风力发电系统控制模型的建立和仿真分析毕业设计说明书

1随着世界工业化进程的不断加快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的。风力发电起源于20世纪70年代，技术成熟于80年代，自90年代以来风力发电进入了大发展阶段。随着风力发电容量的不断增大，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距控制和变速控制发展。前人在风轮机的空气动力学原理和能量发电机组的基本控制要求和控制策略，并对并网型风力发电机组的变桨距控制技术进行了一定的研究。变桨距风力发电机组的主要控制是在起动时对风轮转速的控制和并网后对输入功率的控制。通过变距控制可以根据风速来调整桨叶节距角，以满足发电机起动与系统输出功率稳定的双重要求。但由于对运行工况的认识不足，对变桨距控制系统的设计不能满足风力发电机组正常运行的要求，更达不到优化功率曲线和本篇论文主要介绍了风力发电机组的基本控制要求和控制策略，在变桨距风力发电机组控制系统仿真方面作了初步的探究和研究。通过控制系统保持了风力发电机组的安全可靠运行，并实现了稳定机组输出功率和优化功率曲线的控制功能。利用控制系统使风力发电系统在规定的时间内不出故障或少出故障，并在出故障之后能够以最快的速度修复系统使之恢复正常工作。本篇论文主要是通过PSCAD/EMTDC仿真软件，建立风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，对自建的风力发电系统控制模型进行仿真分析，利用运行模块进行EMTDC模拟计算，验证风力发电系统控制模型的可用性，并且通过单曲线绘图对模拟结果进行分析，并利用多曲线绘图模块产生可直接用于研究本文在编写过程中，受到栗文义老师的大力支持和精心指导，在此表示衷心的风力发电技术和PSCAD/EMTDC仿真等的相关知识对我们来讲都是平时很少2接触和涉及的，而且，这些学科中的很多东西都是较为前沿的。由于本人的理论水平及实践经验所限、编写时间仓促，书中错误疏漏之处难免，敬请老师不咎指正。2006年6月3第一章风力发电系统的基本原理1.1风力发电的基本原理1.1.1风力发电的基本原理风能具有一定的动能，通过风轮机将风能转化为机械能，拖动发电机发电。风力发电的原理是利用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速度提高来促使发电机发电的。依据目前的风车技术，大约3m/s的微风速度便可以开始发电。风力发电的原理说起来非常简单，最简单的风力发电机可由叶片和发电机两部分构成如图1-1所示。空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动片叶旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的转轴相叶片连就会带动发电机发出电来。风向(1)可再生的洁净能源发电机风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗化石资源也不污染环境，这是火力发电所无法比拟的优点。(2)建设周期短一个十兆瓦级的风电场建设期不图1-1风力发电原理图(3)装机规模灵活可根据资金情况决定一次装机规模，有一台资金就可以安装一台投产一台。(4)可靠性高把现代高科技应用于风力发电机组使其发电可靠性大大提高，中、大型风力发电机组可靠性从80年代的50%提高到了98%,高于火力发电且机组寿命可达20年。(5)造价低从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千瓦时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。我国由于中大型风力发电机组全部从国外引进，造价和电价相对比火力发电高，但随着大中型风力发电机组实现国产化、产业化，在不久的将来风力发电的造价和电价都将低于火力发电。(6)运行维护简单现代中大型风力发电机的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情况下正常4工作，只需定期进行必要的维护，不存在火力发电的大修问题。(7)实际占地面积小(8)发电方式多样化风力发电既可并网运行，也可以和其他能源如柴油发电、太阳能发电、水利发电机组形成互补系统，还可以独立运行，因此对于解决边远地区的用电问题提供了现实可行性。(9)单机容量小由于风能密度低决定了单台风力发电机组容量不可能很大，与现在的火力发电机组和核电机组无法相比。另外风况是不稳定的，有时无风有时又有破坏性的大风，这都是风力发电必须解决的实际问题。1.2风资源及风轮机概述(1)风的起源风的形成乃是空气流动的结果。风就是水平运动的空气，空气运动主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。大气的流动也像水流一样，是从压力高处往压力低处流，太阳能正是形成大气压差的原因。由于地球自转轴与围绕太阳的公转轴之间存在66.5°的夹角，因此对地球上不同地点太阳照射角度是不同的，而且对同一地点一年中这个角度也是变化的。地球上某处所接受的太阳辐射能与该地点太阳照射角的正弦成正比。(2)风的参数风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导(3)风能的基本情况15无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直式中①为风能(w);由于风速是一个随机性很大的量，必须通过一段时间的观测来了解它的平均状风速V的概率分布p(V)知道后，平均风能密度还可根据下式求得1.3风力发电机的结构与组成风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量分可分为：小型(10kw以下)、中型(10—100kw)和大型(100kw以上)风力发电机组。按主轴与地面相对前世界各国风力发电机最为成功的一种形式，主要优点是风轮可以架设到离地面较的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低，需启动设备，同时还有些技术61.3.2水平轴风力发电机的结构控制系统及附属部件(机舱机座回转体制动器等)组成的。机舱包含着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机等。风能的部件。叶片是风力发电机组最关键的部件，现代风力发电机上每个转子叶片的测量长度大约为20米叶片数通常为2枚或3枚，大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料(GRP)制造。叶片可分为变浆距和定浆距两种叶片，其作用都是为了调速，当风力达到风力发电机组设计的额定风速时，在风轮上就要采取措施，以保证风力发电机的输出功率不会超过允许值。轮毂是连接叶片和主轴的零部件。轮毂一般由铸钢或钢板焊接而成，其中不允许有夹渣、砂眼、裂纹等缺陷，并按桨叶可承受的最大离心力载荷来设计。主轴也称低速轴，将转子轴心与齿轮箱连接在一起，由于承受的扭矩较大，其转速一般小于50r/min,一般由40Cr或其他高强度合金钢制成。7(3)增速器增速器就是齿轮箱，是风力发电机组关键部件之一。由于风轮机工作在低转速下，而发电机工作在高转速下，为实现匹配采用增速齿轮箱。使用齿轮箱可以将风电机转子上的较低转速、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。(4)联轴器增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动器(5)制动器制动器是使风力发电机停止转动的装置，也称刹车。(6)发电机发电机是风力发电机组中最关键的部件，是将风能最终转变成电能的设备。发电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。大型风电机(100-150千瓦)通常产生690伏特的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器(或在塔内),电压被提高至1-3万伏，这取决于当地电网的标准。风力发电机上常用的发电机有以下几种：①直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。②永磁发电机，常用在小型风力发电机上。现在我国已经发明了交流电压440/240V的高效永磁交流发电机，可以做成多对极低转速的，特别适合风力发电机。③同步或异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步转速略低，当并网时转速应提高。塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋混凝土的等三种形式，风电机塔载有机舱及转子。(8)调速装置风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了使风轮运转所需要额定转速下的装置称为调速装置，调速装置只在额定风速以上时调速。目前世界各国所采用的调速装置主要有以下几种：可变浆距的调速装置；定浆距叶尖失速控制的调速装置；离心飞球调速装置；空气动力调速装置；8(9)调向(偏航)装置调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。借助电动机转动机舱以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。通常在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。(10)风力发电机微机控制系统压、电流、频率等传感器的信号经A/D转换，输送给单片机再按设计程序给出各种指故障输出需维修的故障，由维修人员维修后给微机以指令，微机再执行自动控制程序。风电场的机组群可以实现联网管理、互相通信，出现故障的风机会在微机总站的微机终端和显示器上读出、调出程序和修改程序等，使现代风力发电机真正实现了现场无人职守的自动控制。(11)电缆扭缆计数器电缆是用来将电流从风电机运载到塔下的重要装置。但是当风电机偶然沿一个方向偏转太长时间时，电缆将越来越扭曲，导致电缆扭断或出现其他故障。因此风力发电机配备有电缆扭曲计数器，用于提醒操作员应该将电缆解开了。风力发电机还会配备有拉动开关在电缆扭曲太厉害时被激发，断开装置或刹车停机，然后解缆。1.4风力发电机的基础理论SSVVv₁叶片前的风速；v风经过叶片时的速度；vz风经过叶片后的速度；XX本科毕业设计说明书9压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流则V=sv。XX本科毕业设计说明书因此，风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率P分别为风速V,是给定的，P的大小取决于V₂,P是V₂的函数，对P微分求最大值得令其等于0,求解方程得16/27=0.593,C,称作贝茨功率系数正是风速为V₁的风能T,故Cp=0.593,说明风吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率P为风吹过叶片扫掠面积S的风能的59.3%。贝茨理论说明理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是59.3%。通常风轮机风轮叶片接受风能的效率达不到59.3%,一般根据叶片的数量、叶片的翼形、功率等情况取0.25-0.45。1.4.2风力发电机特性系数贝茨理论提供了风能的基本理论，但在讨论风轮机的能量转换与控制时有几个特性系数具有特别重要的意义。(1)风能利用系数C风轮机从自然风能中吸到能量的大小和程度可以用风能利用率系数Cp表示XX本科毕业设计说明书(2)叶尖速比λ为了表示风轮在不同的风速中的状态用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量称为叶尖速比λ低速风轮λ取较小值；高速风轮λ取较大值。(3)转矩系数C,和推力系数C,为了便于把气流作用下的风轮机产生的转矩和推力进行比较常以λ为变量作成转矩和推力的变化曲线，因此转矩和推力也要无因次化。(1)异步发电机基本原理发电机是风力发电机组中最关键的零部件，是将风能最终转变成电能的设备。发XX本科毕业设计说明书电机的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。使用异步机作为风力发电机与电网并联的优点是：发电机结构简单成本低并网控制容易，缺点是要从电网吸收无功功率以提供自身的励磁。这一缺点可以通过在发电机端并联电容器来改善。由于风电场的特殊性，它的并网和解列的操作十分频繁，而且由于投资成本的限制以及管理、维修等方面的优点，现在大多数的大型风电场都采用异步发电机作为主力机型。本论文的研究对象中使用也是异步发电机，下面我们对异步机做以下的简异步电机一般称感应电机即可作为发电机也可作为电动机。异步机作为电动机应用非常广泛异步机作为发电机的情况则比较少。但由于异步发电机具有结构简单价格便宜坚固耐用维修方便启动容易并网简单等特点在大中型风力发电机组中得到广泛异步发电机的基本结构和同步发电机的一样，也是由定子和转子两大部分组成。异步机的定子与同步机基本相同，其转子可分为绕线式和鼠笼式，绕线式异步机的转子绕组和定子绕组相同，鼠笼式异步机的转子绕组是由端部短接的铜条或铸铝制异步机是利用电磁感应原理通过定子的三相电流产生旋转磁场并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩以进行能量转换。通常异步机的转子转速总是略低于或略高于旋转磁场的转速。旋转磁场的转速n,与转子转速”之间的差为转差，转差n与同步转速n,的比值称为转差率用S表示转差率是表证异步机运行状态的一个基本变量。若电机用原动机驱动使转子转速高于旋转磁场的转速(n>n,)则转差率S<0此时电磁转矩的方向与转子转向和旋转磁场两者的方向相反即电磁转矩为制动转矩。此时转子从原动机吸收机械功率通过电磁感应由定子输出电功率电机处于发电机状态。(2)异步风力发电机的参数风轮额定转速风轮额定转速是风轮在额定风速时的转速。风轮额定转速也是风力发电机设计的重要参数之一。它是由叶尖速比及发电机功率决定的参数。发电机额定功率发电机的额定功率是发电机在额定功率因数下连续运行而输出的功率它是由用户提出或由不同的使用目的而确定的。它是风力发电机设计的最基础数据。单位为发电机是交流还是直流微小型风力发电机常用直流发电机中、大型风力发电机常用交流发电机。这要视机也称感应交流发电机。永磁交流发电机等。发电机额定电压发电机额定运行时电压为定子或转子输出的电压，单位为Vo额定功率因数发电机在额定运行时其有功功率与视在功率的比值用以下公式来表示P为有功功率KW,S为视在功率KVA,cos与负载性质有关。发电机额定转速发电机在额定功率运行时的转速用r/min表示。额定频率发电机额定运行时其电压变化的频率。中国交流电网电压频率为50Hz。国外也有交流电网60Hz的。发电机额定励磁电流发电机在额定运行时的励磁电流。发电机额定温升发电机在额定功率输出及额定负载下定子绕组与转子绕组允许的最高温度与额对于额定频率为f的交流发电机其同步转速式中P发电机的极对数；同步转速r/min。风力发电机的全效率风力发电机的全效率为风轮叶片接受风能的效率7、增速器的效率7₂、发电机的效率∩3、传动系统效率7₃等的积第二章风力发电控制系统模型的建立风力发电机组控制系统工作的安全可靠性已成为风力发电系统能否发挥作用，甚至成为风电场长期安全可靠运行的重大问题。在实际应用过程中，尤其是一般风力发电机组控制与检测系统中，控制系统满足用户提出的功能上的要求是不困难的。往往不是控制系统功能而是它的可靠性直接影响风力发电机组的声誉。有的风力发电机说维修又十分困难，于是这样一套控制系统可能发挥不了它应有的作用。因此对于一个风力发电机组控制系统的设计和使用者来说，系统的安全可靠性必须认真加以考虑，必须引起足够的重视。我们的目的是希望通过控制系统的设计，采取必要的手段使我们的系统在规定的时间内不出故障或少出故障，并且在出故障之后能够以最快的速度修复系统，使之2.1风力发电机组的基本控制要求2.1.1风力发电机组运行的控制要求定桨距失速型机组控制风速超过风力发电机组额定风速以上时，为确保风力发电机组输出功率不再增加，导致风力发电机组过载，通过空气动力学的失速特性，使叶片发生失速，从而控制风力发电机组的功率输出。变桨距失速型机组控制风速超过风力发电机组额定风速以上时，为确保风力发电机组输出功率不再增加，导致风力发电机组过载，通过改变桨叶节距角和空气动力学的失速特性，使叶片吸收风功率减少或者发生失速，从而控制风力发电机组的功率输出。控制功能和控制参数失时的停机、扭缆的限制、机舱对风、运行时电量和温度的限制。保护环节以失效保护为原则进行设计(2)自动运动的控制要求开机并网控制：当风速10分内的平均值在系统工作区域内，风力发电机组起动→小风和逆功率脱网：机组在待风状态→10分平均风速小于脱网风速→脱网→风速度)→脱网→机械刹车。大风脱网控制：10分平均风速大于25m/s时→超速、过载→脱网停机→气动刹车→偏航控制(90度)→功率下降后脱网→刹机械闸→安全停机→风速回到工作风速区对风控制：机组在工作风区→根据机舱的灵敏度→确定偏航的调整角度。偏转90度对风控制：机组在大风速或超转速工作时→降低风力发电机组的功率功率调节：当机组在额定风速以上并网运行时→失速型机组→发电机的功率不会超过额定功率的15%→过载→脱网停机。软切入控制：软切入、软脱网→限制导通角→控制发电机端的软切入电流为额定电流的1.5倍→控制发电机端电压。(3)控制保护要求主电路保护：变压器低压侧三相四线进线处设置低压配电低压断路器→维护操作安全和短路过载保护。过电压、过电流保护：主电路计算机电源进线端、控制变压器进线和有关伺服电动机的进线端均设置过电压、过电流保护措施。防雷设施及熔丝：控制系统有专门设计的防雷保护装置。过继电保护：运行的所有输出运转机构的过热、过载保护控制装置。接地保护：金属部分均要实现保护接地。2.2风力发电机组控制系统的结构原理风力发电机组是实现由风能到机械能和由机械能到电能两个能量转换过程的装置。风轮系统实现了从风能到机械能的能量转换，发电机和控制系统则实现了从机械能到电能的能量转换过程，在考虑风力发电机组控制目标时应结合它们的运行方式，重点实现以下目标：(1)控制系统保持风力发电机组安全可靠运行同时高质量地将不断变化的风能转化为频率、电压恒定的交流电送入电网。(2)控制系统采用计算机控制技术对风力发电机组的运行参数、状态监控显示及故障处理完成机组的最佳运行状态管理和控制。(3)利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制定桨距恒速机组主要进行软切入、软切出及功率因数补偿控制对变桨距风力发电机组主要进行最佳叶尖速比和额定风速以上的恒功率控制。(4)大于开机风速并且转速达到并网转速的条件下风力发电机组能软切入自动并网保证电流冲击小于额定电流。当风速在4～7m/s之间切入小发电机组(小于300kW)并网运行当风速在7～30m/s之间切入大发电机组(大于500kW)并网运主要完成下列自动控制功能：大风情况下当风速达到停机风速时风力发电机组应叶尖限速脱网抱液压机械闸停机而且在脱网同时风力发电机组偏航90°。停机后待风速降低到大风开机风速时风力发电机组又可自动并入电网运行。为了避免小风时发行频繁开、停机现象在并网后10分内不能按风速自动停机。同样在小风自动脱网停机后5分内不能软切并网。当风速小于停机风速时为了避免风力发电机组长期逆功率运行造成电网损耗应自动脱网使风力发电机组处于自由转动的待风状态。当风速大于开机风速要求风力发电机组的偏航机构始终能自动跟风。跟风精度范风力发电机组的液压机械闸在并网运行、开机和待风状态下应该松开机械闸其余状态下(大风停机、断电和故障等)均应抱闸。风力发电机组的叶尖闸除非在脱网瞬间、超速和断电时释放起平稳刹车作用。其余时间(运行期间、正常和故障停机期间)均处于归位状态。在大风停机和超速停机的情况下风力发电机组除了应该脱网、抱闸和甩叶尖闸停机外还应该自动投入偏航控制使风力发电机组的机舱轴心线与风向成一定的角度增加风力发电机组脱网的安全度待机舱转约90°后机舱保持与风向偏90°跟风控制跟风在电网中断、缺相和过电压的情况下风力发电机组应停止运行此时控制系统不能供电。如果正在运行时风力发电机组遇到这种情况应能自动脱网和抱闸刹车停机此时偏航机构不会动作风力发电机组的机械结构部分应能承受考验。风力发电机组塔架内的悬挂电缆只允许扭转±2.5圈系统已设计了正/反向扭缆计数器超过时自动停机解缆达到要求时再自动开机恢复运行发电。风力发电机组应具有手动控制功能(包括远程遥控手操)手动控制时“自动”功能控制系统应该保证风力发电机组的所有监控参数在正常允许的范围内一旦超过极限并出现危险情况应该自动处理并安全停机。(1)主要技术参数主发电机输出功率(额定)P(KW)发电机最大输出功率1.2P(KW)切入风速(lmin平均值)4m/s切出风速(lmin平均值)25m/s风轮转速N(r/min)发电机输出电压发电机发电频率并网最大冲击电流(有效值)01.51(2)控制指标及效果方式过载开关专用微控制器自动解缆时间手动操作响应时间超电压保护范围欠电流保护范围发电机转速极限发电机过功率保护值发电机过电流保护值连续30S1.3U,(V)连续60S*1.2P(KW)系统接地电阻防雷感应电压主开关合上后，风力发电机组控制器准备自动运作。首先系统初始化检查控制程序、微控制器硬件和外设、传感器来的脉冲及比较所选的操作参数备份系统工作表，态及晶闸管的开通角。所有这些完成后，风力发电机组开始自动运行于风轮的叶尖本来是90°,现在恢复为0°,风轮开始转动。计算机开始时监测各个参数、输入，判断其中相位补偿的作用在于使功率因数保持在0.95至0.99之间。2.2.4风力发电机组的变距控制原理(1)变桨距风力发电机组的控制方式风力发电机组的变距系统主要包括两种控制方式，即并网前的速度控制与并网后的功率控制。由于异步发电机的功率与转速是严格对应的，功率控制最终也是通过速度控制来实现的。变桨距风轮的叶片在静止时节距角为90°,这时气流对叶片不产生力矩，整个叶片实际上是一块阻尼板。当风速达到起动风速时，叶片向0度方向转动，直到气流风向当转速达到额定转速后电机并入电风向网。这时，电机转速受到电网频率的牵制变化不大，主要取决于电机的转差，电了优化功率曲线，在进行功率控制的同时通过转子电流控制器对电机转差进行节距角0°停止状态节距角0°停止状态节距角90°附近；当风速高于额定风速时，电机转差要调整到很大(10%),使叶尖速比变桨距控制系统实际上是一个随动系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经D/A转换后变成电压信号，控制比例阀(或电液伺服阀)驱动油缸活塞推动变距机构，使叶片节距角变化。活塞的位移反馈信号由位移传感器测量，经转换后输入比较器。2.3风力发电系统的控制策略在风力发电控制系统中，风轮机应在转速极限和功率极限内追求在最佳Gp目标曲线附近运行，应当把动能转换作为设计策略的重点加以规划；当达到转速限值和功率变换器的绝对极限和常用上限的差风力发电系统的各种控制策略在国内外0.4.大中型并网发电的风力发电机中均有应XX本科毕业设计说明书式中Q₀为风轮机的机械转速(rad/s);R为叶片半径(m);V为来流的线性风速(m/s)。图2图2-3风轮的典型Cp-TSR特性曲线特性，风能转换效率C,是尖速比λ和桨矩β的函数，即由图中可见，对于同一个Cp值风轮机可能运行在A和B两个点，它们分别对应于风轮机的高风速运行区和低风速运行区，当风速发生变化时风轮机的运行点将要发生变化。在恒频应用中，发电机转速的变化只比同步转速高百分之几，但风速的变化范围可以很宽。按(2-1)式，尖速比便可以在很宽范围内变化(取决于叶片设计),风轮机捕获风力可以写成P是空气密度(kg/m);A是扫掠面积(m²);C,是风轮机的功率系数。由(2-2)式可知，风机整体设计和相应的运行控制策略应在追求C,最大的情况下进行相应的调整，便可增加其输出功率。如图2-4所示是理想风轮机的功率曲线。从理论上讲风轮机组的输出功率是无限大的，它是风速立方的函数。但在实际应用中，它却受到了如下的限制：(1)功率限制：由于构成电路的所有电气元件都受到了功率限制；因而风轮机的运行存在三个典型区：在低风速段，按恒定C,途径控制风轮机直到转速达到极限；然后按恒定转速控制风轮机，直到功率最大；功率最大后，风轮图2-4理想风轮机组功率特性曲线电机工作于同步转速附近，而风电机组的设计一般在额定功率时风轮的转换效率Cp失速效应特性来降低C,值，以维持输出功率的恒定。对于定桨距系统，发电机正常工作的滑差小于1%,允许滑差范围一般在5%以内，而风速的变化范围却很大。从图2-5:风轮机组功率行性曲线C,=f(λ,β)的函数关系来看，难以保证在额定风速之前使C,值达到最大，特别是机则工作于低风速区，由此来调整尖速比λ,实现追求C,最大下的整体运行控制。定桨矩风机的功角一般设定在0°,在不同风频密度的地区可根据具体情况在安装时形难以做到在失速点之后功率恒定，通常都有些下降，因其发生在高风速段，对发2.3.3变桨距风力发电机的控制策略为了尽可能提高风轮机风能转换效率和保证风轮机输出功率平稳，风轮机将进桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动特性，主要依靠与叶片相匹配角度受控制环节精度的影响，变化范围很小，可等同于定桨距风机。在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围内。风轮机的桨距控制系统，通常采用典型的PID转速、功率和桨距角三模态控制。速度控制和直接桨距控制常用于风力发电机的起功率(kW)图2-6风机调整目标功率曲线距风轮机的起动风速较定桨距风轮机低，但对功率的贡献没有意义；停机时对传动时延，在阵风出现时桨距调节机构来不及动作而造成风机的瞬时过载，不利于风机在失速点之前进行桨距调整，即便桨距调节机构来不及动作通过叶片的失速效应发上面的风轮机直接由追求Cp值最优进入功率最大的限制，调整的范围和灵敏度系统与变桨距环节结合起来，就构成了变速恒频变桨距风力发电机的主要技术特点。相应转子电流频率fg是不定的。转子机械旋转的速度为fw,使得定子旋转磁场的频率fe=fn+fg。控制fg的值以使f;等于电网频率。这一点与鼠笼式转子电流频率fa=sfs的结论是一致的(S为电机转差)。值得指出的是发电状态与电动状态的区别在于转差S和功率流向的不同，因而造成两者在功率(能量)平衡上存在差别(特别是转子能量)。在实际应用中，发电机转速与风速的对应关系不必完全覆盖风速的范围电机转速范围为1100~1700RRM,仅有部分超同步范围。控制系统负责f控制和转子IGBT管，一般通过查表获得调节信号：风速5~7m/s,风机工作于同步转速以下(1100~1500RHM);风速7~9m/s风机工作于同步转速附近(1500RHM),与一般风机工作方式一致；风速9~15m/s,风机工作于同步转速以上(1500~1625RHM);风速15~25m/s,风机工作于负荷调节状态，根据功率调节风机行为，电机允许转速范围2.4变桨距风力发电机组控制系统模型框图(212.4.1变桨距风力发电机组的运行状态变桨距风力发电机组根据变距系统所起的作用可分为三种运行状态，即风力发电机组的起动状态(转速控制)、欠功率控制(不控制)和额定功率状态(功率控(1)起动状态变桨距风轮的桨叶在静止时，节距角为90°,气流对桨叶不产生转矩，当风速达到起动风速时，桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风轮起动。在发电机并入电网以前，变距系统的节距给定值由发电机的转速信号控制。转速控制器按一定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据给定的速度参考值，调整桨叶节距角，进行速度控制。(2)欠功率状态欠功率状态是指发电机并入电网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率以下的低功率状态运行。为了改善低风速时的风轮气动特性，采用了Optitip技术，即根据风速的大小，调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。(3)额定功率状态当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态。在传统的变桨距控制方式中，将转速控制切换为功率控制，变距系统开始根据发电机的功率信号进行控制。功率反馈信号与额定功率进行比较，功率超过额定功率时，桨叶节距向迎风面积减少的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。发电机功率发电机功率节距控制器图2-7传统的秋桨距风力发电机组的控制框图速度控制器功率控制器发电机藐耨风轮出功率的效果并不理想。因此，为了优化功率曲线，最新设计的变桨风力发电机组在进行功率控制的过程中，其功率反馈信号不再作为直接控制桨叶节距的变量。变桨距系统由风速低频分量和发电机转速控制，风速的高频分量产生的机械能波动，通过迅速改变发电机的转速来进行平衡，即通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制，当风速高于额定风速时，允许发电机转速升高，将瞬变的风能以风轮动能的形式储存起来；转速降低时，再将动能释放出来，使功率曲线达到理想的状态。(1)变桨距控制系统[10在发电机并入电网时前，发电机转速由速度控制器A根据发电机转速反馈信号与给定信号直接控制；发电机并入电网后，速度控制B与功率控制器起作用。功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器B的速度给定。节距的给定参考值由控制器根据风力发电机组的运行状态给出。如图2-8所示风速速图2-8新型变桨距控制系统分布图控制器率给定制器A度定速给给定机构当风力发电机组并入电网前，由速度控制器A给出；当风力发电机组并入电网后由速度控制B给出。(2)变距控制变距控制系统是一个随动系统，如图2-9所示。变距控制器是一个非线性比例控制器，它可以补偿比例阀的死带和极限。变距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经D/A转换后变成电压信号控制比例阀(或电液伺服阀),驱动液压缸活塞，推动变桨距机构，使桨叶节距角变化。活塞的位移反馈信号由位移传感器测量，经转换后输入比较器。活塞杆位移活塞杆位移变桨距机构转换为节距信号图2-9变桨距控制系统控制电压转换器转换器压统液系节距给定节距(3)速度控制器A转速控制器A在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投入工作，如图2-10所示在这些过程中通过对节距角的控制，转速以一定的变化率上升。控制器也用于在同步速(50Hz时1500转/min)时的控制。当发电机转速在同步转速±10r/min内持续1s发电机将切入电网。控制器包含着常规的PD控制器和PI控制器，接着是节距角的非线性化环节，通过非线性化处理，增益随节距角的增加而减小，以此补偿由于转子空气动力学产生的节距非线性化节距非线性化节距给定控制器节距及速度PID挖制量图2-10速度控制器A滤波器速度给定非线性，因为当功率不变时，转矩对节距角的比是随节距角的增加而增加的。当风力发电机组从待机状态进入运行状态时，变桨距系统先将桨叶节距角快速地转到45°,风轮在空转状态进入同步转速。当转速从0增加到1500r/min时，节距角给定值从45°线性的减小到5°。这一过程不仅使转子具有高起动力矩，而且在风速快速地增大时能够快速起动。(4)速度控制器B发电机切入电网后，速度控制系统B作用。如图2-11所示，速度控制器B受发电机转速和风速的双重控制。在达到额定值前，速度给定值随功率给定值按比例增加。额定的速度给定值是1569r/min,相应的发电机转差率是4%。如果风速和功率输出一直低于额定值，发电机转差率将降低到2%,节距控制将根据风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。如果风速高于额定值，发电机转速通过改变节距来跟踪相应的速度给定值。功率输出将稳定地保持在额定值上。从图中可知在风速信号输入端设有低通滤波器，节距控制对瞬变风速并不响应。2.4.3功率控制为了有效地控制高速变化的风速引起的功率波动，新型的变桨距风力发电机组采用了RCC(RotorCurrentControl)技术，即发电机转子电流控制技术。通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机的转差率，从而改变风轮转速，吸收由于瞬变风速引起的功率波动。控制器节距及速度PID挖制量速度给定速度入图2-11速度控制器B(1)功率控制系统功率控制系统如图2-12所示，它由两个控制环节组成。外环通过测量转速产生功率参考曲线。内环是一个功率伺服环，它通过转子电流控制器(RCC)对发电机转差率进行控制，使发电机功率跟踪功率给定值。如果功率低于额定功率值，这一控功率给定曲线功率给定曲线同步速滤波器速度入电功率计时器图2-12功率控制系统制环将通过改变转差率，进而改变桨叶节距角，使风轮获得最大功率。转子电流控制器由快速数字式Pl控制器和一个等效变阻器构成。它根据给定的电流值，通过改变转子电路和电阻来改变发电机的转差率。在额定功率时，发电机的转差率能够从1%到10%(1515到1650r/min)变化，相应的转子平均电阻从0到100%变化。当功率变化即转子电流变化时，PI调节器迅速调整转子电阻，使转子电流跟踪给定值，如果从主控制器传出的电流给定值是恒定的，它将保持转子电流恒定，从而使功率输出保持不变。电流给定转换器电流测量外接电阻外接电阻WF控制单元图2-13转子电流控制器原理图从电磁转矩的关系式来说明转子电阻与发电机转差率的关系。发电机的电磁转矩为式中P—电机极对数；m₁—电机定子相数；U₁—定子额定相电压；S_转差率；R₁_定子绕组的电阻；X₁--定子绕组的漏抗；R₂—折算到定子侧的转子每相电阻；XTL-折算到定子侧的转子每相漏抗。式中只要R₂/S不变，电磁转矩T就可以不变，发电机的功率可保持不变。当风速变大时，风轮及发电机上的转速上升，即发电机的转差率S增大，只要改变发电机的转子电阻即可保持输出功率不变。RCC控制单元有效地减少了变桨距机构的动作频率及动作幅度，使得发电机的输出功率保持平衡，实现了变桨距风力发电机组在额定风速以上的额定功率输出，有效地减少了风力发电机因风速的变化而造成的对2.5变桨距风力发电机组控制系统模型的建立在控制选择器的模型中，当输入的时间值低于1秒时，输出为低水平输出值0;当输入的时间值超过1秒时，输出为高水平输出值1。**101图2-14系统控制选择器模型根据系统控制选择器来实现在w和1之间的选择，利用乘法器乘以转速的基准值314rad/s得到风轮机转速的值，对风轮机进行控制。(1)选择器参数：选择器功能是当运行时间在0到所设域值时，由B通道输入，到达所设定的值以后由A通道输入。(2)选择器A、B端输入参数：A端输入变量发电机转子转速w;B端输入常数(3)乘法模块输入参数：乘法模块功能是把两个输入相乘后在输出。在软件环境中输入同步转速314rad/s。(4)时钟脉冲CNT控制参数：时钟脉冲控制是由一个时间信号模型与一个单信号输入比较仪组成，其功能是当输入时间信号低于所设域值时，输出Lowoutputlevel通道所设值，当输入时间信号高于所设域值时，输出Highoutputlevel通W图2-15风轮机转速控制模型2.5.3发电机转速控制的模型(在发电机并网前)根据异步发电机输出的机械转矩和电磁转矩利用发电机多参量模块可以对发电机的转速进行控制，其控制模型和参数如图2-16所示。2.5.4风力发电机组的变桨距控制系统模型变桨距风轮机的桨叶静止时节距角为90°,当风速达到起动风速时桨叶向0°方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角后风轮才起动。当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态，将转速控制切换为功率控制，变距系统开始根据发电机的功率信号进行控制。功率反馈信号与额定功率进行比较，功率超过额定功率时，桨叶节距向迎风面积减少的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。(风力发电机组的变桨距控制系统模型图见附录B.1)multimass]TorsionalShaftModelModelExciterMass9图2-16发电机转速控制的模型及参数(1)桨距角控制输入量模型根据控制选择器来选择异步发电机的有功功率反馈值或给定值为桨距角控制功(2)桨距角控制功率的参照量(Pref)模型以发电机的额定功率作为控制系统功率输入的参照量，由实际值与其进行比较，根据所得值的大小可以判断功率输出是否稳定，从而可以通过改变桨距角进行功率图2-17桨距角控制输入模型图2-18桨距角控制功率的参照量(Pref)模型(3)桨距角控制比例积分环节模型由比例积分控制器将功率比较的差值转换成角度参量。古古B+十F图2-19比例积分控制器模型tt图2-20传递函数的参数0图2-21节距限制的参数(4)滤波器模型及参数滤波器对比例积分器输出的波形进行修整，以便出现谐波分量对系统造成不良影图2-22滤波器模型及参数(5)桨距角调整限制环节模型F角度限制角度限制图2-23桨距角调整限制环节模型出桨距角。其各部分的参数如下所示。出桨距角。其各部分的参数如下所示。图2-24RATELIMITER微分限制参数Orderoftransferfunction.coefficientofsXX本科毕业设计说明书图2-25微分器环节传递函数的参数0图2-26桨距角的角度限制参数以上是对完整的风力发电控制系统模型的建立过程，通过以上模型可以对风力发电机组进行相应的转速控制和功率控制，使风力发电系统运行在安全稳定的状态。第三章样例系统模型的建立3.1风速模型的建立3.1.1风能的数学模型风能作用于风轮机的桨叶上，是风力发电机的原动力，为了能较准确的描述自然界的风能变化的特点，在工程上一般采用简化的四分量模型来模拟风速随时间变化的特征。基本风可以由风电场测量所得的威布尔分布参数近似确定式中AmK·表示威布尔分布尺度参数和形状参数：在实际与仿真时我们近似认为Vg是一个不随时间变化的分量，也就是取V为一个常数。V用于表述风速的突然变化，在三个时间段内有不XX本科毕业设计说明书T₁c≤t<(T₁c+T₆)风Tc——出现阵性风的时间(起动时间s);所以当t=T,时Vo=0(3)渐变风VVR用于描述风速的逐渐的变化，在四个时过程如图3-3所示。风速V=0风速Vwg=VXX本科毕业设计说明书所以当t=Tg时风速V=0图3-3渐变风随时间变化曲线图(4)随机噪声风VVN用以描述在指定的高度的风速变化的随机风的特性，由许多谐波分量构成其表达式为式中△w——随机分布的离散间距；W;第I个分量的角频率，w;=(i-1/2)△w;φ;——第I个分量的初相角为0~2P之间分布的随机量；s,(w;)第I个分量的振幅。式中K地表摩擦系数；F拢动范围m;μ相对高度的平均风速(m/s)。综合风速表达式即是对前面的四个分量风速表达式的求和，其表达式如下V图3-4综合风速模型(1)外部风速输入控制模型参数外部风速输入控制模型(如图3-5所示)是调节外加风速的模型，它可以随意调节切入风速的大小。基本风V输入参数在实际或仿真时基本风被认为是一个常数，并且一般取平均值，v。=9m/s,如图3-6所示。图3-5外部风速输入控制模型及参数图3-6基本风输入参数阵行风Vwo输入参数阵行风Vwc用于描述风速的突然变化，根据实际数据可以给出其最大值Vmx=2m/s,起始时间3s,持续周期为1s,阵性风数量为1个。如图3-7所示。渐变风Vw用于描述风速的逐渐变化，根据实际数据可以给出其最大值Vmx=2m/s,起始时间为4s,持续周期为1s,阵性风数量为1.5个，如图3-8所示。图3-7阵行风输入参数314用于描述在指定高度风速变化的随机噪声风的特性是由许多谐波组成的，根据实际数据可以给出其噪声分量数为50个，如图3-9所示。风轮机是风力发电机组的原动机，也是主要区别于其他类型发电厂的关键地方它是把风能转化成机械能的装置，通过吸收风能，然后转化成机械能，最后把机械能传输给发电机，如图3-10所示。5图3-9随机噪声风输入参数图3-10风轮机模型3.2.1风轮机模型及参数如图3-11所示是风轮机输入参数。图3-11风轮机输入参数齿轮箱的功能是把风轮机输入的低转速变成高转速输出给发电机，其转速比也是指齿轮的变比，即低速齿轮与高速齿轮的齿数比。如图3-12所示为齿轮箱速比控图3-12齿轮箱速比控制模型Displaytitleonicon?0XX本科毕业设计说明书图3-13齿轮箱速比控制模型输入参数3.3异步发电机模型的建立异步电机一般称为感应电机，既可作为发电机使用也可作为电动机使用。由于异在大中型风力发电机组中得到广泛应用。3.3.1发电机控制选择器参数(1)转子转速控制参数输入同步转速(标么值)的99%,即为0.99。(2)选择开关StoT控制模型及参数S子图3-14异步发电机模型选择开关StoT控制是用于发电机转速控制和转矩控制选择的控制器，选择开关模型是当选择1时，异步发电机由转子转速控制，当选择0时，异步发电机由输入机械转矩控制。它是由一个时间信号模型与一个单信号比较仪来控制。图3-15选择开关StoT控制模型当输入值低于0.5秒时，输出为低水平输出值1;当输入值超过0.5秒时，输出为高水平输出值0.输入为自然数，则输出整数0图3-16StoT控制模型及参数NumberofCoherentMachines13phasewiewW图3-17异步发电机参数3.4无穷大系统模型的建立ABCCABBCc当BC与H<r图3-18无穷大系统模型图3-19补偿电容的参数(1)普通三相断路器ABC图3-20(2)有同步监视的断路器普通三相断路器模型及参数图3-21有同步监视的三相断路器模型及参数BBBBBBBB图3-22断路器分合控制选择器模型当输入时间值低于1秒时，输出为低水平输出值1;当输入时间值超过1秒时，输出为高水平输出值0。图3-23断路器分合控制选择器模型输入参数图3-24图3-25断路器在并入电网前的参数断路器在并入电网后的参数BC图3-26#1主变压器模型及参数日C Y图3-27#2主变压器模型及参数ABABCR图3-28电网(三相电压源)模型及参数第四章风力发电控制系统的模拟仿真结果分析在低于额定风速的条件下，风力发电机组的基本控制目标是跟踪Cm曲线，以获得最佳叶尖速比。在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风轮机获取能量，使风力发电机保持在额定功率下发电，并使系统失速负荷最小化。加入变桨距调节系统，显著提高了传动系统的柔性及输出的稳定性。因为在高于额定风速时是追求稳定的功率输出，采用变桨距调节可以限制转速变化。采用转速与变距的双重调节，虽然增加了额外的变桨距机构和相应的控制系统的复杂性，但由于改善了控制系统的动态特性，仍然被普遍认为是风力发电机组理想的控制方式。4.1控制系统在样例模型中的模拟仿真(1)风速模型输出及参数设置图4-1风速模型输出及参数设置综合风速是由基本风、阵行风、渐变风以及随机噪声风四种分量的风速叠加而成在前面我们已经讨论过，风是近似的服从威布尔分布，也就是说，近似的服从正态分布。如图4-2所示，在没有外力风速的情况下，由于受随机噪声风的影响，风速的曲线波动很大，在3s和4s时分别又受到阵行风与渐变风的影响，波形也出现了相应的波动，其综合风速的最大值可达到15.96m/s。所示说，用以上的四个风的分量在一定的程度上是可以大体的描述风的波形，但在一些细节上还需要进一步修正，所以它的使用范围是有限的，只是可以用在一些要求的精确程度不高的模型的风速模型输出图4-2综合风速模型模拟仿真结果图4-3风轮机机械转矩输出及参数设置3图4-4风轮机机械转矩模拟仿真结果(1)机械转矩输出及仿真结果如图4-3和图4-4所示。(2)机械功率输出及仿真结果如图4-5和图4-6所示。(3)仿真结果分析如图4-3和图4-4曲线所示，风轮机的输出转矩和输出功率都是标幺值，则它们的曲线是完全一致的，在0-3s时变桨距控制系统在调节桨叶节距使转矩和功率输出逐渐达到稳定，由于又突然受到在3s与4s分别受到阵行风与渐变风的影响，从而使波形在这两个时间有的突变，之后继续达到稳定。Displaytitleonicon?图4-5风轮机机械功率输出及参数设置召4.1.3异步发电机模拟仿真分析(1)异步发电机的输出量有有功功率、无功功率、机械转矩、电的转速，异步发电机的输出参数如图4-7所示。(2)发电机有功功率输出及仿真结果分析异步发电机有功功率输出及参数设置如图4-8,由于异步发电机只能输出有功功率，根据电力系统对异步机作为电动机状态的有关规定，它的基本参量的正方向在1s时异步发电机并网，由于采用的是直接并网，在并网时出现了很大的冲击电流，导致有功功率1s时发生突变，然后有功功率下降并逐渐达到稳定状态。有功 NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNameforReactivePower(PQW图4-7异步发电机输出参数 Pz图4-8异步发电机有功功率输出及参数设置异步发电机有功功率仿真结果图4-9异步发电机有功功率模拟仿真结果(3)发电机无功功率输出及仿真结果分析异步发电机无功功率输出及参数设置如图4-9,由于作为异步发电机励磁的无功功率只能从电网吸收，根据电力系统对异步机作为电动机状态的有关规定，它的基本参量的正方向是按电动机状态定义的，则无功功率输出为正值。Q图4-10异步发电机无功功率输出及参数设置图4-11异步发电机无功功率模拟仿真结果异步发电机无功功率仿真结果分析在1s时异步发电机并网，由于采用的是直接并网，在并网时出现了很大的冲击电流，导致无功功率在1s时发生突变，然后无功功率下降并逐渐达到稳定状态。无功功率稳定值为0.315MVar。在3s和4s分别受到阵行风和渐变风的影响，无功功率的曲线有很小的上升，然后又达到稳定状态。在0～1s时无功功率为零，主要原因是虽然发电机端加了电容给发电机补偿无功，但此时发电机端没有电压，则电容两端也没有电压，因此这段时间发电机并未得到无功补偿，即此时无功功率曲线为客。(4)发电机转速输出及仿真结果分析异步发电机转速输出及参数设置如图3-40所示，异步发电机的转速是一个很重要参数，发电机在正常运行时其转速略大于同步转速，则滑差图4-12异步发电机转速模拟仿真结果异步发电机在0.5s前对转速进行控制，则这段时间转速稳定在0.99,此时异步电机运行在电动机状态；在0.5s以后对异步发电机的转距进行控制，则发电机的转速开始上升，并超过发电机转速标玄值1,异步电机此时运行在发电机状态，之后转速继续上升，并逐渐趋于稳定。在3s和4s分别受到阵行风和渐变风的影响，转速曲线有很小的变化，然后又达到稳定状态，其稳定值为1.006。(5)发电机机械转矩输出及仿真结果分析异步发电机机械转矩输出及参数设置如图4-13所示。图4-13异步发电机机械转矩输出及参数设置异步发电机机械转矩仿真结果图4-14异步发电机机械转矩模拟仿真结果异步发电机转速仿真结果分析在0~0.5s时，发电机由转速控制，因此这段时间它的输出机械转矩为零，0.5s之后发电机由转矩控制，从而在0.5s发生突变，再继续达到稳定，由于异步电机各参量正方向在PSCAD软件是按电动机定义的，因此在发电机状态时它的输出机械转矩为负值。(6)发电机电磁转矩输出及仿真结果分析电磁转矩Te是反映发电机由机械能转换成电能的一个重要参数，电磁转矩Te等于机械功率Pm除以转轴的角速度Ω.即T=P/2发电机电磁转矩模拟仿真结果分析在1s时发电机并网，因此发电机电磁转矩在0～1s时为零，在并网后电磁转矩开始下降，之后又开始上升，并逐渐达到稳定，其稳定值为-0.535。在3s和4s时分别受到阵行风和渐变风的影响，电磁转距曲线有明显的下降，之后又达到稳定。图4-15异步发电机电磁转矩输出及参数设置上区上区图4-16异步发电机电磁转矩模拟仿真结果(1)发电机三相电压输出及仿真结果分析1图4-17异步发电机发电机三相电压输出及参数设置豆豆豆图4-18异步发电机发电机三相电压模拟仿真结果图4-19高压母线电压模拟仿真结果如图4-18所示，在发电机并入电网前低压侧电压为0,在1S时发电机并入电网，电压突然上升到接近于额定电压，发电机向电网输送功率。并网后的功率输出逐渐趋于稳定，这时的电压曲线呈正弦曲线形状变化，向电网输送额定功率。立立图4-20低压母线和高压母线的线电压输出及仿真结果低压母线和高压母线的线电压仿真结果分析在正常运行时，低压母线和高压母线电压均从0迅速上升并均达到各自的额定值，然后一直保持稳定。低压母线电压稳定在0.69KV左右，高压母线电压稳定在121KV(3)低压母线相电流输出及仿真结果分析并网前电流为0,在1s时断路器合闸并网，出现很大的冲击电流，其冲击电流值达到11KA,最后开始衰减至0.07KA,然后又开始上升，最后趋于稳定，其电流最大稳定值为0.64KA。图4-21低压电流输出及参数设置2豆至至图4-22低压母线相电流输出及仿真结果通过控制桨距角的大小的改变就可以控制叶片吸收风功率的多少，桨距角的调图4-23变桨距控制系统模拟仿真结果风轮机启动时风力发电机组开始自动运行于风轮叶尖本来值90°,即桨矩角初始值为90度，在机组起动的过程中逐渐变小，这样叶片吸收风能逐渐增大，叶片的转速也逐渐加快，最后在1.4s时桨矩角变为雾，且保持不变，此时叶片吸收风能达到4.2低于额定风速时控制的模拟仿真结果分析额定风速以下是风力发电机组的运行可以不受功率限制的风速范围。在这一运行区域，风力发电机组控制系统的主要任务是通过对转速的控制来跟踪最佳C曲线以获得最大能量。通常对转速的控制是通过对发电机转矩的控制来实现。发电机转速控制器是一个六阶的动态模型，发电机制转速输入值是根据发电机的机械转矩和电磁转矩在模块中进行计算而得到的，其输出总是保持发电机转速在恒定转速。转速的恒定使发电机能够正常起动，并能安全地并入到电网，并网后在额发电机转速图4-24低于额定风速时异步发电机转速控制模拟仿真结果发电机也可以在起动前给定一个起动转速，使发电机在并网前正常起动。然后使用时间控制选择器来选择发电机使用转速控制和转矩控制的状态，在发电机并入电网后，发电机的控制转换为转矩控制，从而带动发电机转子运动在略高于额定转速×图4-25低于额定风速时发电机起动时转速控制模拟仿真结果发电机在准备起动时转速为0,发电机并网前由于风轮机的机械转矩在不断升高，带动发电机使其转速达到并超过额定转速。在3s时出现的阵性风和4s时出现的渐变风影响了发电机的转速，使发电机的转速出现了突然的升高，而后又下降到了略高于额定转速的附近运行，最终将达到稳定状态。4.2.2风轮机转速控制模拟仿真结果分析风轮机转速控制是根据发电机的转速反馈值和给定值进行选择，然后利用乘法器乘以转速的基准值314rad/s得到风轮机转速的值，输入到风轮机并对风轮机的转出机械转矩，但是由于风模型的输入的风速有波动，所以风轮机的输出转矩受到了影响。但在并网时风轮机的转矩没有太大的变化，曲线在不断的上升。在并入电网以后，在3s时受到的阵性风和4s时受到渐变风的影响而出现了明显的突变，可见风的变化对风轮机转矩的输出是有直接影响的。风轮机的机械功率是低风速时风轮产生的气动功率，与风速和瞬时C,值有关，功率极限取作恒定的话，功率输出如图4-26所示。电功率的输出曲线同机械功率的输出曲线完全一致，这样电功率输出的变化可从起点跟踪，在起动区电功率是负值，说明是作电动机起动的区域。如果根据实际的原理分析的话，当风轮加速时电功率应该大于机械功率，但由于实际中存在一定的误差，所以没有太大的变化。己图4-26低于额定风速时风轮机转矩模拟仿真结果风力发电机组变桨距控制系统在发电机准备起动时，桨矩角从初始的90度先减小到45度，处于待起动状态；然后在起动风速持续10秒时，桨距角再从45度逐渐变小。在桨距变小的过程中，叶片吸收风功率在逐渐的增加，同样叶片的转速也逐渐己图4-27并网后风轮机转矩受风影响的模拟仿真结果加快，则风轮机的输出功率在不断增大，带动异步发电机转动，从而发出电来。根据图4-5所示我们可知风轮机在并网前，桨距角已经变到8度左右，风轮机吸收的功桨叶节距角>图4-28变桨距控制模拟仿真结果率已接近额定功率。在发电机并入电网后，在1.4s时桨矩角变为雾且保持不变，这时叶片吸收的风能达到了最大，风力发电系统处于正常运转状态。桨叶节距变化过程是迅速，所以风力发电机组的起停机过程也是快速的，使风力发电机组在这稳定状态时可以迅速进行调节或停机，使风力发电机系统的安全性提高。在低于额定风速时.风力发电机组经历了从起动到并网或在正常运行时进行转速调节等的控制过程，所以风力发电对控制系统的要求很高。在起动状态时，发电机电压和低压侧电流均为0,这时变桨距系统的节距给定值由发电机的转速信号控制.转速控制器按一定的速度上升率给出速度参考值，变距系统对桨叶节距进行调节。由图4-6的模拟仿真结果可知，风力发电机在并网时电压和电流均出现了冲击，为了确保并网平稳.对电网产生尽可能小的冲击.变桨距系统可以在一定时间内.保持发电机的转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网。而在欠功率状态时，发电机在低于额定功率的状态运行，可以采用OPTITIP技术对绕线式异步发电机的转差率进行调节，由于我们仿真所用的发电机为鼠笼式异步发电机，所以在这里我不加以论述。4.3高于额定风速时控制的模拟仿真结果分析风力发电机组的变速运行可以使机组在风速大范围内变化时增加能量的获得，但在高风速状态下，能量的获取将受到机组物理性能的限制。风轮机的风轮转速和能量转换必须低于某个极限值，否则各部件的机械和疲劳强度就受到挑战。因此在高风速下，当风速作大幅度变化时，保持发电机组恒定的功率输出，并使风力发电机组的传动系统具有良好的柔性，是高于额定风速时控制系统的基本目标。在这一运行区域，风力发电机组的控制系统主要是通过调节风轮机的功率系数，将功率输出限制在允许范围之内；同时使发电机转速能随功率的输入作快速变化，这样发电机就可以在允许的转速范围内持续工作并保持传动系统良好的柔性。通常采用两个方法控制风轮的功率系数，一是控制发电机的反力矩，通过改变发电机的转速来改变风轮的叶尖速比；二是改变桨叶节距角以改变空气动力转矩。本节主要介绍使用比例积分(Pl)和干拢调节控制调节(DAC),通过改变桨叶节距角来控制风轮的功率系数，以满足风力发电机组运行时对各种物理量进行限制的要求。发电机转速控制器是一个六阶的动态模型，发电机制转速输入值是根据发电机的机械转矩和电磁转矩在模块中进行计算而得到的，同样在发电机并入电网后进入额定运行状态时.其输出的转速还是保持在恒定转速。输入的恒定转速使发电机能够正常安全地运行，使发电机输出的功率只受风速变化的影响。在高于额定风速时，风力豆豆发电机如果在起动前给定了一个起动转速的话，发电机正常地并入电网后在高于额定风速时，发电机由转速的控制转换为转矩的控制，则由完全由风轮机带动发电机的转子在略高于额定转速的转速附近运行。这样，发电机的转速(转速标玄值)在1.00-1.01的范围内变化，发电机的转速变化是很微小的，对发电机输出功率的影响也是微乎其微的，同样对电力系统的影响也是很小的。发电机并网前由于风轮机的机械转矩在不断升高，带动发电机使其转速达到并超过额定转速。发电机并入电网后，在3s时出现的阵性风和4s时出现的渐变风影响了发电机的转速，使发电机的转速出现了一定的突然的升高，而后又下降到了略高于额定转速的附近运行，最终达到稳定运行状态。发电机转速图4-30高于额定风速时异步发电机转速控制模拟仿真结果图4-31发电机并网后高于额定风速时转速控制模拟仿真结果4.3.2风轮机转速控制模拟仿真结果分析高于额定风速时，风轮机的转速是根据发电机的转速反馈值乘以转速的基准值314rad/s得到的，然后输入到风轮机并对其转速进行相应控制的。由于风模型的输入具有一定的波动性，使得受到一定的影响。在3s时受到的阵性风和4s时受到渐变风的影响，风轮机输出的机械转矩和电磁转矩出现了明显的突变，可见风的变化对风轮机转矩的输出是有直接影响的。风轮机的机械功率是低风速时风轮产生的气动功率，与风速和瞬时C,值有关，功率极限取作恒定的话，电磁功率输出如图4-33所示。电磁功率的输出曲线大于机械功率的输出曲线，这样电功率输出的变化可从起点跟踪，在起动区电功率是负值，说明是作电动机起动的区域。己图4-32高于额定风速时风轮机转矩模拟仿真结果B图4-33高于额定风速时风轮机功率模拟仿真结果高于额定风速的变桨控制系统受到发电机转速和风速的双重控制，当风速大幅度变化时在保持风力发电机恒定的功率输出，通过调节风轮机的功率系数，将功率输出限制在允许的范围内，同时也使发电机的转速能随功率的输出作快速的变化。我们能够通过使用PI比例积分和DAC干拢调节控制来改变桨叶节距角的方法来控制风轮机的功率系数。功率反馈信号与给定值进行比较，当功率超过额定功率时，桨叶图4-34高于额定风速时的变桨距控制模拟仿真结果向迎风面积减小的方向转动一个小的角度。风速高于额定值时，发电机转速通过改变节距来跟踪相应的速度给定值，而节距控制对瞬变风速并不响应。在1.4s时桨矩角变为零且保持不变，这时叶片吸收的风能达到了最大，风力发电系统处于正常运转状态。桨叶节距变化过程是迅速，所以风力发电机组的起停机过程也是快速的，使风力发电机组在这稳定状态时可以迅速进行调节或停机，使风力发电机系统的安全性提高。在高于额定风速时，对转速调节的控制过程要求比较高。在高于风速的运行状态时，发电机电压和低压侧电流均呈正弦规律变化，这时变桨距系统的节距给定值由发电机的有功功率信号来控制，根据功率反馈值的跟踪来使变距系统对桨叶节距通过观察风轮机的响应，可对控制器的性能作出定性的分析。控制器最初检测到的转速是一个负的偏差，风叶最初的节距是3度左右。当风轮机的转速达到给定值时，叶片的节距就会增加以抵御风速增加的作用，则风速的增加会使叶尖速比降低，使风轮机的转速提升，这时控制器增大了节距角，则减小了桨叶的攻角，使得气流没有在桨叶表面产生分离。控制器会在狂风时将节距角增加，这样将迅速减少转矩系数，造成空气动力转矩的下降，从而使风轮减速。如果风速继续增大，则风轮的节距角会继续增大，直到风力发电机不能承受的风速出现时，桨距角变为90度后自动停机。豆至图4-35高于额定风速时风力发电系统电压、电流模拟仿真结果本论文通过PSCAD/EMTDC电力系统模拟仿真软件.建立了变桨距风力发电机组控制系统模型，对加入控制系统的风力发电样例系统进行模拟仿真分析，验证了控制系统模型的可用性。由干风能的不规则特性.对风力发电系统输出功率的稳定统，根据风速的大小来调整桨叶节距，使系统输出功率稳定，并使输出功率曲线得到了优化.提高了风力发电系统运行的可靠性。风力发电系统控制策略是以风速的变化为依据，风能的最大利用效率为目的，为优化风力发电系统运行特性提出的控制方案。变桨距控制系统的设计主要采用PI控制器，根据发电机有功功率输出和风轮机转速反馈来调节桨叶节距。通过风轮机桨距角控制系统对叶片桨距角进行控制，使风力发电机组的机械部分与发电机的电气部分配合.达到提高风能利用效率及改善供电质量的目的。利用风力发电样例系统来验证控制系统的可用性，并对各种仿真曲线进行分析，从而得出根据风速模型的仿真曲线.分析风轮机和发电机各部分曲线的变化情况和整个系统的仿真曲线图。在并网以前电压的波形基本上是正弦形状的，转速基本上是稳定的。并网以后虽然受到了电网的干扰，但转速上升到额定转速后再没有多大变化；电流的波形虽然是正弦的，但整体的趋向也发生了相应的波动。变桨距控制系统