（电气工程专业论文）大规模风电场并网影响的研究.pdf

r e s e a r c ho fi m p a c to nl a r g e s c a l ew i n df a m ei n t e g r a t e di n t op o w e r s y s t e m b y t a n gt a o b e ( j i a n g x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw uz h e n g q i u a n d s e n i o re n g i n e e rp e n gw e i m a y ，2 0 1 1 伽2删63 709 删棚y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 扬韦秀 1 日期：别f 年广月廿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“、) 作者签名： 导师签名： 大规模风电场并网影响的研究 摘要 在传统化石能源日渐枯竭的背景下，世界各国非常重视清洁能源的开发和利 用，其中风力发电技术发展最为迅速。我国的风力发电产业虽然起步较晚，但在 国家的大力倡导和支持下，风电行业已经步入了高速发展的轨道，装机容量大幅 提高，单机容量也有了很大的突破。随着大规模风电场的不断增加，风电在系统 中所占的比重不断攀升，风力发电对电力系统的影响成了电力科学研究的一个重 要领域。 本文首先对世界各国风电的发展做了简要的归纳，对我国的风能资源蕴藏现 状做了简要的统计，并且简略介绍了风力发电技术在中国和世界各国的研究和发 展状况以及对风电并网的技术规定。 其次，本文对风力发电原理做了简单的描述，建立了风速以及风机数学模型， 对各种不同类型风力发电机组的基本结构和模型进行了详细的阐述，着重介绍了 双馈风力发电机组的潮流计算和暂态计算模型。本文以m a t l a b 及其仿真工具 s i m u l i n k 为平台，仿真分析了风电场对四种风速干扰的响应。 最后本文主要从电压稳定性，频率稳定性，有功出力，电能质量等几个方面 分析大规模风电场并网对系统的影响，提出了相关解决措施。并阐述了衡量风力 发电规模的两个指标，即风电穿透功率和短路容量比，对影响风电场装容量大小 的因素也进行了分析和介绍。 关键词：风力发电；风力机组模型；风力资源；大规模风电场并网；风电场装机 容量 i l 工程硕士学位论文 a b s t r a c t a l lt h ec o u n t r i e sa t t a c h e g r e a ti m p o r t a n c et ot h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f c l e a ne n e r g yw h e nr a d i t i o n a lf o s s i le n e r g ys o u r c e sr e d u c i n g w i n dp o w e r t e c h n o l o g y d e v e l o pf a s t e s t t h a u g h tc h i n a sw i n dp o w e ri n d u s t r ys t a r t e dl a t e ，a d v o c a t eb yt h e c o u n t r y , t h ew i n dp o w e ri n d u s t r yh a se n t e r e dar a p i dd e v e l o p m e n tt r a c k i n s t a l l e d c a p a c i t yi n c r e a s e d va n dt h ec a p a c i t yh a sa l s ob e e nag r e a tb r e a k t h r o u g h w i n dp o w e r i nt h es y s t e mi n c r e a s i n gw i t ht h el a r g e - s c a l ew i n df a r mc o n t i n u o u si n c r e a s e w i n d p o w e rh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tf i e l di ns c i e n t i f i cr e s e a r c hp o w e r f i r s t l yt h i sa r t i c l es u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to fw o r l d sw i n dp o w e rb r i e f l y t h e a r t i c l ei n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yo fw i n dp o w e rd e v e l o p m e n ti nc h i n aa n dw i n d p o w e r st e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa r o u n dt h ew o r l d s e c o n d l y , t h ep a p e rd e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo fp o w e rg e n e r a t i o na n de s t a b l i s h e da m a t h e m a t i c a lm o d e lo fw i n ds p e e da n dw i n dt u r b i n eb r i e f l y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e d i f f e r e n tt y p e so fw i n dt u r b i n e sb a s i cs t r u c t u r ea n dm o d e la n df o c u s e so nt h ef l o w c a l c u l a t i o na n dt r a n s i e n tc a l c u l a t i o nm o d e lo fd o u b l e f e d w i n dt u r b i n ep o w e r s i m u l a t i o n sa r e i m p l e m e n t e db a s e do nm a t l a b s i m u l i n k r e s p o n s e so fw i n d g e n e r a t o r st of o u rk i n d so fw i n ds p e e da r es i m u l a t e da n da n a l y z e d l a s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h el a r g e - s c a l ew i n df a r m si m p a c to nt h es y s t e mm a i n l y f r o mt h ev o l t a g es t a b i l i t y ，f r e q u e n c ys t a b i l i t y ，a c t i v eo u t p u t ，p o w e rq u a l i t ya n do t h e r a s p e c t s ，p r e s e n t sa ni n d i c a t o rt om e a s u r et h es c a l eo fw i n dp o w e r a n dt h ep a p e r a n a l y z e st h ei m p a c to fi n s t a l l e dc a p a c i t yo fw i n df a r m si nt h ep o w e rs y s t e m k e yw o r d s ：w i n dp o w e r ；t h e m o d e lo fw i n d t u r b i n e ；w i n dr e s o u r c e s ；t h e l a r g e s c a l eo fw i n df a r m s ；t h el a r g e s ti n s t a l l e dc a p a c i t yo fw i n df a r m s i i i 2 4 4 直驱式交流永磁同步发电机模型2 l 2 5 本章小结2 2 第3 章大规模风力发电场并网对电力系统的影响2 3 3 1 风力发电并网运行的特点2 3 3 2 风电场接入电网对系统稳定性的影响2 4 3 2 1 风电场对系统电压稳定性的影响2 4 3 2 2 风电场对系统频率稳定性的影响2 6 3 3 风力发电场并网对有功出力的影响分析一2 6 i v 工程硕士学位论文 3 4 风力发电场并网对电能质量的影响2 8 3 4 1 风电引起的电压偏差问题2 8 3 4 2 风电并网引起的电压波动和闪变问题3 0 3 4 3 风电引起的谐波问题3 3 3 4 仿真实验3 4 3 5 本章小结一3 9 第4 章风电场最优装机容量的分析4 l 4 1 影响风电接入容量大小的因素4 l 4 2 风力发电规模的衡量指标4 2 4 2 1 风电穿透功率极限4 2 4 2 2 风电场短路容量比4 4 4 3 本章小结一4 4 结论与展望4 6 参考文献4 8 致谢51 v 工程硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第1 章绪论 十六大提出在2 0 2 0 年我国g d p 要实现比2 0 0 0 年翻两番的总目标，以多大的 能源代价才能实现这个总目标引起世界的广泛关注。假如能源消费也随g d p 翻两 番的话，到2 0 2 0 年我国能源消费总量将达到每年6 0 亿吨标准煤，而我国常规能 源的剩余可开采总储量仅为1 5 0 0 亿吨标准煤，仅够我国使用2 5 年。 世界权威机构分析结果表明，目前全球煤的储量只能维持约2 3 0 年的人类需 求，而石油和天然气则将在未来的6 0 8 0 年间逐渐耗尽，就全世界范围而言，传 统的化石能源都在日渐枯竭【l 】。 另一方面，使用传统的常规能源给环境造成巨大的负面影响。目前，我国约 7 0 的一次能源供应依赖污染环境较为严重的煤炭。大量的燃烧化石燃料导致严 重的空气污染，温室效应等环境问题。为了解决能源危机，人类渐渐的把目光转 向各种可再生能源的开发。其中风能的开发最引人关注。 风能是一种取之不尽，用之不竭的可再生能源。地球上的风能资源大得惊人， 太阳辐射到地球表面的光能大约有2 转变为风能，由此每年产生的风能相当于目 前全球每年耗煤能量的1 0 0 0 倍。地球上的风能储量大大超过水能储量，也大于固 体燃料和液体燃料能量的总和。风可以说是一种永不枯竭的能源【2 】。 目前，在可再生能源发电中，风力发电成本最低，陆上风电的上网电价已达 到了0 4 - 0 6 元( k w h ) ，和常规发电的上网电价非常接近，已经具备了大规模开 发利用的基本条件，受到了世界各国的重视。 1 2 风力发电发展概况 风能安全、清洁、丰富的优点，使风电产业在全世界得到广泛应用和快速发 展。截止2 0 0 8 年底，全球风力发电机组总装机容量达1 2 0g w ，年平均增长率达 2 8 7 ，已经成为世界上增长最快的能源方式。目前，美国、德国、西班牙和中 国总装机容量居世界前列1 3 】。 1 2 1 世界风力发电的发展概况 古代我们的祖先利用风能扬帆远航。在埃及现存有两干多年前的古老风磨残 骸。在荷兰很早就广泛使用风力提水方便农业生产。我国最早的科技著作天工 开物就有利用风磨的记载：“杨郡以风帆数页，候风转车，风息而止”。 1 9 世纪末期，丹麦有3 0 0 0 多台工业用风车，用以抽水灌溉田地、研磨面粉等。 火规模风电场并网影响的研究 1 9 8 0 年丹麦人首先研制出了风力发电机组。1 8 9 1 年，丹麦建成了世界第一座风力 发电站。1 0 0 多年来，世界各国研制成功了类型各异的风力发电设备。苏联于l9 3 1 年建造1o o k w 容量的风力发电机是世界上最早的商业化风力发电机。 现代风力发电技术在上世纪9 0 年代以来取得了高速的发展，风力发电容量以 每年平均约2 2 的速度增长，近五年的增长速度为3 5 5 0 ，在各种发电方式中 风力发电量的增长速度居于首位p j 。 ，、 重 v 删 袖 嚣 螓 盘 暖 3 0 0 0 0 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 9 年份 图1 11 9 9 8 2 0 0 9 年中国风电累计装机容量 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 9 年份 图1 2 1 9 9 8 2 0 0 9 年全世界风电累计装机容量 1 2 2 中国风能蕴藏现状和风力发电前景 我国首次进行并网风力发电技术的试验，始于1 9 8 3 年，山东省引进3 台丹麦 v e s t a s 5 5 k w 风电机组。随后的二十多年里，我国新能源战略把大力发展风力发电 设为重点。 我国幅员辽阔，根据第三次风能资源普查结果，我国技术可开发( 风能功率 密度在1 5 0 w 朋2 以上) 的陆地面积约为2 4 x 1 0 4 o n 2 。考虑风电场中风力发电机组 的实际布置能力，按照5 m w 砌2 计算，陆地上技术可开发量为1 2 0 x 1 0 4 m w 【2 1 。这 0 0 o 0 0 o o o o o o 0 0 o 0 0 o o 0 0 o o o o 0 0 o o o 0 o o o 0 o o o 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 l l l l 1 耋v唧肄暴鬃暑哦 工程硕 ：学位论文 一结论据有关专家初步测算，全国陆地上离地1 0 m 高度层上风能资源，与联合国 环境规划署组织国际研究机构采用数值模拟方法开展风能资源评估研究得出的陆 上离地面5 0 m 高度层风能资源技术可开发量可以达到1 4 0 x 1 0 4 m w 的结论大体相 当。 根据全国海岸带和海涂资源综合调查报告，我国海岸带宽度按从海岸线向 内陆扩展1 0 o n ，向外延伸到1 5 2 0 m 水深计算，全国海岸带面积约为2 5 0 x 1 0 4 砌2 。 2 0 0 2 年我国颁布全国海洋功能区划，对港口航运，渔业开发，旅游以及工程用 海等做了详细规划。如果避开上述这些区域，考虑其总量1 0 的海岸带面积可以 利用，风电机组的实际布置按8 m w 砌2 计算，近海风电装机容量约2 0 0 1 0 4 m w 。 而事实上，海上风资源可利用面积远大于此，从目前欧洲海上风电示范项目分析， 海上风力机组安装在水深5 0 m 以内在技术上没有任何障碍，因此我国海上可开发 的风能潜力巨大，风电具有构成未来能源重要组成部分的资源基础。 中国目前的风电市场发展迅猛，按照国家规划，未来1 5 年，全国风力发电装 机容量将达至i 2 0 0 0 万k w 至3 0 0 0 万k w 。以每k w 装机容量设备投资7 0 0 0 元计算， 未来风电设备市场将高达1 4 0 0 至2 1 0 0 亿元的规模。2 0 1 0 年我国风电装机容量达5 g w ，2 0 1 5 9 预计达到1 0g w ，2 0 2 0 年达至1 1 3 0g w 。风电在中国的发展将最终成为 一个长期、稳定的行业。 虽然我国的风电领域有了长足的发展，但与发达国家相比差距非常大，比如 德国2 0 0 3 年的装机容量2 6 7 0m w ，累计达到1 4 6 1 0m w ，而我国2 0 0 3 年的装机容 量仅为1 0 0m w ，累计只有5 7 0m w 。 风电机组的制造水准是反映一个国家风电发展水平的重要指标，我国与世界 先进水平有很大差距。我国各年装机的主导机型与世界主流机型存在几年的落后。 如2 0 0 0 年后，m w 级风电机组己成为世界风电研制的主流机型，而我国装机的主 导机型只是6 0 0 k w 。 目前，我国已基本掌握8 0 0 3 0 0 0k w 大型风机的制造技术，并不断研制容量 更大的机组，主要零部件都已实现国产化，在世界范围内国产风机的市场份额也 有了提高1 4 j 。 1 3 世界各国对风电场并网的技术要求 早期的风电在电网中所占比例很小，而且风电场一般也不参与电力系统的调 度和控制。在电网侧发生故障时，由于风电场自身无法保证暂态电压稳定性，通 常是采取切除风电机组的方法来保证系统的安全。 但是随着风力发电机组控制技术的不断提高，风电在电网中所占的比例迅速 增大，对风电场并网提出更高要求显得非常重要。 人规模j 虱电场并网影响的研冗 1 3 1 中国风电场并网技术规定简述 根据国家电网风电场接入电网规范的相关内容，我国风电场接人电网在 技术上有严格要求，本小节着重阐述功率、电压、频率和电能质量四个方面要求。 ( 1 ) 风电场电压调节 风电场应配置无功电压控制系统，根据电网调度部门指令控制并网点电压。 风电场应当能够在其容量范围内，在额定电压的一3 + 7 范围内有效控制 并网点电压。 ( 2 ) 风电场电压范围 风电场内的风机应能正常运行于并网点电压偏差一1 0 + 1 0 之内。 当风电场并网点电压偏差超过1 0 时，风电场的运行状态由风电场所选用风 机类型的性能确定。 ( 3 ) 风电场运行频率 风电场应有在下表所示电网频率偏离下运行的能力。 表1 1 不同频率范围对风电场的运行要求 电网频率范围 要求 5 1 h z 由风电场内风机允许运行的最低频率确定 每次频率低于4 9 5 h z 时要求至少能运行1 0 m i n 持续运行 每次频率高于5 0 5 h z 时，要求至少能运行2 m i n ；当频率高于 5 0 5 h z 时，风电场须执行电网调度部门下达的高周切机策略， 不允许停止状态的风电机组并网 根据电网调度部门的指令限功率运行 ( 4 ) 风电场有功功率 在风电场并网以及风速增长期间，风电场应有限制功率输出变化率( 最大功 率变化率包括l m i n 功率变化率和1 0 m i n 功率变化率) 的能力。 风电场功率变化率应满足如下表所示的限制要求。 表1 2 风电场功率变化量要求 ( 5 ) 风电场无功功率 无功电源：风电场必须具有协调无功补偿装置和控制机组的能力，能够自动、 及时调整无功功率。 一l - _ l _ - _ i - _ l - l _ _ _ 工程硕上学位论文 无功容量：百万千瓦级及以上规模风电场，以风电场额定运行时功率因数 一0 9 8 ( 超前) + o 9 8 ( 滞后) 确定的无功功率容量范围，确定单个风电场的无 功功率调节容量。 ( 6 ) 风电场电能质量 电压偏差：风电场接入电力系统后，并网点的电压正、负偏差的绝对值之和 应为额定电压的一3 + 7 ，不允许超过额定电压的1 0 。 电压变动：风电场在公共连接点引起的电压变动d ( ) 应满足下表的要求。 表1 3 分电场电压变动值要求 ，1 1 ，1 0 1 0 ，1 0 0 1 0 0 r 1 0 0 0 3 2 5 1 5 l 1 3 2 外国风电场并网技术规定简述 丹麦是世界上制定风电场接入电力系统技术规定和导则最早的国家。丹麦输 电系统运行商针对风电场接入输电系统的情况，提出了的主要条款如下。 ( 1 ) 运行频率范围 表1 4 频率范围运行规定 低频超频 频率低于4 7 0 h z ，o 3 s 后必须开断 频率低于4 7 5 h z ，允许1 0 o s 后开断 频率在4 7 5 和4 8 0 h z 之间至少运行5 m i n 频率在4 8 0 和4 9 0 h z 之间至少运行2 5 r a i n 低频4 9 0 h z 以上没有限制 频率高于5 3 0 h z 时，o 3 s 后必须开断 频率在5 0 3 和5 1 0 h z 之间至少运行lr a i n 超频在5 0 3 h z 以下没有限制 ( 2 ) 稳定性要求 任意线路或者变压器发生三相故障，最终解列，不进行重合闸操作。任意线 路上发生两相故障，重合闸不成功。 ( 3 ) 无功补偿 采用分组投切式无功功率装置，应该保证在稳态时发出和吸收的无功功率不 超过最大有功功率的1 0 。 系统运行人员要能够根据具体协议使用有效的控制方法来进行无功功率控 制，包括远程控制、时间控制或者电压控制。 ( 4 ) 功率控制 高风速情况下，不能使所有的风电机组同时停机。 大规模风电场并网影响的研究 率控制在一定的限值之内，在任何时间超过出力限 率的5 。 进行快速控制，将出力减少到低于最大功率的2 0 电压跳变、电压波动和闪变、谐波来评价风电场对 景和意义，即在传统能源日渐枯竭的大背景下，世 发和利用，其中风力发电最为引人注意。在简要介 况后，本章详细阐述了我国风力资源蕴藏现状，得 组成部分的资源基础的结论，这也是风力发电具有 章还重点介绍了中国以及丹麦风电场并网技术导则 网技术规定方面，风电场电压、频率、有功和无功 是风电并网研究的重点内容。论文其余篇幅重点针 响的研究。 。- l l l i _ _ l _ _ _ _ _ _ l 工程硕士学位论文 第2 章风速和风机模型 2 1 风力发电原理简介 风力发电机组是一个复杂的风能转换系统。典型的并网型风力发电机组主要 包括：塔架，风轮机( 叶片，轮毂及其控制器) ，传动机构，齿轮箱，发电机以及 其他运行控制系统( 偏航系统和制动系统) 等【6 ，7 引。 发电过程可以描述为自然风吹转风机叶片，叶片带动轮毂旋转，将风能转变 为机械旋转的动能。然后通过传动机构将轮毂旋转传递为发电机转子的旋转，将 机械能送至转子，实现向电能的转换。最后通过区域变电站将风电场产生的电能 注入电网。风力发电其能量转换过程是：风能一机械能一电能p j 。 2 2 风速的数学模型 风是风力机的原动力，目前还无法对其进行有效的控制，由于风速的分布和 变化有一定的规律，风速模型的建立有一定的可靠性。 2 2 1 双参数威布尔分布的风速模型 耽汤“，分布属于双参数正态分布。风速分布函数以，1 c c ) 为： 即州= f m 沙= 1 - e x p 卜e ) 】 ( 2 1 ) k 和c 是w e i b u l l 分布的形状参数和尺度参数。通常采用最小二乘法拟合k 和 c 。风速模型概率密度f ( v ) 是： ( v ) = 拍p 审 亿2 ) 用w e i b u l l 分布模拟风速模型，参数的估计方法较麻烦，不具有通用性，而且 需要大量的实际风场数据做参考，不同的地理位置估计方法也不相同，所以实验 室风速的模拟常采用组合风速数学模型【10 1 。 2 2 2 组合风速模型 在电力系统稳态分析中，组合风速模型可以较科学的描述风的间歇性和随机 性等特点。组合风速模型包含风力四分量，即基本风( v ) ，渐变风( 琢) ，噪声 风( 圪) 和阵风( 名) 。 风力机感受到的风速主要是轮毂高度h ( m ) 处的风速( 朋s ) ，在风速数据的 分析和处理中，通常使用修正公式来修正测风高度鼠( 聊) 到风力机轮毂高度h ( m ) 的风速。修正公式如下【1 1 】： 紊乱尺度因子；p 为在参考高度的平均风速1 2 1 。 ( 4 ) 阵风 一一一一 _ _ _ _ 工程硕十学位论文 阵风描述的是风速突然变化，在突变时间段内风速具有余弦性质，在风电并 网对系统电压波动的仿真分析时，通常用阵风来考核在较大风速变化情况下的系 统的动态特性( 即电压波动特性) 。 f o ，其他 驴阱一呼，k 嘲一 q 9 其中，乙为阵风周期，z g 为阵风开始时间，g 脒为阵风峰值，f 为时间。 综合以上四种风速的数学模型【1 2 】，可以建立组合风速的数学模型： = v + 圪+ 圪+ 圪 ( 2 1o ) 2 2 3 风速的折算 地面粗糙程度对风速有很大的影响，常用的指数分式描写大气底层风廓线： 丘：f 互1 ( 2 1 1 ) klz lj 式中，k 是在高度z l 已知的风速，圪是在高度乙的风速，a 为由地域风速分 布特性决定的指数。一般不同的地方，指数a 是不同的。 我国常用的a 值可分为三类，分别为0 1 2 ，0 1 6 和0 2 0 。下表所列是不同粗 糙程度各高度风能相对1 0 m 处的比值。 表2 1 地面高度对应的a 值表格 2 2 4 风能分布模型 风能分布模型主要考虑风电场中的尾流效应。风电场内任意台风力机的风轮 都有可能在不同程度上被其上游风力机遮挡。尾流效应使得位于上风向和下风向 的机组风速高低不同。尾流造成能量损失通常为1 0 左右，通常，尾流损失取值 在1 0 3 0 之间。风的湍流强度和推力特性、风电机组间距及其功率特性对尾流 效应有很大影响。风的湍流强度可以表示为： 旦：旦芷墨 ( 2 1 2 ) vv 其中，矿是平均风速，仃6 是风机产生的湍流均方差，是自然湍流均方差。 一般情况下，仃。= o 1 2 v ，仃g = o 0 8 v 。 a = 死屯2 ，鸠为额定转矩，表示风速( m s ) ，c p 表示风能转换系数( 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) ，它是叶尖速比 工程硕士学位论文 和浆距角的函数，a 表示叶尖速比，它的计算公式是：a = q 心iv ，q 表示风 轮机的额定机械角速度( r a d s ) ，r 表示风轮机额定功率( m w ) 。 由a l b e r tb e t z 理论可知，在叶尖速比允 3 时，叶尖翼形优化，涡流损失很小， c 。能够达到的极限值是0 5 9 3 。这表明风机毫无损失的吸收风的全部动能，也最 多只有5 9 3 的能量被利用。 可见a 直接影响叶片捕获的风能大小和风能利用系数。a l b e r tb e t z 理论中，风 轮吸收的最大能量只，即风力机实际获得的轴功率可表示为： 11 e = i 1j d 彳c 口( a ，卢) ，3 - - 寺p a l ，3x 0 5 9 3 ( 2 1 8 ) 二厶 可见，在风速一定的情况下，发电机获得的输入机械功率大小将只取决于风 能转换系数c p 。q ( a ，卢) 曲线实际上是在不同桨距角卢下的一簇q ( a ) 曲线，是风 力机将风能转换为机械能的效率，其物理意义是：在曲线上所对应的点，均表示 风速和风轮转度的平衡点，即风机运行的平衡状态。 风能利用系数c 。和叶尖速比九曲线簇是风机的固定参数，一般由风机制造商 提供。不同的风力发电机功率曲线在一定程度上具有相似性，因此，在电力系统 动态仿真研究中，可以采用逼近法描述风能利用系数c 。 1 c p ( a ，卢) = q e c 3 , e c , 一c , ) e - c x ( 2 19 ) 、 土：! 一1 2( 2 2 0 1 一= = _ _ - _ _ _ _ _ _ 一一_ - - 。二i 一 i ；v - a a + 巳卢 p 3 + l 。 以上两式中，常数c l c 9 取决于风机类型。而对于给定的叶尖速比九和叶片桨 距角卢，也可用下式计算功率系数c 。： = r ( 2 2 1 ) 其中参数九： 10 0 3 5 a + 0 0 8 , e 卢3 + l 为提高仿真研究精度，在实际仿真中常用多维优化法，以减少c 。( a ，卢) 的逼 近曲线与风机制造商所提供曲线之间的误差。表2 2 给出了参考数据。 在卢一定时，风力机c 。( a ) 曲线如下图所示。可以看出，对于一台参数确定的 风力机，不同的桨距角卢总对应一个最佳叶尖速比九一此时风力机的能量转换效 率达到最高值c 。 换句话说，在特定风速下，风力机只有运行在一个特定的转速下才会有最高 的风能转换效率。同时对于给定的叶片桨距角卢，不同的叶尖速比a 所对应的c 。 值相差较大，给定的卢有且仅有一个固定的k 能使c p 达到最大值c p 雌。 由于旯= j l c ，要使风力机捕获的风能效率最高，就必须保持最佳叶尖速 大规模风电场并网影响的研究 比，必须按照k o p t = k r 变化。 风力机c 呻特性曲线 图2 1 不同的卢对应的风力机q ( a ) 曲线图 表2 2 不同类型风机c 值参照表 2 4 并网风力发电机模型 2 4 1 并网风力发电机的主要种类 分析风电并网的影响，首先要考虑不同的风力发电机类型。不同的风电机组， 其工作原理，数学模型等不尽相同，因此分析方法也有较大的差异。 目前，投入商业运行的并网型风电机组可分为定桨定速型和变桨变速型两大 类。发电机主要采用笼式普通异步发电机、双馈异步发电机和永磁同步发电机三 种【l 引。分别简介如下： ( 1 ) 基于普通异步发电机的恒速风电机组 工程硕十学位论文 风 并联电容器组 图2 2 基于普通异步发电机的恒速风电机组 这种风力机通常采用普通鼠笼式异步发电机【l4 1 ，它一般由三桨叶风力机，风 力机低速轴与高速轴之间的齿轮箱，装设在发电机机端的并联补偿电容器和控制 系统组成。 对于基于普通异步发电机的恒速风电机组，其风力机桨叶控制方法主要有三 种：采用主动失速的桨距角控制，或者定桨距的失速控制，也有少数的采用桨距 控c j j ( p i t c hc o n t r 0 1 ) j 。 此类型风电机组只能在很小的转差范围内运行，不能充分有效地利用风能， 并且其额定运行时的稳定裕度也较小。根据上一节中风力机c 。a 关系的分析， 风力机恒速运行时不能保证其在所有的风速下都能产生最大的功率输出。 因此为了更加充分地利用风能，恒速风电机组的感应发电机般采用双绕组 结构，对应不同的风速范围，发电机可在不同的极对数下，以不同的额定功率运 行。定速风电机组大多为定桨距结构，在高风速状况下，采用失速原理对风电机 组的功率输出进行控制。 此外，基于普通异步发电机的恒速风电机组通常采用可控硅控制的软并网装 置，以使风电机组在并网过程中减轻暂态过程的冲击电压。 基于普通异步发电机的恒速风电机组是近十几年来应用最为广泛的风电机组 类型，由于其技术成熟、结构简单、易于维护、操作方便、没有复杂的控制系统， 一直以来都是风电市场上的主力机型，尤其是早期运营的风电场基本。但是它存 在以下缺点：风能转换效率不能保持最优；由于其采用了普通感应发电机，在发 出有功功率的同时会吸收一定数量的无功功率，对电网电压的稳定不利；由于其 输出功率无法控制，风速波动引起的功率波动乃至电网的电压波动较大，严重影 响电网的电能质量。 为了克服上述的各种缺点，人们研制出一种基于异步发电机的最优滑差风电 机组。其最大的不同在于，发电机转子绕组通过滑环接入变频器控制的外加转子 可变电阻，根据机组运行方式的不同，转子电阻可以在一定的范围内通过电力电 子装置动态调节，实现转子电流控n ( r c c ) ，从而增大风电机组运行的稳定裕度， 提高风电场的暂态电压稳定性，也能改善风电机组的电能质量。 易实现多极化，可省去或简化齿轮增速箱结构，其叶轮主轴与发电机可以直接耦 合，不经齿轮增速而直接驱动发电机，因此这类风机又称为直驱( 半直驱) 式。 工程硕上学位论文 2 4 2 普通异步发电机模型 ( 1 ) 同步旋转坐标系下的状态方程 异步电机的基本方程是变系数的微分方程，定转子的互感是由定转子绕组之 间角度p 定义的转子位置函数，求解这样的方程很困难。为简化计算，可以像同 步电机一样变换基本方程的形式，将相变量变换成旋转坐标轴上的变量。 坐标变换可以把g 轴放在旋转磁场上，或者定转子上，也可以放在电流、电 压或者磁通的方向上，放在不同的位置，参考坐标系和控制方法也不相同【i 引。 异步电机选择以同步转速旋转的坐标系，将极大的简化计算和分析因为其定、 转子磁场以及其他电气量的旋转速度和同步转速相同。 在同步旋转坐标系中，在时间f = 0 时，选择d 轴与定子a 轴相重合，其他时 刻d 轴与定子a 相的相位移为。f ，对于定转子的磁链、电压应用坐标交换后，可 得同步旋转坐标系下电机状态方程。 磁链方程： ( 2 2 2 ) 定子、转子各相漏磁通所对应的电感称为定子漏感厶，厶，与定于、转子一 相绕组交链的最大互感磁通对应于定子，转子互感k ，l ，k = 厶，。式中： 乞竺乏三乏j 拦+ 厶 亿2 3 ， 【乞= k = k = k + 厶= k + 厶 、 j 2 k = 如= 毛= 2k k 2 ( 2 2 4 ) 【厶= k = k = k = 厶= 乞= 一k 2 0 为转子位置角，转子和定子绕组间的互感是： ik = l = k = = k = 乞= kc o s ( o ) k = k = k = k = k = k = kc o s ( o + 1 2 0 0 ) ( 2 2 5 ) 【l a 。= l = 乞= k = 如= k = k c o s ( o 一1 2 0 0 ) 电压方程： t l = i r s + w = 足+ 彤占 ( 2 2 6 ) 【= t 足+ c 定子，转子电压平衡方程： l七 “伽缸缸k 如 珈励励知伽如 砌知励知“易 伽伽伽伽伽助 跏伽砌励伽知 砌励励助伽助 l l 占 c 口 6 c虬虬 大规模风电场并网影响的研究 转子位置d 角随时间变化，对于求解三相坐标下非线性、耦合的数学模型比 较复杂，p a r k x _ 坐标变换可以简化这种计算。其a b c 一由0 的变换矩阵如下： ，1 2 乙 2 ： j c o s o - s i n 0 l 2 变换后的电压方程如下： 由此得磁链方程： e o s ( o 一1 2 0 0 ) 一s i n ( o 一1 2 0 0 ) 1 2厶 c o s ( o + 1 2 0 0 ) 一s i n ( o + 1 2 0 0 ) l 2厶 | d = r s i | d + 列l d 一畸 u 呵= r o i q + w 吨+ 试 “耐= 尽如+ p i ：f ，耐一s 国1 1 | f ，w u 哩= r r i 旧+ p ，呵+ s 0 9 以 ( 2 2 8 ) 式( 2 3 2 ) q b ，厶= 乞一厶，= 匕一k ，厶= 1 5 乞。其中乞是转子和定子 之间的互感幅值。 电压方程： t t 沪等一w 阉删谣 驴w 一亿3 。， t l 嘣= 等- s 崎+ r i 皤 铲等+ 观耳。 上式中：。为同步转速，也是参考坐标系的旋转角速度。 系统的鼠笼式异步发电机，转子绕组短接使转子侧电压为零， 和u 。= 0 。 电磁转矩方程( 在d q o 坐标系下) 气 z = 丢厶，( 0 一0 ) 对于用于风力发电 式( 2 3 3 ) 满足u 耐= o ( 2 3 2 ) 、， t ，22 ， 口 6 c + + + r 尼r 0b0 = = = 蝴鳓以 ，【 3 q w锄彬，哳 厶k 厶k + + + + ，形切：w，哳 厶厶厶厶 = i i = = 耐 凹 耐 w y y y y 工程硕上学位论文 转动方程： z 一乙：粤+ 丝+ 丝 ( 2 3 3 ) n p u l h ph p 式中d 是与转速成正比的阻转矩阻尼系数，k 是扭转弹性转矩系数。 ( 2 ) 普通异步发电机电磁功率 定子的瞬时电磁功率为： 只= 1 5 ( u 坩如+ 岛) ( 2 3 4 ) 同样的，转子的瞬时电磁功率是： e = 1 5 ( u 耐l r d + 甜。l r q ) = 0 ( 2 3 5 ) = 1 5 【疋( 白- 2 + 茜) + q ( 岛y 耐一乙l f ，田) + 乙等+ k 等】 ( 2 3 6 ) 上式中r ( 匕+ 葛) 是定子铜耗，q ( 岛i f ，耐一伽叼) 项为电磁功率，乙等+ 岛等 为暂态过程中的功率，+ 若忽略定子的电磁暂态过程，普通异步电机的电磁功率为： 匕= 1 5 q ( 岛l f ，耐一0 l f ，田) ( 2 3 7 ) 定子的瞬时无功功率为： q = 1 5 ( 一u s d 岛) ( 2 3 8 ) ( 3 ) 静态模型的推导 忍心变换把对称的三相交流量经坐标变换成直流量，在三相对称稳定运行 中，定子和转子的电压电流同步旋转的d q 参考坐标系中表示成直流的形式。p a r k 反变换得： j d = i 诅c o s o a s t i 畸s i n 6 0 s t = 0c o s t o , t + 乙c o s ( 6 0 , t + 9 0 0 )( 2 3 9 ) 式中，口为定子电流。乙和乙是直流量，用l 表示定子电流的标幺有效值，公 式( 2 4 1 ) 变为相量形式如下： i s = i 试七j i 嗡q 4 0 ) 其中乞= 乙4 5 和= 岛4 5 。也可以用相量形式表示转子相电流和定子相 电压。 稳态分析时磁链是恒定不变的直流量，即导y ：0 ，带入电压方程得： a t 村= 一q t k q 乙k + r 乙 ( 2 4 1 ) 甜田= 一q t 乙一蛾厶0 + r 乞 ( 2 4 2 ) 定子回路方程： u s = r s is + j s l sis + j s l mi r = r s is j s q s l 3 ls + j s l m q s 七i j = r s ls + j x sis + j x m q s + i 3q 4 3 、) 式中：以= c ol 是励磁电抗，置= q ( 厶一l ) 是定子漏抗。转子回路方程为： 0r ：坠1r + j s l r 1r + 阪l m i s ：墨，+ ，+ ( z + ，) ：0( 2 4 4 ) 其中转子漏电抗鼍= q ( 一厶) 。 若所有的量折算到定子侧，忽略其他两相，只考虑一相，普通异步发电机的 t 型等值电路可以表示为下图所示： r s x s? 凡 s 图2 6 普通异步发电机t 型等值电路 由+ x g - r 的异步发电机的励磁电抗以远大于墨，如代表励磁支路损耗， 励磁支路可移到电路首端，t 型等值电路进而简化为r 型等值电路，如下图： 1 一s 兄 s 图2 7 普通异步发电机r 型等值电路 ( 4 ) 异步发电机的功率表示和能量