【正文】 并網(wǎng)以后雖然受到了電網(wǎng)的干擾，但轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速后再沒有多大變化；電流的波形雖然是正弦的，但整體的趨向也發(fā)生了相應(yīng)的波動。 根據(jù)風(fēng)速模型的仿真曲線，分析風(fēng)輪機和發(fā)電機各部分曲線的變化情況和整個系統(tǒng)的仿真曲線圖。通過風(fēng)輪機槳距角控制系統(tǒng)對葉片槳距角進行控制，使風(fēng)力發(fā)電機組的機械部分與發(fā)電機的電氣部分配合，達到提高風(fēng)能利用效率及改善供電質(zhì)量的目的。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略是以風(fēng)速的變化為依據(jù)，風(fēng)能的最大利用效率為目的，為優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行特性提出的控制方案。由于風(fēng)能的不規(guī)則特性，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn)定有很大的影響，也使功率曲線的優(yōu)化產(chǎn)生了一定的困難。如果風(fēng)速繼續(xù)增大，則風(fēng)輪的節(jié)距角會繼續(xù)增大，直到風(fēng)力發(fā)電機不能承受的風(fēng)速出現(xiàn)時，槳距角變?yōu)?0度后自動停機。當風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)速達到給定值時，葉片的節(jié)距就會增加以抵御風(fēng)速增加的作用，則風(fēng)速的增加會使葉尖速比降低，使風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)速提升，這時控制器增大了節(jié)距角，則減小了槳葉的攻角，使得氣流沒有在槳葉表面產(chǎn)生分離。通過觀察風(fēng)輪機的響應(yīng)，可對控制器的性能作出定性的分析。在高于額定風(fēng)速時，對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的控制過程要求比較高。這時葉片吸收的風(fēng)能達到了最大，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。功率反饋信號與給定值進行比較，當功率超過額定功率時，槳葉節(jié)距就圖434 高于額定風(fēng)速時的變槳距控制模擬仿真結(jié)果向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個小的角度。圖432 高于額定風(fēng)速時風(fēng)輪機轉(zhuǎn)矩模擬仿真結(jié)果圖433 高于額定風(fēng)速時風(fēng)輪機功率模擬仿真結(jié)果 變槳距控制模擬仿真結(jié)果分析高于額定風(fēng)速的變槳控制系統(tǒng)受到發(fā)電機轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的雙重控制，當風(fēng)速大幅度變化時在保持風(fēng)力發(fā)電機恒定的功率輸出，通過調(diào)節(jié)風(fēng)輪機的功率系數(shù)，將功率輸出限制在允許的范圍內(nèi)，同時也使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速能隨功率的輸出作快速的變化。風(fēng)輪機的機械功率是低風(fēng)速時風(fēng)輪產(chǎn)生的氣動功率，與風(fēng)速和瞬時值有關(guān)，功率極限取作恒定的話，電磁功率輸出如圖433所示。由于風(fēng)模型的輸入具有一定的波動性,使得受到一定的影響。發(fā)電機并入電網(wǎng)后，在3s時出現(xiàn)的陣性風(fēng)和4s時出現(xiàn)的漸變風(fēng)影響了發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了一定的突然的升高，而后又下降到了略高于額定轉(zhuǎn)速的附近運行，最終達到穩(wěn)定運行狀態(tài)。這樣,發(fā)電機的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)速標玄值)―，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化是很微小的，對發(fā)電機輸出功率的影響也是微乎其微的，同樣對電力系統(tǒng)的影響也是很小的。在高于額定風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機達到轉(zhuǎn)速有限或功率極限，因此必須在小的下運行，但必須控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在略高于額定轉(zhuǎn)速附近運行，這樣才能保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全性。 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制器是一個六階的動態(tài)模型，發(fā)電機制轉(zhuǎn)速輸入值是根據(jù)發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩在模塊中進行計算而得到的，同樣在發(fā)電機并入電網(wǎng)后進入額定運行狀態(tài)時,其輸出的轉(zhuǎn)速還是保持在恒定轉(zhuǎn)速。通常采用兩個方法控制風(fēng)輪的功率系數(shù)，一是控制發(fā)電機的反力矩，通過改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)輪的葉尖速比；二是改變槳葉節(jié)距角以改變空氣動力轉(zhuǎn)矩。因此在高風(fēng)速下，當風(fēng)速作大幅度變化時，保持發(fā)電機組恒定的功率輸出，并使風(fēng)力發(fā)電機組的傳動系統(tǒng)具有良好的柔性，是高于額定風(fēng)速時控制系統(tǒng)的基本目標。 高于額定風(fēng)速時控制的模擬仿真結(jié)果分析風(fēng)力發(fā)電機組的變速運行可以使機組在風(fēng)速大范圍內(nèi)變化時增加能量的獲得,但在高風(fēng)速狀態(tài)下,能量的獲取將受到機組物理性能的限制。由圖46的模擬仿真結(jié)果可知，風(fēng)力發(fā)電機在并網(wǎng)時電壓和電流均出現(xiàn)了沖擊，為了確保并網(wǎng)平穩(wěn)，對電網(wǎng)產(chǎn)生盡可能小的沖擊，變槳距系統(tǒng)可以在一定時間內(nèi)，保持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速附近，尋找最佳時機并網(wǎng)。在低于額定風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機組經(jīng)歷了從起動到并網(wǎng)或在正常運行時進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等的控制過程，所以風(fēng)力發(fā)電對控制系統(tǒng)的要求很高。在發(fā)電機并入電網(wǎng)后，這時葉片吸收的風(fēng)能達到了最大，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。在槳距變小的過程中，葉片吸收風(fēng)功率在逐漸的增加，同樣葉片的轉(zhuǎn)速也逐漸圖427 并網(wǎng)后風(fēng)輪機轉(zhuǎn)矩受風(fēng)影響的模擬仿真結(jié)果加快，則風(fēng)輪機的輸出功率在不斷增大，帶動異步發(fā)電機轉(zhuǎn)動，從而發(fā)出電來。如果根據(jù)實際的原理分析的話，當風(fēng)輪加速時電功率應(yīng)該大于機械功率，但由于實際中存在一定的誤差，所以沒有太大的變化。風(fēng)輪機的機械功率是低風(fēng)速時風(fēng)輪產(chǎn)生的氣動功率，與風(fēng)速和瞬時值有關(guān)，功率極限取作恒定的話，功率輸出如圖426所示。但在并網(wǎng)時風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)矩沒有太大的變化，曲線在不斷的上升。 風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速控制是根據(jù)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速反饋值和給定值進行選擇，然后利用乘法器乘以轉(zhuǎn)速的基準值314rad/s得到風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速的值，輸入到風(fēng)輪機并對風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)速進行控制的。圖425 低于額定風(fēng)速時發(fā)電機起動時轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果發(fā)電機在準備起動時轉(zhuǎn)速為0，發(fā)電機并網(wǎng)前由于風(fēng)輪機的機械轉(zhuǎn)矩在不斷升高，帶動發(fā)電機使其轉(zhuǎn)速達到并超過額定轉(zhuǎn)速。圖424 低于額定風(fēng)速時異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果發(fā)電機也可以在起動前給定一個起動轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機在并網(wǎng)前正常起動。 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制模擬仿真結(jié)果分析發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制器是一個六階的動態(tài)模型，發(fā)電機制轉(zhuǎn)速輸入值是根據(jù)發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩在模塊中進行計算而得到的，其輸出總是保持發(fā)電機轉(zhuǎn)速在恒定轉(zhuǎn)速。在這一運行區(qū)域，風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是通過對轉(zhuǎn)速的控制來跟蹤最佳曲線以獲得最大能量。即槳矩角初始值為90度，在機組起動的過程中逐漸變小，這樣葉片吸收風(fēng)能逐漸增大，葉片的轉(zhuǎn)速也逐漸加快，且保持不變，此時葉片吸收風(fēng)能達到了最大。 圖421 低壓電流輸出及參數(shù)設(shè)置圖422 低壓母線相電流輸出及仿真結(jié)果 變槳距控制系統(tǒng)模擬仿真分析通過控制槳距角的大小的改變就可以控制葉片吸收風(fēng)功率的多少，槳距角的調(diào)節(jié)可以使發(fā)電機輸出功率平穩(wěn)。高壓母線電壓穩(wěn)定在121KV左右。并網(wǎng)后的功率輸出逐漸趨于穩(wěn)定，這時的電壓曲線呈正弦曲線形狀變化，向電網(wǎng)輸送額定功率。在3s和4s時分別受到陣行風(fēng)和漸變風(fēng)的影響，電磁轉(zhuǎn)距曲線有明顯的下降，之后又達到穩(wěn)定。圖413 異步發(fā)電機機械轉(zhuǎn)矩輸出及參數(shù)設(shè)置異步發(fā)電機機械轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果圖414 異步發(fā)電機機械轉(zhuǎn)矩模擬仿真結(jié)果異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果分析在0~，發(fā)電機由轉(zhuǎn)速控制，因此這段時間它的輸出機械轉(zhuǎn)矩為零，再繼續(xù)達到穩(wěn)定，由于異步電機各參量正方向在PSCAD軟件是按電動機定義的，因此在發(fā)電機狀態(tài)時它的輸出機械轉(zhuǎn)矩為負值。在3s和4s分別受到陣行風(fēng)和漸變風(fēng)的影響，轉(zhuǎn)速曲線有很小的變化，然后又達到穩(wěn)定狀態(tài)。（4）發(fā)電機轉(zhuǎn)速輸出及仿真結(jié)果分析異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速輸出及參數(shù)設(shè)置如圖340所示，異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是一個很重要參數(shù)，發(fā)電機在正常運行時其轉(zhuǎn)速略大于同步轉(zhuǎn)速，則滑差。在3s和4s分別受到陣行風(fēng)和漸變風(fēng)的影響，無功功率的曲線有很小的上升，然后又達到穩(wěn)定狀態(tài)。圖47 異步發(fā)電機輸出參數(shù)圖48 異步發(fā)電機有功功率輸出及參數(shù)設(shè)置 異步發(fā)電機有功功率仿真結(jié)果圖49 異步發(fā)電機有功功率模擬仿真結(jié)果（3）發(fā)電機無功功率輸出及仿真結(jié)果分析異步發(fā)電機無功功率輸出及參數(shù)設(shè)置如圖49，由于作為異步發(fā)電機勵磁的無功功率只能從電網(wǎng)吸收，根據(jù)電力系統(tǒng)對異步機作為電動機狀態(tài)的有關(guān)規(guī)定，它的基本參量的正方向是按電動機狀態(tài)定義的，則無功功率輸出為正值。異步發(fā)電機有功功率仿真結(jié)果分析在1s時異步發(fā)電機并網(wǎng)，由于采用的是直接并網(wǎng)，在并網(wǎng)時出現(xiàn)了很大的沖擊電流，導(dǎo)致有功功率1s時發(fā)生突變，然后有功功率下降并逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。圖45 風(fēng)輪機機械功率輸出及參數(shù)設(shè)置圖46 風(fēng)輪機機械功率模擬仿真結(jié)果 異步發(fā)電機模擬仿真分析（1）異步發(fā)電機的輸出量有有功功率、無功功率、機械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，異步發(fā)電機的輸出參數(shù)如圖47所示。（2）機械功率輸出及仿真結(jié)果如圖45和圖46所示。所示說，用以上的四個風(fēng)的分量在一定的程度上是可以大體的描述風(fēng)的波形，但在一些細節(jié)上還需要進一步修正，所以它的使用范圍是有限的，只是可以用在一些要求的精確程度不高的模型的仿真。(3)仿真結(jié)果分析在前面我們已經(jīng)討論過，風(fēng)是近似的服從威布爾分布，也就是說，近似的服從正態(tài)分布。采用轉(zhuǎn)速與變距的雙重調(diào)節(jié)，雖然增加了額外的變槳距機構(gòu)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，但由于改善了控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，仍然被普遍認為是風(fēng)力發(fā)電機組理想的控制方式。加入變槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，顯著提高了傳動系統(tǒng)的柔性及輸出的穩(wěn)定性。圖323 斷路器分合控制選擇器模型輸入?yún)?shù)(4)斷路器并網(wǎng)前的參數(shù)圖324 斷路器在并入電網(wǎng)前的參數(shù)(5)斷路器并網(wǎng)后的參數(shù)圖325 斷路器在并入電網(wǎng)后的參數(shù) 升壓變壓器模型及參數(shù)(1)1主變壓器模型及參數(shù) 圖326 1主變壓器模型及參數(shù)(2)2主變壓器模型及參數(shù) 圖327 2主變壓器模型及參數(shù) 無窮大系統(tǒng)模型及參數(shù) 圖328 電網(wǎng)（三相電壓源）模型及參數(shù)第四章 風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的模擬仿真結(jié)果分析在低于額定風(fēng)速的條件下,風(fēng)力發(fā)電機組的基本控制目標是跟蹤曲線，以獲得最佳葉尖速比。它是由一個時間信號模型與一個單信號比較儀來控制。 發(fā)電機控制選擇器參數(shù)(1)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制參數(shù)輸入同步轉(zhuǎn)速（標幺值）的99%。 圖312 齒輪箱速比控制模型圖313 齒輪箱速比控制模型輸入?yún)?shù) 異步發(fā)電機模型的建立異步電機一般稱為感應(yīng)電機，既可作為發(fā)電機使用也可作為電動機使用。圖311 風(fēng)輪機輸入?yún)?shù) 齒輪箱速比控制模型齒輪箱的功能是把風(fēng)輪機輸入的低轉(zhuǎn)速變成高轉(zhuǎn)速輸出給發(fā)電機，其轉(zhuǎn)速比也是指齒輪的變比，即低速齒輪與高速齒輪的齒數(shù)比。 風(fēng)輪機模型的建立風(fēng)輪機是風(fēng)力發(fā)電機組的原動機，也是主要區(qū)別于其他類型發(fā)電廠的關(guān)鍵地方，它是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機械能的裝置，通過吸收風(fēng)能，然后轉(zhuǎn)化成機械能，最后把機械能傳輸給發(fā)電機，如圖310所示。漸變風(fēng)輸入?yún)?shù)漸變風(fēng)用于描述風(fēng)速的逐漸變化，根據(jù)實際數(shù)據(jù)可以給出其最大值2m/s，起始時間為4s，持續(xù)周期為1s，如圖38所示。 圖35　外部風(fēng)速輸入控制模型及參數(shù)圖36 基本風(fēng)輸入?yún)?shù) 陣行風(fēng)輸入?yún)?shù)陣行風(fēng)用于描述風(fēng)速的突然變化，根據(jù)實際數(shù)據(jù)可以給出其最大值2m/s，起始時間3s，持續(xù)周期為1s，陣性風(fēng)數(shù)量為1個。（5）綜合風(fēng)速表達式綜合風(fēng)速表達式即是對前面的四個分量風(fēng)速表達式的求和，其表達式如下 　 　　　　　　　　　（36） 風(fēng)速模型的建立圖34 綜合風(fēng)速模型（1）外部風(fēng)速輸入控制模型參數(shù)外部風(fēng)速輸入控制模型（如圖35所示）是調(diào)節(jié)外加風(fēng)速的模型，它可以隨意調(diào)節(jié)切入風(fēng)速的大小。 風(fēng)速 風(fēng)速 表示在該時間區(qū)段內(nèi)風(fēng)速線性變化表達式　　　　　 （33）所以當時 = 0 當時 = vmax 風(fēng)速 風(fēng)速圖33漸變風(fēng)隨時間變化曲線圖（4）隨機噪聲風(fēng)用以描述在指定的高度的風(fēng)速變化的隨機風(fēng)的特性，由許多諧波分量構(gòu)成，其表達式為　　　　　　（34）式中 ——隨機分布的離散間距；——第I個分量的角頻率，；——第I個分量的初相角為0~2Pi之間分布的隨機量；——第I個分量的振幅。 風(fēng)速 所以 當時 　　 當時 當時 圖32 陣行風(fēng)隨時間變化曲線圖在分析風(fēng)電系統(tǒng)對電壓波動的影響時，通常用陣性風(fēng)來考核較大的風(fēng)速變化時的電壓波動的特性。（2）陣行風(fēng)用于表述風(fēng)速的突然變化，在三個時間段內(nèi)有不同的風(fēng)速，陣性風(fēng)變化過程如圖32所示。（1）基本風(fēng)基本風(fēng)可以由風(fēng)電場測量所得的威布爾分布參數(shù)近似確定　　　　　　　　　　　　?。?1）式中 ——表示威布爾分布尺度參數(shù)和形狀參數(shù)； ——伽馬函數(shù)。圖224 RATE LIMITER微分限制參數(shù)圖225 微分器環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的參數(shù)圖226 槳距角的角度限制參數(shù)以上是對完整的風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)模型的建立過程,通過以上模型可以對風(fēng)力發(fā)電機組進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)速控制和功率控制,使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行在安全穩(wěn)定的狀態(tài)。再與槳距角給定值進行比較，輸入槳距角限制環(huán)節(jié)，輸出槳距角。圖219 比例積分控制器模型圖220 傳遞函數(shù)的參數(shù)圖221 節(jié)距限制的參數(shù)（4） 濾波器模型及參數(shù)濾波器對比例積分器輸出的波形進行修整，以便出現(xiàn)諧波分量對系統(tǒng)造成不良影響。（2） 槳距角控制功率的參照量（Pref）模型以發(fā)電機的額定功率作為控制系統(tǒng)功率輸入的參照量，由實際值與其進行比較，根據(jù)所得值的大小可以判斷功率輸出是否穩(wěn)定，從而可以通過改變槳距角進行功率調(diào)節(jié)。功率反饋信號與額定功率進行比較，功率超過額定功率時，槳葉節(jié)距向迎風(fēng)面積減少的方向轉(zhuǎn)動一個角度，反之則向迎風(fēng)面積增大的方向轉(zhuǎn)動一個角度。方向轉(zhuǎn)動，直到氣流對槳葉產(chǎn)生一定的攻角后風(fēng)輪才起動。 風(fēng)力發(fā)電機組的變槳距控制系統(tǒng)模型變槳距風(fēng)輪機的槳葉靜止時節(jié)距角為90176。（4）時鐘脈沖CNT控制參數(shù)：時鐘脈沖控制是由一個時間信號模型與一個單信號輸入比較儀組成，其功能是當輸入時間信號低于所設(shè)域值時，輸出Low output level 通道所設(shè)值，當輸