机械毕业设计661风力发电系统控制模型的建立和仿真分.doc
机械毕业设计661风力发电系统控制模型的建立和仿真分
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机械毕业设计661风力发电系统控制模型的建立和仿真分,机械毕业设计论文
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1 引 言 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转换原理的基础上 ,系统分析了定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组、变速风力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稳定功率输出的要求。 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报告的模拟结果图形。 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，在此表示衷心的感谢。 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接触nts2 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。 田 敏 2006 年 6月 nts3 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连就会带动发电机发出电来。 1.1.2 风力发电的特点 （ 1）可再生的洁净能源 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到一年。 （ 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工nts4 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 发电机组与监控、变电等建筑仅占火电厂 1%的土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。 （ 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 1.2.1 风资源概述 （ 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风向。 （ 3）风能的基本情况 1 1 风能的特点 nts5 风能的特点主要有：能量密度低 、 不稳定性 、 分布不均匀 、 可再生 、 须在有风地带 、 无污染 、 分布广泛 、 可分散利用 、 另外不须能源运输 、 可和其它能源相互转换等。 2 风能资源的估算 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流过单位截面积的风能 ， 即风功率为 30.5 V (1-1) 式中 为风能 (w)； 为空气密度 (kg/m )； v 为风速 (m/s)。 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况 ， 一个地方风能潜力的多少要视该地常年平均风能密度的大小。因此需要求出在一段时间内的平均风能密度 ， 这个值可以将风能密度公式对时间积分后平均来求得。在风速 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 30 . 5 ( )V P V d V （ 1-2） 1.2.2 风轮机 的 理论 4 风轮机又称 为 风车 ， 是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。风轮机的类型很多通常将其分为水平轴风轮机垂直轴风轮机和特殊风轮机三大类。但应用最广的还是前两种类型的风轮机。 1.3 风力发电机的结构与组成 1.3.1 风力发电机的分类 5 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 对位置又可分为：水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。 水平轴风力发电机是目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高的地方，从而减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响。它的主要机械部件都在机舱中，如主轴、齿轮箱、发电机、液压系统及调向装置等。而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要原因是垂直轴风力发电机效率低，需启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。 在本文中以后不做 特殊 说明时所指的风力发电机组即为大中型的水平轴风力发电机组。 nts6 1.3.2 水平轴风力发电机的结构 大中型风力 发电机组是由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱机座回转体制动器等）组成的。 (1)机舱 机舱包 含 着风 力发 电机的关键设备 ， 包括齿轮箱、发电机 等 。 (2)风轮 叶片安装在轮毂上称作风轮 ， 它包括叶片、轮毂、主轴等。风轮是风力发电机接受风能的部件。 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。 图 1.2 nts7 （ 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设计在一起。 （ 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： 直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。 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。 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。 （ 7）塔架 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： 1 可变浆距 的 调速装置； 2 定浆距叶尖失速控制 的 调速装置； 3 离心飞球调速装置； 4 空气动力调速装置； 5 扭头、仰头调速装置。 nts8 （ 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 11 风力发电机的微机控制属于离散型控制，是将风向标、风速计、风轮转速、发电机电压、频率、电流、发电机温升、增速器温升、机舱振动、塔架振动、电缆过缠绕、电网电压、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令实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、运行中机组故障的自动停机、自动 电缆解绕、过振动停机、过大风停机等的自动控制。自我故障诊断及微机终端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 nts9 1.4.1 贝茨 (Betz)理论 世界上第一个关于风轮机风轮叶片接受风能的比较完整的理论是 1919年由 A贝茨 (Betz)建立的。贝茨理论的建立依据的假设条件是假定风轮是理想的，能全部接受风能并且没有轮毂，叶片是无限多 ， 对 气流没有任何阻力。而空气流是连续的，不可压缩的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的 (或称 为是平行风轮轴线的 )，满足以上条件的风轮称为“理想风轮”。 如图 1-3 所示，我们分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的力及移动的空气对风轮叶片所做的功。风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则有21S。 如果假设空气是不可压缩的，由连续条件可得 VVSSVVS 2211 (1-3) 由流体力学可知气流的动能为 25.0 mvT (1-4) 设单位时间内气流流过载面积为 s 的气体的体积为 V，则 svV 。 如果以 表示空气密度，该体积的空气质量 svm ，此时气体所具有的动能为 321 svT (1-5) 的单位是 kg/m3； V 的单位是 m3； v 的单位是 m/s； T 的单位是 W。 从风能公式可以看出风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度成正比，其中 和 v 随地理位置、海拔、地形等因素而变。 风作用在叶片上的力由欧拉定理求得 )()( 2121 vvmvvsvF (1-6) 式中 空气当时的密度 风轮所接受的功率为 )( 212 vvsvFvP (1-7) 所以经过风轮叶片的风的动能转化 )(21)(21 22212221 vvmvvsvT (1-8) 式中 sv 空气质量 TP (1-9) nts10 2 21 vvv (1-10) 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 )(21 2221 vvsF (1-11) )(41 212221 vvvvsP (1-12) 风速1V是给定的， P 的大小取决于2V， P 是2V的函数，对 P 微分求最大值得 )32(41 2221212vvvvsdvdP (1-13) 令其等于 0，求解方程得 12 31vv (1-14) 3131m a x 271621278 svsvP (1-15) 16/27=0 593，PC称作贝茨功率系数 PCsvP 31m a x 21 (1-16) 而 3121 sv正是风速为1V的风能 T ，故 pTCP max(1-17) PC=0 593，说明风吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率maxP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PC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PC表示 nts11 SvPCp 3121 (1-18) （ 2）叶尖速比 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 vwRvRn 2(1-19) 低速风轮 取较小值；高速风轮 取较大值。 （ 3）转矩系数TC和推力系数FC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 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。 SRvTSRvTCT 22221 (1-20) SvFSvFCF 22221 (1-21) 1.4.3 异步发电机基本原理 （ 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nts12 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单介绍。 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应用。 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成像鼠笼一样。 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sn与转子转速 n 之间的差为转差 ， 转差n 与同步转速 sn 的比值称为转差率用 S 表示 ss nnnS / (1-22) 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（ snn）则转差率 ST 风速 wGV0 所以 当Gt=T时 cos 0V 当1G G /2 t= (T + T ) 时 cos maxVV 当1G Gt=(T +T )时 cos 0V nts36 图 3-2 阵行风随时间变化曲线图 在分析风电系统对电压波动的影响时，通常用阵性风来考核较大的风速变化时的电压波动的特性。 （ 3）渐变风wRVwRV用于 描述风速的逐渐的变化 ， 在 四 个时间区段内有不同风速 ， 渐变风变化过程 如图 3-3 所示。 1 1R 0tT 风速 wRV0 2 RR TtT 21 风速 wRV rampV rampV表示在该时间区段内风速线性变化表达式 )1(212m a xRRRRr a m pTTTtvv （ 3-3） 所以当1R t=T时 rampV= 0 当2R t=T时 rampV= vmax 3 RRR TTtT 22 风速 wR maxV =V 4 RR TTt 2 风速 wRV =0 图 3-3 渐变风随时间变化曲线图 （ 4）随机噪声风wNvnts37 wNv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 Nt iiiVwNwwwsv12/1 )c o s ()(2 （ 3-4） 式中 w 随机分布的离散间距 ； iw 第 I 个分量的角频率 ， wiwi )2/1(； i 第 I 个分量的初相角为 02Pi 之间分布的随机量 ； )( iv ws 第 I 个分量的振幅 。 31222)/(12)( iiNiv FwwFKwS（ 3-5） 式中 NK 地表摩擦系数 ； F 拢动范围 m2； 相对高度的平均风速（ m/s） 。 （ 5）综合风速表达式 wv 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 wNwRwGww vvvvv B （ 3-6） 3.1.2 风速模型的建立 VwESW i n d S o u r c eG u s tM e a nR a m pN o i s e Vw 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。 (2)四种风分量的参数 1 基本风 Bv 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， Bv 9m/s ，如图 3-6所示。 nts38 25-25Es2 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 2 阵行风WGv输入参数 阵行风WGv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maxV 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。 3 渐变风 WRv 输入参数 渐变风WRv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maxV 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。 4 随机噪声风 vwN 输入参数 nts39 图 3-7 阵行风输入参数 图 3-8 渐变风输入参数 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。 3.2 风轮机模型的建立 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。 图 3-9 随机噪声风输入参数 nts40 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 3.2.2 齿轮箱速比控制模型 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 齿轮箱速比控制模型。 GR 1000GR53.626 图 3-12 齿轮箱速比控制模型 nts41 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（标幺值）的 99%，即为 0.99。 (2)选择开关 StoT 控制模型及参数 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。 nts42 T IM E 1 S to T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 图 3-16 StoT 控制模型及参数 3.3.2 异步发电机参数 图 3-17 异步发电机参数 nts43 3.4 无穷大 系统 模型的建立 图 3-18 无穷大系统模型 3.4.1 补偿电容的参数 图 3-19 补偿电容 的参 数 3.4.2 断路器模型及参数 (1)普通三相断路器 CBABRK图 3-20 普通三相断路器模型及参数 (2)有同步监视的断路器 nts44 图 3-21 有同步监视 的三相断路器模型及参数 (3)断路器分合控制选择器 模型 T IM E 1 B R K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 (4)断路器并网前的参数 图 3-24 断路器 在并入电网前的 参数 (5)断路器并网后的参数 nts45 图 3-25 断路器 在并入电网后的参数 3.4.3 升压变压器 模型 及参数 (1)#1主变压器模型及参数 ABCABC6 .3#2#10 .6 91 0 0 .0 M V A 图 3-26 #1 主变压器 模型及参数 (2)#2 主变压器模型及参数 nts46 图 3-27 #2 主变压器 模型及参数 3.4.4 无穷大系统 模型及参数 1.0ABC图 3-28 电网（三相电压源）模型及参数 nts47 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maxpC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 4.1.1 风速模 拟 仿真分析 （ 1）风速模型输出及参数设置 Vw 图 4-1 风速模型输出及参数设置 (2)综合风速模型的仿真 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 风速叠加而成的 ,此仿真结果是 在没有 外加切入风 速 时的结果 ,如图 4-2所示 。 (3)仿真结果分析 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nts48 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仿真。 图 4-2 综合风速模型 模拟 仿真结果 4.1.2 风轮机模 拟 仿真分析 图 4-3 风轮机机械转矩输出及参数设置 图 4-4 风轮机机械转矩 模拟 仿真结果 nts49 （ 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。 图 4-5 风轮机机械功率输出及参数设置 图 4-6 风轮机机械功率 模拟 仿真结果 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、电磁转矩 和发电机的转速，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 nts50 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是按电动机状态定义的，则有功功率输出为负值。 异步发电机有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。有功功率稳定值为 -0.54MW。在 3s 和 4s分别受到阵 行风和渐变风的影响，有功功率的曲线有很小的下降，然后又达到稳定状态。 图 4-7 异步发电机输出参数 P 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 nts51 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 nts52 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零。 （ 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 0ssn nnS。 图 4-12 异步发电机 转速 模拟仿真结果 异步发电机转速仿真结果 分析 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。 Tmech nts53 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 00.5s 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 ，即emTP. 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。 nts54 Te 图 4-15 异步发电机电磁 转矩 输出及参数设置 异步发电机电磁转矩仿真结果 图 4-16 异步发电机电磁转矩 模拟仿真结果 4.1.4 风力发电机系统并网模拟仿真分析 (1) 发电机 三相电压输出 及仿真结果分析 EbEcEd 图 4-17 异步发电机 发电机 三相电压输出 及参数设置 nts55 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 nts56 异步 发电机三相电压 模拟仿真 结果分析 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。 (2)低压母线和高压母线的线电压 输出 及仿真结果分析 M a in : G r a p h s0 . 0 2 . 0 4 . 0 6 . 0 8 . 0 1 0 . 0 1 2 . 0 1 4 . 0 1 6 . 0 1 8 . 0 2 0 . 0 .- 2 . 0 0 - 1 . 5 0 - 1 . 0 0 - 0 . 5 0 0 . 0 0 0 . 5 0 1 . 0 0 1 . 5 0 2 . 0 0 KVE a b ( 0 . 69 )M a in : G r a p h s0 . 0 2 . 0 4 . 0 6 . 0 8 . 0 1 0 . 0 1 2 . 0 1 4 . 0 1 6 . 0 1 8 . 0 2 0 . 0 .0 20 40 60 80 100 120 140 160 KVE a b ( 121 )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左右。 (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。 nts57 IaIbIc 图 4-21 低压电流 输出 及参数设置 图 4-22 低压母线相电流输出 及仿真结果 nts58 4.1.5 变桨距控制 系统模拟仿真分析 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，桨距角的调节可以使发电机输出功率平稳。 图 4-23 变桨距控制系统模拟仿真结果 变桨距控制系统模仿真结果分析 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 时桨矩角变为零，且保持不变，此时叶片吸收风能达到了最大。 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maxpC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。 4.2.1 发电机转速控制模拟仿真结果分析 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，并网后在额定转速下运行。 nts59 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的转速附近运行。 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nts60 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速进行控制的。在并网前 ,风轮机的转速为给定值 ,由于有风模型的输入 ,使得风轮机输出机械转矩，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pC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。 图 4-26 低于额定风速时 风轮机转矩 模拟仿真结果 4.2.3 变桨距 控制模拟仿真结果分析 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 nts61 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 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。 nts62 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（ PI）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。 4.3.1 发电机转速控制模拟仿真结果分析 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
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