【文章內(nèi)容簡介】 ，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) ω =2πf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： fs=f0s （）其中：fs為轉(zhuǎn)子勵磁電流的頻率，f0為定子電流的頻率。 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，而是同時具有二者的某些特點。雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)的示意圖如圖 所示圖 雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)示意圖由圖 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時，槳距角為 0176。，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 T 型等效電路雙饋式感應(yīng)發(fā)電機 T 型等值電路如圖 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)。圖 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： Us=EsIs（Rs+jX1s）Urs=Er+Ir（Rrs+jX1r） Ir=Is+Im Es=ImjXm Er=Es （）其中:Us、:Ur分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組電壓向量，Es、Er分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢向量，Is、Ir、Im分別為定子電流、轉(zhuǎn)子電流和勵磁電流向量，X1s、X1r、Xm分別為定子漏抗、轉(zhuǎn)子漏抗和勵磁電抗。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)子方可以分別表示為： Pe=Ps+PCu+PFe=Re(Us Is* )+ RsIs2+PFe （） Pe=RrsIr2+Re(UrsIr*) （）式（）又可以重寫為 Pe=RrIr2+ Re(Us Is* ) 1ssRrIr2+Re(1ssUr Ir* ) ()由上式可以看出，RsIsRrIr2分別為定、轉(zhuǎn)子銅耗，PFe為定子鐵耗，Re(Us Is* )為定子端輸出的有功功率，Re（Ur Ir* )為勵磁系統(tǒng)向發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路輸入的功率，記為Pr； 1ssRrIr2+Re(1ssUr Ir* )即Pmec，為發(fā)電機軸所產(chǎn)生的機械功率。式（）又可以重寫為sPe=RrIr2+ Re(Ur Ir* ) （）因此可以得出：Pmec=（1 s）Pe （）Pr= sPe+RrIr2 （） 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： Pr= sPs （）當 0s 1，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態(tài)。圖 即為不同運行狀態(tài)下雙饋機的實際功率流向。 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 0s1，雙饋發(fā)電機運行在次同步發(fā)電狀態(tài)時sPr0,Pmec0, 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)子回路潰入功率，如圖 a)所示；當 s0，超同步發(fā)電運行狀態(tài)時，sPr0,Pmec0, ，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 c)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，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 b)、 d)所示，這里不作深入討論。第三章 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(xué)建模。數(shù)學(xué)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(xué)模型做詳細闡述。風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括風速模型、風力機模型、雙饋型異步風力發(fā)電機模型。其中風速模型采用國際上普遍公認的四分量模型。風力機模型又包含風能轉(zhuǎn)換過程模型、傳動裝置模型和漿距角控制裝置模型。最后闡述了用于暫態(tài)仿真的雙饋型異步風力發(fā)電機的發(fā)電原理并詳細推導(dǎo)了雙饋型異步風力發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型。 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。(1) 基本風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(xué)期望值可以得到: v= Aτ（1 +1K） ()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)，τ（1 +1K）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：vcos=MaxG21cos2（ttσt1σtσ）π。tσ,t1σ和MaxG分別為陣風作用時間、陣風啟動時間和陣風最大值。圖 描述了模擬的陣風風速時間序列，其中基本風速為 8m/s， 陣風最大值為14m/s，陣風啟動時間是在第 3s 時，陣風作用時間為 6s。圖 陣風風速時間序列 (3) 漸變風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vr。漸變風用來描述風速緩慢變化的特點，其具體數(shù)學(xué)公式如公式（34）。 （34）式（34）中如公式（35）： （35）為漸變風開始時間，單位s；為漸變風終止時間,單位s，,為不同時刻漸變風風速，單位 m/s； 為漸變風的最大值，單位 m/s；T為漸變風保持時間，單位s。圖 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。圖 漸變風風速時間序列 (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[8],的數(shù)學(xué)模型： （）式（36）中： 為隨機風的風速，單位為m/s；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)；為風速波動的平均距離，單位為rad/s，～2π；為0～2π 間均勻分布的隨機量。噪聲風速模型如圖37 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=12ρ?πR2?v3?CP () 式中：P是風力機機械效率，CP是風能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，R是風輪機葉片半徑，πR2是葉片掃掠面積，ρ是空氣密度，v是風速。由式()可知，當風速一定時，風力機機械功率的大小取決于Cp的大小。Cp為風輪功率系數(shù)，它是葉尖速比λ 和葉片槳距角β 的函數(shù)，根據(jù)貝茨理論，風輪機最大的風能利用系數(shù)Cmax為 。葉尖速比 λ 即葉片的葉尖線速度與風速之比，可表示為λ=ωRv （）其中，ω 是風力機葉片旋轉(zhuǎn)的角速度。對于給定的葉尖速比λ 和葉片槳距角β ，可用下式計算風能利用系數(shù)： CP(λ, β)= ()其中：λi=11λ++β3由上式根據(jù)不同的λ 、β 計算得到的Cp，也即變槳距風輪機的性能曲線如圖 。圖 Cp與 β 和 λ 的對應(yīng)關(guān)系由圖 可見，當槳距角β 為恒定值時，Cp的大小與 λ 有關(guān)，且僅有一個使 Cp最大的葉尖速比λ ，稱之為最佳葉尖速比λopt。因此當β 恒定時，可用任一條Cp（λ）曲線描述定槳距風輪機的運行特性。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，Cp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。由式（）和（），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。P=12ρ?πR2?(Rλ)3?CP ?ω3 () 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λopt，因此ω 將隨著風速的變化而變化。將不同風速時的最大功率點連接起來，即可得到風輪機的最佳功率曲線Popt，其功率表達式為 Popt=12ρ?πR2?(Rλ)3?Cpmax ?ω3 （）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：Jdωdt=TmTeT0 （）其中：J 是發(fā)電機旋轉(zhuǎn)模塊的總轉(zhuǎn)動慣量，ω 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，Te是發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩，T0機械摩擦阻力轉(zhuǎn)矩。 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(xué)模型，傳動部分的損耗也可忽略。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)來表示它兩邊的轉(zhuǎn)距，表示如下： dTdt =1 TK(TwTT) （）其中： TT表輸入齒輪箱的機械轉(zhuǎn)矩(.) Tw表示風力機葉片的輸出轉(zhuǎn)矩（.） TK表示輪轂的慣性時間常數(shù)(s)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： dΩdt =1 Tt(TTTM) （）其中：Ω表示風力機的機械角速度（.)Tt,表示齒輪箱的慣性時間常數(shù)(s)TM表不發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩(.)和齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)矩(.)TT表示齒輪箱的輸入機械轉(zhuǎn)矩(.)風力機的轉(zhuǎn)速在通常情況下基本保持不變，即；,。因此，我們用如下的方程來描述傳動部分模型：TT≈TM dTMdt =1 TW(TwTM) （）其中： Tw表示風力機的慣性時間常數(shù)(s) TM表示發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩(.)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23所示是用一階慣性環(huán)節(jié)進行模擬的傳遞函數(shù)：圖23風力機的傳遞函數(shù)圖23中的VW, VR, Vin，Vout分別表示來風速度、額定風速、風機啟動風速以及切出風速；PW，TW，PM分別表示風力機吸收的風功率風力機吸收的風功率、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：(1) VWVin，PW=0。(2) Vin≤VWVR，PW=f（d,h）?12WAVW2。(3) VR≤VWVout，PW=PN。(4) VW≥Vout，PW=0。其中：f(λ，β)表示風力機葉片氣動特征函數(shù)、λ表示風力機葉尖速比、β表示示槳距角、ρ表示空氣密度、A表示風機葉片的掃掠面積以及PN表示風力機