风电场电能质量综合监测系统设计.docx

1、论文题目：基于LabVIEW的风电场电能质量综合监测系统PowerQualityMonitoringSysteminWindFarmBasedonLabVIEW作者姓名专业指导教师姓名专业技术职务2010年4月10H目录摘要IAbstractII第一章绪论11.1 研究背景11.2 国内外风电发展及研究现状31. 3对电能质量进行检测的意义71.4 虚拟仪器技术及其在电力系统中的应用91.4.1 虚拟仪器概述91.4.2 LabVIEW概述101.4.3 虚拟仪器在电力系统中的应用111.5 本文主要工作11第二章风电机组的类型、特点及其对电能质量的影响122.1风电机组的结构及分类122.

2、1.1恒速风电机组133. 1.2双馈感应风电机组144. 1.3多级永磁风电机组142.2 风力发电的特点152.3 风电场并网对电网电能质量的影响161.1.1 1风电场引起的电压波动和闪变171.1.2 风电场引起的谐波问题181.1.3 风电场电能质量检测需要解决的问题182. 4小结19第三章系统硬件设计202.1 硬件系统的总体设计202.2 硬件的选取203. 3信号调理223. 4小结24第四章风电场电能质量综合监测系统的算法及软件设计254.1系统程序总体结构254. 2系统主程序及用户界面设计254. 3各个电能质量指标检测算法的选取及子程序设计274. 3.1传统电能质量

3、指标检测算法及程序设计274. 3.2谐波检测算法及程序设计314. 3.3电压暂降检测算法及程序设计364. 3.4电压波动与闪变检测算法与程序设计384. 4数据存储464. 5小结47第五章结束语485. 1结论486. 2展望49参考文献50致谢55摘要在能源短缺的当今世界，风能作为一种取之不尽、用之不竭的新能源，由于它的可再生性和无污染的优点，成为最有诱惑力的一种新能源，引起多个国家的重视。中国也加大了开发和利用风能的力度。随着未来风电场规划装机容量不断增加，风力发电对接入电网的电能质量的影响不容忽视。严重时，甚至会对局部电网或弱电网的安全稳定性造成危害。因而，风力发电监测系统和控制

4、技术的开发研究显得更为迫切。因此，有必要开发风电场电能质量综合监测系统，对现有风电场的电能质量进行检测、分析，为风电场治理、改善电能质量提供依据，这对风电场接入电网现状的研究以及风电与电网的和谐发展具有极其重要的意义。本文首先介绍了国内外风力发电的发展情况，以及对风电场电能质量问题进行监测的必要性。其次，通过分析风电机组的结构及其运行特性，总结风电场存在的电能质量问题及特点。然后，结合风电场电能质量的特点，选取合适的硬件,比较、分析各种电能质量检测算法，选取合适的算法。针对风电场电压波动频率主要集中在低频段，而目前广泛使用的检测算法在低频段精度较差的情况，本文采用的抵消基波的方法对电压波动与闪

5、变进行检测，并通过仿真分析证明该方法确实在低频段具有优势。最后本文结合相关的硬件、算法以LabVIEW为平台研究开发了风电场电能质量综合监测系统，采集电压、电流信号，并对电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡、电压暂降、电压波动闪变六个指标进行检测。文中阐述了系统的硬件构成方案和软件编程方法，对系统的设计方案进行了详细的介绍，描述了系统所要实现的主要功能。并给出了系统主要功能模块的设计流程以及关键技术措施。本系统开发周期短，测量精度高，具有良好的可视化人机交互界面，并可以方便地增减、修改系统的功能和规模，为用户提供了高度的灵活性和易用性。关键词：风电场；LabVIEW；电能质量；电压波动；电压暂

6、降AbstractNowtheworldissufferedfromtheshortageofenergy.Windenergy,asanewenergy,isinexhaustibleandfree.Itsthemostattractivenewenergyforitsadvantagesofrenewableandwithout-pollution.Itarousestheattentionofmanycountries.Chinaisalsooneofthem,anditenhancesitsresearchandutilityonwindenergy.Amongwiththeconti

7、nuousincreasingofpowercapacityinfuturewindenergygenerationprogramming,theharmtotheconnectedpowergrid,whichiscausedbythewindfarm,willbecometobemoreimportantandnotallowedtobeneglected.Itwillevendamagethesafetyandstabilityofweakpowergridwhentheharmisserious.Hence,theresearchanddevelopmentofwindpowergen

8、erationsupervisingsystemanditsrelatedcontroltechnologyappearstobemoreurgent.Thereby,itsnecessarytoexcogitateapowerqualitymonitoringsystemfbrthewindfarmtoanalyzeandevaluatethepowerqualityofthepresentwinfarm,whichisaveryimportantmeaningfbrtheresearchofthegrid-connectedwindpowergenerationunitandtheharm

9、oniousdevelopmentbetweenwindpowerandgrid.Firstofall,thisthesisintroducedthetrendofwindenergygenerationinsideandoutsideoftheworld,andthenecessityofmonitoringthepowerqualityofthewinfarm.Secondly,byanalyzingthewindturbinestructureandoperatingcharacteristics,summarizingthepowerqualityproblemsofwindforma

10、nditscharacteristics,thencombinedthecharacteristicsofthepowerqualityofthewindfarm,thehardwareandmethodsareappropriatelychosen.Accordingtothesituationthatvoltagefluctuationsofwindfarmsaremainlyinthelowfrequencyband,thearithmeticwhichisnowwidelyusedhasaloweraccuracyinthisband,thisthesisusedthearithmet

11、icbycounteractingthefundamentalwavetotestvoltagefluctuationandflicker,thensimulatedthismethodtoproveithashighaccuracyinlowfrequencyband.Atlast,withthesehardwareandmethodsthepowerqualitymonitoringsysteminwindfarmisdevelopedusingLabVIEWinthisthesis,whichcollectsvoltageandcurrentsignalsandtestsvoltaged

12、eviation,frequencydeviation,harmonics,unsymmetrical,voltagesag,voltagefluctuationandflicker.Thehardwarecompositionandsoftwareprogrammingareexpounded,theplansoftheclientcomputerandthehostcomputerareparticularlyintroduced,andthemainfunctionsofthesystemaredescribed.Themainmodulesandthekeytechnicalmeasu

13、resofthesystemareexplained.Thissystemhastheadvantagesofshortdevelopmentcycle,highaccuracy,interactiveinterfacewithgoodvisualizationanditsfunctionandscalecanbechangedandmodifiedeasily,whichprovidesahighmobilityandhastheadvantagesofeasycontrol.Keywords:windfarm;LabVIEW;powerquality；voltagefluctuation；

14、voltagesag第一章绪论1.1 研究背景随着社会经济的发展，人类对能源的需求量越来越大，特别像中国这样的发展中国家，由于经济的快速发展，特别是工业、重工业的快速发展，对能源的消耗量也飞速增长，而煤、石油等矿物燃料的储量是有限的，随着矿物燃料的大量开采、使用，导致了能源危机、环境污染等一系列严重的后果。于是人们逐渐将目光转向了风能、太阳能等无污染、可再生的能源上来。经济界权威人士在综合分析了科学技术的发展、全球环境的制约，以及经济和政治等方面的影响后指出:如果说20世纪是石油世纪，21世纪将进入以太阳能、风能和水能等为主的绿色可再生能源世纪。据专家估计，地球上所受的太阳辐射能大约有2%转换

15、成风能，若用于发电,则装机容量可达10TW,每年可发出电力13PWH。图1-1我国有效风功率密度分布图如图所示，我国风能资源丰富，全国陆地可利用风能资源3亿千瓦，加上近岸海域可利用风能资源，共计约10亿千瓦，发展潜力巨大。风能功率密度在150W/,后以上的地区覆盖了半个中国，资源分布很广，在东南沿海、山东、辽宁沿海及其岛屿年平均风速达到69米/秒，内陆地区如内蒙古北部，甘肃、新疆北部以及松花江下游也属于风资源丰富区，在这些地区均有很好的开发利用条件。现如今环境恶化日益加剧，空气污染、温室效应等问题严重影响着人们的生存环境，人们越来越重视所生存、居住环境的改善，环境保护意识不断增强，迫切需要一些

16、清洁、无污染、可再生的新能源。在目前众多可再生能源技术开发中，发展最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景、最具竞争力、潜力最大的就是风力发电。风能是一种取之不尽、用之不竭的免费且可靠的新能源。与常规能源相比，由于它的可再生性和无污染的优点，在能源短缺的当今世界，它是最具有诱惑力的一种新能源261。风能作为一种无污染、可再生的清洁能源，对二氧化碳的减排、发展低碳经济也有着重要的作用。据有关资料统计，每装一台单机容量为1MW的风力发电机组，每年可以减少排放2000吨二氧化碳、10吨二氧化硫、6吨二氧化氮。以德国为例，仅风力发电每年使二氧化碳排放量减少了2260万吨，为德国竭力实现京都议定书的减

17、排目标做出了巨大贡献。我国为了大力发展风电等可再生能源，采取了许多相关的措施，如征收可再生能源附加费，可再生能源要优先调度、优先上网等，2005年6月1日实行的上网电价管理暂行办法规定电网企业按政府定价或招标价格优先购买风电，2008年8月财政部公布实施了风力发电设备产业化专项资金管理暂行办法，采取“以奖代补”方式支持风电设备产业化。该办法规定了对符合支持条件企业的首批50台MW级风电机组，按600元/kW的标准予以补助。这些政策、制度为风力发电的快速发展提供了良好的条件。自20世纪80年代以来，大、中型风电场并网容量发展最为迅猛，对电力系统的运行造成的影响逐步加大，由此提出了一系列值得关注和

18、研究的问题。电能质量问题就是其中一个非常重要的课题。风电场多采用异步发电机，异步发电机有功出力有很强的随机性，随风速变化。同时，异步发电机运行时需要吸收系统的无功功率，为系统的无功负荷，其大小也为不确定量，从而给接入系统电网运行带来诸多常规机组所没有的影响261。风力发电机组发出有功功率一般会引起配电系统电压升高。采用可调压的风力发电机组可避免配电系统电压控制设备方面的投入。异步风力发电机组需要消耗接入电网的无功功率。为了减少消耗的无功功率，一般异步电机组都配有补偿电容器组，无功功率消耗的减少将导致电压的上升，这种影响在分析电网稳定性时是需要加以考虑的因素。由于阵风等因素的影响，引起输出功率的

19、变化，输出电流发生变化，导致电网电压波动。对于采用最大风能捕获的现代风力发电机组,这种电压波动尤其明显。在大型风电场，由于多机组的平均作用，使用电压较高的专用线上网，风速对电网电压波动的影响会相对小些。而对于风电机组少、单机容量大的小型风电场，风速对电网电压波动的影响会很大。大功率开关器件的普遍采用使得风电电能中含有大量的谐波，尤其是那些通过电力变换器而接入电网的发电机组。因此，大型的风力发电场对接入电网的影响将是一个普遍的问题。1.2 国内外风电发展及研究现状1891年，风力发电创始人丹麦的拉库尔教授用风轮驱动了两台9kW的直流发电机，建成了世界上最早的风电场，但直到20世纪70年代以前，只

20、有小型充电用风电机组达到实用阶段。而近几年风电系统从电力产业中异军突起，2000年开始，兆瓦级以上的交流励磁变速恒频双馈风力发电机组逐步成为国际风电市场的主流产品。近海风电场的发展，又使风电机组单机容量进一步上升到3.6,4.2,4.5和5MW。根据全球风能理事会（GWEC）统计数据，截止到2008年12月底，全球的总装机容量已经达到了1.21亿千瓦；2008年，全球风电增长速度为28.8%,新增装机容量达到2700千瓦，同比增长36%o图1-2为1997-2008年全球各年新增和累计装机容量情况。图1-219972008全球各年新增和累计装机容量情况欧洲、北美和亚洲仍然是世界风电发展的三大主

21、要市场，2008年三大区域新增装机分别是：8877、8881和8589兆瓦，占世界风电装机总容量的90%以上。美国超过德国，跃居全球风电装机首位，同时也成为第二个风电装机容量超过2000万千瓦的风电大国。世界各国2008年累计及当年新增风电装机容量排名如表1-1、表1-2所示mi。表1-12008年累计装机容量排名国家容量（MW）增长（）美国2517020.8德国2390319.8西班牙1675413.9中国1221010.1印度96458意大利37363.1法国34042.8英国32412.7丹麦31802.6葡萄牙28622.410国总计10410486.2其他地区总计1668613.8全

22、世界总计120791100表1-22008年新增装机容量排名国家新增装机容量(MW)增长()美国835831中国630023印度18007德国16656西班牙16096意大利10104法国9504英国8363葡萄牙7123加拿大523210国总计2376388其他地区总计329312全世界总计27056100我国是世界上风能利用的古国之一，利用风能的历史虽然悠久，但研制现代风力机是始于20世纪50年代末，50年代末至60年代初，出现了风力研制的一个高潮，从70年代末期开始至今，我国风能利用研究进入一个新的发展阶段。1986年4月，我国第一个示范风电场在山东荣成并网发电，从1989年起全国各地陆

23、续引进机组建设风电场，装机容量逐年增长，2001年至2008年我国风电装机容量如图1-3所示，(A三)黜麴三期图1-3 20012008年中国年度风电装机容量截至2008年我国已连续四年年度新增装机容量翻番增长。经初步计算，2008年底，中国除台湾省外累计安装风电机组1.16万多台，累计装机容量1.2153万兆瓦，已跻身世界风电装机容量超千万千瓦的风电大国行列，并超过印度，成为亚洲第一、世界第四的风电大国。中国已成为全球发展最快、最具潜力的风电市场之一。随着国内风电设备制造业产能的扩大，国产风电机组在市场上的占有率逐步提高2007年，我国当年安装的风电机组市场份额中，国产机组装机容量首次超过外

24、资企业，达到55.9%,2008年进一步增加到75%。表1-32008年我国新增和累计装机容量情况省（市、自治区等）2007累计(kW)2008新增(kW)2008累计(kW)内蒙古辽宁515310734450河北491450619250吉林612260457200黑龙江408250428050836300江苏293750354500648250甘肃338300298650636950新疆299310277500576810山东350200222100572300宁夏35520038000393200广东28739079500366890福建23775046000283750浙江4735014

25、7280194630山西5000122500127500云南07875078750北京495001500064500海南87004950058200河南30004725050250江西04200042000上海244001500039400湖北13600013600重庆017001700湖南165001650香港8000800全国（除台湾）到2008年底，全国已经有25个省区（含台湾）在风力发电中占据了一定的份额，其中，内蒙、辽宁、河北、吉林、黑龙江、江苏等省区无论从新增装机容量还是从累计装机容量方面都位居前列。除上述省份之外，纳入国家千万千瓦级风电基地规划的另外两个省份甘肃和新疆，以及山东省

26、的新增装机容量也均超过20万千瓦，使得累计装机容量超过50万千瓦的省份达到9个，超过100万千瓦的省份达到了4个。从市场份额来看，我国的风电市场比较集中，内蒙古和东北三省分别占据国内市场的30%和25%,两家合计占据市场份额的55%。处于风电市场的支配地位。其次是河北、江苏、甘肃、山东和新疆，其市场份额都在5%以上。一些新兴的市场也在形成，山西、河南和江西等地也实现了零的突破。2008年我国除台湾外各省新增和累计风电装机容量如表1-3所示。1.3 对电能质量进行检测的意义随着现今经济的快速发展，电力用户为满足其对产品的个性化、多样性生产的需求，从最大经济利益出发，在大功率、冲击性、非线性的负荷

27、迅速增长的同时，更大规模地采用科技含量高的器件、设备与技术。越来越多的电力用户采用了微电子技术、计算机技术、电力电子技术、数字控制的自动化生产线等。随着微电子技术和电力电子技术的发展，基于电力电子技术的装置和设备在现代工业中得到了广泛的应用，同时直流输电、电气化铁路等冲击性负荷的不断增多，还有各种大型用电设备的起停，都对电网电能质量产生严重的污染；但另一方面，随着高新技术，尤其是信息产业的发展，用户使用的现代新型负荷设备,多是基于微处理器的敏感性控制设备，它们对电能质量问题非常敏感对电能质量的要求越来越高。电能质量若偏离正常水平过大，会给发电、输变电和用电设备带来不同程度的危害，对用电企业造成

28、重大经济损失。使一些过去不受重视的电能质量问题变得不容忽视.I。电能质量的主要指标有电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡、电压波动与闪变以及电压暂降等其产生原因及危害如表1-4所示【2纥表1-4各种电能质量问题产生的原因及危害类型产生原因危害电压偏差过负荷，无功过剩，电源电压偏高(1)设备的运行性能恶化，效率降低；(2)设备损坏，寿命减少；(3) 生产效率降低；(4) 电压不稳定，严重时导致电压崩溃；(5)影响产品的质量和产量；(6) 绝缘受损；(7) 有功损耗、无功损耗以及电压损失增加频率偏差发电机转速变化(1) 产生电机转速的偏差；(2) 通信设备的误码率上升谐波非线性负荷；固态开关负荷(

29、1) 设备产生附加损耗；(2) 影响电气设备的正常工作；(3) 电机产生机械振动和噪声等；(4) 电气设备局部严重过热；(5) 电网谐振；(6)继电保护和自动装置误动作；(7) 电气测量仪表计量不准确；(8) 干扰设备附加的通信系统三相不平衡三相不平衡负荷(1) 电子设备算坏；(2) 继电保护和自动装置误动作；(3) 变压器铁损加大，变压器发热、容量减小；(4)用户对功率需求加大，增加用户用电量电压波动与闪变电弧炉、电机启动(1)伺服电机运行不正常；(2)大的波动会使设备产生谐振，给设备造成严重损伤；(3)计算机工作不正常，引起电机反转电压暂降远端发生故障，电动机启动等(1)影响许多特殊行业的

30、生产过程，降低生产工效和产品质量，造成直接的经济损失；(2)计算机工作不正常，引起电机堵转；(3) 降低元器件的使用寿命，击穿电子设备；(4) 造成设备的损坏对电能质量进监测，及时、全面的掌握系统的运行状况，可以有针对性的采取相应的治理措施，提高电能质量水平，减少损失。1.4 虚拟仪器技术及其在电力系统中的应用1.4.1 虚拟仪器概述虚拟技术、计算机技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术3。1。美国NI公司于20世纪80年代中期首先提出了“软件就是仪器”这一基于计算机技术的虚拟仪器概念。这个概念为用户定义、构造自己的仪器系统提供了完美的解决途径。虚

31、拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。当硬件平台0接口设备与计算机确定后，编制某种测量功能的软件后计算机就成为该种功能的测试仪器。因为虚拟仪器与计算机技术同步发展，与网络及其他周边设备互联，所以用户只需改变软件程序就可以不断的赋予它或扩展增强它的测量功能。这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这给仪器使用者带来了无尽的收益。虚拟仪器的主要特点有-331（1）尽可能采用通用的硬件

32、，各种仪器的差异主要是软件。（2）可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。（3）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器，研制周期大大缩短。虚拟仪器技术的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能，用户无法改变的固定模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户可以随心所欲的根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。（4）比传统仪器更加开放、灵活，可与网络及周边其他设备互联。（5）具有良好的性价比，虚拟仪器的价格相对于同类功能的传统仪器的价格要便宜得多，并且技术更新快。用户有时甚至不用更改任何硬件，只需改动或应用相应的软件模块即可构

33、成新的虚拟仪器系统。（6）虚拟仪器区别于传统仪器最大的特点在于：虚拟仪器的关键是软件。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键，任何一个用户都可以通过改写软件的办法，方便的改变和增减仪器系统的功能，即“软件就是仪器”。虚拟仪器作为21世纪的仪器，具有编程灵活、可自定义、数据处理和分析功能强大、开发周期短等优点，推动着测控技术的革命，在电力系统测量、控制方面有广阔的应用前景。1.4.2 LabVIEW概述NI公司的虚拟仪器平台LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种图形化的编程语言通常

34、称为G编程语言，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境134-3叫LabVIEW作为一种强大的虚拟仪器开发平台，广泛的被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了GPIB、VXLRS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能,并内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。使用LabVIEW编制的程序由前面板（FrontPanel）、程序框图（BlockDiagram）和图标/连接器（Icon/Connector）三部分组成。因此，LabVIEW是一个功能强大且灵活的软件，利用它可以方便地组

35、建自己的虚拟仪器，从而大大提高工作效率。LabVIEW的主要特点有：（1）具有图形化的编程方式，是真正面向科学家和工程师的语言。（2）提供了大量的虚拟仪器和函数库来帮助编程。（3）采用传统的调试手段和新颖的高亮显示，更有利于编程人员的调试。（4）囊括了各种仪器通信总线标准的所有功能函数，方便了那些不懂总线标准的用户也能够驱动不同的总线标准接口设备与仪器。（5）强大的网络功能，支持常用的网络协议，可以进行网上发布以及远程监控仪器。1.4.3 虚拟仪器在电力系统中的应用虚拟仪器在电力系统中的应用越来越广泛，对提高电力系统的自动化水平起到了重要作用。虚拟仪器在电力系统中应用最多的是在测量领域中【36

36、-371,它不仅可以完全代替传统仪器，而且具有许多传统仪器所不具备的功能。特别对于一些非标准的或超常规的测量、测试要求，应用虚拟仪器技术可以起到非常显著的效果。文献38-41介绍了LabVIEW在电能质量检测中的应用，文献42-43介绍了虚拟仪器在互感器等设备的校验中的应用，文献44-45介绍了虚拟仪器在电力系统故障诊断中的应用。另外，虚拟仪器软件在电力系统仿真和电力系统专业教学中也被越来越广泛的采用，许多高校和科研院所都专门成立了虚拟仪器实验室。1.5 本文主要工作跟据我国风力发电的发展情况，以及风电场存在的电能质量问题，本文主要作了以下几个方面的工作：（1）介绍了风电机组的结构、运行特性，

37、产生电能质量问题的原因，分析风电场电能质量的特点。（2）结合风电场电能质量问题的特点，以及相关的标准，分析各种检测算法，选取合适的算法。本文针对风电场电压波动频率主要在13Hz的低频段，而目前广泛使用的IEC推荐的IEC闪变检测原理在低频段精度较低的情况，采用了抵消基波的方法，并对这两种方法进行仿真比较，证明抵消基波的方法在低频段具有较高的精度，更适用于风电场的电压波动与闪变检测。（3）结合NI公司的信号调理箱、数据采集卡等相关硬件，以LabVIEW为软件开发平台，开发风电场电能质量综合监测系统。第二章风电机组的类型、特点及其对电能质量的影响2.1风电机组的结构及分类风电机组主要由以下几个部分

38、组成：机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。齿轮箱：齿轮箱两边分别为低速轴和高速轴。偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制偏航装置。为防止任何故障(即齿轮箱或发电机的过热)，该控制器可以自动停止风电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件,用于冷却齿轮箱内的油。一些风电机具有水冷发电机。塔：风电机塔载

39、有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。风速计及风向标：用于测量风速及风向。以上是风电机组的主要组成部分，不同类型的风电机组其结构有所不同。风电机组可以按照其运行方式、控制原则或拓扑结构的不同进行不同方法的分类，根据发电机转速性质可以分为定速风电机组和变速风电机组;根据风力机叶片的桨距控制原理，可分为失速型定桨距风电机组和变桨距风电机组;根据发电机类型可分为以鼠笼式异步电机作发电机、以双馈式异步电机作发电机和以多极永磁同步电机作发电机的风电机组;根据与电网的连接方式可分为直接连接和通过变流器连接两种形式;根据传动机构分类可分为升速型和直驱型。综合上述的分类方法，目前的风电机

40、组可以基本划分为下面几种主要机型46(1)基于普通异步发电机的恒速风电机组(2)基于双馈异步发电机的变速、变桨距控制风电机组(3)基于永磁同步发电机的变速、变桨距控制风电机组分析风力发电的电能质量问题，首先要考虑风力发电机类型的不同，每种机型都有其特点，不同风电机组工作原理、数学模型都不相同，因此，分析方法也有所差异。2.1.1 恒速风电机组基于鼠笼式异步发电机的风电机组技术成熟、结构简单、易于维护、操作方便、没有复杂的控制，一直以来都是全球风电市场上的主力机型，尤其是早期运营的风电场基本都采用这一机型，其结构如图2-1所示。图2-1恒速风电机组结构基于鼠笼式异步发电机的风电机组由三叶片风力机

41、、齿轮箱、普通的异步发电机、机端并联补偿电容器和控制系统构成。这类风电机组通常只能在很小的转差变化范围内运行，因此通常被称作定速风电机组。风力机恒速运行时不能保证在所有的风速下都能产生最大的功率输出。恒速恒频风力发电机的主要缺点有以下几点一是风力机转速不能随风速而变，风力发电机组运行在风能转换最佳状态下的几率比较小，从而降低了对风能的利用率。二是当风速突变时，巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部件上产生很大的机械应力。三是并网时可能产生较大的电流冲击而目前的恒速机组，大部分使用异步发电机，在发出有功功率的同时，还需要消耗无功功率，通常是安装电容器，以补偿大部分消

42、耗的无功功率。2.1.2 双馈感应风电机组为了在变动的风速情况下获取最大的能量，促使人们将变速恒频技术应用于风力发电机组。目前应用最为广泛的变速机组为采用双馈异步发电机的变速风电机组，这种机组也是本文的主要讨论对象。这种机组通常都是采用浆距控制技术的，由于风力机变速运行，其运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数得到优化，获得高的系统效率；可以实现发电机较平滑的电功率输出；发电机本身不需要另外附加无功补偿设备，可实现功率因数一定范围内的调节，例如功率因数从0.95领先到0.95滞后范围内，因而具有调节无功功率出力的能力。基于双馈异步发电机的变速风电机组的结构如图2-2所示，AC/D

43、CDC/AC图2-2双馈异步发电机组结构该机型主要包括以下几大部分:双馈感应发电机、桨距控制风力机、低速轴（LS）、齿轮箱、高速轴（HS）、转子侧变流器、直流环节和电网侧变流器。除了定子直接接入电网以外，其转子也通过变频器与电网相连，通过变流器实现发电机有功、无功功率解耦控制，使风电机组具有变速运行的特性图147-48,其运行状态可以分为：次同步运行、同步运行和超同步运行，由于很容易实现次同步转速发电，因此具有无功调节能力。2.1.3 多级永磁风电机组近几年来，直接驱动技术在风电领域得到重视，由于其具有很多技术方而的优点，特别是采用永磁发电机技术，其可靠性和效率更高，处于当今国际上领先地位，在

44、今后风电机组发展中将有很大的发展空间。多极永磁风电机组结构如图2-3所示，这种风力发电机组采用多极发电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，从而免去了齿轮箱这一传统部件，这样可大大减少系统运行噪声。大型风电机组实际运行经验中，齿轮箱是故障率较高部件。采用无齿轮箱结构则避免了这种故障的出现，可以大大提高风电机组的可靠性，降低风电机组载荷，提高风电机组寿命。图2-3多极永磁风电机组结构直驱型变速恒频风力发电系统的发电机多采用永磁同步发电机，其转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，提高了效率其变速恒频控制也是在定子电路实现的，把永磁发电机发出变频的交流电通过变频器转变为与电网同频的交流电，因此，变频器的

45、容量与系统的额定容量相同。尽管由于直接耦合，永磁发电机的转速很低，使发电机体积很大，成本较高,但由于省去价格更高的齿轮箱，所以，整个系统的成本还是降低。2.1.4 2风力发电的特点风力发电场与其他电厂不同，具有以下特点：(1)单机容量一般比较小，机组台数较多。目前国内一个风力发电场通常由数十台或数百台容量为几十至几百kW级的风力发电机。(2)各机组的分布十分分散，距主控室比较远。为了合理利用风力资源，各台风力发电机之间必须保持一定的距离，以减小尾流效应的影响和干扰。(3)各机组工作环境恶劣，工况变化十分频繁。由于风力资源本身的特性,各风力发电机的运行工况随风速、风向的变化而时刻变化。风力发电机

46、运行的外部自然环境随风电场位置的不同而有所不同，但大都较为恶劣。(4)风电场所在地区往往人口稀少，处于供电网络的末端，承受冲击的能力很弱，因此很有可能给风电场接入点及周围的配电网带来诸多的电能质量问题49O不同于常规发电厂，风电场在运行中具有两个显著特点，其一是风力发电机一般采用异步发电机，在运行时需要从系统吸收无功功率来建立磁场，从而使大型风电场并网运行后对局部电网的电压水平有影响；其二是由于风速为随机变化的量，使得风电场的输出功率具有波动性，从而将影响局部电网的电能质量。2. 3风电场并网对电网电能质量的影响风力发电的特殊性使得其电能质量比火力发电等传统发电方法要差一些，从风轮叶片结构到传动机构，到发电机及其控制方式，电力电子装置，甚至电网方面的一些特征参数都会影响到风电的质量。风能的随机性给脱网运行的风机带来了冲击性的风机输出功率和电流，还有电压突变；在风机群并网运行的时候，同时启动或者同时停机，电网会因此受到较为严重的功率和电流的冲击，甚至是电网频率的改变。在风电机组并网启动瞬间，异步发电机剩磁电势较小，从异步发电机等值电路上看，相当于变压器副边短路，启动过程将产生大的启动电流。同时将导致电网电压大的跌落。异步电机启动的时候通过励磁从电网吸收无功功率，从而影响到电网侧的电压，风机群并接到弱电网的时候这种效果就会被放大，导致电网侧