风力发电场并网运行稳定性研究.docx

毕业设计论文风力发电场并网运行稳定性研究 学生姓名： 李金鹏 班级学号： 206080923 院、系、部： 电力工程学院 专 业：电气工程及其自动化指导教师： 陈刚 合作指导教师： 2012年06月 南 京1李金鹏：风力发电场并网运行稳定性研究Undergraduate ThesisWind power plant and network operation stabilityBYLI jin-pengSupervised byProfessor CHEN gangSchool of Electric Power EngineeringNanjing Institute of TechnologyJune 2012- 79 -摘要二十世纪八十年代以来，并网型风力发电以其独特的能源、环保优势和规模化效益，得到了长足发展，从而风电场并网运行带来的各种问题也引起了人们的广泛关注。随着风电场规模的不断扩大，风电特性对电网的负面影响越来越显著，成为制约风电场规模不断扩大的重要障碍，因此为了进一步开发风电造福人类，深入研究风电场并网运行后对电网造成的影响成为迫切需要解决的问题。尽管当今风电技术发展很迅速，各种新型的风力发电机相比以前都有了很大的进步，它们对风电并网运行的负面影响也在不断减少，但目前大多风电场仍采用普通异步发电机为发电技术的恒速恒频发电系统，异步发电机的一些特性使得研究它的并网运行对电网电压稳定性带来的影响成为必要，这个问题也是本文要研究的主要内容。本文第一章介绍了风力发电的一些发展现状，并简述了跟风电有关的相关概念，简述了大规模风电场并网对电力系统的影响，主要介绍了对电压稳定性影响的重要意义；第二章论述了风力发电系统的组成及分类，指出了不同风力发电系统的特点；在第三章中对恒速恒频风电场各主要组成部分进行详细的数学分析；第四章首先介绍了几种不同的风电场与电网间的连接方式；针对风电场模型建立本文提出了集总模型的方法，得到了风电场MATLAB/simulink等效模型；第五章对所建立的仿真模型进行仿真分析，研究了阵风、渐变风、随机风和故障时对电网电压的影响，同时分析无功补偿对电压稳定的作用；第六章则对风电场的静态电压稳定性广义雅可比矩阵分析，得到静态电压稳定边界。电压稳定性是一个很复杂的问题，本文所作的工作还很少，需要更加深入的研究，为以后风电的大规模应用作出贡献。关键词 风力发电，风电场电压稳定性，风电场AbstractGrid-connected wind power generation has been well developed for its special energy Source,beneficial environments and dimensional benefit since 1980s,which absorbs much attention about the questions accompanied with the wind power generationThe characters of wind energy will bring much negative influences with larger scale wind farm being connected to the power grid,these negative influences will restrict the wind energy development,so it is essential to investigate the influences between wind energy and power gridNowadays the technologies about wind power generation has got much progress,the new type generators will decrease the bad influences that brought by grid-connected wind power generation,but most of the wind farm adopt commonly asynchronous generator,some characters of asynchronous generator have a strong relationship with voltage stabilitySo the voltage stability is the emphasis this paper concernsIn the first two chapter of this paper,the history and development of wind energy are introduced,and then explains some correlative concepts about voltage stability,The second chapter discusses the composition and classification of the wind power generation system,and pointed out the characteristics of wind power generation system; in the third chapter,constant speed constant frequency wind farm the main part of a detailed mathematical analysis; in Chapter four of this chapter,first several different wind farms and grid connection; lumped model for the wind farm model,proposed in this paper, MATLAB/simulink equivalent model of the wind farm; Chapter five established simulation model and simulation analysis, gusts grid voltage gradient wind and random wind and failure analysis of the role of the voltage stability of the reactive power compensation team; Chapter six of the static voltage stability of the wind farm generalized Jacobinically matrix, the static voltage stability boundary.Voltage stability is a very complex issue, little work made in this article; you need more in-depth study, to contribute after large-scale application of wind power.Key Words Wind power, Voltage stability of the wind farm, Wind farm 目录摘要- 1 -Abstract- 2 -目录- 3 -第一章绪论- 5 -1.1 风力发电场并网运行的特点及论文选题的意义- 5 -1.2 全球风力发电概况- 6 -1.3 风力发电机组技术发展趋势- 7 -1.4 电力系统电压稳定性研究现状- 8 -1.5 本文研究的主要内容及意义- 10 -第二章风力发电系统简介- 12 -2.1 风力发电系统的组成及特点- 12 -2.2 风力发电机组的控制方式- 12 -2.3 并网风力发电系统的分类- 14 -2.4 风力发电机的并网运行- 15 -2.5 本章小结- 16 -第三章风电场并网系统的数学模型- 17 -3.1 引言- 17 -3.2 MATLAB仿真软件的简介- 17 -3.3 风速模型- 18 -3.4 风力机的数学模型分析- 20 -3.5 异步发电机暂态数学模型分析- 21 -3.6 本章小结- 23 -第四章风电场并网运行暂态稳定仿真模型- 24 -4.1 风电场与电网的连接方式- 24 -4.2 风电场模型- 27 -4.3 风电场集总模型- 27 -4.4 风力机集总模型- 28 -4.5 本章小结- 31 -第五章大型风电场并网电压稳定性仿真分析- 32 -5.1 仿真系统数据- 32 -5.2 无功补偿对电压稳定的重要作用- 33 -5.3 STATCOM对阵风下的风电场电压稳定性的影响- 36 -5.4 渐变风下仿真- 39 -5.5 随机风仿真- 41 -5.6 STATCOM三相短路故障仿真- 42 -5.7 本章小结- 44 -第六章风电场静态电压稳定分析- 45 -6.1 风电场静态电压稳定条件及实用判据- 45 -6.2 系统数学分析- 45 -6.3 风电场静态电压稳定性条件及实用判据- 47 -6.4 风电场电压稳定边界- 49 - 6.5 本章小结- 50 -第七章 结论与展望- 51 -谢辞- 52 -参考文献- 53 -附录1：外文资料翻译- 55 -A1.1大型风力发电对电力系统稳定性的影响- 55 -A1.2 Impact of Large Scale Wind Power on Power System Stability- 66 -第一章 绪论1.1 风力发电场并网运行的特点及论文选题的意义目前，在可再生的新能源领域，风力发电具有环境友好、技术成熟、可靠性高、成本低、规模效益显著的特点，越来越被人们所认可。随着全球气候持续变暖，无论是在发展中国家还是发达国家都开始大力发展风力发电。商品化大型风力发电机组单机容量已由80年代初期的几十千瓦发展到目前数兆瓦以上；风力发电的经济指标逐渐接近清洁煤发电，相比生物能、潮汐能等其它新能源技术，风电系统具有结构简单、建设周期短、规模大小灵活、远距离控制、可单机供电、也可并网运行的优点，从而使其在能源、电力产业中异军突起。许多国家把发展风力发电作为改善能源结构、减少环境污染和保护生态环境的一项措施，纳入国家能源发展规划。据专家们估计地球风能约为2.74109MW，可利用风能为2107MW，是地球水能的十倍，只要利用上地球1%的风能就能满足九十年代初一年全球能源的需要。1.1.1 大型风电场的并网运行特点1）输入风能的变化有随机性；2）大多风电场距电力主系统和负荷中心较远，所以一般风电场与薄弱的地方电力系统相联；3）含异步发电机的风力发电机组运行时向电网送有功功率、吸无功功率；4）原有的地方电力系统的线路按常规设计建设，缺乏电压控制设备和措施；因此，随着风电容量在电网中比例的迅速增加，并网系统的电压问题逐渐表现出来：例如，美国加州Bakersfield的Seawest风电场就经常出现由于电压问题电网无法接受风电，强迫风电场停机的情况；德国北部某电力公司要求风电场加装切机装置，以便在必要时完成切机命令；我国东北某大型风电场较大风速运行时风场电压曾波动较大；我国某西北部电网（风电容量约为）3%，当风电场大风电功率运行时，为保证系统的安全也曾命令风电场停机。种种现象表明，目前风电并网系统中存在的电压及稳定性问题值得研究、探讨和解决。电压稳定性问题是电力系统所有稳定问题的一种，电压失稳机理和预防控制措施至今仍然是人们关注和研究的热点问题之一。相对于功角（同步）稳定而言，系统电压稳定的动态特性主要取决于“负荷”及电压控制措施，电压稳定己经被称为负荷稳定。风电场作为电力系统的无功“负荷”其电压稳定性与电力系统电压稳定密切相关。因此，“大型风电场电压稳定性分析与控制研究”，对现象的机理分析和规划运行指导具有重要的理论意义和实用价值。1.2 全球风力发电概况2010年全球风能装机容量达196630MW，总装机容量前五位国家（中国、美国、德国、西班牙、印度）占全球总装机量的74.2%，2009年同期数据为72.9%。其中新增装机容量37642MW，全球风能装机容量比2009年同期数据增长23.6%，略低于去年同期数据，为自2004年以来最低增长率。2010年全球风能新装机容量相当于430TWh年发电量，占全球总发电量的2.5%，总量超过世界第六大经济体英国全年的用电需求。2010年全球风能行业产值近400亿欧元，创造就业岗位67万余个；北美地区的年度风能新装机容量有显著的下降，美国的年度装机容量第一次落后于中国；多数西欧国家风能发展处于饱和阶段，但风能产业在若干东欧国家仍得到了显著的发展。综合起来看全球新装机容量54.6%来自亚洲，27.0%来自欧洲，16.7%来自北美洲，1.2%来自拉丁美洲，0.4%来自非洲，其中北非国家有显著的风能发展，撒哈拉以南非洲风能产业鲜有发展。日本核电厂事故及墨西哥湾的漏油事件将对全球风能发展带来长期的影响，各国各级政府应加快及巩固其风能产业发展之相关政策，才能保持全球的能源稳定。2010年全球风能总装机容量达196630MW，2009年为159050MW，2007年为93930MW，去年年全球新风能投资有所下降。2010年中国在全球风能市场比重超过50%，若不计中国，全球风能市场将比去年萎缩三分一（2010年24512MW，2009年25712（MW）。尽管风能发展速度有所减缓，全球风能装机容量保持仍旧每三年翻番的速度，2010年共有83个国家利用风能发电，比2009年多一个国家；52个国家有新增风能装机容量，比去年多了3个国家；全球风能产业在2010年创造产值近550亿美元，2009年同期数据为700亿美元。截至2010底，有20个国家总装机容量超过1000MW，去年同期数据为17个，2005年仅11个；2010年全球范围内有39个国家风场的装机容量达到或超过 100MW，去年同期数据为35个，五年前同期数据为24个。除了陆地风电场外，海上风能装机容量在2010年继续增长。全球共有12个国家建立了海上风电场，其中10个在欧洲，其余为中国和日本。全球海上风能总装机容量达到3117.6MW，其中1161.7MW为2010年新增装机。海上装机增率达到59%，远远高于总风能装机增长率。国际能源署（IEA）预计，2020年全球装机容量可达12.6亿千瓦，平均单机容l量1.5MW，年总发电量达3.1万亿KWh，占2020年全球总发电量的12%，总投资约需6300亿美元。预计巧年之后欧洲人口的一半将会使用风电，可望在2020年风能发电能够满足欧洲居民的全部用电需求。截至至2010年底，全球风力发电量全球电力总供应量的2.5%。该数值大于世界第六大经济体英国（6千万人口）的总年度用电需求。在某些国家和地区，风能已成为其最重要的电力供源之一，其中份额最大的几个国家为：丹麦：21%、葡萄牙：18%、西班牙：16%、德国：9%，在我国，风能发电占全国总发电量的1.2%远远低于首位的丹麦，由此可见我们的风力发电事业还是任重而道远。1.3 风力发电机组技术发展趋势目前，风力发电技术日益成熟，且形成富有活力的新兴产业，有以下几个方向的发展趋势。1）新型，高效率、高可靠性风力发电机组不断推陈出新。高技术含量不断增加。从空气动力学的应用来看，风机风轮叶片的定桨距调节或称失速调节，变桨距调节及主动失速调节并行发展，使风能的利用率得到提高；从电力电子技术与发电机技术结合上来看，新型双速异步发电机、变滑差异步发电机、双馈发电机、低速永磁发电机、高压发电机以及同步发电机与交一直一交变频系统或交一交变频系统组合应用的相继出现，提高了风力发电机组的效率及技术：从风力发电杌并入电网的技术方面来看，异步发电机软并网，同步发电机经变频器并网，使得并网的可靠必得以提高，减少了对电网的干扰。2）并网风力发电机组单机容量逐步增大，风电工业的生产规模日益扩大。进入上世纪90年代以后，并网风力发电机的容量向大型化的发展异常迅速。风力机的尺寸和输山功率也迅速增大。目前兆瓦级风力发电机也已研制成功，并投入商业化运行。3）风电成本呈下降趋势。新型、高效、大型机组的研制成功，产业化、规模化、商业化生产的口趋完善与扩大，为降低风力发电成本及电价提供了基础。事实证明，风力发电机组的单位千瓦造价和风力发电的电价逐年都有较大降低，这正说明了风电与常规能源发电的竞争中地位逐步增强。4）由陆地风电场向海上风电场发展。海面气流流动速度比在陆地上快，而且平稳，还有海上风电场机组运转时发生的噪音远离居民地，噪音干扰少等优点，使得风力机不仅在陆地上发展，而且可以向海上发展。1.4 电力系统电压稳定性研究现状如果把风电场作为电力系统中的一个特殊的无功“负荷”，那么该系统电压稳定性情况、特别之处以及与电力系统电压稳定性有什么联系是需要首先了解和分析的。电压稳定问题是电力系统规划与运行需要考虑的一个重要问题，它是整个电力系统稳定的一个重要方面。近年来电力系统因电压失稳而导致系统崩溃、造成停电事故的电力系统电压稳定问题日益受到人们的重视，该领域的研究工作十分活跃。1993年国际大电网会议组织（CIGRE）的研究报告中曾明确提出了电压稳定性的定义和分类。电力系统的电压稳定性是指系统在满足负荷功率需求的前提下，经受一定的扰动后各负荷节点维持负荷电压在其容许范围内的能力。当系统具有这种能力时系统电压稳定，反之系统电压失稳。根据研究的扰动大小及时域范围，电压稳定性又可分为小干扰电压稳定性、暂态电压稳定性和长期电压稳定性。1.4.1 电压失稳机理自从电压稳定问题受到重视以来，电压崩溃现象的机理探讨一直很活跃，提出了各种各样的解释。但到目前为止，对电压崩溃机理的认识仍然存在着巨大的差异，甚至连电压稳定问题究竟属于静态问题还是属于动态问题也未统一。在这样的状况下，电压稳定问题的定量研究就难免带有盲目性，即使仿真分析方法也同样如此，因为人们无法确认所采用的仿真计算模型是否包含崩溃现象的主要相关元件的相关动态特性，也无法确认是否发生了电压失稳，因为导致负荷节点电压缓慢或快速下降的因素并不只是电压失稳。实际上可能研究的不是同一个问题。以下仅就一些已有的观点作些叙述。电压稳定性的经典定义是CIGRE于1993提出的：如果系统受到一定的扰动后，邻近节点的负荷电压达到扰动后平衡状态的值，并且该受扰动状态处于扰动后的稳定平衡点的吸引域内，那么就认为系统是电压稳定的；与此相反，如果扰动后平衡状态下负荷邻近的节点电压低于可接受的极限值，那么就称系统电压崩溃。根据研究的扰动大小和时域范围，电压稳定性可分为小干扰电压稳定性、暂态电压稳定性、长期电压稳定性。小干扰电压稳定性是指系统遭受任何小扰动后，负荷电压恢复到扰动前电压水平的能力；暂态电压稳定性是指系统遭受大扰动后，负荷节点维持电压水平的能力；长期电压稳定性是指在系统遭受大扰动或负荷增加、传输功率增大时，在0.5-30分钟的时间范围内，负荷节点维持电压水平的能力。小干扰电压稳定性也可理解为静态电压稳定性，因为它们的分析结果相差不大。静态电压失稳的机理都是把系统静态极限负荷能力作为电压稳定临界状态，反映的是潮流解的可行性问题，通常依据基于潮流方程的P-U曲线、Q-U曲线的最大功率作为系统传输的功率极限。无论是P-U曲线解释，还是Q-U曲线解释，系统电压失稳前总存在两个平衡点，一个是稳定点，一个是不稳定点，临界稳定时这两个平衡点融合。从数学角度看，静态电压稳定时，原始平衡点对应潮流雅可比矩阵的行列式的值大于零；静态电压失稳时。原始平衡点对应的潮流雅可比矩阵的行列式小于零，此时表明系统受微小扰动后不可能再回到原始平衡点而使负荷母线电压出现正的电压偏移后过渡到一个较高电压的新的平衡点，或者在受小扰动后使负荷母线电压出现负的电压偏移后平衡点丧失，负荷电压持续急剧且不可逆转地下降，最终导致电压崩溃。暂态电压稳定性与感应电动机动态、并联电容器有着密切的关系。因此失稳的机理主要足系统受扰动之后，感应电动机等快速响应元件失去了平衡点，或者由于故障不能尽快切除，使系统离开了干扰后的稳定域（吸引域）。如果负荷节点的电压跌落严重，感应电动机吸收的无功功率会上升，也将可能导致电压崩溃，除非保护装置或交流接触器将感应电动机跳开（这种情况也称为感应电动机欠稳）；故障切除后，如果某些感应电动机不能再加速，则这些电动机将趋于堵转，并导致相邻的其他电动机也发生堵转。另外，并联电容器组特性（输出功率与端电压的平方成正比）会加重此类问题。1.4.2 电压稳定性的分析方法到目前为止，电压稳定的分析方法基本上可以分为两类：一类是基于潮流方程的静态分析方法，有基于潮流方程和修改过的扩展潮流方程的电压稳定静态分析方法：另一类是基于微分-代数方程的动态分析方法。有小干扰法和时域仿真分析法。1）静态分析方法从大量的研究和实际电压失稳事故现象看。虽然电压稳定性问题涉及到电力系统的动态特性，但确与电力系统潮流方程解的分叉有着密切的关系，而且静态分析方法也能给出一些定性分析，所以，长期以来电压稳定静态分析方法一直是研究和分析电压稳定性问题的主要研究方法之一。基于常规潮流雅可比矩阵的静态分析方法，主要有最大功率法、灵敏度分析法、潮流多解法和奇异分解法等，这些方法在很多书上有较详细的介绍，这里不再详述。2）小干扰分析方法小干扰分析法是把描述系统运动的非线性微分方程和代数方程在运行点处线性化，消去方程中的非状态变量，得到一组线性化微分方程，通过分析线性化微分方程雅可比矩阵特征值实部的正负号来判断系统在该运行点的稳定性。文献中指出基于扩展潮流方程的静态电压稳定极限和严格小干扰分析法得到的电压稳定极限完全相同，因此小干扰分析方法可转化为静态分析方法。3）时域仿真法时域仿真分析方法是研究电力系统稳定问题的最有效方法，可应用于电压失稳机理分析、电压稳定极限的检验和预防控制措施的校验等方面。暂态电压稳定分析主要针对由快速响应元件的动态特性所引起的暂态电压失稳过程进行仿真分析，可采用己有的暂态稳定程序，并考虑加入具有快速响应元件的动态特性，即可进行暂态电压稳定分析。由于电力系统十分庞大，描述系统的方程复杂而且不是线性的，因此用解折的方法来分析工作量很大，所以本文的研究主要是用时域仿真法。1.5 本文研究的主要内容及意义随着能源的短缺及环境污染的日益严重，分布式发电（DG Distributed generation）以其一次能源的丰富性、环境友好性及装机方式的灵活性逐渐成为电力系统新的研究热点。其中风力发电是近年来得以迅速发展的一种发电形式，具有发电技术比较成熟、发电价格较低、建设周期较短等优点，在未来电力系统发展中将占有重要的地位。风力发电形式可分为离网型和并网型，并网型风力发电是近几年来风电发展的主要趋势，也是本文的研究重点。并网型风力发电通常是由多台大容量（50KW-2MW）的风力发电机组组成，被称为大型风电场。大型风电场并网运行多具有以下特点：1）输入风能的变化有随机性；2）大多风电场距离电力主系统和负荷中心较远。所以一般风电场与地方薄弱电网联结；3）含异步发电机的风力发电机组运行时向系统输送有功功率，吸取无功功率；4）原来的地方电力系统的线路按常规设计建设，缺乏电压控制设备和措施。因此，随着风电容量在电网的比例迅速增加，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，应从早期的小型风电场引起的电能质量问题研究上升到对大型风电场并网的电压稳定性的研究。另外，风电场的电压稳定性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稳定性有很大的意义。本文所作的主要工作是这样的：1）描述了当前风力发电系统的常用类型及其组成部分；2）对定桨矩+鼠笼型异步发电机进行数学模型进行了描述，并在Matlab/Simulink基础上，得到了仿真模型；3）基于仿真模型分析大型风电场并网对电力系统电压稳定性的影响；4）导出风电场静态电压稳定性条件和实用判据，引入静态电压稳定性指标进行风电场电压稳定性分析；5）提出风电场稳态电压和暂态电压稳定性控制的概念。论文指出机端电容器和接入点地方负荷共同作用可以保证风电场及其附近节点的稳态电压在允许范围内，风电场设置无功补偿是减小风电场电压波动、提高风电场暂态电压稳定性很好的措施。第二章 风力发电系统简介2.1 风力发电系统的组成及特点不论是独立运行的风电系统还是并网运行的风电系统，其主要的组成部分都包括以下几个模块：风轮、齿轮箱、发电机及其控制系统。风轮是用来捕获风能的，实现风力转化为机械能；齿轮箱是为了增大风力机的转速，使之能够与发电机的转速相适应，从而工作于最佳状态；发电机把风的机械能转化为电能；控制系统是用来提高风能的利用率及提高系统运行安全、可靠性。由于风力发电的一次能源即风能是间歇性的。发电机会经常处于启停状态，因此发电机类型常选为异步发电机。而正是这些因素才使得风力发电系统有着不同于常规发电系统的特点：1）输入风能的变化具有随机性，如果不采取任何措施，风力发电机输出的功率将随着风速的变化而波动，从而影响发电系统的电能质量甚至电网的电压稳定；2）含异步发电机的风力发电机组运行时输出有功功率，同时要吸取无功功率。而无功功率与电压有着密切的关系；3）异步发电机无电压控制能力，电压波动容易超出允许范围。以上这些特点都使得研究风电系统的电压稳定性成为必要。2.2 风力发电机组的控制方式风力机组的控制主要包括功率控制和速度控制控制大部分。前者作用在风轮上，通过控制叶片桨距角来实现最大风能的捕获，防止转轴、发电机过载，保护机械部分：后者作用在发电机，通过控制转矩或转子电流来减小输出功率的波动并阻尼机械振荡。风力机组的控制方式随着机组类型的不同而各异。但是其基本要求都是在一定的风况、气候和电网条件下能够长期安全运行并取得最大的年发电量和最低的发电成本。具体来说，风力机组的控制目标包括：1）在运行风速范围内，保证风力发电机组的稳定运行；2）在额定风速以下时应该尽可能多地捕获风能，提高风能利用率；3）在高风速时，限制机组的功率输出，保持其在额定值范围内，防止风机转轴、发电机以及电力电子装置过载；4）保护风力机组的机械部分。部分负荷运行时的控制方式有两种：恒定叶尖速比模式和最大功率追踪模式。恒定叶尖速比模式的控制思想是当风力机组达到最优的叶尖速比时，其输出的功率最大。在具体的控制方式上，首先将风力机的风能转换效率系数与叶尖速比之间的特性存储于控制系统中，通过测量装置获取当前状态下的风速与转速，将计算得到的叶尖速比与参考值进行比较，产生的误差再输入控制系统，从而实现减小偏差的目的。这种控制模式对风速及转速的测量要求精度高，也是此种控制模式的缺点；最大功率追踪模式是通过控制转轴的转速来实现功率的最大捕获，这种方式对风速测量的准确性及叶片的动态并不敏感，广泛应用于大型风力发电机组中。当风电机组在额定风速及以上处于全负荷运行时。考虑风轮、转轴、发电机的容量限制，为了减少叶片的负载及整个机组受到的冲击，必须通过控制系统来限制风力机组的输山功率。一般来说，全负荷运行时的控制方式大致有三种：定桨距控制、变桨距控制和主动失速控制：1）定桨距控制也称失速控制，是指叶片与转轴刚性连接，风轮叶片的桨距角保持不变，常用于恒速运行的风力机组中。由于风轮转速恒定，当风速增大时，叶片的攻角增大，直到气流在翼形上表面分离而产生脱落，这就是所谓的失速效应，这时叶片的升力减小阻力提高，从而达到降低风能捕获的目的。这种控制方式依靠叶片的气动特性，无需任何附加转动部件，结构简单，造价比较低。其缺点是对叶片结构特性要求较高，随着机组容量的增大。叶片加长，失速特性不易控制，而且当叶片发生失速效应时。很难保证输出功率的恒定，通常会有一定程度的降低；2）在变桨距控制模式中，风轮叶片与轮毂之间不是刚性连接，桨距角随着风速的改变而改变，从而使机组在较大的范围内按最佳参数运行，风能转换率较高。当风速增长到额定值以上时，叶片与轮毂间的轴承机构转动使叶片攻角减小，从而减小翼型的升力，达到控制风机叶片的扭矩和功率的目的。在这种控制方式下，叶片及整个机组所受到的力比定桨距机组要小的多，其优点是当风速达到额定值之后的输出功率波动小，缺点是变桨距机构及控制复杂，造价及维护费用高。一般用在变速运行的大型风电机组中；3）主动失速调节的主要特点是桨距角可以在较小的范围内变化。当风速未达到额定值以前以定桨距的方式运行，当风速增大使输出功率达到额定值以后，叶片失速特性导致功率有所下降，为了弥补这部分功率的损失，在一个小范围内调整桨距角以提高风机的功率输出，但这种控制方式不足以弥补定桨距风机的缺点，故常用于小型风力发电机组中。2.3 并网风力发电系统的分类风力机并网时要求发电机输出的频率与电网频率一致，因此并网发电方案有两类：恒速恒频发电系统，变速恒频发电系统。1）恒速恒频发电系统恒速恒频发电系统的典型结构包括例：定桨矩风机、普通感应式发电机、用于无功补偿的并联电容器、风机与发电机之间的齿轮箱。结构图见图2.1：图2-1采用普通异步发电机的恒速恒频风力发电系统结构示意图普通异步发电机只能运行在某一固定滑差附近，这一特点决定了通过齿轮箱与之直接相连的风机也只能恒速运行。根据风机桨叶的空气动力学特性，如果转速不变，风机只能在某一特定风速下达到最大效率。在多数风速下，风机只能低效运行。异步发电机的转子速度高于同步转速，当高于同步转速的3-5时达到最大值。如果超过这个转速异步发电机就会进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，将会引起危险的飞车。另外，异步发电机的最大转矩与电网电压的平方成正比，电网电压的下降会使发电机的最大转矩明显下降，加剧了转子飞车；相反电网电压上升过高，可能造成电机过载运行。异步发电机运行中当发电机和并联电容器与电网突然断开时，电容器的过励和异步发电机的转速上升可能引起有害的自励现象。2）变速恒频发电系统变速恒频系统中主要的两类是双馈感应异步发电机和变速同步发电机。与普通异步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，本文主要对恒速恒频进行研究，所以对变速恒频不做过多介绍。2.4 风力发电机的并网运行一般来说，恒速恒频发电机并网控制系统比较简单。根据发电机种类不同，采用不同的并网方法，下面将就普通异步发电机并网方法进行详细的介绍。2.4.1 异步发电机的并网控制异步发电机可直接并入电网，也可以通过晶闸管装置与电网连接。异步发电机的并网条件如下：第一、转子转向应与定子旋转磁场转向一致，即异步发电机的相序和电网相序相同；第二、应尽可能在发电机转速接近同步转速时并网。并网的第一个条件是必须满足的，否则电机并网后将处于电磁制动状态，因此在接线时应调整好相序，第二个条件不是很严格，不过，越接近同步转速并网，冲击电流衰减的时间越短。当风速达到起动条件时风力发电机组起动。异步发电机被带到同步转速时（一般为同步转速的98100）合闸并网。因为发电机并网时本身无电压，所以并网是一个过渡过程，渡过额定电流的56倍的冲击电流，一般零点几秒就可进入稳态。虽然异步发电机并网时的转速对过渡时间有一定的影响，但一般来说问题不大，所以对风力发电机并网合闸时的转速要求不是非常严格，并网比较简单。风力发机组与大电网相连时，合闸瞬间的冲击电流对发电机及大电网的安全运行不会有很大的影响，但对于小容量的电网系统，并联瞬间会引起电网电压的大幅度下跌。从而影响电网上其他电器设备的正常运行，甚至会影响到小电网系统的稳定与安全。为了抑制并网时的冲击电流。可以异步发电机与三相电网之间串接电抗器，使系统电压不致下跌太大，待并网过程结束后，再将其短接。图2-2异步发电机的软并网对于较大型的风力发电机组，目前比较先进的并网方法是采用双向晶闸管控制的软投入法，如图2-2所示。当风力发电机组被带到同步转速附近时，发电机输出端的短路器闭合，使发电机组与经双向晶闸管与电网相接，双向晶闸管触发角由180度到0度逐渐打开，双向晶闸管的导通角由0度到180度通过电流反馈对双向晶闸管导通角进行控制，将并网时的冲击电流限制到额定电流的1.5倍以内，从而得到一个相对平稳的并网过程。瞬间过程结束后，微处理器发出信号，利用一组开关将双向晶闸管短接，从而结束了风力发电机的并网过程，进入正常发电状态。2.5 本章小结本章主要对风力发电场的主要组成部分作了一些介绍。捕获风能的风力机组成，控制方式，特点；恒速恒频发电系统、变速恒频发电系统的组成及各自特点，及并网方式等进行了初步的介绍，为后续的研究做基础分析。第三章 风电场并网系统的数学模型3.1 引言分析风电系统的动态特性需要建立合理的数学模型，并对其进行动态仿真计算。数学模型的建立与研究对象和仿真精度的要求有关。本文以恒速恒频风力发电系统为研究对象，分析并网风电场的运行特性，所以对风速模型及风电场的风力机及异步发电机的暂态仿真模型都需要进行详细的数学分析。用于研究动态电压稳定性的风力发电系统的模型包括以下几个部分：1）风速模型2）风力机的空气动态模型3）连接风力机与发电机之闻的传动系统模型4）发电机模型5）定桨距风机。本章将对由定桨矩+普通异步发电机组成的风力发电系统各组成部分进行相应的数学分析。3.2 MATLAB仿真软件的简介MATLAB是由美国Mathworks公司开发的大型软件。在MATLAB软件中，包括了两大部分：数学计算和工程仿真，其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的软件支持几乎遍布各个工程领域，并在不断完善之中。以往的电力系统数字仿真技术，往往局限于研究人员自己建模与仿真。其数学模型是否真实描述实际情况，将很大程度上影响到仿真是否取得成功。在Matlab涉及电力系统仿真方面以后，凭借其自身的技术优势，联合众多电力系统领域的专家，开发出了电力系统仿真工具箱，为电力系统的仿真提供了一个强有力的平台。在其中的Simulink仿真环境中，用户可以直接搭建系统的结构图，仿真更为快捷。利用Simulink所提供的输入信号对结构图所描述的系统施加激励，利用其提供的输出装置获得系统的响应，即数据和时间响应曲线，成为图形化、模块化方式的控制系统仿真，是控制系统仿真工具的进步。另外，Simulink包括各种结构图模块，且有系统文件（S函数）的设计方法，使仿真手段更加灵活。本章的模型将是基于Matlab/Simulink仿真环境下建立的模型。3.3 风速模型风是大自然的产物，风速自然也是不可测量的，具有随机性和不稳定性。有很多文章把风速分成四个部分来模拟，即：基本风、阵风、渐近风和随机噪声风，现分别介绍如下：3.3.1 基本风由于基本风与白噪声的相似性，常用以下方程来代表基本风速：dVwinddt=1TVwind+m(t) （3-1）Vwind=Vwind+b （3-2）其中Vwind为模拟的风速；m（t）为自噪声；T=9秒为时间常数；b=8（m/s）为基本风。实际仿真可以忽略其他微变量，以固定常数8 m/s取代基本风速。3.3.2 阵风阵风是用于描述风速突然变化的特性，在风电系统的动态仿真中，常用它来考察系统在较大风速下的动态特性，其数学描述如下：VWG=0 tTIG+TG （3-3）Vcos=VWCmax/21-cos2t/TG-TIG/TG （3-4）式3-4中Vcos为阵风风速，VWCmax为阵风风速最大值，式3-3中TG为阵风周期，TIG为阵风起动时间。图3-1 阵风模型3.3.3 渐变风对风速的渐变特性可以为渐变风成份来模拟。Vjb=0 tT1RRmaxt-T1RT2R-T1R T1RtT2RRmax T2RtT2R+TR0 tT2R+TR （3-5）式3-5中Vjb、Rmax、T1R、T2R、TR分别为渐变风速（m/s）,最大值10（m/s），起始时间（s）。终止时间（s）、保持时间（s）。图3-2 渐变风模型3.3.4 随机风风速变化的随机特性可用随机噪声风速成份来表示。Vsj=2i=1NSVi1/2cosi+i （3-6）i=i-12 （3-7）SVi=2KNF2i21+Fi24/3 （3-8）式3-6中i为0-2之间均匀分布的随机变量，式3-7中KN为地表粗糙系数，一般取0.004，F为扰动范围（m2），为相对高度的平均风速（m/s），SVi为风速随机分量分布谱密度（m2/s），通过对功率谱密度函数进行积分即可得到短期的风速数据。随机风的模型通过编写S函数来实现。于是，作用在整个风力机上的风速就是以上四种风速的综合。3.4 风力机的数学模型分析风力机通过叶片捕获风能，将风能转换为作用在轮毅上的机械转矩，风速与转矩之间的关系可用下式表示Mw=12CpR3Vw2NPN10-3 （3-9）式3-9中Mw为风力机叶片转矩（p.u）为空气密度（kg/m3）；Vw为作用于风力机风速（m/s）；R为叶片半径（m）；为叶片机械角速度（rad/s）；N为风力机额定机械角速度（rad/s）；PN为风力机额定功率（KW）；=RVw为叶尖速率比；Cp为风力机风能转换效率系数，当风速发生变化时，风力机运行点要发生改变。为尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，风力机要进行桨距调整。风能转换效率系数是叶尖速率比和桨距角的函数，即Cp=,。对于定桨距型（失速型）风力发电机组，Cp特性可近似表示为Cp=1627+1.32+-8/202B-0.572LD+12B （3-10）式3-10中，B为叶片数；LD为升力比。对于定桨矩风力机，Cp（五）是五的非线性函数，有些文章把它通过一个多系数方来模拟，从参考文献中6中可以得到定桨矩风力机的Cp（）曲线，见图3-3。图3-3 典型风力机的Cp特性曲线对于风力机，考虑叶片和轮毅的非刚性、齿轮箱与联轴器和发电机的柔性连接等特点，采用2阶模型。风能转矩从叶片到传递到轮毅的非刚性，用一阶惯性环节来表示：dMldt=1ThMw-Ml （3-11）式3-11中Ml为轮毅转矩（p.u.），Mw为叶片侧机械转矩（p.u.），Th为惯性时间常数（s）。ddt=1ThMl-Mm （3-12）式3-12中为机械角速度（p.u.），Ml为齿轮箱联轴器输入侧机械转矩（p.u.），Mm为齿轮箱联轴器齿轮箱输出，即发电机侧的机械转矩（p.u.），Th为惯性时间常数（s）。3.5 异步发电机暂态数学模型分析一般来说，在分析风电对电网影响时，通常对异步机进行一些简化，并基于以下几条假设：1）定子和转子绕组沿着气隙按正弦分布。并考虑到与转子之间的相互作用；2）定子槽不引起转子电感的波动，转子槽也不引起定子电感的波动；3）不考虑磁滞现象和饱和现象；4）定子和转子的绕组都是对称分布的；5）所有绕组的电容都可忽略。在风电场及风电系统暂态过程数值仿真中，需要建立异步发电机的暂态数学模型。电力系统稳定研究中，通常考虑异步发电机的机电暂态过程进行系统稳定分析。对于普通异步发电机的动态数学模型，常用的有两种，一种是较详细的模型，包括定子和转子回路的电磁暂态；另一种是简化模型，与详细模型相比较而言，它忽略了定子暂态。有研究结果表明：用忽略定子暂态的模型和