第1章 緒論

1.1 概述

隨著全球人口增長和經濟發展對能源需求的持續增加，使用傳統能源而面臨的能源短缺和環境污染問題日益突出。煤、石油、天然氣是當今世界的三大主力能源，目前約占一次能源消耗的80%。而化石性能源的稀缺性和不可再生性使其價格不斷上漲，按現在能源的消耗速度和探明儲量，世界上的石油、天然氣和煤等生物化石能源有可能在40～200年內逐漸耗盡；并且化石性能源燃燒產生有害氣體，污染環境、危害身體健康、導致全球變暖。因此，尋求清潔、可再生的替代性能源以滿足不斷增長的能源需求，是當今世界面臨的重要問題。

替代性能源包括水能、核能和可再生能源。水能和核能雖然是現階段低碳能源的首選，但水電開發總量有限并且影響自然環境，核電有泄漏危險和核廢料處理問題。從長遠來看，開發和利用清潔的、取之不盡用之不竭的可再生能源才是未來解決能源與環境問題的根本途徑。

可再生能源包括太陽能、風能、生物質能、地熱能、海洋能、氫能等。而其中風能是目前可再生能源中技術成熟程度、規模化開發程度和商業化程度最高的發電方式。風能由太陽能轉化而來，地球表面的溫差引起空氣流動，而空氣具有一定質量，因此空氣流動就具有一定的動能，這就是人類可以利用的風能。風能是清潔無污染的可再生能源，而且風能資源分布廣泛，總量十分可觀。全球可利用的風能約為2×10⁷MW，比地球上可開發利用的水能總量大10倍，風能將成為21世紀的主要能源之一。

近年來風力發電一直保持著世界增長最快能源的地位。丹麥到2020年和2050年風力發電比例計劃將提高到42%和100%；歐盟的總體目標則是在2020年和2050年由風力發電分別提供17.5%和50%的電力；美國的目標是到2030年風力發電占電力供應的30%。未來歐美地區如此高的風力發電滲透率勢必對其電網的穩定運行提出嚴峻的挑戰。目前我國風力發電總裝機容量為世界第一，到2020年和2050年，中國風電裝機容量將分別達到200GW和1000GW，而發電量將分別占總量的5%和17%，風電將成為中國的五大電源之一。

風能的巨大潛力使其在世界未來能源中扮演重要角色。風力發電技術已經達到了非常可靠和先進的水平，而且隨著風電成本逐漸降低，將使風能可以與傳統的化石燃料發電技術競爭。隨著風力發電在電力系統的滲透率不斷增加，其間歇性、隨機性等固有特點對電網運行的影響日益顯著。盡管我國風力發電量比重低于歐美國家，但由于我國風電主要集中在三北地區的風電基地，“大規模-高集中-高電壓-遠距離輸送”的模式使得風電并網問題更加突出。

對風力發電系統的準確建模，是對含風力發電的電網進行穩態和暫態特性分析的必要手段。風力發電機組的多樣性以及電力電子變流器的并網控制策略日趨復雜，需要建立比傳統發電方式更加詳細和準確的仿真模型，以揭示和評估聯網運行風力發電機組的動態特性，從而為大規模風力發電滲透到電網之后的電力系統的調度管理提供理論基礎。