（电力系统及其自动化专业论文）风力发电对电力系统电压影响的研究.pdf

研究 和取 包含 育机 献均 学位论文作孝签名：叠虹e l 期：盖啦l 址 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：靼 e t 期：2 生：& 导师签名： 日期：主竺垒： ：星： 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着风电容量在电网的比例迅速增加，风力发电机组单机容量的日益增大，并 网系统的电压问题逐渐暴露出来。本文推导了风力发电系统的数学模型；利用 m a t l a b s i m u l i n k 组建了风力发电机组( 风电场) 的暂态模型，通过该模型，研究了 风电接入系统后的风电机组的运行特性和对电网电压的影响；利用风力发电机组的 稳态模型，研究了风电机组对配电网稳态电压的影响，使潮流计算能够有效、快速 的进行；最后利用遗传算法对含有风力发电机组的配电网进行了无功优化。利用仿 真和算例，验证了模型和算法的正确性和有效性。 关键词：风力发电机组，m a t l a b s i m u l i n k ，稳态模型，配电网，无功优化 a b s t r a c t t l 坞n e t w o r ks y s t e mv o l t a g ep r o b l e m sa r eg r a d u a l l ye x p o s e dw i t ht h er a p i di n c r e a s eo f t h e 、析n dp o w e ra n dt u r b i n ec a p a c i t yw h i c hi nt h ep r o p o r t i o no ft h e 鲥d t h ct h e s i sd e r i v e s m a t h e m a t i c a lm o d e l so f w i n dp o w e rs y s t e m sa n du s m gm a t l a b s i m u l i n kb u i l d s 、) l ，i n dt u r b i n e g e n m a t i n gs y s t e m s ( 、胛g s ) ( o rw i n df a r m s ) i nt h et r a n s i e n tm o d e l 1 1 l i sp a p e rs t u d i e st h e o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw t g sa n d 班dv o l t a g ea f t e rt h ew i n dp o w e rc o n n e c t e dt ot h e s y s t e m t h r o u g ht h ed e r i v a t i o no fs t e a d y - s t a t em o d e l so fw t g s ，t h ec a l c u l a t i o no fp o w e r f l o wi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r kw h i c hc o n t a i nw i n dt u r b i n ew i l lb ec a p a b l eo fe f f e c t i v ea n df a s t a g e n e t i ca l g o r i t h mc o n s i d c r e dw t g s i sp r o p o s e da n da p p l i e dt os o l v et h er e a c t i v ep o w e r o p t i m i z a t i o np r o b l e m t h es t u d yc 嬲e sa n ds i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d sa n d m o d e l sa r ec o r r e圮ta n de f f e c t i v e c h a n gx u e j u n ( p o w e rs y s t e m a n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f s h e n gs i q i n g k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n eg e n e r a t i n gs y s t e m s ，m a t l a b s i m u l i n k ，s t e a d y - s t a t e m o d e l , d i s t r i b u t i o nn e t w o r k , r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n 、j ， j一 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 引言：1 1 2 风力发电现状1 1 2 1 世界风电发展现状1 1 2 2 国内风电发展现状3 1 3 选题背景及意义4 ， 1 4 论文主要内容5 第二章风力发电系统的数学模型7 2 1 风速模型7 2 2 风力机模型1 0 2 3 传动系统模型1 l 2 4 桨距角控制1 2 2 5 发电机暂态模型1 3 2 5 1 恒速恒频发电系统1 3 2 5 2 变速恒频发电系统1 5 2 6 风电机组稳态模型1 9 2 6 1 恒速风力发电机组1 9 2 6 2 半变速风力发电机2 2 2 6 3 变速风力发电机2 3 2 7 本章小结2 4 第三章风力发电对电网暂态电压影响仿真2 5 3 1 仿真工具介绍2 5 3 2 风电场模型建模2 5 3 2 1 恒速风力机风电场模型2 6 3 2 2 变速风力机风电场模型2 6 3 3 鼠笼型异步发电机仿真分析2 7 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3 1 风速波动仿真2 7 3 3 2 短路仿真2 9 3 4 双馈型异步发电机仿真分析一3 l 3 4 1 风速波动仿真j 3 l 3 4 2 短路仿真3 5 3 5 本章小结3 6 第四章风力发电对电网稳态电压影响仿真。3 7 4 1 包含风力发电机组的潮流分析3 7 4 1 1 恒定风速下的潮流分析：3 8 4 1 2 含不确定因素的潮流分析3 8 4 2 算例验证j ：3 8 4 2 1 风机接入电网的运行特性3 8 4 2 2 风电机组对配电网电压的影响4 2 4 3 本章小结4 4 第五章计及风电机组的配电网无功优化4 6 5 1 遗传算法简介4 6 5 2 遗传算法流程4 6 5 2 1 数学模型4 6 5 2 2 染色体编码4 7 5 2 3 遗传操作4 7 5 3 算例分析4 7 5 4 本章小结4 8 第六章总结与展望5 0 参考文献5 l 致 谢一5 4 附录5 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 8 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，全球都面临着能源挑战，气候变化、日益增长的能源需求、能源安全问 题得到广泛关注。国际社会日益感觉到环境污染和全球气候变暖问题的严重性，纷 纷采取措施试图遏制环境的恶化，措施之一就是扶持清洁新能源的发展。风电是一 种可大规模商业开发的清洁新能源，它是现代社会成熟的最具效率的能源技术之 一。风能安全清洁，资源丰富，取之不竭。不同于化石能源，风能是一种永久性大 量存在的本地资源，可以为我们提供长期有效的能源供应【1 1 。 尽管美国的次贷危机引发的金融海啸席卷全球，但作为实体经济中的朝阳产业 之一，风能正在成为全球资本追逐的新热土。风力发电作为全球公认可以有效减缓 气候变化、提高能源安全、促进低碳产业经济增长的方案，得到各国政策制定机构、 投融资机构、技术研发机构、项目开发商等的高度关注。 全球的风力发电产业正以惊人的速度增长，在过去1 0 年平均年增长率达到 2 8 ，2 0 0 8 年底，全球装机总量达到了1 2 0 8 0 万千瓦，每年新增2 0 0 0 万千瓦，意 味着每年在该领域的投资额达到了2 0 0 亿欧元。2 0 0 7 年，中国风电装机容量超过 5 9 0 万千瓦，同比增长1 2 7 2 7 ，2 0 0 1 年到2 0 0 7 年的6 年间，中国风电装机增长了 1 4 倍；仅2 0 0 7 年一年，中国风电装机就增加3 3 0 万千瓦，同比增长1 4 7 0 7 。随 着风电产业的高速发展，风电设备供不应求。2 0 0 7 年全球的风电资金中有1 5 投向 了中国，总额达3 4 0 亿人民币，即3 4 亿欧元左右，这显示出全球资本对于中国风 电产业的强烈信心，中国真正成为全球最大的风电市场。 1 2 风力发电现状 1 2 1 世界风电发展现状 地球上的风能资源是地球水能资源的l o 倍，高达每年5 3 万亿千瓦时。从分布 来看，主要分布在北美洲、亚洲、拉丁美洲等地方，如图l - l 所示。 世界各国不断加大了对风力发电的投资力度。其中美国和中国发挥了排头兵作 用，功不可没。据欧洲风能协会( e w e a ) 和世界风能理事会( g w e c ) 的统计， 截止2 0 0 8 年末，全球累计装机容量达到1 2 0 8 g w ，相当于约9 0 座核电站的发电能 力，增长幅度为2 8 8 ，高于近十年的年均复合增长率平均值【2 j 。 华北电力大学硕士学位论文 图1 - l 世界风能资源情况( 单位：”v h a ) 1 9 9 8t 9 9 92 0 0 02 0 0 1 2 口d 22 9 净32 t ) 0 42 d d 2 9 d 62 0 0 72 0 垂8 一累计风电装机总量巾累计装机息量增逮 图l - 21 9 9 8 年2 0 0 8 年全球累计装机容量变化情况( 单位：g w ) 就新增装机容量而言，从2 0 0 1 年开始，每年新增装机容量大幅增加，2 0 0 1 年 增装机容量达到了6 5 g w ，比2 0 0 0 年增加了2 7 4 g w ，增加幅度达到7 2 8 7 。 2 0 0 7 年和2 0 0 8 年新增装机容量分别达到了2 0 0 7 3 g w 和2 6 6 7 8 g w ，新增装机 容量增速分别达到了3 4 2 、3 2 9 ，如图1 3 所示。 美国是2 0 0 8 年新增装机容量最多的国家，全年共新增风电装机容量8 3 8 g w ， 同比增长近5 0 ，其累计装机容量达到2 5 1 7 g w ，超越德国的2 3 9 0 g w ，成为全球 风电装机容量最多的国家。美国2 0 0 8 年新增电力装机中风电贡献了4 2 的规模， 美国风能协会首席执行官博德表示：风电领域在过去的一年为美国新增添3 5 万个 就业岗位，总雇用人数达到8 5 万人，协会将会协助新一届美国政府以实现奥巴马 总统的目标，即在三年内实现可再生能源装机容量再翻一番的目标。 2 薯薯薹 薯葺 鼍譬 争，睁 ，a 妒 ，d1 种拈私卸幻，强，雌 口 矗 狰 o d i 奄 d 9 4 2 分 8 s 4 2 l l 华北电力大学硕士学位论文 1 9 8t + 9 9 92 0 0 0 雩摩争l2 0 0 22 0 0 a2 0 璺42 0 0 , ，2 q 0 6 2 0 0 72 0 0 8 。_ 新增装机客萱节新增装机密量垮建 图1 31 9 9 8 年2 0 0 8 年全球风电新增装机容量变化情况( 单位：g w ) a t 2 2 国内风电发展现状 。 在国家大力发展清洁能源政策的支持下，近年来，我国风电产业已经显示出迅 猛的发展势头。截止2 0 0 8 年末，我国风电装机总容量达到1 2 2 1 g w ，我国除台湾 省外累计风电机组1 1 6 0 0 多台，分布在2 4 个省( 市、区) ，比前一年增加了重庆、 江西和云南三个省市，装机超过1 0 0 万千瓦的有内蒙古、辽宁、河北和吉林四个省 区。与2 0 0 7 年末累计装机5 9 0 6 g w 相比，2 0 0 8 年累计装机增长率为1 0 6 。我国 的风电容量已占全球总装机的1 0 ，名列全球第四【3 】。 仅2 0 0 8 年一年，我国新增风电装机容量就达6 3 g w ，新增量位列全球第二。 2 0 0 9 年风电装机容量仍有望继续翻番增长。按照这一速度，中国或将在2 0 1 0 年提 前实现2 0 2 0 年的风电3 0 0 0 万千瓦的发展规划目标。 虽然2 0 0 8 年我国新增风电装机容量6 3 g w ，略低于美国的8 3 5 8 g w ，但从开 发风能的力度和速度来看，我国已经遥遥领先其它国家。如果把所有已经审批通过 的风电项目计算在内，可以说，我国的风电装机能力已经是全球第一。 截止2 0 0 8 年年底，全国各种发电方式总共发电量为3 4 2 3 8 亿千瓦小时。其中， 火电仍为占居了其中一大部分，约占总量8 1 18 ，水电约占发电量的1 6 4 5 ；风 电只占了其中很小的一部分，仅为o 3 7 ，但就其增长速度来看，风电发电量的增 加速度是最快的，2 0 0 8 比2 0 0 7 年增长了1 2 6 7 9 ，如表l l 所示。 3 x薯墨膏篙薯i l ：娃 d d d d d 口d n y t、l钟仰曲蚰如扑坶娃、川 如 幻 细 d 参静 华北电力大学硕士学位论文 表1 12 0 0 8 年电力工业统计数据 指标水电火电核电风电 发电量( 单位：亿千瓦小时) 5 6 3 32 7 7 9 36 8 41 2 8 发电量比上年增长率( ) 1 9 52 1 68 7 91 2 6 7 9 1 3 选题背景及意义 能源和环境两大主题是当今人类生存和发展要解决的最紧迫问题。由于我国长 期发电结构不合理，火电所占比例过大，在2 0 0 8 年底火电装机容量为5 5 4 4 亿千瓦； 占国内发电机总装机容量的7 7 7 3 ，由此带来日益严重的燃料资源缺乏和环境污染 问题。2 0 0 8 年上半年，受煤炭价格大幅上涨的影响，火电企业单位燃料成本平均涨 幅在5 0 左右，使火电企业盈利水平大幅下降，造成行业整体亏损的局面。因此， 在开发利用常规化石燃料能源的同时，应该更加注重开发利用对生态有利的新型可 再生能源，如风能、太阳能、潮汐能、水能等。 风力发电由于清洁无污染、施工周期短、投资灵活、占地少，具有较好的经济 效益和社会效益，已受到世界各国政府的高度重视。风能的商业化应用不断提高， 是近期内最具有大规模开发利用前景的可再生资源。经济性方面，风力发电成本不 断降低，同时常规能源发电由于环保要求增高使得成本进一步增加。而且随着技术 的进步，风力发电的成本将有进一步降低的巨大潜力。因此，在各种可再生能源利 用中，风能具有很强的竞争力，成为电力系统增长速度最快的新能源【4 】。 风能利用有其自身独特的优越性，主要表现在以下方面： ( 1 ) 风能是一种洁净的自然能源，不存在燃煤、燃油的环境问题，不会引起 温室效应，不存在核电放射性废料对人类的威胁。 ( 2 ) 风力发电场建设周期短，装机规模灵活。建设一般规模的风力发电场， 从基础建设、安装到投产，只需半年至一年的时间，而火电、油电、核电约需3 l o 年的时间。 ( 3 ) 风力发电的经济性日益提高。随着风力发电技术的不断成熟，风电成本 呈下降趋势，为风电的大规模应用提供了基础。 ( 4 ) 风力发电在新能源发电中技术最为成熟，商业化机组单机容量达4 5 兆瓦， 故障率己降至5 之内，是一种安全、可靠的能源利用形式。在不久的将来，兆瓦 级风力发电机将占主导地位。 ( 5 ) 风力发电机分散安装，占地面积少，监控系统与塔架合为一体，加上箱 4 华北电力大学硕士学位论文 式变压器，其建筑面积约为风电场总面积的l ，其余广大土地仍可供农、林、牧 使用。 中国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富。中国的风能资源有两个特点： 一是风能资源季节分布与水能资源互补：中国风能资源丰富但季节分布不均 匀，一般春、秋和冬季丰富，夏季贫乏。而中国水能资源丰富，雨季在南方大致是 3 月到6 月，或4 月到7 月，在这期间的降水量占全年的5 0 6 0 ；在北方，不 仅降水量小于南方，而且分布更不均匀，冬季是枯水季节，夏季为丰水季节。丰富 的风能资源与水能资源季节分布刚好互补，大规模发展风力发电可以一定程度上弥 补中国水电冬春两季枯水期发电量之不足。另外，我国的风多在下午开始加大，到 后半夜开始减弱，这正好和电力负荷曲线相吻合l 5 j 。 二是风能资源地理分布与电力负荷不匹配：沿海地区电力负荷大，但是其风能 资源丰富的陆地面积小；北部地区风能资源很丰富，电力负荷却很小，给风电的开 发带来经济性困难。由于大多数风能资源丰富区远离电力负荷中心，电网建设薄弱， 大规模开发需要电网延伸的支撑【6 j 。 二 由于风力发电机单机容量越来越大，制造成本不断降低，商业化机组已有l o 余年良好运行的记录。截止2 0 0 8 年底，全世晃的风力发电装机容量已经达到 1 2 2 1 g w ，超过1 0 0 g w 的规模。随着风电技术的日益完善，风力发电必将成为今 后能源发展的趋势。 。 风力发电有其独特的优势，但也存在制约其发展的不足。风速的随机性和间歇 性以及机组运行时对无功的需求都会对电力系统稳定运行，尤其是电压稳定运行产 生危害。早期风电的单机容量较小，大多采用结构简单，并网方便的异步发电机， 直接和配电网相连。而风电场所在地区往往人口稀少，处于供电网络的末端，承受 。 冲击的能力很弱，因此，风电很有可能给配电网带来谐波污染、电压波动及闪变问 题1 1 。 本论文根据国家风力发电发展的实际需要，对并网风电场及其对电力系统电压 的影响进行比较全面和深入的研究，进而对仿真结果进行分析，探讨包括风电场在 内的整个电网的无功补偿。 1 4 论文主要内容 随着风电容量在电网比例的迅速增加，并网系统的电压问题逐渐暴露出来，大 功率风电在运行时将对系统的电压稳定性产生影响，课题的研究也应从早期的小型 风电场引起的电能质量问题上升到对大型风电场并网的电压影响。另外，风电场对 5 华北电力大学硕士学位论文 电网的电压影响是制约并网风电容量的一个重要因素，所以为了更多、更有效地利 用风能造福于人类，研究并网风电特别是大型风电并网对电网系统的电压的影响有 很大的意义。 本文主要研究风电场与电力系统连接特性和相互影响，对风力发电机组和风电 场的正确数学建模和仿真分析是本论文的关键。本课题涉及到的内容主要有以下几 点： ( 1 ) 深入了解并描述当前风力发电系统的基本原理及其组成部分。分析风力 发电机组的运行原理，在m a t l a b 环境下，利用s 函数建立风速四分量模型和风力发 电机组的数学模型，其中包括风轮机模型、传动机构模型和异步发电机暂态模型。 ( 2 ) 利用第1 步建立好的风速模型和风机模型，配合s i m u l i n k 里面的s i m p o w e r 库，建立风电场模型和电网模型。利用仿真对鼠笼型异步电机和双馈异步电机的运 行特性和对电网的暂态电压影响进行研究。 ( 3 ) 研究风力发电机组的稳态特性，对含有风力发电机组的配电网的潮流计 算进行分析和研究，本文提出将风力发电机组作为特殊的p q 节点来处理的方法来 简化潮流计算，最后以风电机组接入i e e e 3 3 配电网节点实例来仿真风电机组对配 电网的稳态电压影响。 ( 4 ) 利用风力发电机组的稳态特性和配电网的潮流计算，配合遗传算法，对 含有风力发电机组的配电网进行无功补偿的研究。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章风力发电系统的数学模型 风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组( 简称风电机组) 是将风能转化 为电能的机械设备。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有 良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转成机械 能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化为电能。 风力发电系统由一台或多台风力发电机组成，在电气运行上工作在并联工作方 式。风力发电机的主要组成部分为支撑塔、两个或三个叶片的风力涡轮、调向装置、 齿轮箱、发电机以及速度测量和控制装置等。新型的风力发电系统还包括电力电子 转换控制器、计算机、为改善单机运行性能的蓄电池以及与电网并联运行的传输和 铲并列装置【1 1 - 1 3 1 。 k 由于风力发电机组的风轮具有很大的惯性，风机的启动、正常运行时速度的控 制以及停止是非常具有挑战性的设计。当在紧急情况下或需要维护时可采用涡轮或 其他的刹车装置来停止风机的运行。在多台风机运行的风电场，每一台风机都有自 己的可实现系统正常运行和安全功能的控制系统。 风力发电系统的结构框图如图2 1 所示。本文也将根据下图的结构框图主要的 几个部分进行数学建模。非本文的重点研究内容的模块将做简要介绍，不再一一阐 述。 囤兰 2 1 风速模型 图2 1 风力发电系统结构框图 在电力系统稳态研究中，为了较精确地描述风的随机性和间歇性的特点，本文 采用国内外使用较多的风力四分量模型，风速模型作为风力发电是区别于其他发电 机组的一个独特的特征。风速具有随机性和不稳定性。可将风速分为基本风、阵风、 7 i 华北电力大学硕士学位论文 渐变风和随机噪声风四个部分【排16 1 。风速模型作为四个风速部分的综合来模拟，定 义如下： = + + + ( 2 1 ) 其中： ：基本风速( 州s ) ；：阵风风速( “s ) ；：渐变风风速( m s ) i ： 随机风风速( m s ) 。 由于风力机感受到的风速主要是轮毂高度日处的风速，风速从测风高度风 到风力机轮毂高度日必须进行修正。这在风速数据的处理和分析过程中是应该考虑 的因素17 1 。修正公式为： 哳= 时 棼 ( 2 - 2 ) 其中： ：欲求的离地面高度为日处的风速：圪：离地高度为矾处的风速( 凰= l o r e 为气象预报风速) l 口为高度修正系数，与地面粗糙度等因数有关，平坦地区平均值 为0 1 9 o 2 0 ，一般工程应用取1 1 7 。 下面分别介绍各风速分量的计算公式。 ( 1 ) 基本风 可以由风电场测风数据获得的威布尔分布参数近似确定【1 们，由威布尔分布的数 学期望值可得： = a e f ( i + i k ) ( 2 3 ) ：基本风速( m s ) ，a 和贸是威布尔分布的尺度参数和形状参数，r ( 1 + l k ) 表示伽马函数。在m a t l a b 仿真中，基本风速可直接用常数来代替。 ( 2 )阵风 描述风速突然变化的特性一般用阵风来表示。 1 0 t 死 其中： = ( 纵籽2 ) l c o s 【幼o 瓦) 一q 。) 】) ；：阵风风速( n l s ) ；m a x g ：阵 风最大值( m ) ；：阵风起始时间( s ) i ：阵风周期( s ) 。 8 ( 3 ) 渐变风 对风速的渐变特性可以用渐变风成份来表示。 f 0 t ，如果互露与相差不大，该渐变风风速方程近似为 阶跃突变；如果脚为负值，则表示斜率为负，研究风速为下降风速。 ( 4 )随机风 风速的随机性一般用随机噪声风分量来表示。 ：2 兰 昂( q ) 国 - c o s ( q f + 仍) ( 2 - 6 ) 其d e ： ：。 l q = o 一三) 国 卜2 一 q 一) 仍：指毗石之间均匀分布的随机变量；繇：指地表粗糙系数，一般可取0 0 0 4 ； ，：指扰动范围( m 2 ) ，可取2 0 0 0 ；：指相对高度的平均风速( 州s ) ；各种研究 表明当n = 5 0 和q = 0 5 2 o r a d s 即可得到较精确的随机噪声风速模型。 风速的仿真波形如图2 2 所示，本文利用m a t l a b s i m u l i n k 里面的s 函数对各个 风速模型进行打包，利于在后续的风机模型和风电场模型中使用，见附录1 。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 2 风力机模型 基本风速 挥e 三e 三三j 三丑 01 02 03 04 05 0 渐变风速 1 0 一 舌t - - - 盐i ：- - i - - i- - d 01 02 03 04 0 5 0 阵风风速 言 卫 二 二口 01 02 03 0 4 05 0 随机风风速 - 2 石区至匝至巫三至三王三翌 0 1 0 2 0 3 0柏。5 0 综合风速 辎e 三巨兰臣要巨要圈 01 02 03 0加5 0 图2 2 风速仿真波形图 一般风轮机连接有三个叶片，由玻璃钢制成。叶片的形状与曲线按空气动力学 原理设计，以保证风轮机实现风能一机械能的理想转换【1 9 之1 1 。风轮机产生的机械功 率可表示如下： 1 匕= 专p 彳c ；( 力，) 矿 ( 2 8 ) 二 其中： 彳：风机叶片扫风面积( m 2 ) ，在计算中可采用彳= 万r 2 ( 尺为风轮半径) ；p ： 空气密度，标准状态下空气密度为1 2 2 5 k g m 3 ；1 ，：风速( m s ) ；q ：风能利用系 数( 即在单位时间内，风轮所吸收的风能与通过风轮旋转面的全部风能之比) ； 名= 丝：叶尖速比；缈：叶片的叶尖圆周速度；：桨距角。 v 按照贝兹理论，在较高叶尖速比a 3 时，叶片翼形优化，涡流损失很小，q 最 大值为0 5 9 3 。这表示，即使毫无损失的吸收风的全部能量，也只能有5 9 3 的能 量被利用。但贝兹理论中，尚未考虑涡流损失。风轮的叶尖速比五是风轮叶片的叶 尖速度与风速之比，它是风力机的一个重要设计参数。名直接影响叶片的能量捕获， 影响风能利用系数。q 只有在z 为某一定值时最大。在恒速风力机中，由于叶轮转 速不变而风速经常在变化，因此a 不可能经常保持在最佳值( 即使是采用变桨距叶 1 0 华北电力大学硕士学位论文 一一 片) ，c ，值往往与其最大值相差很多，使风力机常常运行于低效状态。而变速风力 发电机通过调速机构，使得五值保持在最佳值，从而提高风力发电机的效率【2 2 1 。 在实际工程中，叶尖速比a 、桨距角和风能利用系数q 的关系可以用下式表 示： c - ( 旯，) = q ( 争一c j 一c i ) e4 + c 6 a ( 2 _ 9 ) 1 砉= 丽1 一器 ( 2 - 1 0 ) 一= 一一一 iz - _ uj a五+ 0 0 8 3 + l 其中： c i = 0 5 1 7 6 ，c 2 = 1 1 6 ，c 3 = 0 4 ，c 4 = 5 ，c 5 = 2 1 ，c 6 = 0 0 0 6 8 。对于不同的，得到的c p 一名 套关系曲线图如图2 3 所示。 审 由图2 3 可以看出，当= 0 时，a = 8 1 时得到c p 的最大值c p = 0 4 8 。 2 3 传动系统模型 图2 - 3c p 九关系曲线图 风力机组的传动机构由轮毂、传动轴和齿轮箱组成。风力机与发电机之间的传 动系统模型，在有些文章中用单质量模型来模拟，当硬度和阻尼系数都被忽略时， 角速度：刀：齿轮比；墨，：风力机，发电机摩擦系数。 2 4 桨距角控制 对于定桨距风机，不用采用桨距角控制，但它所捕获的风能远远不如变桨矩风 机，而变桨矩风机中，当风速在切入风速和额定风速之间时，变桨矩风机和定桨矩 风机的工作原理一样，当风速大于额定风速时，为了保证风电机组的安全稳定运行， 风电机组将运行于功率恒定区。在这个区域内，为限制风电机组有功功率的输出， 释放部分风能，桨距角控制系统将投入运行，通过改变风能利用系数，能够输出较 大且平稳的功率。而风电机组的转速、转子励磁电压控制量将保持额定数值不变。 1 2 变桨距系统将根据发电机的输出功率进行控制。当功率超过额定功率时，桨叶 节距就向迎风面积减小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。但由于变桨距系统响应速度受到限制，单纯使用功率信号进行控制的效果 并不理想。因此，在桨距角的控制设计中，还需要引入风速信号的控制。 2 5 发电机暂态模型 风速和风向是随机变化的，为了高效转化风能，要求风轮转速随风速相应变化， 保持最佳的叶尖速比，因此有不同的发电系统。恒速恒频发电机系统是较简单的一 种，采用的发电机有两种：同步发电机和鼠笼型感应发电机。由于同步发电机可控 制性不高，逐渐的已经退出市场。另一种是变速恒频发电机系统，这是2 0 世纪7 0 年代中期以后逐渐发展起来的一种新型风力发电系统。风轮可以变转速运行，可以 在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力机的运行效 率，从风中获取的能量可以比恒转速风力机高得多。与恒速恒频系统相比，风电 转化装置的电气部分变褥较为复杂和昂贵。采用的发电机主要为双馈异步电机和直 驱式同步电机【弱3 。 2 5 1 恒速恒频发电系统 恒速恒频发电系统包括定桨矩和变桨距两种类型。定桨距风机技术是主要利用 桨叶翼形的失速特性，在高于额定风速时，达到失速条件后，桨叶表面产生涡流， 效率降低，达到限制功率的目的。定桨距机型优点是调节简单和控制方便。缺点在 于对叶片、轮毂、塔架等主要部件受力增大，而且风力超过额定风速后风机出力反 1 3 图2 7 异步电机单相电路图 恒速恒频发电机系统中的鼠笼型异步电机的单相电路图如图2 7 所示。规定注 入电网的电流为正，根据电网电压的相角关系分为实轴，和虚轴x ，电网电压和定 1 4 华北电力大学硕士学位论文 子电压之间的关系如下： 吸收的功率： 咋= v s i n ( - o ) = r c o s ( 0 ) p = j ；十珞 q = v m i , 一咋+ b o c + 吒) ( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 其中吃是在初始条件中的固定龟容电抗。基于定子电阻咯和变量电压的微分方 程如下： 一v ，= 珞i r - x e 二一= ，备+ r 电压，电流和状态变量之间的关系如下： = q 。( 1 一) e 二一( 一( 一，) ) 石 = 一纯( 1 一) 一( + ( 而一x ) i a t o 。 其中： ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 而= 黾+ ，= 黾+ i x r x i , , ( 2 - 1 9 )。+ 靠 石2 赘 电磁转矩z 为： 、乏= 瞩+ 屹 ( 2 2 0 ) 机械转矩为： 乙= p o ( 2 2 1 ) 仍 机械功率乞由本文的风机模型式( 2 8 ) 得到。 2 5 2 变速恒频发电系统 变速恒频系统主要是双馈感应异步发电机和直驱式同步发电机两类机型。下面 针对两个机型分别介绍。 2 5 2 1 双馈感应电机 双馈感应电机风力发电系统结构如图2 8 所示。 华北电力大学硕士学位论文 电 网 变换器 图2 - 8 双馈异步电机变速风机 乞双馈感应发电机由定子绕组直连频率恒定的三相电网的绕线型感应发电机和。 在转子绕组上的双向背靠背i g b t 电压源变换器组成 3 3 】，双馈感应电机的控制框图 如图2 - 9 所示。 风速 j 斗 - - - 1 - - - # 图2 9 风力发电系统结构图 “双馈 的含义是定子电压由电网提供，转子电压由功率变换器提供，发电机 允许在限定的范围内变速运行。调节变频器的输出频率，电机的转速就会改变；调 节输出电压的幅值和相位，就可以调节定子边的功率因数( 可达到1 或超前) 【3 4 1 。 根据发电机转子转速的变化，双馈发电机有以下三种运行状态： ( 1 ) 亚同步运行状态：在此种状态下转子转速( 万) 小于同步转速( ，l i ) ，即刀 ，l i ， 改变通入转子绕组的频率为五的电流相序，则其所产生的旋转磁场转速的转向与 转子的转向相反，因此有万一吃= 啊。为了实现他转向反向，在由亚同步运行转为超 同步运行时，转子三相绕组必须能自动改变其相序。 ( 3 ) 同步运行状态：此种状态下以= 一，滑差频率五= 0 ，这表明此时通入转 子绕组的电流频率为0 ，即为直流电流，因此与普通同步发电机一样。 在正常运行和故障期间，发电机的运行状态由功率变换器及其控制器决定。功 率变换器由两个变换器组成：转子侧变换器和电网侧变换器，它们是彼此独立控制 的。功率变换器的主要原理是转子侧变换器通过控制转子电流分量来控制有功功率 和无功功率，而电网侧变换器控制直流母线电压确保电网侧电压稳定。 功率是馈入转子还是从转子输出取决于发电机的运行状态，在超同步状态下， 功率从转子通过变换器馈入电网；在亚同步状态下，功率反向传送。在两种情况下， 定子都向电网馈斟”】。 与普通感应发电机采用鼠笼式转子不同，双馈发电机转子采用绕线式绕组，不 但定子绕组与电网有电气连接，转子绕组也通过变频器( 一般由转子侧逆变器、直 流电容及电网侧逆变器组成) 与电网相连。当风速较低时，风机必须运行在低于同 步转速的状态才能达到较高效率。为维持发电机机械转矩与电磁转矩的平衡，转子 绕组从电网吸收一定数量的功率，再通过定子绕组送回电网。当风速较高时，风机 需要运行在高于同步转速的状态才能达到较高效率，在这种情况下，一部分功率直 接通过转子绕组送入电网；当风机运行在同步转速时，如果忽略能量损耗，转子绕 组上通过的功率为零，风力发电机与电网的全部功率都通过定子绕组完成。额定状 态下通过转子绕组及变频器的功率占全部功率的2 0 左右，因此所需变频器容量较 小，有效降低了风机造价。 现代兆瓦级以上的双馈风力发电机多采用脉宽调制控制由i g b t 组成的变换 器，它可以获得正弦形转子电流，同时能实现功率因数的调节。 双馈风力发电机有以下几个优点： ( 1 ) 它能控制无功功率，并通过独立控制转子励磁电流实现有功功率和无功 功率控制。 ( 2 ) 双馈感应发电机无需从电网励磁，而从转子电路中励磁，省去了机端补 偿电容器组。 ( 3 ) 能产生无功功率，并可以通过电网侧变换器传送给定子。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 采用双馈电机作为变速风力发电机的一个重要优点就是能使风力机在很宽的 风速范围内按最佳效率运行，捕获最大风能。 双馈异步发电机简化模型在d g 同步坐标轴下的数学描述如下式： i = 一咯屯+ ( ( j 咕+ ) + 0 ) 0 嚣：s “( ( ”x r - i - 发出 协2 2 ) 1 = 一珞0 +) 0 + 0 ) 一一7 【= 一珞i 。e 一s ( ( x r + ) + 屯) 上面公式中的转子的各个物理量均为转换到定子侧的数值。由于定子侧接入电 网，所以定子侧的电压为： v a = ：v 矿s c o i n s ( - ( - 9 0 ) ) ( 2 2 3 ) = 矿c o s ( 9 ) 一7 其中，1 ，秒为接入点电网点的节点电压和角度。 转子侧的电压可分别用功率和节点电压控制来表示： o = ( - 专争艺( ) 一。) 乏 0 = 髟( y 一) 一矿一0 ( 2 2 4 ) 疋= ( 札一0 0 ) 而送入电网的有功功率和无功功率可表示为： j 尸= + 0 + k + 0 【q = 屯一0 + 屯一0 双馈电机由变频器控制，变频器的有功功率和无功功率分别为： j = 乞+ 0 【q = v 如k k 0 在转子侧有： je = 0 + 0 【q = 0 一0 假设变换器模型无功率损耗，而风机一般运行在单位功率因数下，则： i = e 【包= 0 将( 2 - 2 8 ) 代入到( 2 - 2 5 ) 中，改写p ，q 方程为： 1 8 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 华北电力大学硕士学位论文 p 2 瓷+ 寥+ + o ( 2 - 2 9 ) l 蟛2 一k 在上述公式中： 、：定子，转子的d ，g 轴电压分量；缸、l q s 、0 、0 ：定子，转子 的d ，g 轴电流分量；祭：定子，转子的电阻；s ：转差率；：机械角速度。 2 5 2 2 直驱同步机发电系统 直驱同步发电机与普通同步发电机不同，风轮机直接与发电机相连，不通过齿 轮箱，如图2 1 0 所示。它将变速运行并通过功率变频器与电网间接相连，以防止风 机功率波动对主电网的电能质量造成不良影响。与双馈电机相比，这种电机需要配 备1 0 0 容量的变频器，造价较高，损耗也较大。 2 6 风电机组稳态模型 图2 1 0 直驱式同步电机 电 网 由上一节的内容可知，目前的风电机组主要是恒速和变速两种类型，而按照安 装的机型则还有半变速机型。风机模型的研究主要是为了在风速和端电压已知的情 况下能到得到风机的输出功率。风机的输出功率有些是可控制的，有些是不可控制 的。根据控制策略的不同，风机的数学模型也各不相同。 2 6 1 恒速风力发电机组 恒速风机的主要组成部分是鼠笼型异步电机，因控制方式不同，又分为定桨距 控制( 定桨距恒速风力发电机组) 或是变桨距控制( 变桨距恒速风力发电机组) 。 这两种类型的风力发电机组的感应电机都是直接接入电网。在实际运行中，转子的 旋转速度的可调范围非常小( 额定值的5 左右) 。恒速风力发电机组经常安装并联 电容器来提供无功电流。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 2 6 1 1 定桨距恒速风力发电机组 该类型的风力发电机组的输出功率主要受风轮机和发电机的特性、风速、发电 机转速和末端电压四个方面的影响。在风轮机和发电机特性给定的情况下，风速是 自变量，而转速和末端电压是相互关联的，随风速和网络结构变化而改变。由于转 速和电压的相互关联性，要计算得到输出功率就要用迭代的方法。如果给定风速， 假设在端电压已知的情况下就可计算得到输出功率。如果计算得到的输出功率造成 端电压与假设的不一致，则用迭代的方法再次计算输出功率。 定桨距恒速风机的输出机械功率p ( v ，q ) 是关于转速和风速的函数，。由式( 2 8 ) 可得到。 在风机特性给定时，通过功率因数的经验数据，桨距角y 和风速甜。，利用公式 、( 2 - 8 ) 和公式( 2 一1 0 ) 可得到风机的己关于q 的曲线。 图2 1 l 异步电机电路图 根据异步电机的电路图( 2 7 ) 重新标注，如图2 1 1 所示，异步电机的输出功 率关于q 和端电压y 的函数气隙功率( 电磁功率) 的表达式如下： 名( 矿，q ) = k 1 2 恐与等 ( 2 3 0 ) 转子电流厶可由下式表示： 厶亍而d 等糍黛端美美面 2 - 3 1 ) 2 风【“恐s ) + 成) ( 风) + “马s ) + + 风) ( 墨+ 瞄) 】 l， 当风速和端电压给定时，发电机转速q 可由上文提及的脚，啡) 和弓( y ，q ) 联立 后求得，风