【正文】 成的沖擊。隨著并網(wǎng)容量的增加，電網(wǎng)需要增加相應的旋轉(zhuǎn)備用容量以達到讓用戶正常供電的目的。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。(5)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)絡線的潮流有時是雙向的。此時會改變聯(lián)絡線的潮流方向，繼電保護裝置應充分考慮到這種運行方式。,折算到10kV(或更高電壓等級）側(cè)其阻抗需乘()，因此從l0kV側(cè)的等值電路來看，風力發(fā)電機及相應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?？傊L電場故障電流主要是公用電網(wǎng)電源提供的。 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。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。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)。數(shù)學模型的建立與研究對象和仿真精度的要求有關(guān)。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)。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。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。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)。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。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。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。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。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。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。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保持恒定。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。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。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。(2)采用該風力發(fā)電技術(shù)使得功率因數(shù)可調(diào)。另外，采用矢量變換控制技術(shù)控制有功功率，使得風力發(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。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。本次畢業(yè)設計將以雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度、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)速度與定子同步磁場的旋轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系為： （）當風速變化時，轉(zhuǎn)速隨之而變化。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%。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?。當定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間以的速度旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度應該是： () 其中：s為變速恒頻雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)差率。如果交流勵磁發(fā)電機的轉(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。 雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)雙饋感應發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)類似繞線式感應電機，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。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)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。一般情況下，電網(wǎng)側(cè)變流器的主要任務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。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。 雙饋風力發(fā)電機的等效電路雙饋式感應發(fā)電機 T 型等值電路如圖 所示。 雙饋感應發(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： （）其中:、分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組電壓向量，、分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組的感應電動勢向量，、分別為定子電流、轉(zhuǎn)子電流和勵磁電流向量，、分別為定子漏抗、轉(zhuǎn)子漏抗、勵磁電抗。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。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： （） （）式（）又可以重寫為 ()由上式可以看出，、分別為定、轉(zhuǎn)子銅耗，為定子鐵耗，為定子端輸出的有功功率，為勵磁系統(tǒng)向發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路輸入的功率，記為；+即，為發(fā)電機軸所產(chǎn)生的機械功率。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：= （）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)。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)。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。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。(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)學期望值可以得到: ()其中：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)，為伽馬函數(shù)。(2) 陣風 () 其中：。s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。漸變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（34）。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。隨機噪聲風用來描述相對高度上風速變化的隨機性,的數(shù)學模型： （）式（）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。根據(jù)風力機功率特性方程，有 () 式中：P是風力機機械效率，是風能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，R是風輪機葉片半徑，是葉片掃掠面積，ρ是空氣密度，v是風速。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。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)： ()其中：。由式（）可見，當槳距角β為恒定值時，的大小與λ有關(guān)，且僅有一個使最大的葉尖速比λ，稱之為最佳葉尖速比。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，也會相應地變化，從而使風輪機的輸出機械功率發(fā)生變化。 () 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，因此ω 將隨著風速的變化而變化。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)響應要慢很多，尤其是對于具有較高轉(zhuǎn)動慣量的機械。 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。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)表示它兩邊的轉(zhuǎn)距，表示如下[1213]： （）其中： 表輸入齒輪箱的機械轉(zhuǎn)矩(.) 表示風力機葉片的輸出轉(zhuǎn)矩（.） 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（.)表示齒輪箱的慣性時間常數(shù)(s)表示發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩(.)和齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)矩(.)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，因此，我們用如下的方程來描述傳動部分模型：。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)。(3)。其中：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表示槳距角、ρ表示空氣密度、A表示風機葉片的掃掠面積以及表示風力機額定功率。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: ()其中：表示風力機的轉(zhuǎn)速偏差（）、表示增益系數(shù)、τ表示調(diào)節(jié)裝置的慣性時間常數(shù)。 變槳距風力機轉(zhuǎn)速控制框圖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。 （2）當風速在額定風速以上時，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。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。 雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)示意圖（1）雙饋異步發(fā)電機動態(tài)模型[13]雙饋電機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： () ()式中：表示定子電壓的d軸分量、表示定子電壓的q軸分量；表示轉(zhuǎn)子外加電壓的d軸分量、示轉(zhuǎn)子外加電壓的q軸分量；P = d/dt表示微分算子，表示定子磁鏈的d軸分量，表示定子磁鏈的q軸分量；示轉(zhuǎn)子磁鏈的d軸分量，表示轉(zhuǎn)子磁鏈的q軸分量；表示定子繞組電流的d軸分量、表示定子繞組電流的q軸分量，表示轉(zhuǎn)子繞組電流的d軸分量，表示轉(zhuǎn)子繞組電流的 q 軸分量；其中公式中的、分別為：,。當電力系統(tǒng)處于暫態(tài)過程中時，當雙饋風力發(fā)電電機的機械轉(zhuǎn)矩固定不變時，產(chǎn)生不平衡轉(zhuǎn)矩的主要原因就是電磁轉(zhuǎn)矩。另外，改變電磁轉(zhuǎn)矩可以達到調(diào)速的效果，這要通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的外接電源和來實現(xiàn)。 下面寫出雙饋電機轉(zhuǎn)子電壓和磁鏈方程，以便推導轉(zhuǎn)子電壓與電流之間存在的關(guān)系。雙饋異步電機的電磁暫態(tài)方程由式()和式()組成的方程組來表示，其轉(zhuǎn)子運動方程有如下表示： ()式中：s是電機轉(zhuǎn)差，是發(fā)電機輸入的機械轉(zhuǎn)矩，是轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù), 可由式()得出，表示發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。其中，控制系統(tǒng)提供了槳距角β和轉(zhuǎn)子電壓dq軸分量。在雙饋異步風電機組的動態(tài)數(shù)學模型中，轉(zhuǎn)子繞組電壓dq軸分量和以及槳距角β是控制變量，風速v、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及無功功率控制設定值是輸入變量，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)外接電源的電壓dq軸分量和可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制和無功功率控制。比例積分控制器放大倍數(shù)用表示，時間常數(shù)用Tr表示。雙饋異步風電機組定子側(cè)無功功率為： () 若采用恒功率因數(shù)控制時，則有 （）