能源与动力工程导论论文

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

人类很早就已经开始利用风，公元前 200 年就存有记述。19 世纪之前，社会生产力高，风能够获得了广为的利用;在步入 19 世纪之后，廉价的蒸汽机已经开始发生，加之当时燃料，风能的利用所占到比重逐渐降至最低点。当今，随着人类经济社会和各行各业的飞速发展，社会对能源需求量也在不断减少，尤其就是对煤、石油等化石燃料市场需求越来越小。但是人类的大量采矿和采用，这些资源在逐渐耗竭，引致几次资源危机的出现，尤其就是 1973 年，出现的石油危机导致的影响最小;此外，轻易冷却化石燃料对环境也可以导致轻微的污染。同时，煤、石油也被誉为“工业的粮食”、“工业的血液”，冷却只是利用了它们的化学能，导致非常大的浪费。基于对环境保护的注重，对化石燃料的节约，世界各国纷纷把对可以再生能源的利用做为将来的能源发展方向，而对风能的利用又就是关键的组成部分，目前风能够主要利用方式就是发电。先将风的动能转变成机械动能，再将机械能转变为电能，这就是风力发电。它具备无污染、设备使用寿命短、范围广等优点，这也就是其它传统发电方式不具备的优点。一般来说，当风速达至三级时就存有利用价值，但通常少于 4 米/秒时才适宜用以发电。根据实验数据，以一台 55kw 风力机为基准，风速在 9.5 米/秒时，机组输出功率为额定值 55kw，;当风速为 8 米/秒时，功率增加为 38kw;风速在 6米/秒时，只有 16kw;而风速只有 5 米/秒时，仅为 9.5kw。因此风速越慢，输出功率越大，经济效益也越高。当前我国仍以火电机组居多，对煤炭等化石能源需求量非常大，且这些化石燃料不容再造，还是工业生产的关键原料，轻易冷却用作发电就是非常大的浪费，还可以污染环境。风力发电就是一种无污染的发电方式，且风能就是一种可以再生能源，合乎我国的可持续发展战略。我国的风力资源多样，大多数地区的年平均风速都在 4 米/秒以上，在西北、东北、青藏高原和东南沿海地区和部分岛屿，年平均风速更高;尤其就是新疆山口地区，几乎全年都就是大风天。在这些地区，发展风力发电就是很存有前景的。 1.2 国内外研究现状

人类利用风力历史很长，但在数千年的时间里，主要就是利用风能够转变为其它形式的机械能，直至 1877 年才问世第一台风力发电机。1941 年美国研制成功世界上第一台兆瓦级风力发电机，使大规模风力发电沦为了可能将。然而当时化石燃料价格低廉，风力发电被边缘化，并未受到重视，直至 1973 年能源危机的出现，使得风力发电获得了较慢的发展，1987 年，美国研制成功 3.2mw 风力发电机，与此同时，加拿大研制出 34mw 风力发电机组。至 2022 年底，存有 16个欧洲国家、4 个亚太国家、4 个美洲国家风电装机容量少于 1000mw。2022 年加拿大追加装机容量 1599mw，28 个欧盟国家追加装机总容量超过 11159mw，同时，巴西追加装机容量也吻合 1000mw。我国就是最早利用风能的国家之一，但利用风力发电起步较晚，直至 1986 年才在山东荣成创建第一座风力发电场。近年来我国风电发展较慢，年风电装机容量以 10%以上的速度快速增长，2022 年我国追

加风电装机容量 1609 万 kw，并在西藏投入使用该省第一座风电场，总装机容量少于 9000 万 kw，年发电量超过134.0twh，沦为第三小电源，共计 16 个省(市)风力发电总计并网量少于 100万 kw。预计至 2022 年，风电装机容量将达至 2.5 万 kw。与此同时我国独立自主研发的风电设备所占到比重也越来越小，2022 年仅 10%，至 2022 年少于 70%，价格也从“十一五”初期的 7000 元/kw 降至了 4000 元/kw。 第 2 章 风力发电及运行仿真 2.1 风力发电

风能是一种清洁的可再生能源，风力发电是当前风能利用的主要形式，风力发电机主要有机舱、叶片、塔架、导流罩、风轮轴、齿轮增速箱、发电机、和风向标、风速仪等组成。机舱：装有并保护风力发电机重要设备。叶片：风力使叶片转动，将风能转化为机械能，传送到风轮轴。塔架：搭载风力发电设备，通常的，高度越高，风力发电机所受风速越大，叶片可以造得更大，输出功率也越大。导流罩：迎风状态时，风会沿着导流罩均匀分流，使每个叶片都接受相同的风力。风轮轴和齿轮增速箱：将叶片的机械能传送给齿轮增速箱，再通过齿轮增速箱加速后带动发电机发电。风向标和风速仪：目前风力发电机组最高只能承受 25 米/秒风速，因此需要时刻检测风速和风向。当风速超过最大设计时可立刻采取措施，保证整个设备的安全。风力发电机组有双馈型、永磁型等。风力发电也分为离网型风力发电系统和并网型风力发电系统。 2.2 风速、贝兹理论、叶尖速比以及机械转矩

风速是指空气的移动速度。衡量风能是否能用于发电的指标通常是年平均风速。相较于励磁同步发电机，永磁同步发电机有着以下优点：(1)、结构简单、可靠性高。励磁发电机需要外加一个励磁绕组。当励磁绕组因电流过大导致发热时间过长时，可能会烧坏。永磁发电机采用永磁体提供磁场，不会引起发热等问题，使用寿命长，结构也较励磁绕组简单，造价低廉。(2)、体积小、重量轻。永磁体体积比励磁绕组小，相应的发电机体积也可以造得小，重量也得到减轻。(3)、效率高。励磁发电机需要励磁电源，以及碳刷、滑环，运行时增加了机械摩擦损耗。永磁发电机无需电励磁，理论上只有少量机械损耗，效率高。一般的，发电机转速在 25r/s~100r/s 时，励磁发电机效率只有 50%左右，而永磁发电机可达 80%。(4)、运行方便，成本低。风力发电机组一般都离地 20 米甚至更高，检修困难，采用励磁发电机装置励磁电源困难，且检修间隔时间短。永磁同步发电机检修间隔时间长，无需增加励磁设备。由于有着以上优点，本文以永磁同步发电机作为风力发电系统主机。永磁同步发电机的转子的磁链由永磁体磁场强度决定。将定子电压在q0d 同步旋转坐标系下进行分解，其中，同步旋转坐标系的 d 轴是转子磁链的方向。 第 3 章 微电网及风力发电机并网最佳条件 ........16 3.1 微电网 ......... 16

3.2 风力发电机并网最佳条件 ..... 17

3.3 孤岛现象 ...... 20 3.4 孤岛检测法 ........ 21 3.5 孤岛检测仿真 .... 22 3.6 本章小结 ..... 24

第 4 章 风力发电机数量对并网暂态过程的影响 .......25 4.1 风力发电机数量对并网暂态过程的影响 ......... 25 4.2 风力发电机并网时微电网无电压电流 ...... 25 4.3 风力发电机并网时微电网存有电压电流 ...... 30 4.4 小结 ...... 34

第 5 章 不含风力发电机的微电网掌控模式及仿真 .......35 5.1 微电网控制模式 ....... 35 5.2 结果与结论 ........ 42 5.3 本章小结 ..... 42

第 6 章 不含风力发电机的微电网掌控模式及仿真 6.1 微电网控制模式

随着社会的发展，微电网技术将越来越广为地应用于日常生活中。生活用电负荷在一天中可以发生非常大的变化，例如图 5.1 右图，其高峰和低谷差距了 4 倍，且在短时间内有一个爆发式快速增长，对电网将产生非常大的扰动，如果微电网处在孤网运转时，其本身所带负荷较小，扰动可以更轻微，将产生非常大的冲击电流，快速风力发电机绝缘结构老化，甚至轻易损毁整个风力发电机，导致用户停水。因此，须要采取相应的掌控模式，将暂态过程的电流、电压变化掌控在一个大范围内，确保微电网的平衡运转和风力发电机的安全。主从掌控模式就是将微电网中各个 dg 实行相同的掌控方法，并剥夺相同的职能。其中的一个或几个做为主控，其它做为“依附于”。并网运转时，所有 dg均使用 p/q 控制策略;孤岛运转时，主控 dg 控制策略转换为 u/f 掌控，以保证向微电网中的其它 dg 提供更多电压和频率参照，负荷变化也随其主控 dg 去追随，因此建议其功率输入应当能在一定范围内受控，且能足够多慢地追随负荷的波动，而其他依附于地位的 dg 仍使用 p/q 控制策略。主控 dg 通常使用 dg+储能装置。此方案能够充分利用利用储能装置的快速充放电功能和 dg 所具备的可以较长时间保持微电网孤岛运转的优势，有效率的遏制由于 dg 动态响应速度快引发的电压和频率大幅波动问题。

结论

本文以风力发电和微电网做为研究对象，使用 matlab/simulink 对风力发电机以及微电网展开仿真，对结果展开分析，融合理论检验模型的正确性。本论文具体内容研究工作如下：

(1)、介绍风轮机以及永磁发电机原理并建立数学模型，以此为基础建立风力发电机模型进行仿真，验证建模的可行性。

(2)、对微电网展开了了解，并创建风力发电机互连微电网模型，比较风力发电机在低电压、高频率和低电压、高频率并网时冲击电流峰值，通过结果分析确认微电网处在相同运转状态时风力发电机并网最佳条件。

(3)、介绍孤岛现象及各种孤岛检测法，并选择主动移频孤岛检测法进行仿真，通过实验可知在断开连接后 0.04s 可检测到微电网出现孤岛效应，因此该策略能快速、有效检测到孤岛现象。

(4)、在顺利完成风力发电互连微电网模型的基础上，比较微电网在容量相同，风力发电机数量不同时对微电网暂态过程的影响，结果显示风力发电及数量即使相同，也不能对暂态过程产生影响。

(5)、概述微电网控制模式，并对 u/f 控制模式进行仿真，结果显示该控制模式能有效控制微电网突然接入较大负荷产生的扰动。

培养目标:能源与动力工程专业培育具有热能工程、传热学、流体力学、动力机械、动力工程等方面基础知识，能够在国民经济各部门，专门从事动力机械(例如热力发动机、流体机械、水力机械)的动力工程(例如热电厂工程、水电动力工程、空调及低温工程、空调工程)的设计、生产、运转、管理、实验研究和加装、研发、营销等方面的高级工程技术人才。

培养要求:能源与动力工程专业学生主要学习动力工程及工程热物理的基础理论，学习各种能量转换及有效利用的理论和技术，受到现代动力工程师的基本训练;具有进行动力机械与热工设备设计、运行、实验研究的基本能力。 毕业生应当赢得以下几方面的科学知识和能力:

1(具有较扎实的自然科学基础，较好的人文、艺术和社会科学基础及正确运用语言、文字的表达能力;

2(较系统地掌控本专业领域宽阔的技术理论基础知识，主要包含工程力学、机械学、工程热物理、流体力学、电工与电子学、掌控理论、市场经济及企业管理等基础知识; 3(获得本专业领域的工程实践训练，具有较强的计算机操作能力和外语应用能力;

4(具备本专业领域内某个专业方向所必要的专业知识，介绍其科学前沿及发展趋势; 5(具有较强的自学能力、创新意识和较高的综合素质 专业现状及前景

当今世界的能源消费仍以石油为主。以2001年为例，世界能源的总消费量以石油换算为6995mt吨标准油，其中石油占43%、煤炭占7.4%、天然气占16.3%、可再生能源和垃圾能源占14.2%。 伴随现实环境的发展，热能与动力工程的重要性正在日渐突出。 目前全世界常规能源的日渐紧缺，人类环境保护意识的不断进一步增强，节能环保、高效率、减少或消解污染排放物、发展新能源及其它可以再生能源沦为本学科的关键任务，在能源、交通运输、汽车、船舶、电力、航空宇航工程、农业工程和环境科学等诸多领域赢得越来越广为的应用领域，在国民经济各部门充分发挥着越来越关键的促进作用。 能源动力及环境是目前世界各国所面临的头等重大的社会问题，我国能源工业面临着经济增长、环境保护和社会发展的重大压力。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费的76,，已成为我国大气污染的主要来源。已经探明的常规能源剩余储量(煤炭、石油、天然气等)及可开采年限十分有限，2000年的统计资料表明，我国化石能源剩余可储采比煤炭为92年，石油20.5年，仅为世界储采比的一半;天然气为63年，优质能源十分匮乏。未来能源发展中，应该利用天然气、水电、核电等清洁能源，加快新能源与可再生能源开发，推广应用洁净煤技术，逐步降低用于终端消费煤炭的比重，实现能源、经济、环境的可持续发展。特别地，我国核科技工业是国家的战略行业。完善的核科技工业体系是确立一个国家核大国地位的基本条件。它既是国家战略威慑力量和国防科技工业的重要组成部分，是国家政治、国防安全的重要保障和外交利益所在，同时又是国民经济的重要产业。核军工、核能、核燃料和核应用技术产业，是我国核科技工业的主要组成部分。与此相适应，如何很好的解决上述21世纪可能

遭遇的能源危机，就是我们每位动力学子，未来的动力工程师须要化解的关键问题。 常规化石能源的使用是能源动力学科专业的主要内容之一，而常规化石能源的使用与环境问题密切相关。目前，煤炭、石油、天然气等化石能源仍在整个能源构成中占据主导地位，而且估计在今后几十年地时间内这一局面还不会改变。这些常规化石能源主要直接应用于火力发电，这会带来一系列严重的环境问题，比如硫氧化物、氮氧化物等的大气污染、固体废物、水污染和热污染等。因此，对能源动力生产过程中的这些环境问题必须进行妥善处理和控制，实现其环境友好化，才能保证人类的生存和社会经济的可持续发展。核能发电虽然没有上述火力发电那样的问题，但有其独特的问题，如辐射防护、核废料的处理等均与环境保护有关。迫于环境方面对能源开发与利用的巨大压力，作为常规能源的水电由于具有清洁与可再生的特点，其开发与利用越来越得到重视，但也受到季节和地 域等多方面的制约。

热能与动力工程主要是培养火力发电方向的人才，就如今我国能源发展趋势来看，虽然火电的发展速度有所减缓，但相对于安全令人担忧的核能，受季节和地域制约的水电，技术还不成熟的新能源，火力发电仍占据我国发电行业的主导地位，并且在为未来很长一段时间不会改变。所以我认为，能源与动力工程这个专业在未来会有着相当乐观的前景。 现状(大学)规划:

(1)学习、掌握理工类基础知识，融入发展成为自己的兴趣爱好;力争大二拿(1 至英语四级和计算机二级，每学年赢得奖学金。

(2)注重个人发展，全面发展;人际关系，加入社团活动，获得大量人的认同与信赖，做好职业生涯的基础工作，为以后进入社会打好基础。 (3)适时参加社会调查活动。适时参加安全义务献血、植树活动、青年志愿服务活动等公益事业。

(4)在适度交际的环境下，尽量构成较有规律的较好个人习惯，例如按时作息，并出席体育活动，例如跑步、打篮球等。途径:制订生活时间表，约束自己更好继续执行。 未来(毕业后)职业规划:

随着社会的快速发展，社会生产生活对电能的市场需求也越来越小，电网建设也不断发展。火电厂做为关键的供电方，在生产电能方面存有非常关键的地位。火电厂汽轮机组不仅能用作电能转变，还能充分利用汽轮机旋转的动能。正是基于火电厂应用领域的广泛性，引致火电厂规模不断扩大，对我国供电企业产生了非常的影响，我同意以后的职业方向就是火力发电厂。

热能与动力工程是以工程热物理学科为主要理论基础，以内燃机和正在发展中的其它新型动力机械及系统为研究对象，运用工程力学、机械工程学、自动控制、计算机、环境科学、微电子技术等学科的知识和内容，研究如何把燃料的化学能和液体的动能安全、高效、低(或无)污染地转换成动力的基本规律和过程，研究转换过程中的系统和设备的自动控制技术。随着常规能源的日渐短缺，人类环境保护意识的不断增强，节能、高效、降低或消除污染排放物、发展新能源及其它可再生能源成为本学科的重要任务，在能源、交通运输、汽车、船舶、电力、航空宇航工程、农业工程和环境科学等诸多领域获得越来越广泛的应用，在国民经济各部门发挥着越来越重要的作用。

这方面人才在强化学生基础理论和综合素质教育的同时，强化计算机及自动控制技术的应用领域，加强专业课堂教学教学，著重全能训练，全面提高自己的课堂教学动手能力和科学研究潜力.

我国能源动力类专业形成于20世纪50年代。以交通大学为例，1952年院系调整时，当时设在机械系中的动力组就单独成立了动力机械系。由于受当时苏联教育体制的影响，在该学科的发展过程中，专业面曾一度越分越细。50年代初期只有锅炉、气轮机、内燃机等专业，以后又先后办起制冷专业与风机专业，制冷专业又细分出压缩机，制冷及低温专

业。在50年代末又创办了核能专业，在60～70年代有些学校先后设立了工程热物理专业。这样能源动力学科中的专业就先后包括有锅炉、涡轮机、电厂热能、风机、压缩机、制冷、低温、内燃机、工程热物理，水力机械以及核能工程等11个专业，形成了明显的以产品带教学的基本格局。

热能与动力工程专业中涵盖的水利水电动力工程专业的前身为水电站动力装置专业。该专业构成于20世纪50年代。新中国设立以后，随着国家对水患的环境治理和经济建设的发展，国家成立了华东水利学院、武汉水利水电学院、华北水利水电学院等一些专门的水利院校，1958年起至在这些院校和西安交通大学水利系(西安理工大学水电学院的前身)成立了水电站动力装置专业，以满足用户国家对水电建设人才的紧迫市场需求。1977年恢复高考录取后，该专业改名为水电站动力设备专业。1984年该专业改名为水利水电动力工程专业，囊括了原水能动力工程、水电站动力装置、水电站动力设备、水能动力及其自动化、机电给水工程、水能动力与取水工程等专业，昆明工业学院、成都科技大学等一些院校都设置了该专业。1998年，按照国家教育部施行的代莱专业目录，水利水电动力工程专业划入热能与动力工程专业，代莱热能与动力工程专业涵盖了原来的热力发动机、流体机械及流体工程、热能工程与动力机械、热能工程、空调与低温技术、能源工程、工程热物理、水利水电动力、工程冷藏冷藏工程等9个专业。

客观上说，这种专业划分与当时我国计划经济的体制以及工业发展的实际情况，在一定程度上是相适应的。过窄的专业面，但却培养了专业工作能力较强的学生。因此，在当时对我国经济的发展和工业体系的重建，曾经起到过积极的作用。但随着社会经济向现代化方向的发展和高新科学技术的进步，特别是我国改革开放以后，国外先进科技、管理体系的大量引进，学科的交叉融合不断产生新的经济增长点，当时实际存在的过细过窄的工科专业设置，总体上已不能适应新的形势和发展对人才的需要，必须进行专业调整。因此，在1993年原国家教委进行的专业目录调整中，将能源动力学科的上述前10个专业压缩为4个专业，即热能工程，热力发动机，制冷与低温工程，流体机械与流体工程，核工程与核技术保留。1998年，教育部颁布了新的专业目录，将上述前4个专业进一步合并为热能与动力工程专业，核工程与核技术专业单独设立，而在引导性的专业目录中，则建议将热能工程与核能工程合并。但当时我国大多数学校还是采用了热能工程与核能工程单独设专业的方案。因此，在2000年教育部设立的新一轮教学指导委员中，在能源动力学科教学指导委员会下分设了三个委员会：热能动力工程，核工程与核技术以及热工基础课程教学指导分委员会。

能源动力工业就是我国国民经济与国防建设的关键基础和支柱型产业，同时也就是牵涉多个领域高新技术的内置产业，在国家经济建设与社会发展中一直起至着极其重要的促进作用。近年来，随着我国各个方面改革的深化发展，包含市场经济的逐步创建，国有大中型企业机制的切换，重新加入wto后遭遇的挑战，以及能源动力领域技术的发展，并考虑到我国核科技工业“十一五”以及至2022年发展所遭遇的形势与任务，我国能源动力类以及核有关专业人才的培育遭遇着紧迫的挑战。

能源动力及环境是目前世界各国所面临的头等重大的社会问题，我国能源工业面临着经济增长、环境保护和社会发展的重大压力。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费的76%，已成为我国大气污染的主要来源。已经探明的常规能源剩余储量(煤炭、石油、天然气等)及可开采年限十分有限，2000年的统计资料表明，我国化石能源剩余可储采比煤炭为92年，石油20.5年，仅为世界储采比的一半;天然气为63年，优质能源十分匮乏。我国已成为世界第二大石油进口国，对国际石油市场的依赖度逐年提高，能源安全面临挑战，存在着十分危险的潜在危机，比世界总的能源形势更加严峻。现在，能源资源的国际间竞争愈演愈烈，从伊拉克战争及战后重建，到中日双方在俄罗斯输油管线走向上的角逐等一系列国际问题，无不是国家间能源战略利益冲突、斗争的具体反映。因此开发利用可再生能源、实现能源工业的可持续发展具有应该说更加迫切、更具重大意义。我们应该清楚地认识到：我国的能源资源是有限的，我国现有能源开发利用程度与效率很低，在清洁能源开发、能源综合高效利用和环境保护领域内，与发达国家存在着较大的差距：我国水能资源理论蕴藏量(未包括台湾省)为6.76亿kw，可开发容量3.78亿kw,相应年发电量19200亿kwh，均居世界第一;至2022年底水电装机容量达到9139万kw，年电量2710亿kwh，开发率按电量算只有14%，按装机容量算只有24.2%，远远落后于美国、加拿大、西欧等发达国家，也落后于巴西、埃及、印度等发展中国家。高耗能产品能源单耗比发达国家平均水平高40%左右，单位产值能耗是世界平均水平的2.3倍。同时，实施可持续发展战略对能源发展提出了更高的要求。长期以来，粗放型的增长方式使能源发展与保护环境、资源之间的矛盾日益尖锐。未来能源发展中，如何充分利用天然气、水电、核电等清洁能源，加快新能源与可再生能源开发，推广应用洁净煤技术，逐步降低用于终端消费煤炭的比重，实现能源、经济、环境的可持续发展将是\"十五\"以及中长期能源发展面临的重要选择。特别地，我国核科技工业是国家的战略行业。完善的核科技工业体系是确立一个国家核大国地位的基本条件。它既是国家战略威慑力量和国防科技工业的重要组成部分，是国家政治、国防安全的重要保障和外交利益所在，同时又是国民经济的重要产业。核军工、核能、核燃料和核应用技术产业，是我国核科技工业的主要组成部分。与此相适应，如何培养适应上述21世纪社会需要的能源动力类以及核相关专业人才，是每个大学相关专业以及每位从事能源动力类专业教育的工作者需要解决的重要问题。 常规化石能源的采用就是能源动力学科专业教学的主要内容之一，而常规化石能源的采用与环境问题密切相关。目前，煤炭、石油、天然气等化石能源仍在整个能源形成中占有主导地位，而且估算在今后几十年地时间内这一局面还不能发生改变。这些常规化石能源主要轻易应用于火力发电，这可以增添一系列轻微的环境问题，比如说硫氧化物、氮氧化物等的大气污染、固体废物、水污染和热污染等。据最近的网传，当前我国每年火力发电的煤炭耗量少于8亿吨，电厂的烟尘排放量约为350万吨，占到全国烟尘排放量的35%。其中致密粒子(大于10微米)排放量少于250万吨，就是影响大城市大气质量和能见度的主要因数，并严重危害人体身心健康。因此，对能源动力生产过程中的这些环境问题必须展开妥善解决和掌控，同时实现其环境友好化，就可以确保人类的存活和社会经济的可持续发展。环境问题已经沦为能源动力技术研究中的关键组成部分，也必须在专业课程的教学中存有适当的彰显。也正是基于这一原因，浙江大学已经将原来的热能与动力工程专业更名为能源与环境系统工程专业。核能发电虽然没上述火力发电那样的问题，但有其独有

的问题，例如辐射防护与保健、核废料的处理与处置等均与环境保护有关。不顾环境方面对能源开发与利用的非常大压力，做为常规能源的水能由于具备洁净与可再生的特点，其研发与利用越来越获得注重，在我国能源发展战略占据十分关键的地位。