無刷雙饋電機(jī)電磁設(shè)計特點(diǎn)

1、近海風(fēng)電場建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)及其新進(jìn)展王志新，王承民，艾 芊，蔣傳文，房鑫炎，武 黎（上海交通大學(xué)電氣工程系，上海市東川路800號 上海200240）摘要：簡要回顧國外近海風(fēng)電場特點(diǎn)及發(fā)展態(tài)勢、近海風(fēng)電場涉及關(guān)鍵技術(shù)。分析國外近海風(fēng)電場建設(shè)實施案例，并圍繞近海風(fēng)電場優(yōu)化配置與評估、近海風(fēng)電場電氣傳輸技術(shù)、近海風(fēng)電場系統(tǒng)接入與穩(wěn)定運(yùn)行三方面開展研究，提出了相應(yīng)的實施及解決方案。認(rèn)為通過研究近海風(fēng)電場優(yōu)化配置與評估、近海風(fēng)電場電氣傳輸技術(shù)、近海風(fēng)電場系統(tǒng)接入與穩(wěn)定運(yùn)行，可望獲得自主知識產(chǎn)權(quán)，取得源頭創(chuàng)新成果，打破國外在這方面的技術(shù)壟斷現(xiàn)狀，建立發(fā)展近海風(fēng)能資源規(guī)?；玫挠嘘P(guān)技術(shù)基礎(chǔ)，使我國近海風(fēng)電場系

2、統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，并培養(yǎng)一支從事風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)電場設(shè)計與運(yùn)行管理，具有創(chuàng)新能力的隊伍，具有戰(zhàn)略、經(jīng)濟(jì)、社會和學(xué)術(shù)價值。關(guān)鍵詞：近海風(fēng)電場；電氣傳輸技術(shù)；風(fēng)資源；電能質(zhì)量；雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中圖分類號及文獻(xiàn)標(biāo)識碼：TP11；A1概述已商業(yè)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量達(dá)5MW,并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電場規(guī)模逐漸增大,風(fēng)電所占比例達(dá)3%或更大。大型風(fēng)電場正從陸地向海上發(fā)展，因為海洋風(fēng)資源豐富，不占用土地，機(jī)位選擇空間大有利于選擇場地，受環(huán)境制約少，且海上風(fēng)速高、湍流強(qiáng)度小、風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量多、風(fēng)能利用更加充分，其能量收益比沿海風(fēng)能資源豐富地區(qū)陸地風(fēng)機(jī)高20%40%。近海風(fēng)電投資成本是陸地的一倍（達(dá)2萬元/k

3、W），其中，風(fēng)機(jī)（含塔架）占58%，基礎(chǔ)占20%，電氣系統(tǒng)占16%，項目管理占4%，其他占2%。海上風(fēng)力發(fā)電已引起世界各國重視。截止2006年8月，近海風(fēng)電累計裝機(jī)79.82萬kW（見表1所列），占全球風(fēng)電總裝機(jī)容量1.5%。近海風(fēng)電歐洲走在世界前列。其中，丹麥在1991年建成世界上第一個海上風(fēng)電場，2003年還在南海岸建成最大海上風(fēng)電場(Nysted，裝機(jī)16.56萬kW),2006年計劃新建20萬kW海上風(fēng)電場，累計裝機(jī)達(dá)到41.6萬kW，規(guī)劃至2030年近海風(fēng)電場裝機(jī)4000MW；德國政府計劃2010年近海風(fēng)電裝機(jī)達(dá)3000MW，2030年裝機(jī)23GW；荷蘭政府計劃2020年近海風(fēng)電裝機(jī)

4、6000MW；瑞典計劃2019年近海風(fēng)電裝機(jī)3300MW。歐洲規(guī)劃到2020年，近海風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到240000MW，年發(fā)電量720TWh，可以滿足1/3的歐洲用電量1。我國2004年已批準(zhǔn)在廣東南澳建設(shè)首個2萬kW海上風(fēng)電場,2005年規(guī)劃在上海東海大橋(上海側(cè))建設(shè)10萬kW海上風(fēng)電場.此外,還規(guī)劃在浙江慈溪、臨海、岱山，江蘇鹽城、山東青島建設(shè)海上風(fēng)電場,累計裝機(jī)超過100萬kW。2006年，國家科技支撐計劃設(shè)置了表2所列四個近海風(fēng)電課題。2海上風(fēng)電場建設(shè)發(fā)展態(tài)勢近海風(fēng)電場涉及關(guān)鍵技術(shù)見表3所列。近海風(fēng)電場建設(shè)工作基礎(chǔ)包括海上風(fēng)電場風(fēng)能資源測試與評估、風(fēng)電場選址、基礎(chǔ)設(shè)計及施工、風(fēng)電機(jī)組安裝等

5、，并開發(fā)了專用的海上風(fēng)能資源測試設(shè)備及安裝海上風(fēng)電機(jī)組的海上施工平臺。其中，海上風(fēng)電場場址選擇包括宏觀海上選址和微觀選址兩個方面，海上風(fēng)電場規(guī)劃基于評估、研究地區(qū)風(fēng)能資源，綜合考慮電力需求、入網(wǎng)方法和系統(tǒng)狀況，以及地質(zhì)、地貌、航道、魚類生產(chǎn)等因素，綜合進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，達(dá)到最優(yōu)規(guī)劃目的。收稿日期：2006-12-7；修回日期：2006-基金項目：中國博士后基金資助項目（2005038435），上海市科技發(fā)展基金資助項目（062158017）作者簡介：王志新（1964），男，電氣工程系副主任，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：風(fēng)力發(fā)電及其控制，近海風(fēng)電場技術(shù)，智能機(jī)電控制系統(tǒng)。E-mail:wa

6、ngzxin；通信地址、郵編:200240 上海市東川路800號 上海交大電氣工程系；手機(jī)號碼：1300 325 6588；電話、傳真F）表1 全球近海風(fēng)電場裝機(jī)容量 單位：MWTab.1 Installed capacity of global offshore wind farmer Unit: MW序號國家年度機(jī)型臺數(shù)容量累計1丹麥1991Bonus-450kW11409.91995VestasV39-500kW102000Bonus 2MW202002Vestas V80-2.0MW802003Bonus 2.3MW822004Bonus 2.3MW,Ves

7、tas V90-3.0MW,Nordex N90-3.0MW1+2+12英國2000Vestas V66-2.0MW23142003Vestas V80-2.0MW302004Vestas V80-2.0MW302005Vestas V90-3.0MW302006Vestas V90-3.0MW30Repower 5MW23愛爾蘭2003GE Wind 3.6MW725.24瑞典1997Wind World 550kW523.32000ENRON 1.5MW72001NEG Micon 2MW55荷蘭1994Ned Wind 500kW418.81996Nordtank 600kW286德國2

8、004Enercon E11217NordexN801合 計798.2表2 2006年國家科技支撐計劃近海風(fēng)電課題Tab.2 Offshore wind farmer subjects supported by national science and technology ministry in 2006項目名稱主要研究內(nèi)容近海風(fēng)電場建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)圍繞近海風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、環(huán)境載荷對基礎(chǔ)作用力計算、基礎(chǔ)強(qiáng)度設(shè)計、基礎(chǔ)損傷檢測與評價技術(shù)、近海風(fēng)電場選址、近海風(fēng)電場電力輸送技術(shù)、近海風(fēng)電機(jī)組的選型、安裝、運(yùn)行和維護(hù)技術(shù)等開展研究近海風(fēng)電機(jī)組安裝及維護(hù)專用設(shè)備的研制圍繞近海風(fēng)電場建設(shè)的專用安裝及維護(hù)

9、設(shè)備和專用工具的研制，近海風(fēng)電場建設(shè)所需設(shè)備的運(yùn)輸、安裝及維護(hù)技術(shù)開展研究近海風(fēng)電場技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析及對環(huán)境的影響評估針對近海風(fēng)電場建設(shè)作技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析，對近海風(fēng)電場對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響進(jìn)行評估近海風(fēng)電場建設(shè)技術(shù)手冊針對近海風(fēng)電場選址，近海風(fēng)電場基礎(chǔ)施工方法，近海風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組設(shè)計技術(shù)、選型原則、安裝方法，近海風(fēng)電場電力傳輸方法開展研究在風(fēng)電場的開發(fā)過程中，前期的風(fēng)資源評估顯得尤為重要。到目前為止，風(fēng)資源評估大都是利用丹麥實驗室開發(fā)的Riso WAsP(Wind Atlas Analysis and Application Program)軟件，該軟件主要是基于歐洲地形條件設(shè)計。但是，如何結(jié)合我

10、國實際情況，并應(yīng)用于評估我國近?；蚝Ｉ巷L(fēng)資源，仍需作大量的研究工作。建立近上風(fēng)電場極限穿透功率計算的數(shù)學(xué)模型是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，但對在建立近海風(fēng)電場極限穿透功率計算模型時如何考慮電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷水平和入網(wǎng)方式等，相關(guān)研究成果也較少。研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)供電方式，即交流聯(lián)網(wǎng)與直流聯(lián)網(wǎng)等。其中，交流聯(lián)網(wǎng)主要研究實現(xiàn)風(fēng)電場和電網(wǎng)頻率一致、動態(tài)無功補(bǔ)償器、防止電纜電容和電網(wǎng)電抗之間出現(xiàn)諧振現(xiàn)象；避免電網(wǎng)故障影響風(fēng)電場運(yùn)行，輸電電纜等電氣接入系統(tǒng)投資費(fèi)用高（占16%），且電纜能量損失大。當(dāng)風(fēng)電場規(guī)模較小時，接入電網(wǎng)主要以地區(qū)低壓配電網(wǎng)為主，當(dāng)然，現(xiàn)在也逐步開始接入110kV和220kV電網(wǎng)，輸電系統(tǒng)導(dǎo)

11、線較細(xì)，其RX比值較大，表明與系統(tǒng)聯(lián)系緊密程度的短路容量較低，嚴(yán)重影響風(fēng)電場的供電質(zhì)量，并制約風(fēng)電場規(guī)模的進(jìn)一步發(fā)展。表3 近海風(fēng)電場關(guān)鍵技術(shù)Tab.3 Keynote technology of offshore wind farmer關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)內(nèi)容及特點(diǎn)1. 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)1承受水動力、空氣動力雙重載荷作用，需要綜合考慮風(fēng)及波浪載荷、支撐結(jié)構(gòu)和風(fēng)電機(jī)組機(jī)頭的動力學(xué)特性以及風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的響應(yīng)等因素。2基礎(chǔ)類型：（1）重力基礎(chǔ)，如鋼筋混凝土重力沉箱，建造、安裝技術(shù)成熟，屬塔筒基礎(chǔ)，適合010m水深，不足是需要整理海床、體積和重量大、拆除苦難；（2）單樁基礎(chǔ)，無需整理海床，制造相對簡單，適合03

12、0m水深，不足是需要專用安裝設(shè)備；（3）多腳架基礎(chǔ)，無需或只需少量整理海床，適合大于20m水深場合，不適合淺海域，同時，因增加了冰載荷，船只難以靠近。3. 依據(jù)為IEC61400-3（海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計要求）。2場址選擇考慮因素：(1)風(fēng)資源情況；(2)項目建設(shè)許可；(3)獲得場址海域使用權(quán)；(4)附近電網(wǎng)基本情況，包括陸地變電站位置、電壓等級、可接入的最大容量以及電網(wǎng)規(guī)劃等；(5)場址基本情況，包括范圍、水深、風(fēng)能資源以及海底地質(zhì)條件；(6)環(huán)境制約，包括當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)、水中生物、鳥類、航道、漁業(yè)和海防等負(fù)面影響等。3測風(fēng)(1)風(fēng)資源初步評價：借助氣象站、石油鉆井平臺、衛(wèi)星以及船只的觀測資料，初

13、步估算發(fā)電量；(2)在場址安裝5080m高測風(fēng)塔，或10m高浮標(biāo)測風(fēng)設(shè)備，通過綜合浮標(biāo)測得的長期數(shù)據(jù)與測風(fēng)塔測得的短期數(shù)據(jù)，經(jīng)相關(guān)性分析，減少風(fēng)能資源評估的不確定性。另外，還可以采用超聲波雷達(dá)測風(fēng)儀、激光雷達(dá)測風(fēng)儀測風(fēng)，特點(diǎn)是安裝在低平面、流動平臺上測量高空風(fēng)能資源。4現(xiàn)場勘查(1)采用聲納計全面測量場址和擬定送出電纜路線等區(qū)域的水深，繪制等水深地圖，為微觀選址和送出路線的設(shè)計提供依據(jù);(2)收集場址各處的海底表層土壤數(shù)據(jù);(3)海底鉆孔勘查，深度在20-40m，了解海底地質(zhì)情況；(4)現(xiàn)場測量波浪、潮汐和海流等數(shù)據(jù)，用于計算基礎(chǔ)等水下建筑物的水動力學(xué)載荷。5海上風(fēng)電機(jī)組（1）同等額定功率機(jī)組

14、的風(fēng)輪直徑更大，降低額定風(fēng)速；（2）風(fēng)速隨高度的變化率小，輪轂高度降低；（3）葉尖速比高，因不受噪聲限制，機(jī)組轉(zhuǎn)速提高10%35%，增加發(fā)電量，降低轉(zhuǎn)矩、減少傳動系統(tǒng)的重量和成本；（4）提高防腐保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，如內(nèi)部采用密封措施，齒輪箱和發(fā)電機(jī)的空冷系統(tǒng)的空氣通過再循環(huán)來實現(xiàn)熱交換，避免外界空氣的進(jìn)入，同時在機(jī)艙和塔架內(nèi)安裝除濕裝置。通過增加塔架壁厚、采用電極防護(hù)和鍍層措施加強(qiáng)外部防腐保護(hù)；（5）新型結(jié)構(gòu)形式，包括二葉片、下風(fēng)向、柔性葉片，高壓發(fā)電機(jī)（輸出電壓10kV）和高壓輸電，如由支流取代交流以減少損耗。6吊裝吊裝船目前主要采用改裝船，投入運(yùn)行的有A2SEA改裝船，五月花“決意”號，“跳爆竹”號

15、。其中，五月花“決意”號是世界首艘海上風(fēng)電機(jī)組吊裝船，由中國山海關(guān)造船廠建造，有六條可以伸縮的支架，作業(yè)水深可以超過35m，還可以安裝基礎(chǔ)，無需其他船只協(xié)助，一次可以裝載10臺風(fēng)電機(jī)組達(dá)到指定地點(diǎn)。也有采用機(jī)組整體提升和安裝的方法。7電氣傳輸技術(shù)（1）海上風(fēng)電機(jī)組按一定規(guī)律排布，串聯(lián)在一起形成若干獨(dú)立的組，分別與海上升壓變電站相連接，如35kV/150Kv，還開發(fā)專用的硅樹脂冷卻變壓器，密封性好，無需特殊外殼就能夠在惡劣環(huán)境（潮濕和鹽霧）中運(yùn)行；（2）采用新型直流輸電技術(shù)（HVDC）聯(lián)網(wǎng)，降低網(wǎng)損耗，改善電能質(zhì)量等。8系統(tǒng)接入與穩(wěn)定運(yùn)行近海風(fēng)電場電網(wǎng)接入和并網(wǎng)技術(shù)，包括電網(wǎng)穩(wěn)定性、可靠性等，以

16、及風(fēng)電場并網(wǎng)控制策略。風(fēng)電場的總體規(guī)模與系統(tǒng)連接點(diǎn)三相短路的短路容量之比，與風(fēng)電場電壓的波動密切相關(guān)，即，為了保證電網(wǎng)的電壓質(zhì)量，風(fēng)電場的裝機(jī)容量不能超過聯(lián)接點(diǎn)短路容量的某一百分值。直流聯(lián)網(wǎng)方式需要配置大容量電力變換器，固定資產(chǎn)投資高，適合長距離輸電，與交流輸電相比，其高容量的電纜投資和損失都比較小。采用輕型高壓直流（HVDC Light）輸電技術(shù)，針對風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn)，滿足輸送近海風(fēng)電到公共電網(wǎng)的要求。 近海風(fēng)電場系統(tǒng)接入與穩(wěn)定運(yùn)行主要研究近海風(fēng)電場電網(wǎng)接入和并網(wǎng)技術(shù)，分析風(fēng)電場對電力系統(tǒng)的影響，尤其是分析在單機(jī)和裝機(jī)容量不斷增加的情況下，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)較平繁地切入和切出對電力系統(tǒng)的影響，如，電網(wǎng)穩(wěn)定

17、性、可靠性、電能質(zhì)量，涉及頻率穩(wěn)定性、功角穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性等。有關(guān)學(xué)者曾先后采取電容器組提供無功功率補(bǔ)償方式，但因容量固定，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出改變的情況下，提供的無功功率補(bǔ)償勢必出現(xiàn)過多或不足現(xiàn)象；也提出采用可控靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC）提供可變的無功補(bǔ)償，但對于抑制颶風(fēng)影響造成電網(wǎng)劇烈波動卻不理想；采用可控靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置與蓄電池儲存裝置的組合方式，雖可以同時提供系統(tǒng)所需有功和無功補(bǔ)償，但因增加了一個全容量變頻器，勢必引起高次諧波，同時，蓄電池儲存裝置提供的有功補(bǔ)償還受到化學(xué)反應(yīng)時間的限制，不可能迅速地提供所需的有功補(bǔ)償；采用變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，能夠快速地向電網(wǎng)輸出無功補(bǔ)償，與可控靜態(tài)

18、無功補(bǔ)償裝置與蓄電池儲存裝置的組合方式相比較，所需變頻器容量僅為雙饋電機(jī)額定輸出值的0.3倍，具有價廉、高次諧波也很少特點(diǎn)；此外，研究風(fēng)電場對電能質(zhì)量的影響等，針對并網(wǎng)風(fēng)電場對系統(tǒng)電壓、頻率、可靠性等的影響，以及并網(wǎng)控制策略研究，旨在提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行可靠性、并網(wǎng)成功率，減輕并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊，實現(xiàn)風(fēng)電場系統(tǒng)接入與穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、安全和可靠2,7。3近海風(fēng)電場系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)8，9 31主要研究內(nèi)容311近海風(fēng)電場優(yōu)化配置與評估采用數(shù)據(jù)挖掘及智能聚類處理技術(shù)，綜合多種預(yù)測方法建立風(fēng)速組合預(yù)測模型。（1）風(fēng)能資源評估分析。進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性評估，以正確地選擇風(fēng)電場場址。主要包括測風(fēng)數(shù)據(jù)的處理、

19、統(tǒng)計、預(yù)測及數(shù)據(jù)反演分析方法、風(fēng)資源評估、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和風(fēng)電場年發(fā)電量評估； （2）建立近海風(fēng)電場極限穿透功率計算的數(shù)學(xué)模型，確定近海風(fēng)電場極限穿透功率與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷水平和入網(wǎng)方式之間的函數(shù)關(guān)系； （3）近海風(fēng)電場可靠性指標(biāo)，建立風(fēng)能資源對風(fēng)電場可靠性影響的數(shù)學(xué)模型； （4）建立各種發(fā)電形式并存時風(fēng)電最佳比例計算的數(shù)學(xué)模型，確定風(fēng)電比例不當(dāng)對電網(wǎng)造成影響的量化指標(biāo)； （5）建立考慮近海風(fēng)電資源分布與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的近海風(fēng)電場最優(yōu)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。 312近海風(fēng)電場電氣傳輸技術(shù)（1）針對近海風(fēng)電場特點(diǎn)，綜合研究交流并網(wǎng)、基于輕型HVDC的發(fā)電機(jī)集中控制并網(wǎng)和基于輕型HVDC的發(fā)電機(jī)分散控制并網(wǎng)三種并網(wǎng)

20、方案，結(jié)合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，提出近海風(fēng)電場電氣傳輸設(shè)計方案； （2）風(fēng)電場的最大安裝容量和風(fēng)電機(jī)組的控制方式、功率因數(shù)、并網(wǎng)點(diǎn)電壓等級等相關(guān)，通過穩(wěn)態(tài)分析及暫態(tài)分析，針對不同近海風(fēng)電場，輔助確定風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制方式、并網(wǎng)點(diǎn)電壓等級。研究包含風(fēng)電場的動態(tài)優(yōu)化潮流，確定最優(yōu)潮流模型；（3）針對風(fēng)電場電壓波動、閃變和諧波等電能質(zhì)量，采取無功、電壓控制等方式改善風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量。 313近海風(fēng)電場系統(tǒng)接入與穩(wěn)定運(yùn)行 （1）近海風(fēng)電場電網(wǎng)接入和并網(wǎng)技術(shù)，包括電網(wǎng)穩(wěn)定性、可靠性等，如，頻率穩(wěn)定性、功角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性。風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的電壓穩(wěn)定性屬于小干擾電壓穩(wěn)定性問題，通常作為靜態(tài)問題來分析，采用基

21、于潮流分析的電壓穩(wěn)定分析方法P-V曲線法和Q-V曲線法； （2）風(fēng)電場并網(wǎng)控制策略研究。與固定風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組相比，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組對改善風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行電壓穩(wěn)定性有一定的作用。通過研究風(fēng)電場的無功、電壓調(diào)節(jié)、頻率控制策略及方法，確保風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行時電壓穩(wěn)定和可靠，并提高并網(wǎng)成功率和風(fēng)電場故障穿越能力。 32技術(shù)關(guān)鍵（1）采用數(shù)據(jù)挖掘及智能聚類處理技術(shù)，綜合多種預(yù)測方法建立風(fēng)速組合預(yù)測模型。 （2）研究建立近海風(fēng)電場極限穿透功率計算最優(yōu)數(shù)學(xué)模型，采用高效子群優(yōu)化技術(shù)求解該模型，并定量研究風(fēng)電穿透功率極限與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷水平和入網(wǎng)方式之間的關(guān)系。 （3）研究近海風(fēng)電場可靠性及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，建立風(fēng)資源對風(fēng)

22、電場可靠性影響的數(shù)學(xué)模型，在考慮電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、入網(wǎng)方式等前提下利用蒙特卡羅仿真，研究風(fēng)能參數(shù)對風(fēng)電場可靠性及經(jīng)濟(jì)性影響。 （4）建立多種發(fā)電形式并存時風(fēng)電最佳比例計算的數(shù)學(xué)模型，確定風(fēng)電比例不當(dāng)對電網(wǎng)造成影響的量化指標(biāo)。（5）建立考慮近海風(fēng)資源分布與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的近海風(fēng)電場最優(yōu)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。（6）綜合研究交流并網(wǎng)、基于輕型HVDC的發(fā)電機(jī)集中控制并網(wǎng)和基于輕型HVDC的發(fā)電機(jī)分散控制并網(wǎng)三種并網(wǎng)方案，結(jié)合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，提出近海風(fēng)電場電氣設(shè)計方案。為了提高風(fēng)能利用率，綜合考慮性價比，選用3MW級雙饋變速恒頻大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。（7）風(fēng)電場最大安裝容量和風(fēng)電機(jī)組的控制方式、功率因數(shù)、并網(wǎng)點(diǎn)電壓等級等相關(guān)

23、，通過穩(wěn)態(tài)分析及暫態(tài)分析，針對不同近海風(fēng)電場，輔助確定風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制方式、并網(wǎng)點(diǎn)電壓等級。研究包含風(fēng)電場動態(tài)優(yōu)化潮流，確定最優(yōu)潮流模型。以有功網(wǎng)損最小為目標(biāo)，并假設(shè)分析周期由n個時段組成，確定目標(biāo)函數(shù)；建立等式約束，對于動態(tài)優(yōu)化潮流，需要滿足各時段節(jié)點(diǎn)潮流方程；建立不等式約束，包括發(fā)電機(jī)出力、節(jié)電電壓、支路功率，以及風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量等約束，還考慮發(fā)電機(jī)組爬坡速率約束；內(nèi)點(diǎn)法具有收斂迅速、魯棒性強(qiáng)、對初值不敏感等特點(diǎn)，因為包含風(fēng)電場的優(yōu)化潮流計算是一個多時段優(yōu)化問題，對計算的精度和計算速度都有較高的要求，為彌補(bǔ)以前算法的不足，考慮將現(xiàn)代內(nèi)點(diǎn)算法進(jìn)行改進(jìn)來求取最優(yōu)潮流。 （8）風(fēng)電場電壓波動、

24、閃變和諧波等電能質(zhì)量問題一直存在。通過對無功、電壓控制方式以及風(fēng)電場方式的研究，改善風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量。提高近海風(fēng)電場電能質(zhì)量，研究FACTS設(shè)備在并網(wǎng)風(fēng)電場穩(wěn)定運(yùn)行中的應(yīng)用，風(fēng)電場輸出可變功率會影響電力系統(tǒng)運(yùn)行，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定、帶來許多問題，包括線路傳輸容量越限，頻率和電壓不穩(wěn)定、發(fā)電量和用戶耗電量不平衡等。 并網(wǎng)系統(tǒng)的功率不僅與近海風(fēng)電場的注入功率有關(guān)，還與系統(tǒng)運(yùn)行方式、風(fēng)電場與系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的電抗與電阻的比值大小有關(guān)。因此，改變風(fēng)電場與系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的電抗與電阻比值能改變注入并網(wǎng)系統(tǒng)的功率，特別是在風(fēng)速變化時，同步的改變線路電抗與電阻的比值可以保持并網(wǎng)系統(tǒng)功率的恒定。研究靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器

25、（Static Synchronous Series Compensator，簡稱SSSC）在并網(wǎng)系統(tǒng)中抑制風(fēng)電場功率波動的問題。通常，具有改變線路的電抗與電阻比值，能夠調(diào)節(jié)線路功率，抑制功率波動的可控設(shè)備有晶閘管投切的串聯(lián)電容器（Thyristor Switched Series Compensator，TSSC）、晶閘管控制的串聯(lián)電容器（Thyristor controlled Series Compensator，TCSC）、SSSC、統(tǒng)一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）等柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）裝置。其中，SSSC是用全控型器件，

26、如GTO來實現(xiàn)串聯(lián)補(bǔ)償?shù)?，而TCSC則是用半控型電力電子元件實現(xiàn)串聯(lián)補(bǔ)償，其輸出波形較差。TSSC和TCSC由于沒有儲能元件，故不能向系統(tǒng)提供對稱的容性或感性串聯(lián)補(bǔ)償。因此，SSSC有更好的性價比。相對TSSC、TCSC和SSSC而言，UPFC功能較全，但其控制要求更加復(fù)雜，且投資太大。為此，在抑制并網(wǎng)風(fēng)電場系統(tǒng)的功率波動、控制線路功率上，選擇SSSC。（9）研究近海風(fēng)電場電網(wǎng)接入和并網(wǎng)技術(shù)，分析近海風(fēng)電場對電力系統(tǒng)的影響，包括電網(wǎng)穩(wěn)定性、可靠性等。研究風(fēng)電場的電壓穩(wěn)定性，根據(jù)所研究的擾動大小及時域范圍，將電壓穩(wěn)定性分為小干擾、暫態(tài)和長期電壓穩(wěn)定性。小干擾電壓穩(wěn)定性是指系統(tǒng)遭受任何小干擾后，負(fù)

27、荷電壓恢復(fù)到擾動前電壓水平的能力；暫態(tài)電壓穩(wěn)定性是指系統(tǒng)遭受大擾動后，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)維持電壓水平的能力；長期電壓穩(wěn)定性是指系統(tǒng)遭受大擾動、或者負(fù)荷增加、傳輸功率增大時，在0.530min內(nèi)，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)維持電壓水平的能力。風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的電壓穩(wěn)定性屬于小干擾電壓穩(wěn)定性問題，通常作為靜態(tài)問題來分析，采用基于潮流分析的電壓穩(wěn)定分析方法P-V、Q-V曲線法。 （10）風(fēng)電場并網(wǎng)控制策略研究，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組對改善風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行電壓穩(wěn)定性有一定作用。通過研究風(fēng)電場的無功及電壓調(diào)節(jié)、頻率控制策略及方法，實現(xiàn)風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行，確保電壓穩(wěn)定、可靠，并提高并網(wǎng)成功率、風(fēng)電場故障穿越能力。近海風(fēng)電場功率由風(fēng)速決定，可調(diào)度性

28、差，需要研究風(fēng)電場系統(tǒng)調(diào)度問題，結(jié)合負(fù)荷變化情況以及氣象預(yù)報等信息，合理、科學(xué)安排風(fēng)電場發(fā)電，預(yù)測風(fēng)電場出力、研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組合等問題，采用非線性控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制算法，基于Digsilent、PSCAD/EMTDC、PSS/E、Matlab/Simulink軟件建立近海風(fēng)電場并網(wǎng)模型，研究風(fēng)電場并網(wǎng)控制策略等。4結(jié)論（1）隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，用電負(fù)荷越來越大、用電量與日俱增，電力短缺、電力供應(yīng)緊張的局面逐年加劇，已嚴(yán)重制約了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。節(jié)能、提高能源效率、新型能源開發(fā)和利用、進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)能源的多元化，尤其是大規(guī)模發(fā)展可再生能源已引起世界各國政府的高度重視，并作為

29、國家能源戰(zhàn)略的主要內(nèi)容之一。（2）風(fēng)能的規(guī)?；⒌统杀纠?，需要切實解決大功率風(fēng)電機(jī)組與近海風(fēng)能規(guī)?；弥械年P(guān)鍵科學(xué)問題，實現(xiàn)高效率、高可靠性和低成本。風(fēng)能，尤其是近海風(fēng)能利用潛力極大，將成為以火電占主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)的重要補(bǔ)充。風(fēng)能規(guī)?；弥修D(zhuǎn)換與儲存，旨在針對風(fēng)力資源非穩(wěn)定性、不可控性、不可儲存性和時空分布性等特點(diǎn)，結(jié)合科學(xué)試驗，揭示風(fēng)能捕獲、轉(zhuǎn)換與儲存的規(guī)律及作用機(jī)理，提高風(fēng)力運(yùn)行可靠性和可維護(hù)性，實現(xiàn)風(fēng)能規(guī)?；弥修D(zhuǎn)換與儲存的高效、安全和可靠。 （3）近海風(fēng)電場涉及關(guān)鍵技術(shù)包括近海風(fēng)電場優(yōu)化配置與評估；近海風(fēng)電場電氣傳輸技術(shù)及其可靠性和經(jīng)濟(jì)性；近海風(fēng)電場系統(tǒng)接入與穩(wěn)定運(yùn)行；近海風(fēng)電場

30、風(fēng)資源測試與評估；近海風(fēng)電機(jī)組安裝與運(yùn)行維護(hù)；近海風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)。近海風(fēng)電場系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，需要解決需要考慮近海風(fēng)電場規(guī)劃與優(yōu)化配置、電氣傳輸方案、系統(tǒng)接入技術(shù)等,成為海上風(fēng)能高效利用與近海風(fēng)電場安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵. （4）結(jié)合上海東海大橋(上海側(cè))建設(shè)10萬kW海上風(fēng)電場實際需要，開展風(fēng)能資源評估分析,建立近海風(fēng)電場極限穿透功率計算、風(fēng)能資源對風(fēng)電場可靠性影響、風(fēng)電最佳比例計算和近海風(fēng)電資源分布與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的近海風(fēng)電場最優(yōu)規(guī)劃等數(shù)學(xué)模型；采用3MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,根據(jù)風(fēng)電場裝機(jī)容量和風(fēng)電場在電網(wǎng)中所處位置，綜合考慮聯(lián)網(wǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量以及投資回報率等因素，研究基于輕型HV

31、DC的發(fā)電機(jī)分散控制等三種并網(wǎng)方案，指導(dǎo)近海風(fēng)電場電氣方案實施；研究、探索近海風(fēng)電場系統(tǒng)接入與穩(wěn)定運(yùn)行,包括無功、電壓控制策略、風(fēng)電場與公共電網(wǎng)的相互影響等。 （5）促進(jìn)我國近海風(fēng)能規(guī)?；?、近海風(fēng)電機(jī)組與相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要。近海風(fēng)電機(jī)組容量大，現(xiàn)已商業(yè)運(yùn)行海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量5MW，并需要解決防腐（鹽霧引起）、海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)建設(shè)等。隨著近海風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展，建設(shè)與運(yùn)行經(jīng)驗的豐富，大型風(fēng)電機(jī)組和基礎(chǔ)設(shè)計建造以及吊裝等技術(shù)的成熟，近海風(fēng)電成本可降低20%以上。參考文獻(xiàn):1 劉穎,高輝,施鵬飛.近海風(fēng)電場發(fā)展的現(xiàn)狀、技術(shù)、問題和展望J.中國風(fēng)能,2006,(3):41462 Wu Li, Wang

32、 Zhixin.Wind Generator Stabilization with DASMC. Proceeding of IPEMC 2006, Shanghai:520-5253 Wu Li, Wang Zhixin.A Basic Study of Fuzzy-Logic-Based Power System Stabilization With Doubly-Fed Asynchronous MachineC.Proceeding of IPEMC 2006, Shanghai:1492-14964 Wu Li,Wang Zhixin,Junji Tamura.Smoothing C

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