发布时间 : 星期四 文章风力发电并网功率预测的研究毕业设计论文更新完毕开始阅读
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预测总容量近100万千瓦，自2010年10月投运以来，单个风电场均方根误差为10~12%，全省的均方根误差为9.7%，处于国内领先水平，在国外同类系统中亦处于较佳水平。2010年华南理工大学电力学院、广东省绿色能源技术重点实验室与辽宁力迅风电控制系统有限公司联合推出了“经纬 v1.0风电功率预测系统”。该系统于2011年升级为经纬 v1.1版本，主要变化是针对国家和风电行业颁布的最新法规文件，满足其提出的功能和性能指标要求。经纬系统自2010年底在辽宁试运行以来，现在已连续稳定运行超4年，已投运风电场范围涉及辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古等省份，涵盖平原、丘陵、山地、沙化草原等地形。该系统主要以统计模型为主，物理模型为辅，结合测风塔、风机实时数据和数值天气预报，实现风电场的超短期预测（0~4小时）和天前预报（0~72小时），其中超短期预测均方根误差为12~15%，天前预测均方根误差为15~20%，满足电网对风电场功率预测精度要求。
另外国电南瑞科技、广州飒美旭科技、兆方美迪风能工程等公司也致力于风电功率预测系统产品的推广。目前国内风电功率预测行业形成了一个起步较晚，发展较快，竞争激烈的现状，根据国家要求，大部分地区已并网的风电场需要在一定时期内具备功率预测上报能力，在建将要投运的风电场日后也需要具备预测上报能力，国家的政策和巨大的潜在市场，极有可能推动国内风电功率预测技术在未来几年内快速发展，缩小与发达国家之间的差距。 1.3 论文主要研究的内容 1.3.1 风力发电并网技术研究
并网总是以保证电力系统稳定性为基本原则，风力发电相比于火力发电和水力发电，由于其不稳定性需要更精确的并网控制技术。并网运行时，需满足:(1)电压幅值与电网侧电压幅值相等；(2)频率与电网侧频率相同；(3)电压相角差为零；4)电压波形及相位与电网侧的电压波形及相位保持一致。这样保证了并网时冲击电流理想值为零。否则，若并网产生很大的瞬时冲击电流，不仅损坏电力设备，更严重的是使电力系统发生震荡，威胁到电力系统稳定性。
从大的方向看，风力发电系统并网分为恒速恒频风力发电机并网和变速恒频风力发电机并网，恒速恒频并网运行方式为风力发电机的转子转速不受风速的影响，始终保持与电网频率相同的转速运行，虽然其结构简单、运行可靠，但是对风能的利用率不高，机械硬度高，而且发电机输出的频率完全取决与转速，如控制不好，并网时会发生震荡、失步，产生很大的冲击电流，所以恒速恒频系统已逐渐退出人们的视线。随着电力电子技术的日益成熟，以变速恒频并网运行方式取而代之。变速恒频风力发电并网系统是发电机转速随着风速的变化而变化，系统通过电力电子变化装置，使机组输出的电能频率控制在与电网频率一致。变速恒频并网方式减少了机组的机械应力，充分的利用风能源，使发电效率大大提高;并网时通过精确合理地控制电力电子变换器，使得并网更加稳定，降低系统因冲击电流过大使电网电压降低从而破坏电力系统稳定性[2]。 1.3.2 风电功率预测研究
准确的风电功率预测有利于电网灵活调度和安全运行，进而提高风电场穿透功率。本论文的主要工作是建立风电场功率的预测模型，最后进行预测。目前风电功率预测技术已经从理论研究转向实际应用，从单独使用物理或统计方法转变为物理方法和统计方法复用，利用组合模型进行预测。近年来，在预测建模中还加入了高精度的数值天气预报数据，使预测精度得到较大提高，预测提前量也从原本的数小时提高到数天，在实际安排发电计划、电网调度、风电场停机检修中发挥了重要的作用。但是目前风电功率预测中还存在部分问题：由于我国地域辽阔，地形复杂多样，因此风资源有其特殊规律，与欧洲主要国家相比，我国风资源的季节性变化明显，平均风速偏低，极端风速偏高，南方沿海地区夏季更伴随台风天气。鉴于这种问题，本文将建立数学模型对功率进行直接预测，论文主要工作如下：
(1）分析某风电场一段时间内输出功率值，为建立预测模型提供数据。
(2）对目前已存在的风电功率预测方法进行分析，总结各种建模方法的优缺点，并对实际建模过程中涉及到的特征物理量提取、数据预处理、归一化等步骤进行了研究，得出风电场建模的一般步骤和流程。
(3）根据上述总结的各种建模方法优缺点，选取灰色系统和神经网络作为建模方法，并利用国内某风电场的实际运行历史数据进行建模实验。
(4）对两种模型的预测结果进行对比分析，最后选取一种较为合理的预测模型。
2 风力发电系统介绍
2.1 风力发电机组能量转换关系
风力发电机组通常亦被称为风能转换系统,其能量转换过程是:风能—机械能—电能（转换过程
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如图2-1所示）。典型的并网型风力发电机组主要包括起支撑作用的塔架、风能的吸收和转换装置——风力机(叶片、轮毂及其控制器)、起连接作用的传动机构——传动轴、齿轮箱、能量转换装置—发电机以及其它风机、运行控制系统——偏航系统和制动系统等。风力发电过程是:自然风吹转叶轮,带动轮毂转动,将风能转变为机械能,然后通过传动机构将机械能送至发电机转子,带动着转子旋转发电,实现由机械能向电能的转换,最后风电场将电能通过区域变电站注入电网。
图2-1 风力发电过程
2.2风力机的类型
随着风力发电技术的发展,风力机无论是在性能上还是结构上都有了很大程度的提高。风力机的种类繁多,根据风轮的结构以及其在气流中的位置大体上可分为两大类:一类为水平轴风力机,一类为垂直轴风力机。水平轴风力机在运行时,风轮围绕一个水平轴旋转,风轮的旋转平面与风向垂直。水平轴风力机又可分为升力型和阻力型,升力型旋转速度快,阻力型旋转速度相对较慢。这种风力机根据风轮与塔架之间的相对位置又可以分为上风向和下风向风力机。对于上风向水平轴风力机,风是先通过轴,然后再吹过塔架,所以叶片前的风没有受到遮蔽。但是,上风向的风机需要安装有着敏感监测仪器和控制系统的驱动装置,来保持风力机轴向和风向的一致。相反的,下风向的风力机可以通过自然风的吹动来调整轴向相对于塔架的位置,因此,它不再需要特殊的机械驱动和检测设备。但是,下风向风力机的每个叶片都要通过塔架后方的湍流风区,因此造成的机械的冲击会缩短转子的寿命并且会产生噪音。
垂直轴风力机运行时,其风轮围绕一个垂直轴旋转,在风向改变时无需对风,它将会接受来自任何方向的风,发电机可以被安装在底部,叶片上主要的机械负载是张力。相对于水平轴风力机而言,这是它的一大优点。而它的缺点是只有在叶片横切风向移动时才产生空气动力力矩,这会导致转矩脉动,这种风机不能自启动。因此其尖速比较低,这样提供的输出功率也较低。最主要的问题是这种长而薄弱的叶片将遭受不同方式的震动而使叶片的寿命缩短。根据风轮的叶片数来分,风力机又可以分为单叶片、双叶片、三叶片以及多叶片风力机。虽然存在许多叶片风力机,但是目前由于经济因素决定了直径达到15米的风机宜采用三叶片风力机,对于直径大于30米的风力机采用双叶片风力机比较好。直径处于15米和30米之间的风机,需要再考虑些别的因素。还要注意到,三叶片风轮对调向转动轴的转动惯量是不随风轮叶片位置的变化而改变的,而双叶片风轮对调向转动轴的转动惯量在风轮叶片水平与垂直时分别到最大和最小值。对于高的转动率,双叶片风轮主轴上的回转惯量会大范围的波动。目前用于并网发电的风力机,普遍是水平轴三叶片。垂直轴风力机只占到已安装的商用风机的3%。
2.3风力发电机的控制方式
风力发电一般有两种控制方式,一种是恒速恒频风力发电系统,另一种是变速恒频风力发电系统。恒速恒频发电系统一般采用普通的同步发电机或感应电机,是定桨距失速调节的风力机结构简单,整机造价低,安全系数和可靠性较高,在风力机的市场上占有较大的份额。变速恒频风力发电系统的技术特色是发电机和变流技术,它需要变速运行,导致电气控制系统复杂,整机造价高。与恒速恒频发电系统相比较,变速恒频发电系统的机械部分的成本投资可减少10%一20%,电气部分的投资
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有较大增加,但电气部分的成本在大、中型风力发电机组中所占比例不大。下面就这两种技术的特点进行阐述。
2.3.1 恒速恒频风力发电系统
恒速恒频风力发电系统中,多采用直接驱动同步发电机或鼠笼式异步电机作为并网运行的发电机,并网后定子磁场旋转频率等于电网的频率,而异步电机的转差一般为3%一5%,所以转子本身的转速变化范围也很小,故称之为恒速恒频风力发电系统,如图2-2所示。自然风吹动风力机,经齿轮箱升速后驱动异步发电机将风能转化为电能。
图2-2 恒速恒频风力发电系统
恒速恒频风电系统在额定转速附近运行，滑差变化范围较小，从而发电输出频率变化也较小。异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。当转子速度高于同步转速3%~5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。恒速恒频发电系统要使输出的频率f保持不变，则应使风力机转速不变，而风速经常变化，因此需要改变风力机对风能的利用率Cp，使Cp值往往偏离其最大值，所以恒速恒频不能实现风力机的最大风能利用，风力机常常运行于低效状态。 2.3.2变速恒频风力发电系统
近年来,大规模电力电子技术日趋成熟,变速恒频风力发电系统也成为发电设备的主要选择方向之一。变速恒频风力发电系统主要有两种类型,一种是风力机直接驱动同步发电机,一种是双馈型异步发电机。风力机直接驱动同步发电机构成的变速恒频风力发电系统,不需要齿轮箱,发电机输出电压的频率随转速变化而变化,如图2-3所示。
图2-3 变速恒频风力发电系统
通过交一直一交或交一交，变频器与电网相连,在电网侧得到频率恒定的电压。若变频器采用
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具有自换相能力的电压源换流器或经轻型直流输电系统(HvDCLight)与电网相连,还可以实现有功和无功功率的综合控制,从而进一步改善风电系统的运行性能,提高电力系统的稳定性。
虽然目前大多数采用异步发电机的风力发电系统属于恒速恒频发电系统,但作为一种新型发电技术,变速恒频风力发电系统不必保持风力机转速恒定,而通过其他控制方式来得到恒定频率的电能。因此,它能够实现风力机运行的最佳值,实现最大风能利用。其运行控制的总体方案是:额定风速下风力机按优化桨距角定桨距运行,由发电机控制系统来控制转速,调节风力机叶尖速比,实现最佳功率曲线的追踪和最大风能系数,从而控制风电机组的转速和功率,防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事故。额定风速下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式,也是经济高效的运行方式,这种情况下变速恒频风力发电系统的控制目标就是追踪与捕获最大风能。变速恒频风力发电系统体现出了显著的优越性和广阔的应用前景,其主要优点如下:
(1）采用变速恒频发电技术,系统运行效率高。风轮变速运行,可在较宽的风速范围内保持最佳的叶尖速比和最大功率点运行,从而提高了机组发电效率,优化了风力机的运行条件。如前述,风力机在不同风速下有一个最佳运行转速,此时对风能的捕获效率最高,而且风施加给风力机的应力最小,所以应控制风力发电机组运行在这个优化的转速下。而传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上,当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速,导致运行效率下降,不但浪费风力资源,而且增大风力机的磨损。采用变速恒频发电方式,就可按照捕获最大风能的要求,在风速变化的情况下实时调节风力机转速,使之始终运行在最佳转速上。和恒速恒频风电系统相比,年发电量一般可提高10%以上。
(2）采用变速恒频发电技术,具有同步电机运行特点,功率因素可调。不消耗电网无功功率,同时可改善电网功率因数,提高发电质量。变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁,控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术,实现发电机输出有功功率、无功功率的独立调节。控制有功功率可调节风力发电机组转速,实现最大风能捕获的追踪控制；调节无功功率可调节电网功率因数,提高风力发电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。
(3）采用变速恒频发电技术,可使变桨距调节简单化。变速运行可放宽对桨距控制时间常数的限制。在低风速时,浆距角固定:在高风速时,调节桨距角限制最大输出功率。
(4）采用变速恒频发电技术,可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接,比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行。 2.3.3 风电机组并网转换过程
图2-4 风电机组并网简化示意图
2.4 风力发电机的并网方式分析 2.4.1 异步发电机组的并网
目前国内及国外与电网并联运行的风力发电机组中，多采用异步发电机，但异步发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流（约为异步发电机额定电流的4～7倍），并使电网电压瞬时下降。随着风力发电机组单机容量的不断增大，这种冲击电流对发电机自身部件的安全及对电网的影响也愈加严重。过大的冲击电流，有可能使发电机与电网连接的主回路中的自动开关断开；而电网电压的较大幅度下降，则可能会使电压保护回路动作，从而导致异步发电机根本不能并网。当前在风力发电系统中采用的异步发电机并网方法有以下几种： (1)直接并网
这种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同，当风力驱动的异步发电机转速接近同步转速时即可自动并入电网；自动并网的信号由测速装置给出，而后者通过自动空气开关合闸完成并网过程。可见这种并网方式比同步发电机的准同步并网简单。但如上所述，直接并网时会出现较大的冲击电流及电网电压的下降，因此这种并网方法只适用于异步发电机容量在百千瓦级以下或电网容量较大的情况下。中国最早引进的55kW风力发电机组及自行研制的50kW风力发电机组都
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