【正文】 吁es』.，仁1iu、}i 川.埠39。盧… 6 日39。39。 川、eui (『J Th γ… 一回可川二、?j i … 、霄，ij 、 F…4IEE AU二 嗣vfi.E.1A......: Y號tE14葉、.... }. .. .. . .... . j. ，..， 。...1 …:8時間市}ι日A制41)ll}.....,:仨IIll←IItir 1輒\\ mmZZMMM 附加陪展哥。0。39。得到的仿真結(jié)果如圖38 和39 所示。在小電機軟并網(wǎng)過程中，軟i過程沖擊電流的限定值可以根據(jù)小電機額定電流來設計。 ? ....…p …..... 時間t(s)，回歸。 39。_ . . ? .. ? ? ,。點… ♂ .39。1 日20~ 氣rE苦1即ι . 王明罷呂P、日1 舊。.玲:立自、tqt 才fE /岳伽1 y :針. . . . y..... . . ... ....E刪 ←仁J豆匕/盧，噸.7田、lo 時間t(s)圖36 小發(fā)電機在風速為5 m1s 時直接并入電網(wǎng)過渡過程17華北電力大學碩士學位論文tA. 總1i2~4R6 . 118 E于1司t{s)。 ,. . ...: . ? ? 39。~6 時間噸s)39。, ? ::960ι t…乒~ . . ,950 0。 k j 、。.、 、『. ..... .....… ‘. ~ . . ~ ? .陰卡39。~ . 39。. 39。』aTanu、nua144AEe‘、.. . . ..、…… : 39。(fbfl ,0:。仿真結(jié)果如圖36 和37 所示。r CUrront is _b (11)!肖斌。d}圖33 風力機輸出功率曲線R響。l Jl~.n er224。 副1 位Tufu206。在句:212。1f39。15華北電力大學碩士學位論文.,39。其中的hold circuit 的功能判斷轉(zhuǎn)速是否達到可以并網(wǎng)的速度，如果達到，則輸出合閘信號，使旁路器閉合。在大電機向小電機切換時，采用釋放葉尖擾流器減速，然后并入小發(fā)電機的切換方式。風力機額定風速為14m1s 時，其輸出的功率曲線如圖33 所示。wr 為發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，其基值wr base 為同步轉(zhuǎn)速時的角速度Tm 為風力機輸出轉(zhuǎn)矩，其基值風力機的額定轉(zhuǎn)矩Tm base 等于風力機輸出的額定功率除以發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速。風力機的仿真模型如圖32 所示。在Simulink 中的SimPowerS ystems 下可以找到風力機的仿真模塊。(H) Rr(Q) Lor(H) Lm但) J()4P6P540126 7248Matlab 是當今流行的科學計算與系統(tǒng)仿真軟件， Simu1ink 是Matlab 提供的控制系統(tǒng)模型可視化的仿真工具，在其內(nèi)部提供了許多控制系統(tǒng)的標準仿真模塊，系統(tǒng)建模簡便，并可在Simulink 環(huán)境下直接進行控制系統(tǒng)的仿真分析。雙速異步風力發(fā)電機具體參數(shù)如表31 所示。速為14m/s. 切出風速為25m/s(1 0 分鐘均值).采用的異步風力發(fā)電機為YJ5(6001125kW 雙繞組異步發(fā)電機，雙速異步發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速分。所以本文采用金風公司S43/600kW 機組作為仿真算例具有一定的代表性。這里根據(jù)理想化電機的假設建立dq 坐標下的異步電機MatLab 仿真模型，并在此基礎上進行失速型風電機組直接并網(wǎng)與軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的仿真分析。需要注意的是，在實際情況下，電機的相關參數(shù)是未知的，特別是轉(zhuǎn)子電阻，在運行中是一個未知、時變的參數(shù)[11] 。Los LorRs圖31 異步電機等效電路圖異步電機單相等效阻抗為JM =Rs + jωPLos + (Rr I s + jωPLor)1 jωPLM (32)式中? Rs 為定子電阻? Las 為定子電抗? Rr 為轉(zhuǎn)子電阻? Lar 為轉(zhuǎn)子電抗? LM 為感抗。從異步風力發(fā)電機的等效電路中，我們可以得出異步風力發(fā)電機負載阻抗角與轉(zhuǎn)速nr 的關系。滑差S 越小，沖擊電流有效值越小，但勵磁涌流越大?；頢 越大，瞬態(tài)電流交流分量的衰減時間越長，產(chǎn)生的沖擊電流有效值越大。=伊士對2 時，沖擊電流最大， θ=ψ時，沖擊電流最小。d 與電網(wǎng)電壓成正比，與暫態(tài)電抗成反比。 ia 與電網(wǎng)電壓成正比，與暫態(tài)電抗成反比。a e川sin(ω1(+θ 例， Xd為電機暫態(tài)電抗，暫態(tài)電抗的值為X~ = X230。由于此時轉(zhuǎn)速接近同步速， io 接近電機空載電流。Rs 為暫態(tài)直流分量衰減時間常數(shù)，與定子的電阻和電感有關。為電機并網(wǎng)瞬間合閘相位角， ~ =X~ /(ω39。直接并網(wǎng)時產(chǎn)生的過渡過程電流為:i = io sin(ω1(+θψ)+ia e 1 叫sin(ω39。 異步風力發(fā)電機組直接并網(wǎng)過渡過程分析12華北電力大學碩士學位論文假設電機在并網(wǎng)前沒有電壓、電流，也沒有剩磁，當電機接近同步轉(zhuǎn)速時直接并網(wǎng)，異步電機會經(jīng)歷一個瞬態(tài)過渡過程。不過第一種方式所選用高反壓雙向晶閘管的電流允許值比第二種方式的要大的多。發(fā)電機輸出功率后，雙向晶閘管的觸發(fā)脈沖自動關閉，發(fā)電機輸出電流通過己閉合的旁路接觸器流向電網(wǎng)。這種連接方式與無旁路接觸器連接方式的工作過程相似，所不同的是:當與電網(wǎng)相連的雙向晶閘管的控制角在1800 與00之間逐漸同步打開時，旁路接觸器處于斷開狀態(tài)，發(fā)電機通過雙向晶閘管平穩(wěn)進入電網(wǎng)。但軟切入裝置必須采用能承受高反壓大電流的雙向晶閘管，價格較貴，其功率由于不能做的太大，因此適用于中型風力發(fā)電機組。當轉(zhuǎn)差率為零時，雙向晶閘管己全部導通，并網(wǎng)過程到此結(jié)束。這種連接方式的工作過程為:當風輪帶動的異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，與電網(wǎng)直接相連的晶閘管的控制角在1800 與00之間逐漸同步打開:作為無觸點的雙向反并聯(lián)晶閘管的導通角也同時由00 與1800之間逐漸增大。 .4采用可控硅軟并網(wǎng)技術采用雙向晶閘管的軟切入法，使異步發(fā)電機并網(wǎng)。顯然，這種并網(wǎng)方式盡管從理論上講比較簡單，但是要增加大功率的電阻或電抗器組件，其投資隨著機組容量的增大而增大，經(jīng)濟性較差。 降壓并網(wǎng)方式這種并網(wǎng)方式就是在異步發(fā)電機與系統(tǒng)之間串接電抗器，以減小合閘瞬間沖擊電流的幅值與電網(wǎng)電壓下降的幅度。諄并網(wǎng)方式盡管合閘瞬間沖擊電流很小，且電網(wǎng)電壓下降不明顯，但必須控制在最聲允許的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運行，以免造成網(wǎng)上飛車。當發(fā)電機的電壓、頻率、相位三者與系統(tǒng)一致時，發(fā)電機開始技入電網(wǎng)運行。這種并網(wǎng)方式條件是系統(tǒng)電網(wǎng)足夠大，并網(wǎng)才有可能。目前國內(nèi)外采用異步發(fā)電機的風力發(fā)電機并網(wǎng)方式主要有以下幾種: 直接并網(wǎng)方式這種方式只要求發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速(即達到98%100% 同步轉(zhuǎn)速)時，即可并網(wǎng)，使風力發(fā)電機組運行控制變得簡單。但異步風力發(fā)電機并網(wǎng)也存在一些問題，如直接并網(wǎng)時產(chǎn)生的過大沖擊電流造成電壓大幅度下降，會對自身設備以至整個電力系統(tǒng)的安全運行構(gòu)成威脅:異步風力發(fā)電機本身不發(fā)無功功率，需要無功補償:不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率的變化會對發(fā)電機安全運行構(gòu)成威脅。 異步風力發(fā)電機幾種并網(wǎng)方式異步風力發(fā)電機投入運行時，是靠滑差來調(diào)整負荷的，因此對機組的調(diào)速精度要求不高，不需要同步設備和整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步速時即可并網(wǎng)。建立定槳距風電機組仿真模型，并對異步風力發(fā)電機直接并網(wǎng)過程仿真分析，在此基礎上，說明了直接并網(wǎng)過程中產(chǎn)生沖擊電流的機理。本文主要關注的問題即異步風力發(fā)電機組的并網(wǎng)問題，以定槳距風電機組作為研究和仿真對象，對定槳距機組的結(jié)構(gòu)、功率特性和運行過程進行了描述，作為下文仿真分析的基礎。..f$。由于風速的隨機變化，大小電機的并網(wǎng)次數(shù)很高，頻繁切換，主回路所產(chǎn)生的瞬時大電流會對電機以及主會回路的元器件產(chǎn)生不同程度的沖擊，還會減小發(fā)電量。(3) 風速高于50mls ， 持續(xù)ls ，安全停機，側(cè)風900 [4] 。當然，只要轉(zhuǎn)速沒有超出允許限額，只需執(zhí)行正常停機。這種情況通過轉(zhuǎn)速監(jiān)測和電網(wǎng)頻率檢測可以做出迅速反應。一般來說，由于受葉片失速性能限制，在風速超出額定值時發(fā)電機轉(zhuǎn)速不會因此上升。 .4脫網(wǎng)停機在發(fā)電機運行時，如果風速進一步升高，超過風電機組安全運行的風速范圍時，則大發(fā)電機脫網(wǎng)，執(zhí)行停機動作。只要轉(zhuǎn)速不超過超速保護的設定值，就允許執(zhí)行小發(fā)電機軟并網(wǎng)。由于發(fā)電機在此之前仍處于出力狀態(tài)，轉(zhuǎn)速在1500叩m 以上，脫網(wǎng)后與將繼續(xù)上升。當大發(fā)電機功率持續(xù)10 分鐘內(nèi)低于預置值P3 時，或10 分鐘平均功率低于預置值P4 時，作為大發(fā)電機向小發(fā)電機切換的依據(jù)。此時，發(fā)電機脫網(wǎng)，風力將帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)速迅速上升到大發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速附近[7][8] 。或1 分鐘內(nèi)功率全部大于預置值P2 作為切換依據(jù)。如NEG Mincon750kW 機組以10 分鐘平均功率達到某一預置值P! 或以4 分鐘平均功率達到預置值P2 作為切換依據(jù)。 大小電機之間的切換當風速繼續(xù)升高至7~8m1s 時，切換到大電機運行。當發(fā)電機過渡到穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)后，與晶閘管電路平行的旁路接觸器閉合，機組完成并網(wǎng)過程，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。一般總是小發(fā)電機先并網(wǎng)，當風速繼續(xù)上升到8~20mls時，則直接從大發(fā)電機并網(wǎng)。一旦風速增大，轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機即可并入電網(wǎng)。待機狀態(tài)除了發(fā)電機沒有并入電網(wǎng)，機組實際上已經(jīng)處于工作狀態(tài)。7華北電力大學碩士學位論文 定槳距失速型風電機組運行過程分析定槳距失速型風電機組運行狀態(tài)主要有待機狀態(tài)、起動狀態(tài)和大小電機并脫網(wǎng)和切換和停機狀態(tài)[4] 。國內(nèi)外定槳距風電機組中的雙速異步發(fā)電機皆采用4/6 雙速異步發(fā)電機，其同步轉(zhuǎn)速分別為1500叩m 和1000叩m ，小電機的額定功率設定成大電機的115 至114 之間，低風速時小電機工作，高風速時大電機工作，這樣不僅槳葉具有較高的氣動效率，發(fā)電機的效率也能保持在較高的水平。只要改變異步電機定子繞組的極對數(shù)就能得到不同的同步轉(zhuǎn)速。i6華北電力大學碩士學位論文(a) 節(jié)距角為0 。另→方面改變槳葉節(jié)距角的設定也顯著影響額定功率的輸出，圖22 為600kW 定槳距失速型風電機組在不同節(jié)距角時的功率曲線。在整個運行風速范圍內(nèi)(3 m1sv25m/s) ， 由于氣流的速度實在不斷變化的，如果風力機的轉(zhuǎn)速不能隨風速的變化而調(diào)整，這就必然要使風輪在低風速時的效率降低(而設計低風速時效率過高，會使槳葉過早進入失速狀態(tài))。定槳距風機的主動失速性能使得其輸出功率始終限定在額定值附近。7\圖21 失速型風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)(4)1 、輪毅(裝葉片) 2 、主傳動軸3 、增速齒輪箱4 、機械剎車5 、發(fā)電機6 、剎車7 、風速風向儀 定槳距風機功率特性風力發(fā)電機組的輸出功率主要取決于風速，同時也受氣壓、氣溫和氣流擾動等因素的影響。定槳距失速型風電機組主要由以下幾部分組成:葉輪、增速機構(gòu)、制動機構(gòu)、發(fā)電機、偏航系統(tǒng)、塔架、機艙、加溫加壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等。定槳距風電機組的執(zhí)行機構(gòu)包括液壓系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)。20 世紀70 年代失速性能良好的槳葉的出現(xiàn)，解決了風力發(fā)電機組的主動失速性能的要求，以及20 世紀80年代以及葉尖擾流器的應用，解決了在突失負載情況下的安全停機問題，這些使得定槳距失速型風電機組在過去20 年的風能開發(fā)利用中始終處于主導地位。這也使得當風速高于風輪的設計點風速一一即額定風速時，槳葉必須能夠自動地將功率限制在額定值附近，槳葉的這一特性稱為自動失速性能。該機組也是我國目前裝機數(shù)量最多的機型之一[4] 。 定槳距風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)定槳距失速型風電機組的典型代表是丹麥NEG MICON 600/700/7 50kW 機組。而定槳距風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的優(yōu)點是其他種類機組無法比擬的，現(xiàn)今仍然是廣泛采用的風電機組。液壓系統(tǒng)作為變距系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及葉尖氣動剎車的執(zhí)行機構(gòu)[6] 。各種機型的葉輪均采用水平軸、三葉片，上風向布置:額定轉(zhuǎn)速約27r/min。葉尖速比λ是風力機的重要參數(shù)之一，直接影響葉片捕獲的能量，并影響功率利用系數(shù)Cp 。不同的葉輪有不同的風能利用系數(shù)曲線，一般由葉片生產(chǎn)廠家提供。其中， Pm 為風力機實際輸出機械功率， ρ為空氣密度， S 為葉輪掃風面積， v 為風力機上游風速， Cp 為功率利用系數(shù)。 風力機的輸出功率由于流經(jīng)葉輪后的風速不可能為零，所以通過葉輪的風能只能部分被葉輪吸收，轉(zhuǎn)化為葉輪旋轉(zhuǎn)的機械能。 風力機的空氣動力學特性 鳳能計算公式風力發(fā)電機組中，風輪的作用是實現(xiàn)風能到機械能的轉(zhuǎn)化。了解風電機組的相關基礎理論是其控制系統(tǒng)總體設計以及具體控制策略制定的基礎。(四〉以600kW 失速型機組的軟并網(wǎng)裝置為基礎，設計可控硅移相觸發(fā)控制電路的硬件實現(xiàn)方案，并提出風電機組電量采集的實現(xiàn)方案。(二) 在相關文獻的基礎上，分析異步風力發(fā)電機并網(wǎng)沖擊電流產(chǎn)生原理、軟并網(wǎng)裝置主電路，并對異步風力發(fā)電機直接并網(wǎng)過程進行仿真分析，以明確軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的性能要求?，F(xiàn)在國外一些公司的600kW 以上的機組己實現(xiàn)了運行的自動監(jiān)控和無人值守，其控制的智能化程度很高，維護和操作十分簡便[4] 。進入90 年代，由于微處理器在電力電子、數(shù)據(jù)采集、信號處理、工業(yè)控制