基于MATLAB-Simulink風電機組并網(wǎng)運行特性分析畢業(yè)設(shè)計論文

1、山東科技大學本科畢業(yè)設(shè)計論文題目基于MATLAB/Simulink風電機組并網(wǎng)運行特性分析學院名稱信息與電氣工程學院專業(yè)班級電氣工程及其自動化09-2班學生姓名學號指導教師曹娜2013年6月13日山東科技大學學士學位論文摘要摘要近年來，風能作為一種可再生綠色能源，受到了廣泛關(guān)注。隨著我國風電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，風電場規(guī)模不斷擴大，風電場并網(wǎng)運行對電網(wǎng)造成的影響也越來越大。因此深入分析風電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響，成為進一步開發(fā)風能所迫切需要解決的問題。本文首先分析了國內(nèi)外風力發(fā)電的發(fā)展和現(xiàn)狀，闡述了風力發(fā)電的基本原理。通過對我國目前應(yīng)用比較廣泛的雙饋異步風力發(fā)電機和直驅(qū)永磁同步電機進行比較，可以看出

2、雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性。然后，本文建立了雙饋型異步風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型。通過模型的建立，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下實現(xiàn)了風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)仿真，分析了風電場并網(wǎng)的運行特性，探討了并網(wǎng)風電場與電網(wǎng)之間的相互影響，特別是對輸出功率和電壓質(zhì)量的影響。關(guān)鍵詞：雙饋異步風力發(fā)電機、MATLAB/Simulink仿真、風速、動態(tài)仿真ABSTRACTWindpowerasakindofrenewablegreenpowerresourceshasbeenreceivedextensiveattentioninrecentyears.Withthedevelopmentofwi

3、ndindustryinChinaandtheexpansionofthescaleofwindfarms,theinfluencebroughtbylargewindfarmsconnectedtopowersystemshasbecomegreaterandgreater.Therefore，theresearchontheimpactofwindfarmsconnectedtopowersystemsisanimportantissuethatshouldbesolvedurgently.Firstly,thedevelopmentandrecentstatusofwindpowerin

4、theworldandinChina,thecharacteristicsandsometechnicalproblemsofwindpowerareanalyzedinthispaper.Theprincipleofwindpowerisstudied.Theoperatingcharacteristicsofdoubly-fedinductionmotorsanddirect-drivepermanentmagnetsynchronousmotorusedinourcountryarecomparedin.Throughthecomparison,wecanseethatthewindpo

5、wersystemwithDFIGshowstheobvioussuperiority.Secondly,aseriesofdynamicmathematicsmodelsofwindturbinegeneratorbasedonthedoubly-fedinductionwindpowersystemareset.ThroughWhich,theSimulationisdevelopedusingMATLAB/Simulinktoolsbythedynamicmathematicsmodels.Thefunctioncharacteristicsoflargegrid-connectedwi

6、ndfarmareanalyzedandtheinteractionsofwindpowerandthegrid，especiallytothepoweroutputandvoltagequality，areresearched.Keywords:Doubly-fedinductionwindturbine,MATLAB/SimulinkSimulation,Windspeed,Dynamicsimulation山東科技大學學士學位論文目錄目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1緒論1 HYPERLINK l book

7、mark10 o Current Document 1.1選題背景及意義1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 國內(nèi)外風力發(fā)電的發(fā)展和現(xiàn)狀2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響情況4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 論文的主要工作7 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 雙饋風力發(fā)電機組的運行理論9 HYPERLINK l bookmark20 o Current Docume

8、nt 2.1引言9 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 2.2風力發(fā)電系統(tǒng)類型9 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 雙饋風力發(fā)電機組變速恒頻運行的基本原理11 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)13 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 2.5雙饋風力發(fā)電機的等效電路14 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 2.6雙饋風力發(fā)電機

9、的功率關(guān)系15 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型18 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 3.1引言18 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 3.2風速模型18 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 3.3風力機模型21 HYPERLINK l bookmark111 o Current Document 3.4傳動裝置模型23 HYPERLINK l bookmark127

10、o Current Document 3.5槳距角控制模型25 HYPERLINK l bookmark131 o Current Document 3.6雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)模型26 HYPERLINK l bookmark173 o Current Document 3.7變流器模型33 HYPERLINK l bookmark175 o Current Document 3.8本章小結(jié)34 HYPERLINK l bookmark177 o Current Document 風電場并網(wǎng)對系統(tǒng)影響仿真分析35 HYPERLINK l bookmark179 o Current Doc

11、ument 4.1引言35 HYPERLINK l bookmark181 o Current Document MATLAB仿真軟件的概述35 HYPERLINK l bookmark183 o Current Document 仿真模型及系統(tǒng)描述38 HYPERLINK l bookmark187 o Current Document 仿真結(jié)果及分析39 HYPERLINK l bookmark191 o Current Document 本章小結(jié)50 HYPERLINK l bookmark193 o Current Document 5總結(jié)52 HYPERLINK l bookmark

12、195 o Current Document 參考文獻53山東科技大學學士學位論文目錄致謝55附錄（外文文獻及翻譯）56山東科技大學學士學位論文緒論 緒論選題背景及意義隨著工業(yè)的快速發(fā)展，世界能源日益枯竭，環(huán)境不斷惡化。人們的環(huán)保意識和危機感不斷加強，各國政府紛紛制定新的能源政策，給風能、太陽能、潮汐能和地熱能等可再生能源的發(fā)展帶來了新的契機。這一浪潮正在重新塑造著電力工業(yè)，使電力工業(yè)在可持續(xù)發(fā)展的能源工業(yè)中面臨新的機遇和挑戰(zhàn)。由于我國長期發(fā)電結(jié)構(gòu)不合理，火電所占比例過大，帶來了日益嚴重的燃料資源缺乏和環(huán)境污染問題。因此，從能源發(fā)展戰(zhàn)略來看，我國必須尋求一條可持續(xù)發(fā)展的能源道路。風力發(fā)電作為一

13、種重要的可再生能源形式，越來越受到人們的廣泛關(guān)注。除了水電以外其他可再生能源中，風力發(fā)電在技術(shù)上日趨成熟，商業(yè)化應(yīng)用不斷提高，是近期內(nèi)最具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的可再生資源。經(jīng)濟性方面，風力發(fā)電成本不斷降低，同時常規(guī)能源發(fā)電由于環(huán)保要求增高使得成本進一步增加，而且隨著技術(shù)的進步，風力發(fā)電的成本將有進一步降低的巨大潛力。因此，在各種可再生能源利用中，風能具有很強的競爭力成為電力系統(tǒng)中增長速度最快的新能源。近幾年來，風力發(fā)電機組單機容量和風電場建設(shè)規(guī)模都日益擴大，成為電網(wǎng)電源中的重要組成部分。風力的隨機性和間歇性以及機組運行時對無功的需求都會對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，尤其是對電壓穩(wěn)定運行產(chǎn)生危害。作為分析

14、的基礎(chǔ)，需要建立正確的風電機組和風電場的數(shù)學模型。另外，針對新型風力發(fā)電機組，也需要根據(jù)其特性建立適當?shù)臄?shù)學模型，并應(yīng)用于電力系統(tǒng)中分析它的運行結(jié)果。由于風力發(fā)電是一種特殊的電力，具有許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的特點，風電場的并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的電能質(zhì)量、安全穩(wěn)定等諸多方面帶來負面的影響，隨著風電場規(guī)模的不斷擴大，風電特性對電網(wǎng)的影響也愈加顯著，成為制約風電場容量和規(guī)模的嚴重障礙。雙饋異步發(fā)電機(DFIG)屬于變速恒頻發(fā)電模式，它的定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子側(cè)通過一個背靠背的雙向電壓源變頻器與電網(wǎng)相連，給發(fā)電機提供勵磁頻率(轉(zhuǎn)差頻率)，和傳統(tǒng)的直接接入式風電系統(tǒng)相比，只有20%30%的發(fā)電功率通過了功

15、率轉(zhuǎn)換器，降低了功率轉(zhuǎn)換器件的損耗和經(jīng)濟成本，同時還具有無功、有功可解耦控制，系統(tǒng)發(fā)電效率高，功率因數(shù)易于調(diào)節(jié)等優(yōu)勢，使雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)成為目前主流的風力發(fā)電系統(tǒng)。因此，對雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響進行研究具有重要的工程意義。國內(nèi)外風力發(fā)電的發(fā)展和現(xiàn)狀關(guān)于變速恒頻雙饋風電機組的特性以及動態(tài)模型的建立，國內(nèi)外科研工作者已經(jīng)做了大量的工作，發(fā)表了大量的相關(guān)學術(shù)論文，并取得了許多研究成果，綜述如下幾個方面：關(guān)于雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)模型：文獻介紹了MATLAB/Simulink軟件的使用和電力系統(tǒng)建模方法，并在本書的最后一章建立了雙饋機的仿真實例。文獻4-5通過MATLAB/Simuli

16、nk建立了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，并對風電場接入電力系統(tǒng)進行了動態(tài)穩(wěn)定性分析。文獻6應(yīng)用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC對含風電的電網(wǎng)建模以及風速突然變化和電網(wǎng)發(fā)生短路故障情況進行了仿真分析。文獻在軟件EMTP-RV中分別建立了雙饋風力發(fā)電機模型和直接連接感應(yīng)異步電機模型。此外，文獻中還研究了兩種風機所構(gòu)成不同風場的運行特性。相對于雙饋風力發(fā)電機組良好的無功控制能力，異步風力發(fā)電機組需要外接靜態(tài)無功補償裝置(STATCOM、文獻通過建立兩種不同的風電場模型，對兩種風力發(fā)電機組構(gòu)成的系統(tǒng)進行了比較和分析。關(guān)于雙饋電機的控制策略：文獻8在分析雙饋電機數(shù)學模型及其定子磁鏈定向矢量控制的

17、基礎(chǔ)上，推導出了用轉(zhuǎn)子電流獨立解耦控制有功功率和無功功率的策略，構(gòu)建出了由轉(zhuǎn)子有功、無功電流雙獨立通道電流內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)組成的雙閉環(huán)PI控制系統(tǒng)，并把滯環(huán)電流控制技術(shù)引入到轉(zhuǎn)子側(cè)電壓源控制器的調(diào)制中，簡化了控制過程。文獻9提出了基于自適應(yīng)諧振調(diào)節(jié)器的雙饋電機矢量控制策略，該控制策略直接在轉(zhuǎn)子abc坐標系中對雙饋電機的轉(zhuǎn)子電流進行控制，在不需要對轉(zhuǎn)子電流實施坐標變換的情況下實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子電流的無靜差控制。并且該控制策略可直接采用SPWM控制，能夠提高電壓調(diào)制度，利于轉(zhuǎn)子電流的控制。關(guān)于風電引起的電能質(zhì)量問題：文獻10-11研究了風電場接入對電網(wǎng)帶來的各方面影響，闡述了風電場接入電力系統(tǒng)研究的新進展

18、、研究方法及相關(guān)結(jié)論，最后給出了解決相關(guān)問題的技術(shù)方案。文獻12-13通過對風力發(fā)電接入電網(wǎng)后引起的各方面影響機理進行詳細的分析，主要研究了風電場引起的電壓波動、短路電流變化、網(wǎng)絡(luò)損耗、以及電壓閃變等方面的影響；對簡單系統(tǒng)進行仿真，驗證了分析結(jié)果。并采用PSCAD軟件對一個風電場接入輻射形網(wǎng)絡(luò)末端的系統(tǒng)進行了仿真分析，驗證了風電引起電壓波動的機理。文獻14-16通過所建立的風力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下實現(xiàn)了大型風電場與系統(tǒng)并網(wǎng)的風力發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)仿真。對系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的幾種情況進行了分析研究，其中包括風速變化、負荷擾動、系統(tǒng)發(fā)生單相接地和三相短路故障時對電網(wǎng)和

19、風電場各節(jié)點的電壓波動、電流波動以及引起的功率變化。仿真驗證了通過在風力發(fā)電機端口采取一定的控制措施后，風力發(fā)電機的電壓基本穩(wěn)定，功率基本平衡，有效的改善了并網(wǎng)風電場運行性能,提高了風電系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。以上文獻為本論文中雙饋風電機組模型的建立提供很好的參考依據(jù)，并在此基礎(chǔ)上，本論文重點研究了變速恒頻雙饋風電機組接入電網(wǎng)后的動態(tài)穩(wěn)定性問題。風電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響情況風力發(fā)電機的原動力為風，風的隨機性和間歇性決定了風力發(fā)電機的輸出特性具有波動性和間歇性。風力發(fā)電機多為異步發(fā)電機，在發(fā)出有功功率的同時需從系統(tǒng)吸收無功功率，無功需求是隨著有功輸出的變化而變化的。當風電場的容量較小時，這些特

20、性對電力系統(tǒng)的影響并不顯著，但隨著風電場容量在系統(tǒng)中所占的比例增大，風電場對系統(tǒng)的影響就會越來越明顯。下面將討論幾個方面4-5。對電網(wǎng)頻率的影響風速的隨機性導致了風機出力的隨機性。風電作為系統(tǒng)的一個不穩(wěn)定電源，其并網(wǎng)與脫網(wǎng)都是不好預測的，鑒于這點考慮風電實際上是系統(tǒng)的一個干擾源。隨著風電容量在系統(tǒng)中所占的比例的增大，其輸出功率的隨機波動性對電網(wǎng)頻率的影響就越明顯，影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量和一些頻率敏感負荷的正常工作。這就要求電網(wǎng)中其他的常規(guī)機組有較高的頻率響應(yīng)能力，能進行跟蹤調(diào)節(jié)，抑制頻率的波動?？紤]到風電的不穩(wěn)定性，當由于無風或者風速減小而失去出力后，會使電網(wǎng)頻率降低，特別是當風電比重較大時，會

21、影響到系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。頻率穩(wěn)定分析的基本原則是：失去風電出力后，電網(wǎng)頻率不能低于允許值。消除該影響的主要措施是提高系統(tǒng)的備用容量和采取優(yōu)化的調(diào)度運行方式。當然，當電力系統(tǒng)較大、聯(lián)系緊密時，頻率問題不是很明顯。（2）對電網(wǎng)電壓的影響風力發(fā)電出力隨風速大小等因素而變化，同時受風力資源分布的限制，大多數(shù)風電場建設(shè)在電網(wǎng)的末端，且隨著風速的變化風力發(fā)電的出力也會變化，再加上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為薄弱地區(qū)的短路容量比較小，因此，在風力機組類型、電網(wǎng)狀況、風速等因素的擾動下，使得電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電壓穩(wěn)定性受到影響。風電場對電網(wǎng)的影響主要有慢的電壓波動，快的電壓波動（電壓閃變），諧波（波形畸變），電壓不平衡（負序電

22、壓），瞬態(tài)電壓波動（電壓跌落和凹陷）等。電壓的波動幅度與風電功率的大小及風電場分布密切相關(guān)。另外，目前采用的并網(wǎng)風機多為異步風力發(fā)電機，該機組在并網(wǎng)時需要無功的支持，并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生的沖擊電流比較大，使得電網(wǎng)電壓質(zhì)量降低。目前采用投切電容器組來滿足風電場的無功需求，但是電容器組不能實現(xiàn)對快速連續(xù)變化的電壓進行調(diào)節(jié)。（3）風力發(fā)電并網(wǎng)過程對電網(wǎng)的沖擊異步發(fā)電機并網(wǎng)要滿足兩個條件：異步發(fā)電機相序必須與電網(wǎng)相序相同。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速盡可能接近同步速（一般為同步速的98%100%）。異步電動機作為發(fā)電機運行時，沒有獨立的勵磁裝置，并網(wǎng)前發(fā)電機本身沒有電壓，因此并網(wǎng)時必然伴隨一個過渡過程，流過56倍額定電流的沖

23、擊電流，一般經(jīng)過幾百毫秒后轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。此時其中第一個條件是必須要滿足的，因為一旦不滿足將導致電機在并網(wǎng)后處于電磁制動的狀態(tài)，而第二個條件則沒有那么嚴格，如果盡可能接近同步速并網(wǎng)，沖擊電流會越小。并網(wǎng)沖擊電流的產(chǎn)生主要是由于異步發(fā)電機本身沒有勵磁裝置，且在風電場并網(wǎng)時發(fā)電機本身沒有電壓，并網(wǎng)還會有一個過渡的過程（幾秒后轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)）。沖擊電流的大小與以下一些因素有關(guān)：并網(wǎng)時電網(wǎng)電壓的大小、發(fā)電機本身的暫態(tài)電抗以及并網(wǎng)時的滑差?；钤酱?，沖擊電流的有效值就越大，二者成正比關(guān)系。風電場如果并入大電網(wǎng)，沖擊電流對風機及電網(wǎng)運行的影響不會很大，風電場如果并入小容量的電網(wǎng)，沖擊電流則會影響到電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定以及電

24、氣設(shè)備的安全運行，甚至整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性都會受到影響。目前抑制并網(wǎng)沖擊電流的方法有：在三相電網(wǎng)與異步發(fā)電機之間接入電抗器，在并網(wǎng)過渡過程之后將其短接，該措施主要是使得并網(wǎng)過程中系統(tǒng)的電壓下跌不會過大。裝設(shè)雙向晶閘管控制的軟起動裝置，但該項措施會產(chǎn)生諧波。人工干預，采用該項措施主要是使得風電場的風電機組在不同時間啟動，從而限制了風機啟動時對電網(wǎng)造成的沖擊。對其他電廠運行的影響風力發(fā)電具有隨機波動性，風電出力也會隨著風速的波動而變化。隨著并網(wǎng)容量的增加，電網(wǎng)需要增加相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)備用容量以達到讓用戶正常供電的目的。風電并網(wǎng)越多，旋轉(zhuǎn)備用容量越大。目前，電網(wǎng)主要以火力發(fā)電為主，因此，解決風電并網(wǎng)帶來的影響

25、還是要依靠火電機組的啟動及停用或者降低運行經(jīng)濟性。頻繁地啟動及停用火電機組所需費用比較高，這樣就不得不降低電網(wǎng)運行以及電網(wǎng)內(nèi)部其它電廠的經(jīng)濟性來滿足風電并網(wǎng)的要求。對電網(wǎng)繼電保護裝置的影響電網(wǎng)繼電保護裝置的影響同普通的配電網(wǎng)保護不一樣，通過風電場與電力系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的潮流有時是雙向的。風力發(fā)電機組在有風期間都是和電網(wǎng)相連，當風速在起動風速附近變化時，為防止風電機組頻繁投切對接觸器的損害，允許風電機組短時電動機運行。此時會改變聯(lián)絡(luò)線的潮流方向，繼電保護裝置應(yīng)充分考慮到這種運行方式。另一方面，并網(wǎng)運行的異步發(fā)電機沒有獨立的勵磁機構(gòu)，在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時由于機端電壓顯著降低，異步發(fā)電機在三相短路故障時僅

26、能提供短暫的沖擊短路電流，兩相短路時異步發(fā)電機提供的短路電流最大。鑒于目前一般風機出口電壓主要是0.69kV，折算到10kV(或更高電壓等級)側(cè)其阻抗需乘K2(KU/U)，因此從lOkV側(cè)的等值電路來看，風100.69力發(fā)電機及相應(yīng)的低壓電纜相當于一個很大的限流電抗，短路電流無法送出。因此風電接入點的保護裝置要考慮到風電場的這一特點。總之，風電場故障電流主要是公用電網(wǎng)電源提供的。風電場保護的困難是要根據(jù)有限的故障電流來識別故障的發(fā)生。論文的主要工作風能具有間歇性、隨機性和不可控性的特點，而且風電場在并網(wǎng)時會吸收電網(wǎng)的無功，隨著風電裝機容量的增加，風電場在電網(wǎng)中所占比例也會增大，風電場的并網(wǎng)將影

27、響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，這些技術(shù)問題如不能得到解決就會阻礙風力發(fā)電的發(fā)展。本文著眼于風力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的相互影響，對風電場并網(wǎng)運行給電網(wǎng)的并網(wǎng)點電壓帶來的影響進行了深入的研究。因此對風力發(fā)電機組建立正確的數(shù)學模型和仿真分析是本文的重中之重。為此，本文進行了以下工作：并網(wǎng)型風力發(fā)電機組發(fā)電原理的探討風力發(fā)電機組通常亦被稱為風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。風力發(fā)電過程是:自然風吹轉(zhuǎn)葉輪，帶動滾軸轉(zhuǎn)動，將風能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后通過傳動機構(gòu)將機械能送至發(fā)電機轉(zhuǎn)子，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電，實現(xiàn)由機械能向電能的轉(zhuǎn)換，最后風電場將電能通過區(qū)域變電站注入電網(wǎng)。風力發(fā)電機組數(shù)學模型的建立分析風電系統(tǒng)的動態(tài)特性首先必須建立合理的數(shù)學模

28、型，然后才能對其進行動態(tài)仿真計算。數(shù)學模型的建立與研究對象和仿真精度的要求有關(guān)。本文以變速恒頻雙饋型異步風力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，建立了用于動態(tài)仿真的風速模型、風力機模型和發(fā)電機模型等數(shù)學模型等。數(shù)學模型的建立為動態(tài)仿真的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。動態(tài)仿真分析利用所建立的數(shù)學模型，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中實現(xiàn)雙饋型異步風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)仿真。本文研究了風速擾動和電網(wǎng)故障情況下風力發(fā)電并網(wǎng)運行對電力系統(tǒng)的影響。山東科技大學學士學位論文雙饋風力發(fā)電機組的運行理論 雙饋風力發(fā)電機組的運行理論引言風力發(fā)電綜合利用電力電子技術(shù)、空氣動力學、計算機、新型電機、自動控制等方面最新研究成果，發(fā)展成為

29、電力系統(tǒng)中一個最新的研究領(lǐng)域。目前，大型風電場并網(wǎng)運行已經(jīng)成為風力發(fā)電的主流，風力發(fā)電作為一種清潔的發(fā)電方式在電網(wǎng)中所占比例越來越大，然而由于風電的特殊性，風力發(fā)電也具有許多不同于其他能源的特點。風力發(fā)電包括兩個過程，一個是風能轉(zhuǎn)化為機械能，另一個是機械能轉(zhuǎn)化為電能。因此，風力發(fā)電機組涉及到許多學科，并且是一個較為復雜的系統(tǒng)。典型的并網(wǎng)型風力發(fā)電機組主要包括塔架、風力機、低速軸、齒輪箱、發(fā)電機以及控制系統(tǒng)。其中，塔架的作用是支撐，風力機的作用是吸收并轉(zhuǎn)換風能，低速軸的作用是傳動連接，齒輪箱的作用是變速，發(fā)電機的作用是進行能量轉(zhuǎn)換。當有風吹向葉輪，會在葉片上產(chǎn)生升力，加上葉片上的空氣動力學特性，

30、使得葉輪轉(zhuǎn)動起來，從而帶動低速軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過齒輪箱增速后轉(zhuǎn)速會升高，帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來進行發(fā)電。風電場并網(wǎng)后，風力發(fā)電機組所發(fā)的電能會經(jīng)過風電場內(nèi)部的升壓站升壓后與電網(wǎng)相連接。風力發(fā)電系統(tǒng)類型并網(wǎng)風力發(fā)電機組主要包括兩大類：恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。其中恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)由普通異步發(fā)電機（即鼠籠式異步發(fā)電機）組成。該種風力發(fā)電系統(tǒng)由風輪來完成功率的調(diào)節(jié)，其控制比較簡單，但是其葉片的結(jié)構(gòu)很復雜，如果調(diào)節(jié)出現(xiàn)了失誤會引起非常嚴重的后果。另外，該類風力發(fā)電系統(tǒng)可以通過改變定子繞組的極對數(shù)使發(fā)電機運行于兩種不同轉(zhuǎn)速(雙速異步發(fā)電機)，達到充分利用低風速時風能的目的。當進入高風速

31、時，該類風力發(fā)電系統(tǒng)將不能追求最優(yōu)而是采用功率的最大限制，調(diào)節(jié)的靈活度以及范圍是有限的。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)主要分為雙饋異步風力發(fā)電機和直驅(qū)永磁同步發(fā)電機兩種。這類風力發(fā)電系統(tǒng)隨著電力電子技術(shù)的逐漸成熟而被廣大用戶積極使用，其中雙饋風力發(fā)電機的使用最為廣泛。該種風力發(fā)電機的輸出功率是由變頻裝置進行調(diào)節(jié)的，轉(zhuǎn)速也可得到調(diào)節(jié)，最終可以達到無功功率的平衡以及風能利用系數(shù)達到最大的目的，使風力機在很大風速范圍內(nèi)按最佳效率運行，提高風能利用效率。隨著大規(guī)模電力電子技術(shù)的發(fā)展，雙饋異步發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)成為發(fā)電設(shè)備的主要選擇方向之一。該類風力發(fā)電系統(tǒng)不必使風力機轉(zhuǎn)速保持恒定，而是通過其他控制方式使得頻率

32、保持恒定。因此，它能夠?qū)崿F(xiàn)風力機運行在最佳值，從而實現(xiàn)風能的最佳利用。為了控制風電機組的功率和轉(zhuǎn)速，并且防止風電機組因超出功率極限和轉(zhuǎn)速極限運行而造成可能的事故，該類風力發(fā)電系統(tǒng)將釆用以下控制方案：風力機在額定風速以下時按優(yōu)化槳距角定槳距運行，轉(zhuǎn)速由發(fā)電機控制系統(tǒng)來控制，同時調(diào)節(jié)風力機的葉尖速比，以達到實現(xiàn)最大風能系數(shù)和最佳功率曲線追蹤的目的。該種發(fā)電機在低于額定風速下運行既經(jīng)濟又高效，而且這也是其主要的工作方式。此時，追蹤與捕獲最大風能就是該類風力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標。該類風力發(fā)電系統(tǒng)的主要優(yōu)點如下：采用該風力發(fā)電技術(shù)運行效率高。由于風輪變速運行，因此，可在較大的風速范圍內(nèi)保持最大功率點和最佳

33、的葉尖速比運行，從而使機組發(fā)電效率得到了提高，風力機的運行條件也得到了優(yōu)化。在不同的風速下，風力機都會有一個最佳運行轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速下對風能的捕獲效率最高，所以需要風力發(fā)電機組能夠運行在這個轉(zhuǎn)速下，雙饋異步發(fā)電機可以隨風速的改變調(diào)節(jié)風力機轉(zhuǎn)速，使得風力機始終運行于最佳轉(zhuǎn)速，而普通異步發(fā)電機只能固定運行于同步轉(zhuǎn)速，一旦風速發(fā)生變化，風力機就會偏離最佳轉(zhuǎn)速，使得運行效率降低，浪費了風力資源。采用該風力發(fā)電技術(shù)使得功率因數(shù)可調(diào)。該類風力發(fā)電通過在異步電機的轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相低頻電流來實現(xiàn)交流勵磁，并且控制勵磁電流的頻率、幅值、相位，從而實現(xiàn)輸出電能的恒頻恒壓。另外，采用矢量變換控制技術(shù)控制有功功率，使得風

34、力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速得到調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了最大風能捕獲的追蹤控制；而采用矢量變換控制技術(shù)控制無功功率使得電網(wǎng)的功率因數(shù)得到調(diào)節(jié)，從而提高了風電并網(wǎng)系統(tǒng)運行的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性。采用該風力發(fā)電技術(shù)使變槳距調(diào)節(jié)更加簡單。當風速很高時，可以通過調(diào)節(jié)槳距角來限制最大輸出功率，當風速很低時，裝距角是固定的。采用該風力發(fā)電技術(shù)使得風電并網(wǎng)實現(xiàn)了很好的柔性連接，在并網(wǎng)操作及運行上較普通異步發(fā)電系統(tǒng)更容易。本次畢業(yè)設(shè)計將以雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象。雙饋風力發(fā)電機組變速恒頻運行的基本原理雙饋電機的結(jié)構(gòu)類似于繞線式感應(yīng)電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三相電源激勵，所不同的是轉(zhuǎn)子繞組具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電

35、源激勵，一般采用交-交變頻器或交-直-交變頻器供以低頻電流8。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度n、轉(zhuǎn)子外加勵磁電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度n與定子同re步磁場的旋轉(zhuǎn)速度n之間的關(guān)系為：n+n=n(2.1)res當風速變化時，轉(zhuǎn)速n隨之而變化。在n變化的同時，通過改變轉(zhuǎn)子rr電流的頻率和旋轉(zhuǎn)磁場的速度n，可以補償電機轉(zhuǎn)速的變化，達到保持輸e出頻率恒定不變的目的。與轉(zhuǎn)子相連接的雙電壓源變換器是電力電子電源變換裝置，為了獲得較好的輸出電壓和電流波形，其輸出頻率一般不超過輸入頻率的三分之一，其容量一般不超過發(fā)電機額定功率的30%。雙饋風力發(fā)電機運行時，變速運行的范圍比較寬，定子輸出電壓和頻率可以維持不變，既可

36、調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)，又可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種控制方案除了可實現(xiàn)變速恒頻控制、減小變流器的容量外，還可實現(xiàn)有功、無功功率的靈活控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補償?shù)淖饔谩Ｅc式(2.1)相對應(yīng)：+二(2.2)rs0其中：為轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)角速度，為定子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度，為rs0轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場角速度，即轉(zhuǎn)差角速度，超同步運行時為負，亞同步運行時為正。當定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間以=2吋的速度旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相00對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該是：(2.3)s二一二一(1-s)二ss0r000其中：s為變速恒頻雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)差率。按照通常轉(zhuǎn)差率的定義：(2.4)n一nS二Lns轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率s成正比。如果交流勵磁發(fā)電

37、機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，那么轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同，而當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時，則二者的旋轉(zhuǎn)方向相反。根據(jù)=2兀f可推出勵磁電流頻率和定子電流頻率之間存在如下關(guān)系：TOC o 1-5 h zf=fs（2.5）s0其中：f為轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率，f為定子電流的頻率。s02.4雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)雙饋感應(yīng)發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)類似繞線式感應(yīng)電機，其定轉(zhuǎn)子上都具有三相對稱繞組，且磁路、電路對稱，氣隙分布均勻。與繞線式感應(yīng)電機的不同之處在于轉(zhuǎn)子繞組增加了電刷和滑環(huán)。當采用交流勵磁時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與勵磁頻率有關(guān)，因此雙饋發(fā)電機的內(nèi)部電磁關(guān)系既不同于感應(yīng)發(fā)電機又不同于同步發(fā)電機，而是同時具有二

38、者的某些特點。雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)的示意圖如圖2.1所示。圖2.1雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)示意圖由圖2.1可以看出，在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機的定子直接與電網(wǎng)側(cè)相連接，轉(zhuǎn)子側(cè)采用三相對稱繞組，經(jīng)過交-直-交變流器與電網(wǎng)側(cè)相連接，以提供發(fā)電機交流勵磁，勵磁電流的幅值、相位、頻率均可變，其勵磁頻率為轉(zhuǎn)差頻率。其中交-直-交變流器由兩組電壓源PWM變換器組成，可實現(xiàn)四象限運行。一般情況下，電網(wǎng)側(cè)變流器的主要任務(wù)是保證電流波形和功率因數(shù)滿足要求以及保證直流母線電壓的穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的主要任務(wù)是調(diào)節(jié)有功功率，實現(xiàn)最大風能捕獲以及為轉(zhuǎn)子回路提供勵磁同時調(diào)節(jié)定子無功功率。風輪機采用變槳距控制，當風速小于額定風速

39、時槳距角為0，變槳距裝置不動作，采用最大功率跟蹤策略來實現(xiàn)最大風能的捕捉；當風速增加到額定風速以上時，變槳距裝置動作，槳距角逐漸變大，將發(fā)電機的輸出功率限制在額定功率附近。但由于風輪機的轉(zhuǎn)動慣量較大，因此，變槳距裝置動作具有一定的時延。雙饋風力發(fā)電機的等效電路雙饋式感應(yīng)發(fā)電機T型等值電路如圖2.2所示。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈正方向如圖所示并符合右手螺旋定則，圖中參數(shù)為繞組折算后到定子側(cè)的參數(shù)6。Rrs圖2.2雙饋感應(yīng)發(fā)電機的T型等效電路圖忽略鐵心損耗，根據(jù)等效電路可列以下方程：U=E-1（R+jx）TOC o 1-5 h zssss1sUR2.6）=E+1（一+jX）srrs1rI=I+I

40、rsmE=I（jx）smmE=E HYPERLINK l bookmark149 o Current Document rs其中：U、U分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組電壓向量，E、E分別為定子和sr轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢向量，I、I、I分別為定子電流、轉(zhuǎn)子電流和勵srm磁電流向量，x、x、x分別為定子漏抗、轉(zhuǎn)子漏抗、勵磁電抗。1s1rm雙饋風力發(fā)電機的功率關(guān)系雙饋型變速恒頻風電機組，其發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電路具有功率雙向流動的能力，這使得發(fā)電機既能運行在次同步模式，也能夠運行在超同步模式。雙饋發(fā)電機的運行工況主要分為四種：次同步電動，次同步發(fā)電，超同步電動，超同步發(fā)電。在不同的運行工況具有不同的功率傳遞關(guān)系，下面

41、從雙饋發(fā)電機的等效電路來研究其功率平衡關(guān)系。根據(jù)功率守恒關(guān)系，經(jīng)氣隙磁場傳遞的電磁功率從定子方和轉(zhuǎn)子方可以分別表示：TOC o 1-5 h zP=P+P+P=Re(UI*)+R12+P(2.7)esCuFessssFeRU HYPERLINK l bookmark52 o Current Document P=I2+Re(嚴I*)(2.8)esrsr式(2.7)又可以重寫為l_s HYPERLINK l bookmark56 o Current Document P=-R12+Re(UI*)+Re(UI*)(2.9)errsssrr由上式可以看出，R12、R12分別為定、轉(zhuǎn)子銅耗，P為定子鐵耗

42、，ssrrFeRe（UI*）為定子端輸出的有功功率，Re（UI*）為勵磁系統(tǒng)向發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路ssrr輸入的功率，記為P；-匕R/2+Re（Ui*）即P，為發(fā)電機軸所產(chǎn)生的rsrrrrmec機械功率。式（2.8）又可以重寫為sP=-R12+Re（Ui*）（2.10）errrr因此可以得出：P=（1-s）P（2.11）meceP=sP+R12（2.12）rerr由此得出，穩(wěn)態(tài)運行時，雙饋異步發(fā)電機的能量傳遞和發(fā)電機的運行狀態(tài)有關(guān)。在忽略定轉(zhuǎn)子回路損耗及鐵耗的情況下，可以得出定轉(zhuǎn)子回路功率關(guān)系的表達式為：P=sP（2.13）rs當0sV1,雙饋電機處于次同步運行狀態(tài)，當s0時，雙饋機處于超同步運行狀

43、態(tài)。圖2.3即為不同運行狀態(tài)下雙饋機的實際功率流向。a）次同步發(fā)電運行功率關(guān)系b）次同步電動運行功率關(guān)系C）超同步發(fā)電運行功率關(guān)系d）超同步電動運行功率關(guān)系圖2.3不同運行狀態(tài)的雙饋風力發(fā)電機的功率流向示意圖從上圖可以看出，當0s0,rP0,發(fā)電機定子端向電網(wǎng)輸出有功功率，電網(wǎng)通過變流器向轉(zhuǎn)子回路潰mec入功率，如圖2.3a）所示；當s0,P0,，rmec發(fā)電機定子端向電網(wǎng)輸出有功功率，轉(zhuǎn)子回路通過變流器向電網(wǎng)輸入功率，如圖2.3c）所示。實際上，雙饋電機在滑差為0的情況下也可實現(xiàn)發(fā)電，這時轉(zhuǎn)子勵磁電流為直流電，轉(zhuǎn)子回路潰入電網(wǎng)的有功功率為0,雙饋電機的運行狀態(tài)等同于同步發(fā)電機，由于其特殊性，

44、一般不將其列為一種獨立的運行狀態(tài)。對于雙饋電機的次同步和超同步電動運行狀態(tài)，分別如圖2.3b）、2.3d）所示，這里不作深入討論。山東科技大學學士學位論文雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型 3雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型引言進一步分析風力發(fā)電的原理和特性，需要對各主要部件進行數(shù)學建模。數(shù)學模型的建立與研究對象和仿真的精度要求等因素有關(guān)。按照本課題的要求，建立了風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)模型。本文以變速恒頻雙饋型異步風力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，分析并網(wǎng)風電場的運行特性。本章將重點介紹雙饋型異步風力發(fā)電系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，并對其動態(tài)數(shù)學模型做詳細闡述。風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型包括風速模型、風力機模型、傳動裝置模型、漿距角控制

45、模型、雙饋型異步風力發(fā)電機及其模型和變流器模型9。風速模型風速是風力機的原動力，它的模型相對于風力機組比較獨立。在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)研究中，為了較精確地描述風的隨機性和間歇性的特點，國內(nèi)外使用較多的是風力四分量模型，即基本風，陣風、漸變風和隨機風?；撅L基本風可以由風電場測風數(shù)據(jù)獲得的威布爾分布(Weibull)參數(shù)近似確定，由威布爾分布的數(shù)學期望值可以得到:1v=At(1+)(3.1)K其中：V為基本風速(m/s)；A和K分別為威布爾分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)，t(1+1)為伽馬函數(shù)。當考慮秒級時間段的計算時，基本風可認為是常數(shù)。（2）陣風其中：vr0ttA1GvvttWGcos1G1GG0tt+t

46、1GG(3.2)MaxG!cos21cos2(id)兀ttddt,t和MaxG分別為陣風作用d1d時間、陣風啟動時間和陣風最大值。s圖3.1描述了模擬的陣風風速時間序列，其中基本風速為8m/s，陣（3）漸變風圖3.1陣風風速時間序列為了反映風速的漸變特性，可在平均風速上疊加一漸變風分量v。漸變r風用來描述風速緩慢變化的特點，其具體數(shù)學公式如公式（3-4）。0t12r+Tvrvramptt1r2rRmaxmax12t12+T2r2r丿3.3)式（3-4）中vramp如公式（3-5）vrampmax(t_Sr12rt1r3.4)11為漸變風開始時間，單位s；2為漸變風終止時間，單位s,vr,v1r

47、2rrramp為不同時刻漸變風風速，單位m/s；R為漸變風的最大值，單位m/s；Tmax為漸變風保持時間，單位s。圖3.2是模擬的漸變風風速時間序列，其中基本風速為8m/s,漸變風最大值14m/s，漸變風起始時間是第5s,漸變風終止時間是第11s。（4）隨機風隨機風風速變化的隨機特性可用隨機噪聲風速成份來表示。隨機噪聲風用來描述相對高度上風速變化的隨機性，Vn的數(shù)學模型:V=VRam（一l,l）cos（+申）（35）nnmaxvv式（3.5）中：Vn為隨機風的風速，單位為m/s；Vnmax為隨機風的最大值，單位為m/s；Ram（1，1）為-1和1之間均勻分布的隨機數(shù)；叫為風速波動的平均距離，單

48、位為rad/s，一般v值取0.52n；%為02n間均勻分布的隨機量。噪聲風速模型如圖3.3。風力機模型風力機捕獲的風能與風速的立方成正比，同時還與風力機葉片的轉(zhuǎn)速及結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。根據(jù)風力機功率特性方程，有P=p兀R2v3C(3.6)2p式中：P是風力機機械效率，C是風能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，R是風輪機葉片半徑，兀R2是葉片掃掠面積，P是空氣密度，v是風速。由式(3.7)可知，當風速一定時，風力機機械功率的大小取決于C的大p小。C為風輪功率系數(shù)，它是葉尖速比入和葉片槳距角B的函數(shù)，根據(jù)貝p茨理論，風輪機最大的風能利用系數(shù)C為0.593。葉尖速比入即葉片的max3.7)葉尖線速度與風速之比，可表示為人=v

49、其中，3是風力機葉片旋轉(zhuǎn)的角速度。對于給定的葉尖速比入和葉片槳距角可用下式計算風能利用系數(shù):(3.8)116125C(九,卩)=022(亍-04卩5)ep九110.025。i其中：九=i九+0.08卩1+P3由上式根據(jù)不同的入、B計算得到的C，也即變槳距風輪機的性能曲p線。由式（3.8）可見，當槳距角B為恒定值時，C的大小與入有關(guān)，且僅p有一個使C最大的葉尖速比入，稱之為最佳葉尖速比九。因此當B恒定popt時，可用任一條C）曲線描述定槳距風輪機的運行特性。p在某一固定的風速下，隨著風輪機轉(zhuǎn)速的變化，葉片旋轉(zhuǎn)的角速度發(fā)生大變化，C也會相應(yīng)地變化，從而使風輪機的輸出機械功率發(fā)生變化。由p式（3.7

50、）和（3.8），可以得到風輪機輸出功率和風輪機角速度之間的表達式如下。R(3.9)P=P兀R2（）3C3九p要想風輪機實現(xiàn)最大的功率轉(zhuǎn)換效率，必須保證葉尖速比始終為最佳葉尖速比九，因此3將隨著風速的變化而變化。將不同風速時的最大功率opt點連接起來，即可得到風輪機的最佳功率曲線P，其功率表達式為optTOC o 1-5 h z1R(3.10) HYPERLINK l bookmark105 o Current Document P=P兀R2（）3C3 HYPERLINK l bookmark107 o Current Document opt2九本文中只考慮了驅(qū)動鏈，而對風機結(jié)構(gòu)的其他部分未加

51、以考慮。當模擬驅(qū)動鏈的時候，通常忽略機械部分的動態(tài)特性，因為相比于快速的電氣部分他們的動態(tài)響應(yīng)要慢很多，尤其是對于具有較高轉(zhuǎn)動慣量的機械。因此旋轉(zhuǎn)部分可以由一個簡單的運動方程表示：(3.11)其中：J是發(fā)電機旋轉(zhuǎn)模塊的總轉(zhuǎn)動慣量，3發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速率，Tm作用在與發(fā)電機相連的風力轉(zhuǎn)子上的機械轉(zhuǎn)矩，T是發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩，T機e0械摩擦阻力轉(zhuǎn)矩。3.4傳動裝置模型風力發(fā)電機組的傳動部分主要包括風輪(輪轂及葉片)、轉(zhuǎn)軸和齒輪箱。在電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真分析中，一般無需建立機械部分傳動機構(gòu)各個環(huán)節(jié)的詳細數(shù)學模型，傳動部分的損耗可忽略。齒輪箱和葉片用輪轂來連接，且輪轂具有較大的慣性，用一階慣性環(huán)節(jié)表示它兩邊的

52、轉(zhuǎn)距，表示如下12-13dT二丄(T-T)(3.12)dtTwtK其中：T表輸入齒輪箱的機械轉(zhuǎn)矩(p.u.)TT表示風力機葉片的輸出轉(zhuǎn)矩(p.u.)WT表示輪轂的慣性時間常數(shù)(s)K傳遞發(fā)電機和風力機之間轉(zhuǎn)矩的其實是齒輪箱和聯(lián)軸器，可用以下動態(tài)方程來描述：(升L|)(3.13)其中：Q表示風力機的機械角速度(p.u.)T表示齒輪箱的慣性時間常數(shù)(s)tT表示發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩(p.u.)和齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)矩(p.u.)MT表示齒輪箱的輸入機械轉(zhuǎn)矩(p.u.)T風力機的轉(zhuǎn)速在通常情況下基本保持不變，因此，我們用如下的方程來描述傳動部分模型：T沁T。TMdT1m二(T-T)(3.14)dtTWMW其中

53、：T表示風力機的慣性時間常數(shù)(s)WT表示發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩(p.u.)M風能的變化要超前于風力機輸出機械功率的變化，這是由于風力機的葉片和輪轂有較大的轉(zhuǎn)動慣量，如圖3.4所示是用一階慣性環(huán)節(jié)進行模擬的傳遞函數(shù)：圖3.4中的V,V,V,V分別表示來風速度、額定風速、風機啟動風速WRinout以及切出風速；P,T,P分別表示風力機吸收的風功率風力機吸收的風功WWM率、風力機的慣性時間常數(shù)以及風力機輸出的機械功率。風機的啟動風速、額定風速以及切出風速將風能曲線分為四段：VV,P二0；WinWVVV,P=f(九卩)WV2；inWRW2AWVVV,P二0。WoutW其中：f(九,卩)表示風力機葉片氣動特

54、征函數(shù)、入表示風力機葉尖速比、B表示槳距角、P表示空氣密度、A表示風機葉片的掃掠面積以及P表示N風力機額定功率。3.5槳距角控制模型風電機組的槳距角控制一般分為兩種，一種是主動失速控制，風電機組的輸出功率會隨著槳距角的減小而降低，此種控制方式主要用于恒速風電機組；另一種是槳距角控制，風電機組的輸出功率會隨著槳距角的增加而降低，此種控制方式主要用于變速風電機組，少量恒速風電機組中也有應(yīng)用。本文采用的是變槳距風力機模型，它通過風力機轉(zhuǎn)速偏差量來調(diào)節(jié)槳距角，其動態(tài)方程如下:坐=1(K.AQ-t)(3.15)dtTp其中：AQ表示風力機的轉(zhuǎn)速偏差(AQ=Q-Q)、K表示增益系數(shù)、0pt表示調(diào)節(jié)裝置的慣

55、性時間常數(shù)。變槳距風力機轉(zhuǎn)速控制框圖如圖2-4所示。q0圖3.5變槳距風力機轉(zhuǎn)速控制框圖+kpmaxiL*1+dsqImmQ變槳距風力機可以通過槳距控制系統(tǒng)對葉片的槳距角進行調(diào)節(jié)，從而使風力機獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩得到改變，保證輸出功率穩(wěn)定，在一定范圍內(nèi)提高了風能的利用效率。在調(diào)節(jié)功率時，變槳距風力機是不能完全依靠葉片的氣動性能的，因此，在不同的情況下，變槳距控制需要采用不同的策略：（1）當風速在額定風速以下時，控制器使槳距角接近于零度，等同于定槳距風力機，此時的風電機組輸出功率會隨風速的變化而變化，使得給定風速下的風電機組發(fā)出盡量多的電能，完成了風電機組功率的尋優(yōu)。（2）當風速在額定風速以上時，

56、變槳距機構(gòu)調(diào)節(jié)槳距角，使得風電機組的輸出功率保持在額定功率以內(nèi)（即限制輸出功率），同時保護機械機構(gòu)以避免過載或者使機械受到損壞。雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)模型雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾個組成部分：風力機、軸系（即機械傳動系統(tǒng)）和槳距角控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、雙饋異步發(fā)電機、無功功率控制系統(tǒng)、變頻器及其控制系統(tǒng)，雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖如圖3.6所示。在3.3節(jié)和3.5節(jié)已經(jīng)給出了風力機和槳距角控制系統(tǒng)的模型，這里將主要描述雙饋異步發(fā)電機的動態(tài)模型和控制系統(tǒng)模型。關(guān)于變頻器及其控制系統(tǒng)的模型在此不做詳細介紹。圖3.6雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)示意圖雙饋異步發(fā)電機動態(tài)模型13雙饋電機

57、電壓和磁鏈方程是按照電動機正方向的規(guī)定，并且在定子磁場同步旋轉(zhuǎn)的坐標系下建立的，方程用標幺值表示為：U=pk-k+rIdsdsqssds(3.16)U=pk-k+rIqsqsdssqsU=pk-sk+rIdrdrqrrdrU=pk+sk+rIqrqrdrrqrk=XI+xIdsssdsmdr(3.17)k=XI+xIqsssqsmqrk=XI+xIdrrrdrmdsk=XI+xIqrrrqrmqs式中：U表示定子電壓的d軸分量、U表示定子電壓的q軸分量；UTOC o 1-5 h zdsqsdr表示轉(zhuǎn)子外加電壓的d軸分量、U示轉(zhuǎn)子外加電壓的q軸分量；P=d/dtqr表示微分算子，k表示定子磁鏈的

58、d軸分量，k表示定子磁鏈的q軸分量；dsqsk示轉(zhuǎn)子磁鏈的d軸分量，k表示轉(zhuǎn)子磁鏈的q軸分量；I表示定子繞drqrds組電流的d軸分量、I表示定子繞組電流的q軸分量，I表示轉(zhuǎn)子繞組電qsdr流的d軸分量，I表示轉(zhuǎn)子繞組電流的q軸分量；其中公式中的X、Xqrssrr分別為：X二X+X,X二X+X。sssmrrrm忽略定子側(cè)的電阻和電磁暫態(tài)過程(即pk=pk=0,r=0),得到雙饋異dsqss步發(fā)電機的動態(tài)基本方程如下所示：U=-kdsqsU=kqsdS(3.18)U=pk-sk+rIdrdrqrrdrU=pk+sk+rIqrqrdrrqrTOC o 1-5 h zk=XI+xIdsssdsmdr

59、(3.19)k=XI+xIqsssqsmqrk=XI+xIdrrrdrmdsk=XI+xIqrrrqrmqs將式（2,20）代入式（2.19），得出：U一0-X0-xIdsssmdsUX0 x0Iqs=ssmqsUpx-sxr+pX-sXIdrmmrrrrrdrUsxpxsXr+pXIqrmmrrrrrqrU=u+jUsdsqs(3.20)經(jīng)整理得出：U=u+jUrdrqrI=I+jIsdsqsI=I+jIJrdrqr(3.21)UsUrjXss(p+js)xmjxmr+(p+js)Xrrr(3.22)(3.23)(3.24)E二jmkxrrr_XX-x2X=ssrrmXrrT=d0(3.25

60、)Xrrrr那么雙饋機的動態(tài)方程可表示如下:jX圖3.7雙饋電動機等值電路以下是將E、U、I分別用dq分量進行表示dEx1廠.1fU+sE-IE+(X-x)/XqrqT匚dssqs-d0dtdEX1rqJ=_U-sE-IE-(X-X)/dtXdrqT匚qssdsd0qrqrrdrqrrfE=xIdqrqrref圖3.8轉(zhuǎn)速控制傳遞函數(shù)框圖無功功率控制恒定功率因數(shù)控制和恒定電壓控制組成丁無功功率控制，本文中主要介紹恒功率因數(shù)控制(實際產(chǎn)品多應(yīng)用恒定功率因數(shù)控制)。雙饋異步風電機組定子側(cè)無功功率為：Q=-U(U-mI)(3.35)SsXxdrssss若采用恒功率因數(shù)控制時，則有Q=-Ptan屮(3