一种形式。随着风力发电在电力系统的高度融合，必然会在电力网络产生了一种不同的潮流模式。即使小容量的风力发电影响不是很大，但是，随着风力发电在电力网络的渗透加深，风力发电的影响值得更加的详细研究和探讨。因此，本文动机之一就是分析不同渗透率（&35%）和不同分散性的风力发电对电力系统电压分布和无功功率需求的影响。
2. 无功功率需求和电压分布
假设没有足够的无功功率供给，系统电压很难维持在运行的限制范围。所以，电力系统可靠和稳定运行的条件就是：维持电压分布在规定的范围，为每个用户节点提供高质量的电力服务。一个可靠的电力网络，在正常负荷情况下，所有的母线电压必须维持在一个可接受的范围，一般为从标么值为0.95到1.05[3]。
2.1. 带传统发电机组的电力系统网络
传统常规的连接到电力网的发电机组都是能提供或者消耗无功功率的同步发电机。此类发电机产生的无功功率一般都会由自动电压调整器（AVR）控制，继而维持了系统的电压分布。
也就是说，对于电压分布的控制是由AVR里面的无功功率的消耗和产生决定的。无功功率产量的要求，主要是由在系统中不同部位之间的输电子系统，根据各自网络需求程度，所形成的有功功率交换推动的。在正常的电力系统运行条件下，负荷和电源分布的变化可能会恶化了不同母线的电压分布。
这是因为电压分布是只和有功和无功功率供给与及系统的需求有关。因此无功功率的需求应当统一管理,以确保有足够的功率生产以满足需求,同时也维持其在法定规划与运作的极限之内。
2.2. 带有风力发电机组的电力系统网络
实际上，当风力发电机嵌入到现有的电力网络，风力的输出被认为是“必须要”的能量，所有的传统常规发电机的输出将减少产量，以适应风力的输出。假如没有风力发电，所有的功率将由常规发电机提供，以满足系统的需求。
风能的特点是间歇性，而且通常是不可调度的。它的输出是完全依赖于所在地的风力可用性，不同时间的风能输出也不一样。它能对电力系统的可靠性和效率产生影响，这些影响可能是正面的，也可能是负面的。在系统操作方面，与风力发电量有关的问题之一就是风本身的随机性和可变性。风能对输电系统的影响主要依赖于风电场的地点与负荷量之间的距离，电能生产量与负荷消耗量的相关性[9]。此外，它也可能改变风力发电场所产生的潮流的方向，以及系统中其他任何位置现有的发电机的潮流方向，同时减少或者增加系统损耗。如果这些影响非常大，那么大部分的电压分布将会偏离其正常的运转限制值。
因此，考虑不同级别的风能渗透率和分散性的风电对电力系统的影响，特别是与系统电压分布和无功功率需求有关的方面，是亟待研究和分析的。这也是本文讨论的重点。
3. 测试系统及仿真程序
风力发电机的渗入对系统电压分布和无功功率产量的影响将在改进后的IEEE30-节点网络模拟器上进行研究和调查。该模拟器使用了PowerWorld?模拟包[10]。该测试系统由六个发电机，四十一个支路和二十一个负载所组成，见图1。所有的支路数据均见表1。
改进后的测试系统采用交流最优自由潮流（OPF）进行分析。在交流OPF 模拟过程中，这是假定一部分的定价是用于简化市场结构，它的目标是尽量减少总发电成本。表2中给出了测试系统中的发电机的发电费用参数。每个发电机的电压的标么值设定为1.05。
利用可再生能源的分布式发电（DG）的等量成本通常要比常规的电厂昂贵。因而这极大可能会造成在与电力网络现有的发电机的竞争下，电网系统中的可再生能源占有量的缩减。在我们的模拟系统中，风力发电场的边际成本设为现有电网发电机最小边际成本的一半，以反映分布式发电的入网优惠。
在本文，风场的位置也进行了研究和调查。在节点#14和#19中，假定了区域中有相同的风力环境。为了分析风力发电对电压分布和无功功率产量的影响，进行了大范围的，从0%至35%的风能渗透率的研究。对于系统电压分布和无功功率产量的分析，是从两个不同的方面入手的。一个是风能渗透的水平（即，从0%到35%），另一个是风力发电的分散性（即单一或者多个地点）。
模拟结果是在PowerWorld?中，利用时间步长仿真选项获得的。当中，风力发电机的输出和系统负载每半个小时不同，以反应实际的系统响应。一定的风能渗透率和分散性下，系统电压分布和无功功率产量的相关数据记录并将在下一节中讨论。在接下来的章节中的数据和讨论是基于一个月的负荷和风力发电分布。一年的数据将会具有相同的趋势，因此，为了方便陈述，将展示一个月的数据分析。
4. 结果与讨论
这一节主要介绍改进的IEEE30节点网络系统的模拟结果。风力发电机单独与#14节点和#19节点相连接，渗透率水平从5%到35%中变化，步长间距是5%。然后，在不同层次渗透水平的结合下，风力发电机同时与#14节点和#19节相连接。
如第3节中所述，风力发电和负载的每半小时数据是用于生成和仿真运行的，同时，每个参数例如节点电压和无功功率产量，都会被详细地记录了。相同的负载分布被用于所有的风能渗透率水平和风能输出地点。这是为了当我们在考虑风能渗透率和分散性的影响时，能减少负载变动的影响。因此，在下一节中的讨论结果应该能够代表电网中风力发电的影响。
图2和图3表示了在风力发电机分别与节点#14和#19连接时的平均电压分布。这两个图显示了电压均分布在系统限制值范围内（即标幺值0.95-1.05）。在更为仔细的研究中，我们注意到两个图中平均电压的分布在风力发电嵌入到电网时较好一些。然而，如果实际电压分布如图4与图5（分别与节点#14和#19连接）所示，两个图清晰地反应了风能渗透的实际影响。如图所示，图4和图5显示了节点电压超出了系统运行范围。这意味着，实际电压值将取代平均电压值进行分析。
4.1. 单一风场位置
当风力输出嵌入到节点#19和节点#14时，风能渗透率从5%到35%
的每个节点的最大
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　/无功潮流、 电压、系统稳定性、电能质量、短路容量、频率和保护等方面带来影响...由于电力需求快速增长, 对以化石燃料为基础的发电是不可持续的。正相反,风力... 　发电机在发出有功功率的同时, 需要从系统吸收无功功 率,且无功需求随有功输出...3、对电网电压的影响 风力发电出力随风速大小等因素而变化, 同时由于风力资源... 　/无功潮流、电压、系统 稳定性、电能质量、短路容量、频率和保护等方面带来影响...由于电力需求快速增长,对 以化石燃料为基础的发电是不可持续的。正相反,风力... 　风力发电系统无功补偿的重要性分析所属行业:风电 |...并网后电机的电压、频率与电网相等,转速和频率无关,...根据风力发电机运行要求,略微欠补 或过补均可正常... 　电网的冲击、对电网频率、电网电压、电网稳定性、电能质量以及继电保护 的影响。...为满足风力发电场的无功 需求,每台风力发电机都配有无功补偿装置。目前常用的是... 　经济性方面,风力发电成本不断降低,同时常规能源发电由于环保要求增高 使得成本...风电功率的注入改变了电网的潮流分布, 对局部电网的节点电压产生较大的影响,... 　风电场无功功率问题 三、国家电网公司:“风电场接入...桨叶的材料要求强度高、重量轻,目前多用玻璃钢或...再对蓄电瓶充电,使风力发电机产生的电能变成化 学... 　并网对电网电压波动、网损及 谐波等方面产生影响的原因和规律,以期对风力发电...(4)含异步发电机的风力发电机组运行时向电网送有功功率、吸无功功率;固定转速... 　环保要求的增高, 随着风力发电技术的成熟,风力发电的...干扰稳定、频率稳定及电压稳定都有着不同程度的影响...它可以对无功功率进行控制,有利于电力 系统的安全...君，已阅读到文档的结尾了呢~~
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风力发电机
风力发电机[浏览次数：约6559次]
风力发电机的分类
　　根据风力发电机旋转轴的区别，风力发电机可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。
　　1、水平轴风力发电机：
　　旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行，旋转轴处于水平的风力发电机。
　　2、垂直轴风力发电机：
　　旋转轴与叶片平行，一般与地面吹垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。
　　垂直轴风力发电机目前占市场主流的是水平轴风力发电机，平时说的风力发电机通常也是指水平轴风力发电机。目前水平轴风力发电机的功率最大已经做到了5wm左右。垂直轴风力发电机虽然最早被人类利用，但是用来发电还是近10多年的事。与传统的水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有不用对风向，转速低，无噪音等优点，但同时也存在起动风速高，结构复杂等缺点，这都制约了垂直轴风力发电机的应用。
　　根据定桨矩失速型风机和变速恒频变桨矩风机的特点,国内目前装机的电机一般分为二类:
　　1、异步型
　　（1）笼型异步发电机；
　　功率为600/125kW& 750kW& 800kW& 1250180kW
　　定子向电网输送不同功率的50Hz交流电;
　　（2）绕线式双馈异步发电机；功率为1500kW
　　定子向电网输送50Hz交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送 有功或无功功率。
　　2、同步型
　　（1）永磁同步发电机；
　　功率为750kW& 1200kW 1500kW 由永磁体产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。
　　（2）电励磁同步发电机；
　　由外接到转子上的直流电流产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。
风力发电机的图解
　　一、风力发电机分解图
　　1.风机总成
　　2.叶 片
　　3.轮毂般
　　4.前罩
　　5.螺栓
　　6.平垫圈
　　7.防松螺母
　　8.螺母
　　9.弹簧垫
　　10.法兰
　　11.螺栓
　　12.防松螺母
　　13.避雷针
　　14.减震器
　　二、风力发电机应用系统结构图
风力发电机的特点
　　1、高效率
　　2、微风启动
　　3、长寿命
　　4、免维护
　　5、防锈
　　6、防腐蚀
　　6、防潮
　　7、防水
　　8、防风沙
风力发电机的原理
　　风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量),通过主轴传动链,经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后,通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网.如果超过发电机同步转速,转子也处于发电状态,通过变流器向电网馈电.
　　最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成,立在一定高度的塔干上,这是小型离网风机. 最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无,电压和频率不稳定,没有实际应用价值.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(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为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,1500千瓦的风机机舱总重50多吨,叶轮30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,机舱在水平面旋转,随时偏航对准风向;风轮沿水平轴旋转,以便产生动力扭距.对变桨矩风机,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而变桨距.在停机时,叶片要顺桨,以便形成阻尼刹车.
　　早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用),现在电变距系统逐步取代液压变距.
　　就1500千瓦风机而言,一般在4米/秒左右的风速自动启动,在13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.
　　现代风机的设计极限风速为60-70米/秒,也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏.理论上的12级飓风,其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒.
　　风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制,在稳定的电压和频率下运行,自动地并网和脱网;同时*齿轮箱、发电机的运行温度,液压系统的油压,对出现的任何异常进行报警,必要时自动停机,属于无人值守独立发电系统单元.
风力发电机的维修
　　风机叶片的维修维护在保证风机叶片20年使用寿命中将起到至关重要的作用。一般一两年左右，叶片的表面将吨级大量的灰尘及各种杂质。这些灰尘及杂物会对风产生阻力，减小风对叶片的攻角（较干净的叶片减少2-5），降低7％-10％的发电量。另外由于污垢在所有的叶片上都不会均匀分布，因此它还会增加空气动力学的不平衡和质量不平衡。
　　此外，叶片的后缘、叶尖等部位也极易受到侵蚀而开裂，表面非结构层脱落。叶片表面也会出现横向裂纹，如不及时发现处理任其扩展，将会导致严重后果。
　　因此，有必要针对叶片的不同部位设定一定的检查年限，确保将问题解决于未发或萌芽状态中。
　　值得注意的是此维修维护必须高空作业。
风力发电机的参数
　　起动风速：2（m/s）
　　额定风速：12（m/s）
　　切入风速：2.5（m/s）
　　额定电压：24V/48V（DCV）
　　额定功率：1000（W）
　　最大功率：1200（W）
　　风叶直径：1.8（m）
　　风叶数量：5（pcs）
　　安全风速：60（m/s）
　　整机重量：31（kg）
　　大风保护：泄荷及电磁制动
　　电机最高温升：额定负载 85℃
　　工作温度：-20℃至40℃
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