一、風(fēng)力發(fā)電概述

風(fēng)能是一種蘊(yùn)藏豐富、分布廣泛、清潔而可再生的能源，也是最重要的替代能源之一。近年來，中國(guó)風(fēng)電呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，自2004年以來，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量連續(xù)第5年實(shí)現(xiàn)100%增長(zhǎng)，2009年新增裝機(jī)增長(zhǎng)率達(dá)124.3%，累計(jì)裝機(jī)增長(zhǎng)率達(dá)114.8%。據(jù)估計(jì)，到2020年中國(guó)有望實(shí)現(xiàn)1億或1.2億kW的風(fēng)電裝機(jī)容量。因此中國(guó)的風(fēng)電市場(chǎng)可謂潛力巨大。

國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 中國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量正飛速增長(zhǎng)著。2000至2009年的10年間，風(fēng)能累計(jì)裝機(jī)容量的平均增長(zhǎng)率達(dá)72.8％。自2005年起，總裝機(jī)容量增長(zhǎng)率更是超過了100%。2009年我國(guó)除臺(tái)灣省外其他地區(qū)共新增風(fēng)電裝機(jī)10,129臺(tái)，裝機(jī)容量達(dá)1,380萬kW，超過美國(guó)成為全球當(dāng)年新增裝機(jī)容量最多的國(guó)家。

基本概念 風(fēng)能：空氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能稱為“風(fēng)能”。

風(fēng)能密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位截面積的風(fēng)能。

風(fēng)速與風(fēng)級(jí)：風(fēng)速就是空氣在單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離。根據(jù)不同的風(fēng)速分為不同風(fēng)級(jí)。

風(fēng)頻：風(fēng)頻指風(fēng)向的頻率，即在一定時(shí)間內(nèi)某風(fēng)向出現(xiàn)的次數(shù)占各風(fēng)向出現(xiàn)總次數(shù)的百分比。

風(fēng)力機(jī)：將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械，可以用作發(fā)電也可以動(dòng)力輸出，當(dāng)作為發(fā)電解釋時(shí)可以是離網(wǎng)、并網(wǎng)型通用。

風(fēng)電機(jī)組：由風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)組成，多指并網(wǎng)型。  

風(fēng)電機(jī)組簡(jiǎn)介 將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的動(dòng)力機(jī)械，由葉片、輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、測(cè)風(fēng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等組成。風(fēng)力機(jī)可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)兩大類，但由于垂直軸風(fēng)力機(jī)施工難度較高等問題，制約著它的普及，目前風(fēng)電場(chǎng)中所用到的風(fēng)機(jī)大多是水平軸風(fēng)力機(jī)。根據(jù)發(fā)電機(jī)（同步、異步、雙饋）、風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)技術(shù)（定槳距失速、變槳距、主動(dòng)失速）以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制方式（恒速恒頻、變速恒頻）的不同類型，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)組成也有所不同。其中典型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括以下4種：(1)基于普通異步發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組(2)基于異步發(fā)電機(jī)的最優(yōu)滑差風(fēng)電機(jī)組(3)基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的變速、變槳距控制風(fēng)電機(jī)組(4)基于同步發(fā)電機(jī)的變速、變槳距控制風(fēng)電機(jī)組

二、風(fēng)力發(fā)電電壓穩(wěn)定性分析

基本概念 電壓穩(wěn)定性是指在給定的初始運(yùn)行狀態(tài)下，電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)后系統(tǒng)中所有母線維持穩(wěn)態(tài)電壓的能力，它依賴于負(fù)荷需求與系統(tǒng)向負(fù)荷供電之間保持／恢復(fù)平衡的能力。電壓穩(wěn)定可以分為小干擾電壓穩(wěn)定和大干擾電壓穩(wěn)定。

電壓穩(wěn)定性分析方法 電壓穩(wěn)定性的分析方法可分為靜態(tài)分析法和動(dòng)態(tài)分析法兩種。靜態(tài)分析方法即主要是把電壓穩(wěn)定看作是一個(gè)潮流是否存在可行解的問題，也就是要列出電力系統(tǒng)的潮流方程。動(dòng)態(tài)分析方法即考慮到電力系統(tǒng)是具有強(qiáng)非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，從系統(tǒng)的微分方程入手進(jìn)行研究的方法。靜態(tài)分析方法主要有最大功率法、靈敏度法。動(dòng)態(tài)分析方法主要有小擾動(dòng)法等。

研究有關(guān)風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題，既要與常規(guī)的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性相聯(lián)系，也要與之相區(qū)別。這也是一直討論的熱點(diǎn)問題。它的問題在于兩方面，風(fēng)能的一次能源不確定性以及雙饋異步發(fā)電機(jī)的特殊性。因此在建模、仿真的研究中出現(xiàn)了很多爭(zhēng)議，因?yàn)橛袝r(shí)僅僅會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)建模的不同而導(dǎo)致最后的結(jié)果相差懸殊。

研究有關(guān)風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題需要經(jīng)過系統(tǒng)建模、分析方法、失穩(wěn)機(jī)理、控制措施這四個(gè)步驟，前面已經(jīng)提到，根據(jù)風(fēng)電系統(tǒng)模型以及分析方法（動(dòng)、靜態(tài)）的不同，可能會(huì)出現(xiàn)差異甚至得不到想要的結(jié)果。

本實(shí)驗(yàn)室在研究風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性問題上取得了很大的突破，即引入了一種非線性動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究方法——分岔理論，并已有很大的進(jìn)展。

風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分岔研究 分岔理論是對(duì)非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的有力工具，主要研究系統(tǒng)隨參數(shù)改變而引起的解的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的變化過程。分岔理論是一個(gè)抽象的數(shù)學(xué)理論，但有些條件下分岔理論能夠很好的解釋電力系統(tǒng)中電壓失穩(wěn)的現(xiàn)象，并已得到廣泛的應(yīng)用。

分岔分類 靜態(tài)分岔：研究靜態(tài)方程的平衡點(diǎn)的數(shù)目及穩(wěn)定性隨參數(shù)變動(dòng)而發(fā)生的突然改變（如鞍結(jié)分岔)。

動(dòng)態(tài)分岔：研究動(dòng)力系統(tǒng)平衡點(diǎn)附近的軌線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨參數(shù)變動(dòng)而發(fā)生的突然改變（如HOPF分岔）。其中若發(fā)生了動(dòng)分岔，則說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了失穩(wěn)。

分岔分析  當(dāng)系統(tǒng)中的雅克比矩陣的特征值在原點(diǎn)時(shí)，此時(shí)為靜分岔；當(dāng)系統(tǒng)中的雅克比矩陣特征值為一對(duì)實(shí)部為零的共軛復(fù)根時(shí)，此時(shí)為動(dòng)分岔。

目前，在風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析中，靜分岔的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但是對(duì)動(dòng)分岔的研究仍處于理論探討階段。

風(fēng)電系統(tǒng)中的混沌現(xiàn)象

基本概念 目前，對(duì)混沌還沒有一個(gè)明確的定義。一個(gè)普遍的說法是確定性系統(tǒng)中貌似隨機(jī)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)?；煦绗F(xiàn)象實(shí)際上是一種非線性振蕩現(xiàn)象，同時(shí)“非線性”與“混沌”并不等價(jià)。但是混沌現(xiàn)象雖然表面看上去雜亂無序，實(shí)際上有自己的結(jié)構(gòu)和秩序。

特征 （1）對(duì)初值的敏感性，即初始條件的極小偏差將會(huì)引起結(jié)果的巨大差異。

     （2）存在混沌吸引子 （3）具有分形結(jié)構(gòu)   （4）具有普適性

與穩(wěn)定性的關(guān)系 混沌現(xiàn)象的出現(xiàn)與穩(wěn)定性有一定的聯(lián)系。由于電力系統(tǒng)的非線性，當(dāng)遭受到周期性負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，只要負(fù)荷滿足一定條件，就會(huì)發(fā)生混沌振蕩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)解裂。從中可以看出，混沌現(xiàn)象可以導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，但是要滿足一定的條件。

混沌的產(chǎn)生途徑 （1）倍周期分岔 （2）擬周期分岔 （3）大能量的激發(fā)

三、風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理 風(fēng)機(jī)從風(fēng)中吸收的有功功率，即風(fēng)機(jī)的輸出功率與空氣密度、風(fēng)力機(jī)葉片面積、風(fēng)能利用系數(shù)以及作用于風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速等因素有關(guān)，其中風(fēng)能利用系數(shù)又與槳距角、葉輪半徑、電機(jī)的角速度有關(guān)，通過控制槳距角和電機(jī)轉(zhuǎn)速都可改變風(fēng)機(jī)吸收的風(fēng)能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分類 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)并網(wǎng)時(shí)控制方式的不同可以分為恒速恒頻型以及變速恒頻型。發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí), 要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，因此其頻率是固定不變的。其中恒速恒頻型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速基本維持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而輸出恒定額定頻率的交流電。變速恒頻型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)力發(fā)電過程中，讓風(fēng)車的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而變化, 再通過其它控制方式來得到恒頻電能。變速恒頻機(jī)組的特點(diǎn)是風(fēng)車和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可在很大范圍內(nèi)變化而不影響輸出電能的頻率。由于風(fēng)車的轉(zhuǎn)速可變，可以通過適當(dāng)?shù)目刂?，最大限度地利用風(fēng)能發(fā)電。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù) 也可分恒速恒頻、變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)兩種情況考慮。恒速恒頻的控制技術(shù)包括無功補(bǔ)償、變槳距、發(fā)電機(jī)切換、軟并網(wǎng)控制。變速恒頻的控制技術(shù)包括啟動(dòng)并網(wǎng)、最佳功率跟蹤、額定風(fēng)速以上控制。

四、風(fēng)電系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)

    風(fēng)電系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)，其研究熱點(diǎn)也不盡相同。就電力系統(tǒng)方面而言，有一些研究熱點(diǎn)與實(shí)際的問題緊密聯(lián)系，而有一些則是前沿的理論的分析。如今的研究熱點(diǎn)大體分為以下幾個(gè)方面：

（1）風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越問題

（2）風(fēng)電場(chǎng)的建模

（3）  運(yùn)用分岔控制方法，設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)分岔控制器

光伏發(fā)電部分

一、光伏系統(tǒng)介紹

光伏系統(tǒng)組成 光伏系統(tǒng)的基本原理是利用太陽能的光生伏特效應(yīng)通過半導(dǎo)體硅電池將光能直接轉(zhuǎn)換為電能。一般，光伏系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池、控制器、逆變器組成。根據(jù)其實(shí)現(xiàn)功能的不同，可分為離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)、混合型發(fā)電系統(tǒng)。目前光伏系統(tǒng)的研究主要集中在孤島檢測(cè)、最大功率跟蹤、能量變換、穩(wěn)定性分析這幾個(gè)方面。

二、光伏系統(tǒng)中的混沌現(xiàn)象

隨著光伏發(fā)電應(yīng)用的日益廣泛，它們?cè)陔娏ο到y(tǒng)中所占比例也越來越高。光伏系統(tǒng)與電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行后將會(huì)有以下兩個(gè)問題產(chǎn)生：（1）光伏電源在并網(wǎng)以后的振蕩問題。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)非線性電力系統(tǒng)，因此具有常規(guī)電力系統(tǒng)的特征。即系統(tǒng)在遭受周期性負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，只要周期性負(fù)荷幅值滿足一定條件，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生混沌振蕩。（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器、DC/DC變換器等設(shè)備中包含著大量的電力電子器件。這些器件在實(shí)際運(yùn)行中常常會(huì)出現(xiàn)一些非線性的現(xiàn)象。其中有些非線性的現(xiàn)象即混沌現(xiàn)象。

三、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性

    與常規(guī)電力系統(tǒng)相同，光伏系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性也分為靜態(tài)、暫態(tài)兩類。同時(shí)也要注意其區(qū)別，即光伏電站的功率因數(shù)為1。在光伏電站的潮流中，其功率因數(shù)為1，可看作是有功功率時(shí)變、無功功率為零的PQ節(jié)點(diǎn)，因而有別于常規(guī)電力系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)。P-V曲線可以指示光伏電站影響地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的程度。暫態(tài)過程分析中，三相短路故障最為嚴(yán)重，所以在電壓暫態(tài)穩(wěn)定研究中主要研究三相短路故障引起的電壓穩(wěn)定。我的課題為并網(wǎng)光伏控制，即應(yīng)該從并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性入手，研究其靜態(tài)、暫態(tài)過程，采用一定的數(shù)學(xué)工具分析其失穩(wěn)的原因，最后要加以控制。對(duì)比風(fēng)電系統(tǒng)，可以考慮加入無功補(bǔ)償裝置后對(duì)系統(tǒng)的影響。