畢業(yè)論文-基于異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第頁(yè)HUNANUNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)設(shè)計(jì)論文題目：基于異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號(hào)：專(zhuān)業(yè)班級(jí)：學(xué)院名稱(chēng)：電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師：學(xué)院院長(zhǎng)：2015年05月20日摘要由于風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的不斷發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)也變得越來(lái)越重要。而目前風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)大多采用異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)使電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性降低。因此，研究風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的影響成為了目前迫切需要解決的問(wèn)題。本文以異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，通過(guò)運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)一個(gè)實(shí)例進(jìn)行仿真，并對(duì)風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析，尤其對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的影響做了更深入的研究。首先建立了異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，給后面的仿真分析建立了理論基礎(chǔ)。其次，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析，并提出如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的措施。關(guān)鍵詞:異步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)，電能質(zhì)量，電壓穩(wěn)定性，MATLAB軟件，動(dòng)態(tài)仿真THECONTROLOFGRID-CONNECTEDASYNCHRONOUSWINDPOWERSYSTEMAbstractWiththeexpansionofthewindpowerbusiness,thegridinterconnectionofwindfarmhasbecomeincreasinglyimportant.Now,theinterconnectionofwindfarmisusedmostlyasynchronouswindpowergenerator.Asynchronousmotorofwindgenerationinpowersystemmakesthepowerqualityandstabilityofpowergridisreduced.Therefore,studytheeffectofwindfarmofparalleloperationofpowersystemhasbecomethecurrenturgenttosolvetheproblem.Thispaperisbasedonasynchronousmotorwindpowersystem,combiningwithaninstanceofwindfarmswithpowergridinterconnectionstudyoftheinfluenceoftheelectricpowersystem,especiallyforpowersystemstabilityandtheinfluenceofpowerqualitymadeamorein-depthstudybyusingMATLAB.Firstly,setuptheasynchronousmotordynamicmathematicalmodelofwindpowersystem,thislaidatheoreticalfoundationtothebackofthesimulation.Secondly,theMATLABsoftwareisappliedtoimplementtheasynchronousmotoroperationofgrid-connectedwindfarmsisadynamicsimulationprogramandtheareanalyzed,andputsforwardsomemeasuresabouthowtoimprovethesystemstabilityandpowerquality.KeyWords：asynchronouswindpowersystem，synchronizeandclose，powerquality，voltagestability，MATLAB；dynamicsimulation目錄1緒論 11.1課題研究的背景和意義 11.2國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況 11.2.1世界風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況 11.2.2國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況 21.3論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容 22風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論 42.1并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電概述 42.2異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng) 62.2.1并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式 72.2.2串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式 72.3異步風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)簡(jiǎn)介 72.4異步風(fēng)電并網(wǎng)面臨的問(wèn)題 82.4.1電壓和頻率穩(wěn)定性問(wèn)題 82.4.2引起的諧波問(wèn)題 83異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本模塊與仿真 103.1前言 103.2風(fēng)速的模型 103.3風(fēng)力機(jī)模型 143.3.1風(fēng)輪的模型 143.3.2傳動(dòng)系統(tǒng)的模型 153.3.3槳距角模型 163.4異步電機(jī)模型 173.5風(fēng)電場(chǎng)的等值建模 194異步電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)仿真前有關(guān)計(jì)算 214.1常規(guī)元件的數(shù)學(xué)模型 214.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算 224.3相關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理 264.3.1同步電機(jī)節(jié)點(diǎn)處理 264.3.2異步電機(jī)節(jié)點(diǎn)處理 275異步電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行仿真分析 295.1MATLAB仿真軟件簡(jiǎn)介 295.2仿真實(shí)現(xiàn)方法 305.3仿真結(jié)果及分析 305.3.1在風(fēng)速擾動(dòng)的情況下的仿真結(jié)果 315.3.2當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)與系統(tǒng)解列情況下的仿真 355.3.3風(fēng)電場(chǎng)出口處發(fā)生短路故障時(shí)的仿真 376結(jié)論 42致謝 43參考文獻(xiàn) 441緒論1.1課題研究的背景和意義眾所周知，能源是我們國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展最為基礎(chǔ)性的產(chǎn)業(yè)。而隨著科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，那些受人類(lèi)依賴的化石能源（如天然氣，煤炭，石油等不可再生能源）正在逐漸變少，最終會(huì)走向枯竭。人們大量使用這些化石能源而產(chǎn)生的大量的廢氣，廢渣以及廢水，已經(jīng)不斷地造成環(huán)境污染，也影響著人類(lèi)日常的生活。目前，阻礙人類(lèi)跟社會(huì)健康發(fā)展的兩個(gè)最大難題就是：能源危機(jī)和環(huán)境污染。在環(huán)境污染和化石能源短缺日益嚴(yán)重的今天，充分利用和開(kāi)發(fā)可再生能源是解決環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題最好的選擇。風(fēng)能是一種可以持續(xù)的,沒(méi)有污染的清潔型能源[1]。跟其他可再生能源相比，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)最成熟而且規(guī)模最大。因此，風(fēng)能日益受到人類(lèi)的關(guān)注，而風(fēng)力發(fā)電也成為了目前發(fā)展速度最快的能源利用方式。研究關(guān)于風(fēng)力發(fā)電的問(wèn)題具有很重要的意義和價(jià)值。在過(guò)去的二十年里，大規(guī)模風(fēng)電控制技術(shù)也取得了令人驚嘆的成就。尤其是從兆瓦級(jí)大型風(fēng)電機(jī)組的投入運(yùn)行以來(lái)，建設(shè)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)成為了可能。目前，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中已經(jīng)占據(jù)了很大的重量，它的運(yùn)行狀況會(huì)直接影響電網(wǎng)的可靠性和安全性。除此以外，風(fēng)能還有間歇性和隨機(jī)性，這些特性使得它與常規(guī)發(fā)電機(jī)組有很大的差異。因此，為更加充分有效的利用風(fēng)能，深入研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的相關(guān)問(wèn)題是我們迫切需要的。1.2國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況1.2.1世界風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況2005年年底，全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到6000兆瓦。而自2005年以來(lái)，全球累計(jì)的裝機(jī)容量持續(xù)每年的平均增長(zhǎng)率是27.3%，新增裝機(jī)容量的增長(zhǎng)率是36.1%，是世界增長(zhǎng)率最高的能源。2010年全球的裝機(jī)容量高達(dá)196630兆瓦，而新增裝機(jī)容量就有37642兆瓦，跟去年相比同期增長(zhǎng)了23.6%[2]。目前在歐洲，西班牙、德國(guó)和意大利這三個(gè)國(guó)家的風(fēng)電裝機(jī)容量大概占了近65%。而英、法國(guó)、丹麥、奧地利、荷蘭、葡萄牙、愛(ài)爾蘭和瑞典等歐洲國(guó)家也在大力的發(fā)展風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)。除了歐洲之外，還有其它州的國(guó)家也在發(fā)展風(fēng)電，如美國(guó)、日本、中國(guó)、加拿大和印度等。世界上大約共有82個(gè)國(guó)家在積極開(kāi)發(fā)并運(yùn)用著風(fēng)能。海上的風(fēng)力資源條件比陸地上的要優(yōu)越。在歐洲，把風(fēng)電場(chǎng)從陸地搬到海上或近海的地方已經(jīng)成為了一種新的發(fā)展趨勢(shì)。風(fēng)電的發(fā)展可以總結(jié)為三個(gè)步驟：一是目前的技術(shù)，陸地上的風(fēng)電技術(shù)；二是正在研發(fā)的技術(shù)，近海的風(fēng)電技術(shù)；三是未來(lái)的趨勢(shì)，海上的風(fēng)電技術(shù)。到2010年，美國(guó)的裝機(jī)容量有明顯的下降，使得美國(guó)年度裝機(jī)容量第一次輸給中國(guó)。很多東歐國(guó)家的風(fēng)電發(fā)展都處于上升階段，但是一些西歐國(guó)家卻處于飽和狀態(tài)。而在非洲，風(fēng)電技術(shù)發(fā)展較好的主要集中在北非地區(qū)。1.2.2國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況自2003年以來(lái)，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量的年平均增長(zhǎng)率已經(jīng)達(dá)到70%以上。2009年年底，中國(guó)總的風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)2268萬(wàn)千瓦，已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行的容量達(dá)到1767萬(wàn)千瓦，吊裝容量的總量為2412萬(wàn)千瓦。在2010年，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電新增的裝機(jī)容量超過(guò)2000萬(wàn)千瓦，而到2010年年底，已經(jīng)超過(guò)美國(guó)，總裝機(jī)容量高于4500萬(wàn)千瓦，躍居世界第一的位子。我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)有廣闊的發(fā)展前景，主要有以下兩個(gè)原因：一是由于中國(guó)的風(fēng)力資源豐富，所以具有開(kāi)發(fā)風(fēng)電的潛力;二是因?yàn)槲覈?guó)政府的優(yōu)惠政策和鼓勵(lì)。根據(jù)國(guó)家氣象局勘測(cè)，我國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)存的總量約2.53億千瓦，居世界第三位，前兩名分別為美國(guó)和俄羅斯[3][4]。中國(guó)的風(fēng)能資源主要分布在兩個(gè)地帶：一是內(nèi)蒙古北部、新疆北部、甘肅以及松花江地帶。二是山東、東南沿海地區(qū)以及遼寧沿海地區(qū)。1.3論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容本文主要內(nèi)容安排如下：：介紹了課題研究的背景和意義，并介紹了國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況。：主要介紹了并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)知識(shí)和異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的類(lèi)型。還闡述了異步風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的基本內(nèi)容并對(duì)其面臨的問(wèn)題進(jìn)行了分析。：建立了風(fēng)速，風(fēng)力機(jī)以及異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型并對(duì)其進(jìn)行仿真。還討論了風(fēng)電機(jī)組的等值問(wèn)題。第四章：對(duì)異步電機(jī)以外常規(guī)用的元件動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型做了詳細(xì)的介紹，其中包括同步發(fā)電，轉(zhuǎn)速控制器以及勵(lì)磁系統(tǒng)。還介紹動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程中每一環(huán)節(jié)的處理方法,比如對(duì)系統(tǒng)初值的計(jì)算方法以及網(wǎng)絡(luò)方程的求解方法。第五章：簡(jiǎn)單的介紹了MATLAB仿真軟件以及Simulink基礎(chǔ)模塊庫(kù)。再對(duì)一個(gè)實(shí)例進(jìn)行了仿真。第六章：總結(jié)了課題的各項(xiàng)工作，得出本課題的結(jié)論。2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論2.1并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電概述風(fēng)力發(fā)電機(jī)按是否與電網(wǎng)連接，可以分成并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩大類(lèi)。并網(wǎng)型發(fā)電機(jī)組跟電網(wǎng)連接，發(fā)電頻率必須與電網(wǎng)頻率一致。風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，能得到電網(wǎng)的補(bǔ)償和支撐，這對(duì)開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源有很大的幫助。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）占地面積?。唬?）建設(shè)工期短；（3）可以做到無(wú)人值守。其不足之處為：（1）風(fēng)力機(jī)效率低；（2）不能大量存儲(chǔ)風(fēng)能。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程為：風(fēng)能→機(jī)械能→電能[5]。最后將把電能注入到電網(wǎng)中利用?？砂阉殖蓛蓚€(gè)步驟。第一步，把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。第二步，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。除此之外傳動(dòng)軸、齒輪箱以及偏航裝置和制動(dòng)系統(tǒng)等也有很重要的作用。并網(wǎng)型發(fā)電機(jī)組可以采用恒速恒頻和變速恒頻兩種。恒速恒頻發(fā)電機(jī)組（如圖2.1）一般都采用異步發(fā)電機(jī)組跟電網(wǎng)直接連接，發(fā)電頻率跟電網(wǎng)頻率一致，控制起來(lái)簡(jiǎn)單方便，不過(guò)轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)，所以葉速比沒(méi)法控制在風(fēng)能最佳捕獲點(diǎn)。圖2.1恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又可分為變槳距調(diào)節(jié)和定槳距失速調(diào)節(jié)兩類(lèi)[6][7]。變槳距是為了更有效的利用風(fēng)能，通過(guò)槳距調(diào)節(jié)，改變槳距角來(lái)調(diào)整輸出功率。工作原理為：當(dāng)風(fēng)速小于額定值時(shí)，槳距角在零度附近，隨著風(fēng)速的變化發(fā)電機(jī)輸出功率也會(huì)變化；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定值時(shí)，變槳距通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角使發(fā)電機(jī)輸出功率保持在允許范圍之內(nèi)。主要優(yōu)點(diǎn)是槳葉受力小，能捕獲更多的風(fēng)能，可有效的提高發(fā)電量。其主要不足之處是故障率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。定槳距是指輪轂與葉片連接在一起，其槳距角不變。失速性是指當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定值時(shí)，氣流的攻角會(huì)達(dá)失速條件，產(chǎn)生渦流，從而控制輸出功率和轉(zhuǎn)速。其主要優(yōu)點(diǎn)為調(diào)節(jié)控制簡(jiǎn)單。其不足之處是因葉片較重，使得機(jī)組整體效率下降。變速恒頻是指隨著風(fēng)速的變化，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也變化，再將其發(fā)出的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)相同頻率的電能輸送給電網(wǎng)。與恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組相比，由于使用了電力電子裝置連接電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)，大大降低了對(duì)電網(wǎng)和傳動(dòng)鏈的沖擊。因?yàn)檗D(zhuǎn)速和槳距角均可調(diào)節(jié)，所以把沖擊限制到最小的程度。在運(yùn)行時(shí)，如果控制方式不同會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩沖擊有非常大的影響。而且葉片沒(méi)有失速特性，漿距角跟轉(zhuǎn)速不能同時(shí)控制，當(dāng)遇到惡劣天氣時(shí)，可能因控制不理想而導(dǎo)致傳動(dòng)鏈上產(chǎn)生很大的沖擊。圖2.2雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)（如圖2.2）是目前發(fā)展最好的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[8]。用變槳距調(diào)節(jié)其槳葉，定子直接與電網(wǎng)相連，而轉(zhuǎn)子通過(guò)雙向變頻器與電網(wǎng)連接，從而實(shí)現(xiàn)功率雙向的特性。變頻器的成本較低，索取的容量較小。其主要缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性低。2.2異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)圖2.3籠型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)籠型異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。它是一種可逆電機(jī)，這種電機(jī)成本低，實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便。圖2.3是籠型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)原理圖。由風(fēng)輪機(jī)、鼠籠型異步發(fā)電機(jī)、變壓器、齒輪箱以及變流器等組成。此系統(tǒng)采用了籠型異步發(fā)電機(jī)。因?yàn)轱L(fēng)速一直在變化，為使風(fēng)能利用率最大，在額定風(fēng)速左右，發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。發(fā)電機(jī)控制方式有三種：轉(zhuǎn)矩控制，功率控制和轉(zhuǎn)速控制。一般采用轉(zhuǎn)速控制的方法，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)速和風(fēng)速控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)力機(jī)的輸出功率。發(fā)電機(jī)輸出的電能頻率和電壓都不是恒定值，因?yàn)殡S著風(fēng)速的變化發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在不斷變化，所以不能直接并入電網(wǎng)中。因此需要用交-直-交變流系統(tǒng)改變電能的頻率，使之與電網(wǎng)同頻后可并網(wǎng)。控制原理如下：并網(wǎng)逆變器使直流側(cè)電壓保持恒定，并且控制有功功率的傳輸和功率因數(shù)。發(fā)電側(cè)的變流器把直流電壓轉(zhuǎn)變成三相交流電，再與發(fā)電機(jī)定子繞組側(cè)相連，能量傳遞方向是：交流側(cè)→直流側(cè)。根據(jù)發(fā)電機(jī)，變換器和負(fù)載之間的連接方式，將異步電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)分為兩大類(lèi)：并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)。2.2.1并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式圖2.4并聯(lián)型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)如圖2.4所示，變換器在三相線上并聯(lián)，交流負(fù)載與異步發(fā)電機(jī)出線端連接。這種發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓的偏移應(yīng)滿足三相負(fù)載頻率的要求，所以原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍并不寬。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化較大時(shí)，雖可以恒壓輸出，因頻率變化比較大，所以沒(méi)什么實(shí)際意義。2.2.2串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式圖2.5串聯(lián)型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)是將變換器接在負(fù)載與異步發(fā)電機(jī)之間，變換器可以同時(shí)對(duì)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行控制。在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，不管電機(jī)輸出的電壓頻率怎么變化，PWM變換器負(fù)載側(cè)是穩(wěn)定的直流電。2.3異步風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)簡(jiǎn)介異步風(fēng)電機(jī)組的負(fù)荷是用轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)整，所以對(duì)調(diào)速精度的需求并不高，只需讓轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以并網(wǎng)。異步風(fēng)電機(jī)組控制裝置比較簡(jiǎn)單，過(guò)載能力很強(qiáng)，成本也比較低，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)非常穩(wěn)定不會(huì)發(fā)生振蕩和失步等現(xiàn)象。但它也有不足之處，主要表現(xiàn)為：風(fēng)電機(jī)組直接與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，使得電壓明顯下降并對(duì)電網(wǎng)的安全造成危險(xiǎn)；發(fā)電設(shè)備是異步發(fā)電機(jī)，本身不發(fā)出無(wú)功功率，它的運(yùn)行需無(wú)功補(bǔ)償，這使電網(wǎng)的無(wú)功負(fù)擔(dān)明顯加重；系統(tǒng)的電壓過(guò)高時(shí)導(dǎo)致磁路飽和，并使得無(wú)功勵(lì)磁電流和定子電流會(huì)大幅增加，從而無(wú)功功率因數(shù)會(huì)明顯下降。不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率大幅上升使異步電機(jī)從發(fā)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變成電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，相反如果不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率下降過(guò)大時(shí)，電流上升最終會(huì)導(dǎo)致過(guò)載。因此，異步風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)必須嚴(yán)格按要求規(guī)劃，設(shè)計(jì)和運(yùn)行并采取有效措施保證安全運(yùn)行。2.4異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)面臨的問(wèn)題[9-12]2.4.1電壓穩(wěn)定性問(wèn)題由于風(fēng)電場(chǎng)輸出功率會(huì)隨著風(fēng)速的變化而隨機(jī)變化，因此大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)穩(wěn)定性的一系列問(wèn)題。異步風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)需要從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功功率，這會(huì)引起電壓波動(dòng)而促使薄弱地區(qū)的電壓不穩(wěn)定，而這種連續(xù)的電壓波動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量問(wèn)題[13]。異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)一般采用直接并網(wǎng)的方式，測(cè)速裝置給出并網(wǎng)信號(hào)，再合上自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)完成并網(wǎng)。在極端裝了無(wú)功功率補(bǔ)償器，給系統(tǒng)提供并網(wǎng)時(shí)需要的激磁無(wú)功。電壓穩(wěn)定性問(wèn)題主要包括靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定兩大類(lèi)。風(fēng)力發(fā)電會(huì)降低動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性而提高靜態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，會(huì)吸收大量的無(wú)功，如果無(wú)功補(bǔ)償不足，就會(huì)引起電壓跌落，從而導(dǎo)致電壓波動(dòng)。如果機(jī)組的容量超過(guò)太多，引起的電壓波動(dòng)就會(huì)更大，因而會(huì)超出電網(wǎng)的允許范圍。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組停機(jī)后，需要的無(wú)功功率就會(huì)減少，容易導(dǎo)致電壓水平偏高的問(wèn)題。總之，風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)對(duì)于電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性有很大的影響。2.4.2引起的諧波問(wèn)題由于受到風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性的影響，風(fēng)電機(jī)組的有功輸出也不斷變化，在電網(wǎng)中，頻率的穩(wěn)定問(wèn)題也很明顯。其主要表現(xiàn)有以下兩個(gè)方面：有功功率的波動(dòng)會(huì)引起頻率變動(dòng)；改變風(fēng)電系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)會(huì)使頻率波動(dòng)速度明顯增加。在電網(wǎng)中，諧波是指電流或電壓的頻率大于基波頻率的整數(shù)倍。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生取決于大功率變換器或非線性負(fù)載。其中各種電力電子裝置中蒸餾裝置是最主要的諧波源之一，它會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染并消耗大量的無(wú)功功率。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)中諧波問(wèn)題會(huì)造成電能質(zhì)量的問(wèn)題。風(fēng)電機(jī)組機(jī)身產(chǎn)生的諧波是可以忽略不計(jì)的，而不管風(fēng)電機(jī)組的類(lèi)型如何，其中的電力電子元件就是產(chǎn)生諧波電流的真正來(lái)源。在發(fā)電機(jī)斷開(kāi)，三相短路故障以及風(fēng)速擾動(dòng)下，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大幅度頻率波動(dòng)。而對(duì)于大型電網(wǎng)，由于它有足夠的備用容量和較好的調(diào)節(jié)能力，所以一般不考慮頻率穩(wěn)定性的問(wèn)題。3異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本模塊與仿真3.1前言分析一個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性必需要建立一個(gè)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)涉及了多種復(fù)雜的學(xué)科，所以對(duì)它進(jìn)行準(zhǔn)確的描述非常艱難，可根據(jù)側(cè)重點(diǎn)的不同，可對(duì)相對(duì)次的地方做簡(jiǎn)化處理。通過(guò)動(dòng)態(tài)模型反映風(fēng)電系統(tǒng)隨風(fēng)速，風(fēng)向和各種擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)過(guò)程。因此，分析大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)時(shí)，建立一個(gè)嚴(yán)格并合理的動(dòng)態(tài)模型是至關(guān)重要的[14]。大規(guī)模直接并網(wǎng)的異步風(fēng)電系統(tǒng)的組成又以下四種[15]：1.風(fēng)速因空氣的流動(dòng)而帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)葉片而產(chǎn)生的能量叫做風(fēng)能。風(fēng)速作為風(fēng)電系統(tǒng)的原動(dòng)力具有間歇性和隨機(jī)性。風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)是捕獲風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。主要由葉片，齒輪箱，輪轂和聯(lián)軸器等部分組成。跟異步發(fā)電機(jī)連接，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大。它是并網(wǎng)型異步風(fēng)電機(jī)用來(lái)能量轉(zhuǎn)換的最重要的部分之一。異步發(fā)電機(jī)異步發(fā)電機(jī)常用在直接并網(wǎng)的風(fēng)電系統(tǒng)中。異步發(fā)電機(jī)的作用是把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。要實(shí)現(xiàn)從風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)變，風(fēng)力機(jī)跟異步發(fā)電機(jī)一個(gè)都不能少。補(bǔ)償電容器組通常，異步發(fā)電機(jī)機(jī)端必須裝有補(bǔ)償電容器組。其作用是隨著風(fēng)功率的變化而自動(dòng)投切，為異步電機(jī)提供激磁無(wú)功，使它的功率因數(shù)升高。3.2風(fēng)速的模型由于風(fēng)速是隨機(jī)的而且不可控制，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一直遭受大擾動(dòng)，這對(duì)電力系統(tǒng)以及機(jī)組本身都有不小的影響。所以，需要建立風(fēng)速模型，對(duì)風(fēng)速的變化進(jìn)行模擬，并研究系統(tǒng)的性能。風(fēng)速模型一般采用四個(gè)分量模型，分別為基本風(fēng)，陣風(fēng)，階躍風(fēng)跟隨機(jī)風(fēng)。可以用下面公式表達(dá)：(3.1)1.是基本風(fēng)分量基本風(fēng)在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)一直存在，表示風(fēng)速模型的平均值，由威布爾分布的數(shù)學(xué)期望值可以得到以下公式：(3.2)其中，是基本風(fēng)速；A是威布爾尺度參數(shù)；K是尺度參數(shù)。2.為陣風(fēng)分量陣風(fēng)用來(lái)表示風(fēng)速突然變化的特性，其數(shù)學(xué)模型為如下：(3.3)其中，表示陣風(fēng)的峰值風(fēng)速；和分別表示陣風(fēng)起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。3.為階躍風(fēng)分量表示風(fēng)速的漸變特性。其數(shù)學(xué)模型為：（3.4）其中:—階躍風(fēng)的啟動(dòng)時(shí)間；—終止時(shí)間；—保持時(shí)間；—階躍風(fēng)的峰值。4.為隨機(jī)風(fēng)分量風(fēng)速的隨機(jī)性通常都用隨機(jī)噪聲風(fēng)分量表示。根據(jù)以上公式可以建立風(fēng)速的仿真模型，如下圖所示：圖3.1風(fēng)速的仿真圖5.典型風(fēng)速的仿真a.基本風(fēng)+階躍風(fēng)基本風(fēng)的風(fēng)速=10m/s,階躍風(fēng)的=6m/s，=2s，=5s,仿真時(shí)間為10s。仿真結(jié)果如圖3.2所示。圖3.2基本風(fēng)+階躍風(fēng)仿真圖b.基本風(fēng)+陣風(fēng)基本風(fēng)的風(fēng)速=10m/s，陣風(fēng)的=6m/s，=2s,=3s。仿真運(yùn)行時(shí)間10s，仿真圖如圖3.3所示。圖3.3基本風(fēng)+陣風(fēng)仿真圖c.基本風(fēng)+隨機(jī)風(fēng)基本風(fēng)的風(fēng)速=10m/s,運(yùn)行時(shí)間為10s。仿真圖如圖3.4所示。圖3.4基本風(fēng)+隨機(jī)風(fēng)仿真圖d.基本風(fēng)+陣風(fēng)+階躍風(fēng)+隨機(jī)風(fēng)仿真圖如圖3.5所示。圖3.5風(fēng)速仿真結(jié)果圖3.3風(fēng)力機(jī)模型3.3.1風(fēng)輪的模型[16]風(fēng)輪是用來(lái)吸收風(fēng)能，并把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，它作為空氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是很復(fù)雜的，一般有三個(gè)葉片。在從風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過(guò)程中，風(fēng)力機(jī)的作用不能小覷，它決定了風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率。要建立風(fēng)輪模型需運(yùn)用葉素—?jiǎng)恿坷碚?。不過(guò)這種模型要知道三個(gè)葉片上風(fēng)速的具體分布和葉片葉型的主要參數(shù)，其計(jì)算非常復(fù)雜。如果把風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電表現(xiàn)作為重點(diǎn)，可以得到風(fēng)力機(jī)的風(fēng)功率方程式。(3.5）式中:—風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；—風(fēng)輪半徑；—空氣密度；—來(lái)流風(fēng)速；—風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度。關(guān)于計(jì)算風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換效率系數(shù)的公式通常采用:（3.6)式中，是風(fēng)輪葉尖速比，，其中是風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，R是葉片半徑；是槳距角。根據(jù)以上建立風(fēng)輪仿真模型如下圖3.6所示。圖3.6風(fēng)輪機(jī)仿真模型3.3.2傳動(dòng)系統(tǒng)的模型一般不是直驅(qū)式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)都由齒輪箱，低速軸，高速軸和風(fēng)輪轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)成，也可以說(shuō)由傳動(dòng)軸、齒輪箱和輪轂組成。輪轂的作用是連接齒輪箱和葉片，它具有很大的慣性，將其兩邊的轉(zhuǎn)矩用一階慣性環(huán)節(jié)模擬，則風(fēng)輪的運(yùn)動(dòng)方程為（3.7）其中：—輪轂慣性時(shí)間常數(shù)；—齒輪箱輸入側(cè)轉(zhuǎn)矩；—風(fēng)力機(jī)葉片輸出側(cè)轉(zhuǎn)矩。異步發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩是通過(guò)聯(lián)軸器和齒輪箱來(lái)傳遞，其運(yùn)動(dòng)方程為（3.8）其中：—齒輪箱輸入側(cè)轉(zhuǎn)矩；—齒輪箱輸出側(cè)轉(zhuǎn)矩；—風(fēng)力機(jī)機(jī)械角速度；—齒輪箱慣性時(shí)間常數(shù)。一般我們認(rèn)為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速是恒定不變的，所以有。傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作方程為(3.9)其中：—風(fēng)力機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)；—異步發(fā)電機(jī)輸入側(cè)轉(zhuǎn)矩；—風(fēng)力機(jī)葉片輸出轉(zhuǎn)矩。3.3.3槳距角模型[16]風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)是葉尖速比跟槳距角的函數(shù)，而風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行點(diǎn)會(huì)隨著風(fēng)速的變化而不斷變化。因此要對(duì)風(fēng)輪機(jī)進(jìn)行調(diào)整，才能保證風(fēng)輪機(jī)的平穩(wěn)輸出，風(fēng)速的轉(zhuǎn)換效率也得到改善。風(fēng)輪機(jī)主要有變槳距和定槳距兩種調(diào)節(jié)方式。定槳距是指葉片跟輪轂固定安裝在一起，因此槳距角也固定不變。而變槳距是根據(jù)風(fēng)速的變化，風(fēng)能控制系統(tǒng)會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)并改變槳距角的大小調(diào)節(jié)輸出電功率，這樣會(huì)明顯提高風(fēng)能的利用率。采用定槳距調(diào)節(jié)方法，當(dāng)風(fēng)速為額定值時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)的值不是最大值，就是說(shuō)風(fēng)速在到達(dá)額定值之前風(fēng)能利用系數(shù)就已經(jīng)達(dá)最大值，而風(fēng)速繼續(xù)升高到額定值時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)就會(huì)下降，導(dǎo)致與最大值有很大的偏差。所以，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率比較低。變槳距調(diào)節(jié)方式卻不同，它通過(guò)調(diào)整槳距角從而提高風(fēng)能利用率，在風(fēng)速低于額定值時(shí)風(fēng)力機(jī)會(huì)跟蹤風(fēng)能利用系數(shù)的最大值，而風(fēng)速高于額定值時(shí)輸出功率會(huì)恒定不變，因此，發(fā)電量也會(huì)有明顯的提高。下面介紹一種變槳距是用轉(zhuǎn)速來(lái)控制的模型。它的原理是通過(guò)風(fēng)力轉(zhuǎn)速的偏差來(lái)調(diào)節(jié)。其運(yùn)動(dòng)方程為：（3.10）其中:—增益系數(shù)；—調(diào)節(jié)裝置慣性時(shí)間常數(shù)；—風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速偏差，。3.4異步電機(jī)模型[17]本文建立的異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型是用三階暫態(tài)模型表示的。異步發(fā)電機(jī)暫態(tài)方程只考慮轉(zhuǎn)子繞組的暫態(tài)，而定子繞組暫態(tài)是直接可以忽略的。電壓方程為：（3.11）其中，d、q表示定子方程，D、Q表示轉(zhuǎn)子方程；表示定子的電阻表幺值，表示轉(zhuǎn)子的電阻表幺值；D、d表示直軸量，Q、q表示交軸量，Q軸超前D軸；是微分算子。磁鏈方程為：(3.12）式中，是激磁電抗標(biāo)幺值；是定子漏抗標(biāo)幺值；是轉(zhuǎn)子漏抗標(biāo)幺值。異步發(fā)電機(jī)暫態(tài)方程為：（3.13）而在同步速坐標(biāo)系下異步電機(jī)暫態(tài)方程為：（3.14）其中，s表示異步發(fā)電機(jī)滑差。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：（3.15）其中：—電磁轉(zhuǎn)矩；—機(jī)械轉(zhuǎn)矩；—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)。異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程如下：（3.16）式中，—定子電流的共軛；—輸入到異步電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩；—輸出電磁轉(zhuǎn)矩。3.7電容補(bǔ)償器如上圖所示為異步發(fā)電機(jī)的電容補(bǔ)償器的模型，這種電容器與異步發(fā)電機(jī)極端并聯(lián)，為異步電機(jī)提供部分的激磁無(wú)功功率，并使功率因數(shù)提高。由上圖可知其功率關(guān)系為：(3.17)其中：—異步電機(jī)自身吸收的無(wú)功；—異步電機(jī)實(shí)際吸收無(wú)功的；—電容器補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功。安裝補(bǔ)償電容器后，異步發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率明顯減小。從而可知，補(bǔ)償電容器有助于提高異步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。由于機(jī)端與補(bǔ)償電容器相連，所以異步風(fēng)電系統(tǒng)注入到電網(wǎng)的電流為。3.5風(fēng)電場(chǎng)的等值建模[18]風(fēng)電場(chǎng)的迅速發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有非常顯著的影響。風(fēng)電場(chǎng)一般包括很多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，容量非常大，如果對(duì)每一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組都進(jìn)行建模，會(huì)導(dǎo)致仿真計(jì)算量太大，時(shí)間也較長(zhǎng)，會(huì)嚴(yán)重影響仿真效率。所以研究風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的影響時(shí)，不需要對(duì)單臺(tái)機(jī)組進(jìn)行仿真，通常將由多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組組合成一整體進(jìn)行等值建模。目前，有以下幾種等值方法：（1）按優(yōu)化算法等值一般情況下，風(fēng)電場(chǎng)等值模型能反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)的穩(wěn)定和電網(wǎng)的功率損耗。而風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的一些等值參數(shù)不能完全表示出風(fēng)電場(chǎng)的輸入和輸出之間的關(guān)系。所以采用優(yōu)化算法來(lái)等值計(jì)算。（2）按容量加權(quán)等值這是相對(duì)簡(jiǎn)單的等值方法。假如忽略了電網(wǎng)中風(fēng)電場(chǎng)的功率損耗，可以把所有風(fēng)電機(jī)組看作是接在同一個(gè)母線上。因此可以根據(jù)容量加權(quán)法，把所有發(fā)電機(jī)組看作是一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。等值前要保證所有的發(fā)電機(jī)組要連接在同一條母線上，并且還要忽略電網(wǎng)中所有的風(fēng)速縫補(bǔ)和功率損耗。但實(shí)際情況下，因風(fēng)力機(jī)所受到的風(fēng)速的強(qiáng)度不同，從而會(huì)造成誤差。（3）采用攝動(dòng)法進(jìn)行等值這種等值方法是通過(guò)對(duì)風(fēng)力機(jī)組進(jìn)行降階的等值方法。指的是把整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的變化分為慢變化和快變化，快變化的狀態(tài)變量可以忽略，從而得到用慢變化的狀態(tài)變量來(lái)表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型。這種方法仿真時(shí)間較長(zhǎng)，精度不高。（4）采用在線測(cè)量法等值這種方法是通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的等值參數(shù)進(jìn)行辨別從而得到理想的等值參數(shù)。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)中異步電機(jī)的模型，可以完成發(fā)電機(jī)阻抗，慣性時(shí)間常數(shù)以及滑差的動(dòng)態(tài)等值模型。不過(guò)這種方法因只考慮了風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)械特性，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)等值模型的精度不夠。不同類(lèi)型的風(fēng)電場(chǎng)所用的等值方法都不同，而風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)等值模型能都能準(zhǔn)確無(wú)誤的表示出風(fēng)電場(chǎng)在擾動(dòng)和穩(wěn)定情況下的行為。本文重點(diǎn)研究風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)連接在一起后所引起的電壓穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量等方面的影響。所以仿真時(shí)應(yīng)忽略機(jī)組之間的相互作用，并將風(fēng)電場(chǎng)看作是電網(wǎng)中的一個(gè)獨(dú)立的元件。建立風(fēng)電機(jī)組等值模型的條件是假定它們?cè)谕瑯语L(fēng)速下運(yùn)行，并且被等值的風(fēng)電機(jī)組要有相同的型號(hào)。因此，把整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中所有相同型號(hào)的風(fēng)電機(jī)劃分為一個(gè)機(jī)群，再將每個(gè)機(jī)群等值為一臺(tái)風(fēng)電機(jī)。如果一個(gè)等值風(fēng)電機(jī)包含有n臺(tái)風(fēng)電機(jī)，那么各等值參數(shù)的計(jì)算公式如下：(3.17)其中，和分別表示異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的暫態(tài)時(shí)間常數(shù)和慣性時(shí)間常數(shù)，標(biāo)有（n）的是等值機(jī)組的參數(shù)。4異步電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)仿真前有關(guān)計(jì)算4.1常規(guī)元件的數(shù)學(xué)模型在電力系統(tǒng)中，風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)仿真程序都包含以下四種：異步電機(jī)風(fēng)電機(jī)組、同步發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)速控制器和勵(lì)磁系統(tǒng)。（1）同步電機(jī)模型假設(shè)為轉(zhuǎn)子q軸跟參考軸間的電角度；是同步電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)；是同步電機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；為同步電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩；為d軸開(kāi)路暫態(tài)時(shí)間常數(shù)；是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；是發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；是發(fā)電機(jī)直軸同步電抗；為暫態(tài)電抗；是歷次電勢(shì)；是q軸暫態(tài)電勢(shì)；是定子電流直軸分量；而D則是轉(zhuǎn)子的阻尼系數(shù)。因此其三階暫態(tài)模型[19]為：（4.1）而它的定子電壓方程為：（4.2）式中，、分別是定子電壓直軸，交軸的分量；是定子電流交軸分量；表示交軸同步電抗；是定子電阻。（2）轉(zhuǎn)速控制器假設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度為；同步轉(zhuǎn)速為=1；比例環(huán)節(jié)增益和積分換屆增益分別為和；是失靈區(qū)；而一階慣性環(huán)節(jié)系數(shù)表示為。則轉(zhuǎn)速控制器的簡(jiǎn)單模型如下圖4.1所示。圖4.1轉(zhuǎn)速控制器框圖（3）勵(lì)磁系統(tǒng)模型勵(lì)磁系統(tǒng)的作用是給發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁功率，調(diào)節(jié)電壓，并使發(fā)電機(jī)端電壓保持恒定不變[19]。如圖4.2所示。圖4.2靜止勵(lì)磁系統(tǒng)圖中的，和表示超前和之后環(huán)節(jié)系數(shù)；是勵(lì)磁系統(tǒng)的參考電壓；而是發(fā)電機(jī)端電壓；是勵(lì)磁電壓限制幅值；和是慣性放大環(huán)節(jié)的有關(guān)系數(shù)。4.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算[20]同步發(fā)電機(jī)，負(fù)荷以及異步發(fā)電機(jī)的初值計(jì)算是在做動(dòng)態(tài)仿真之前必須要做的。下面分別對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。（1）同步發(fā)電機(jī)初值的計(jì)算同步發(fā)電機(jī)注入電流系統(tǒng)的電流為如下：(4.3）其中，下標(biāo)為x和y表示的是同步速坐標(biāo)下的值。表示極端電壓的共軛，而各機(jī)端電壓為。各發(fā)電機(jī)注入系統(tǒng)中的功率為，則表示發(fā)電機(jī)注入功率。從而可以求出：(4.4)式中，表示虛構(gòu)電勢(shì)；表示發(fā)電機(jī)定子電流；表示交軸同步電抗。從上式可以求出轉(zhuǎn)子攻角的初值：（4.5）如果系統(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)時(shí)，即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是以同步速旋轉(zhuǎn)。發(fā)電子定子的電壓d、q分量的表達(dá)式為：（4.6）而定子電流的d、q分量的表達(dá)式為：(4.7)暫態(tài)電勢(shì)q軸分量的值為：（4.8）而勵(lì)磁電壓的初值可求出：（4.9）假設(shè)表示的是極端電壓初值的幅值，則參考電壓為：(4.10)發(fā)電機(jī)電磁功率的公式如下：（4.11）式中，表示原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率，系統(tǒng)運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)時(shí)原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率與發(fā)電機(jī)機(jī)械功率相等。（2）負(fù)荷的初值計(jì)算負(fù)荷等值導(dǎo)納的表達(dá)式為：(4.12)式中，表示負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓；是負(fù)荷吸收的功率；則表示負(fù)荷吸收功率的共軛。此等值導(dǎo)納在整個(gè)仿真過(guò)程中保持不變，屬于恒定的阻抗模擬負(fù)荷。（3）異步發(fā)電機(jī)初值計(jì)算如圖4.3所示，異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行后會(huì)發(fā)出無(wú)功而會(huì)吸收大量無(wú)功，因此在仿真過(guò)程中可看作是動(dòng)態(tài)負(fù)荷，其有功是負(fù)值。圖4.3異步發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)連接其中，是暫態(tài)電抗；是暫態(tài)電勢(shì)；表示釘子電阻；表示極端補(bǔ)償電容器；表示的是阻抗歸算系數(shù)；Q是吸收的無(wú)功?？傻孟旅娴墓剑?4.13)式中，；；是有名值。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，。因此可得：(4.14)（4.15）式中，表示等值暫態(tài)電流；則表示等值暫態(tài)電勢(shì)；是穩(wěn)態(tài)時(shí)的端電壓。從以上兩個(gè)式子解得：(4.16)其中：（4.17）再由公式：（4.18）可得：（4.19）因此可得求解的公式：（4.20）電磁轉(zhuǎn)矩初值為：（4.21）（4）風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真如圖4.4所示：圖4.4動(dòng)態(tài)仿真程序圖4.3相關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理假設(shè)和是個(gè)節(jié)電的電壓和電流；是狀態(tài)變量；是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣。則可得網(wǎng)絡(luò)方程：(4.22)此方程是用導(dǎo)納矩陣表示的，表示節(jié)點(diǎn)電流，它由異步電機(jī)定子電壓方程、負(fù)荷功率方程和同步定子電壓方程等決定。處理系統(tǒng)各個(gè)元件的節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題是求解網(wǎng)絡(luò)方程最為關(guān)鍵的過(guò)程。4.3.1同步電機(jī)節(jié)點(diǎn)處理可寫(xiě)出同步發(fā)電機(jī)定子的電壓方程的矩陣形式為：（4.23）將d、q軸分量轉(zhuǎn)換成x、y軸分量，可得：（4.24）有上式解出：（4.25）式中：（4.26）經(jīng)過(guò)一系列移項(xiàng)合并解得發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)注入電流：（4.27）式中，應(yīng)該提前解出和的值；下標(biāo)有和的典雅和電流會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。4.3.2異步電機(jī)節(jié)點(diǎn)處理異步發(fā)電機(jī)的定子電壓方程式的矩陣形式為：（4.28）其中，。解得：（4.29）將上式中導(dǎo)納矩陣元素修正為自導(dǎo)鈉元素，并需提前解出和及的值，則可得其注入電流的表達(dá)式：（4.30）因用恒定的阻抗來(lái)替代負(fù)荷，其注入電流的方程為：（4.31）5異步電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行仿真分析5.1MATLAB仿真軟件簡(jiǎn)介MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)稱(chēng)，它有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)計(jì)算，文字處理，專(zhuān)業(yè)的符號(hào)計(jì)算，建模仿真和實(shí)時(shí)控制等諸多能力。它基本的數(shù)據(jù)單位是矩陣，而它指令的表達(dá)式與工程和數(shù)學(xué)上經(jīng)常用到的形式極其相似，所以用MATLAB來(lái)解決一些問(wèn)題非常簡(jiǎn)單方便。MATLAB的適用范圍也十分廣泛，主要包括通訊，測(cè)量和測(cè)試，信號(hào)或圖像處理器，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及計(jì)算生物學(xué)等領(lǐng)域。MATLAB主要特點(diǎn)有以下：（1）用起來(lái)簡(jiǎn)單方便，語(yǔ)言簡(jiǎn)潔，庫(kù)函數(shù)非常豐富（2）運(yùn)算符也很豐富，語(yǔ)法限制不是很?chē)?yán)格。（3）圖形功能很強(qiáng)大，工具箱的功能也很強(qiáng)勁。（4）與其他高級(jí)程序相比，MATLAB執(zhí)行程序的速度比較慢等。圖5.1Simulink瀏覽器Simulink基本模塊庫(kù)是MATLAB的一個(gè)附加組件，它的功能是對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真并對(duì)其分析，它還提供了很多仿真模塊。Simulink仿真和分析的主要步驟為如下：先從模塊庫(kù)中選出需要的進(jìn)本模塊，再把模塊連接起來(lái)建立成為結(jié)構(gòu)圖，并設(shè)置器仿真的參數(shù)，最后進(jìn)行仿真并分析其仿真結(jié)果。Simulink的基本模塊庫(kù)瀏覽器如圖5.1所示為。5.2仿真實(shí)現(xiàn)方法基于異步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)仿真須以下幾個(gè)步驟來(lái)完成：（1）首先通過(guò)M文件錄入原始數(shù)據(jù)。主要包括同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)，異步發(fā)電機(jī)的系數(shù)，勵(lì)磁系統(tǒng)的參數(shù)，轉(zhuǎn)速控制器的參數(shù)，風(fēng)力機(jī)參數(shù)，風(fēng)速模型的參數(shù)以及系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的電壓信息和支路信息等。（2）對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算，這個(gè)也通過(guò)M文件來(lái)完成。（3）對(duì)系統(tǒng)各元件進(jìn)行初值計(jì)算，其中包括對(duì)風(fēng)速，同步發(fā)電機(jī)，風(fēng)力機(jī)，異步發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)等進(jìn)行計(jì)算。（4）最后是對(duì)其計(jì)算動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算。圖5.2單一仿真步長(zhǎng)內(nèi)各元件變量傳遞關(guān)系圖5.2中，同步發(fā)電機(jī)模塊用S函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其三階模型；Simulink模塊庫(kù)主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)、傳動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)速控制器的模塊；異步發(fā)電機(jī)模塊同樣用S函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其三階模型。S函數(shù)還用來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速模型以及求解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)代數(shù)方程。5.3仿真結(jié)果及分析下面列舉一個(gè)實(shí)例并對(duì)其進(jìn)行仿真與分析。如圖5.3所示。風(fēng)電場(chǎng)接于電網(wǎng)的末端，選用的異步電機(jī)容量為600千瓦。圖5.3典型風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)接線圖5.3.1在風(fēng)速擾動(dòng)的情況下的仿真結(jié)果（1）風(fēng)速為陣風(fēng)時(shí)的仿真分析如果陣風(fēng)啟動(dòng)時(shí)間為為1s,持續(xù)時(shí)間為5s,陣風(fēng)的峰值風(fēng)速為6m/s，仿真時(shí)間為10s時(shí)的仿真結(jié)果如下：圖5.4.1風(fēng)速仿真圖圖5.4.1風(fēng)速仿真圖圖5.4.1陣風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.4.2陣風(fēng)電壓仿真圖圖5.4.1陣風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.4.2陣風(fēng)電壓仿真圖圖5.4.3陣風(fēng)有功功率仿真圖圖5.4.4陣風(fēng)無(wú)功功率仿真圖由上圖可知，陣風(fēng)的情況下沒(méi)有導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停機(jī)，風(fēng)速初始值保持在風(fēng)速額定值附近。還可看出，隨著風(fēng)速的增加有功功率會(huì)增加，而風(fēng)速下降時(shí)也會(huì)跟著下降，他們之間有時(shí)間上的滯后。如果有功功率上升時(shí)，無(wú)功功率也會(huì)上升，從而導(dǎo)致電壓的下降。圖5.4.3陣風(fēng)有功功率仿真圖圖5.4.4陣風(fēng)無(wú)功功率仿真圖而同步電機(jī)的有功和無(wú)功的仿真圖如下所示：圖5.4.5同步電機(jī)有功功率圖5.4.6同步電機(jī)無(wú)功功率圖5.4.5同步電機(jī)有功功率圖5.4.6同步電機(jī)無(wú)功功率由圖可知，同步電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的變化與風(fēng)電場(chǎng)是正好相反的，這正好滿足功率平衡。假設(shè)陣風(fēng)的峰值風(fēng)速為10m/s時(shí)的仿真如為：圖5.5.1陣風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.5.2陣風(fēng)電壓仿真圖圖5.5.1陣風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.5.2陣風(fēng)電壓仿真圖圖5.5.3陣風(fēng)有功功率仿真圖圖5.5.4陣風(fēng)無(wú)功功率仿真圖圖5.5.3陣風(fēng)有功功率仿真圖圖5.5.4陣風(fēng)無(wú)功功率仿真圖分析可知，在3s左右的時(shí)候風(fēng)速已經(jīng)超過(guò)了切機(jī)風(fēng)速，因此風(fēng)力機(jī)需要停機(jī)。在這之前，隨著風(fēng)速的增加有功功率和無(wú)功功率都會(huì)增加，從而電壓會(huì)減小。而停機(jī)之后有功和無(wú)功都會(huì)下降，電壓就會(huì)上升。（2）風(fēng)速為階躍風(fēng)是的仿真假設(shè)階躍風(fēng)的啟動(dòng)、終止、保持時(shí)間分別為1s、6s、4s，峰值為6m/s時(shí)仿真圖為：圖5.6.1階躍風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.6.2階躍風(fēng)電壓仿真圖圖5.6.1階躍風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.6.2階躍風(fēng)電壓仿真圖圖5.6.3階躍風(fēng)有功功率仿真圖圖5.6.3階躍風(fēng)無(wú)功功率仿真圖圖5.6.3階躍風(fēng)有功功率仿真圖圖5.6.3階躍風(fēng)無(wú)功功率仿真圖從上圖可看出，隨著風(fēng)速的增加有功和無(wú)功功率都會(huì)上升，而電壓就會(huì)下降。當(dāng)峰值為10m/s是仿真圖如下圖：圖5.7.1階躍風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.7.2階躍風(fēng)電壓仿真圖圖5.7.1階躍風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.7.2階躍風(fēng)電壓仿真圖圖5.7.3階躍風(fēng)有功功率仿真圖圖5.7.4階躍風(fēng)無(wú)功功率仿真圖從風(fēng)速曲線可看出，在5.5s左右風(fēng)速的值超過(guò)了切機(jī)風(fēng)速，從而導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)停機(jī)。在這之前，風(fēng)速