恒速风电论文

1、摘 要风能是一种重要的自然能源，太阳能的一种转换形式，因此用之不竭。全球的风能大约为2.74×109MW，其中可被利用的风能大约为2×107MW，比地球上可被开发利用的水能的总量还要大10倍多。风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，它对于解决全球性的能源危机和环境危机有着重要的意义。因此，风力发电成为各国学者研究的重点。目前，国内学者对大型风力发电的研究已日趋成熟。本文主要研究了恒速恒频风力发电系统，对恒速恒频风力发电系统做了简要的介绍，并在恒速恒频风力发电并网方面做了一些研究，主要为恒速恒频风力发电机在不同风速时，对输出有功、无功并网电压的影响，以及当电网故障时，对恒速恒

2、频风力发电机的输出特性。本文也用MATLAb/Simulink软件对上述的各种状况进行了仿真，对分析了其结果关键字：风力发电，恒速恒频，异步电机，电力系统故障ABSTRACTWind energy is the form of a conversion of solar energy is an important natural energy. Sun to the Earth's surface, Earth's surface throughout the heat generated temperature difference, thus the formation

3、of wind caused by atmospheric convection. According to the estimated solar energy reaching the Earth is only about 2% conversion of wind energy, but its total is still very considerable. The global wind energy is about 2.74×109MW, which can make use of wind energy for the 2×107MW, the tota

4、l amount of development and utilization of water energy than on Earth 10 times. Wind energy as a non-polluting, renewable green energy, it is of great significance in solving the global energy and environmental crises. Therefore, wind power has become the focus of the study of scholars from various

5、countries. At present, domestic scholars on the study of large-scale wind power has become increasingly mature, but for the development of laboratory wind turbine is still lacking.This paper mainly studies the constant speed constant frequency wind power generation system, the constant speed constan

6、t frequency wind power system are briefly introduced, and did some research on the constant speed constant frequency wind power will past, mainly for the constant speed constant frequency wind power generator in different wind speed, impact on the output active power, no power and the network voltag

7、e, and when the power grid fault, the output characteristic of constant speed constant frequency wind power generator. This paper also on various conditions above is simulated with MATLAb/Simulink software, the analysis of its results.Keywords: wind power generation, the constant speed constant freq

8、uency, asynchronous motor, MATLAB/Simulink, power system fault目录引言1第一章恒速发电机的运行原理21.1恒速发电机的基本机构21.2风力机21.2.1简介21.2.2风轮机的数学模型21.3风力机的功率调节31.4传动装置31.4.1传动装置简介31.4.2传动装置的模型31.5风力发电机31.5.1异步电机的数学模型31.6无功补偿的数学模型51.7 电网5第二章 恒速恒频风力发电系统并网运行仿真62.1风速仿真62.1.1风速模型62.1.2基本风62.1.3阵风62.1.4渐变风62.2风力机的仿真72.3鼠笼型异步电机仿真

9、72.4无功补偿设备和无穷大系统的仿真8第三章并网的仿真结果分析93.1各种风速下的运行情况93.2风电场出口短路故障运行情况113.3总结13第四章结论和展望144.1结论144.2展望14致谢15参考文献1617引言能源是人类生存和发展的重要物质基础，随着人类社会的发展、进步，对能源的需求在持续增长，同时，能源结构也在不断变化。每一次不同能源时代的变迁，都促进了生产力的进步，极大的促进了经济、社会乃至历史的发展。但是随着人类使用的能源，特别是化石能源数量的增大，能源对人类经济与社会的制约和对资源环境的影响也越来越显著。 因此风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大

10、，整个地球的蕴含的风能大约为2.74×109MW，其中可被人类利用的风能大为2×107MW，比地球上可开发利用的水资源的总能量还要大10倍多。我国风力能储存量很大、分布面也很广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。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

11、制技术进行了一定的研究。本篇论文主要介绍了基于普通感应发电机的定速风电机组组成及工作原理，通过Matlab/Simulink仿真软件，建立定速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，风速波动时风电机组输出特性进行仿真分析和电网故障时风电机组输出特性进行仿真分析。第一章恒速发电机的运行原理1.1恒速发电机的基本机构恒速恒频风力发电系统结构图如图1.1所示。风作用在风轮机的叶片上，风轮机利用叶片将风能转化为机轴上的机械能，传动装置将机轴上的较低的旋转速度的运动转变为转速较高的转速，并与发电机转子相连接，最后由发电机将机械能转化为电能，并通过定子输送到电力系统中。图1.1恒速恒频风力发电

12、系统结构图1.2风力机1.2.1简介风轮机把风的动能通过风转轮转换成机械能，这种二次能量可采用不同的方式加以利用，如磨坊、提水。发电或其他可能的能量转换方式。风轮机应尽可能设计得最佳，尽可能多的转换能量，达到良好的经济效益。目前，风力机主要有水平轴和垂直轴两种类型，垂直轴风力机转轴垂直放置，其型叶片绕轴旋转，能从任意方向获取风能，因而可不依赖于风向做发电运行。缺点是无自动启动能力，功率和效率比水平轴风力机低，较为少见。水平轴结构是当前最常见、最成熟的布置方案，适用功率从50W到几兆瓦不等。由于转速越高风电体积越小，因此风力机常采用两或三片叶片的高速风轮形式，其中三叶片风轮在机械和空气动力学上更

13、具优势。水平轴式风电机组机舱中主要布置有桨叶、变桨距结构、增速齿轮箱、发电机、电力电子功率变换器、控制柜、变压器、输电线以及偏航系统、防缠绕系统、制动系统等重要功能部件。1.2.2风轮机的数学模型从空气动力学方面的只是可以得到风力机的功率模型：Te=12CPR32 （1）式里：Te是风力机的机械转矩；为作用于叶片的风速；R是叶片半径；是空气密度；是叶尖速比，=R/（其中：为风力机转速，rad/s；R为叶片半径，m）CP为风机利用风能的系数。1.3风力机的功率调节风力机的功率调节是风力发电系统的关键控制技术之一，目前运行中的风力机主要有定桨距失速控制和变桨距控制两种调节方式。恒速恒频风电系统中的

14、风力机组多采用定桨距失速控制，大容量机组采用主动失速控制。当然也采用变桨距控制，但这种控制方式下齿轮箱易磨损、输出功率不稳定，很少采用。1.4传动装置1.4.1传动装置简介风力发电机组中的传动装置是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。其作用通常是将风轮机较低转速提升到满足发电机发电所需要的转速。1.4.2传动装置的模型风力机的传动装置主要包括：轮毂、传动箱和齿轮箱。用来连接叶片和齿轮箱是轮毂，其惯性比较大，常用一阶惯性环节来模拟其两边的转矩特性：ddt=1T(TT-Tm) （2）式中：是风力机的机械角速度，TT是齿轮箱的输入机械转矩，

15、Tm是输出齿轮箱的转矩，也是异步电机的输入机械转矩，T为齿轮箱的惯性时间常数。通常可以认为风轮机的转速基本不变，因此可以认为TT和Tm近似相等。1.5风力发电机通常根据发电机的控制技术和运行特性，可以分为恒速恒频（CSCF）和变速恒频（VSCF）两大发电技术，本文主要研究的是恒速恒频风力发电技术。恒速恒频风电系统中主要使用三相异步发电机。1.5.1异步电机的数学模型根据电机学原理，异步电机的数学模型是一个复杂的多变量系统，在对异步电机建立数学模型时，如下假设是合理的：三相绕组在空间对称互差120°忽略各次谐波，磁势在空间按正弦分布；忽略铁心的铁耗；忽略磁路饱和的情况，即认为各绕组间的

16、互感和自感都是线性的；不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。(1)异步电机在两相静止坐标系上的数学模型因为异步机是一个高阶、强耦合的系统，为了实现转矩和磁链之间的解耦控制，以提高调速系统的动静态性能，必须对异步电动机的数学模型进行坐标变换。坐标变换常遵循原则为：确定电流变换矩时，应遵守变换前后所产生的旋转磁场等效的原则；为了矩阵运算的简单、方便，要求电流变换矩阵应为正交矩阵；确定电压变换矩阵和阻抗变换矩阵时，应遵守变换前后电机功率不变的原则，即变换前后功率不变。电压方程： （3）磁链方程： （4）将式（8）带入式（9）中得（5）由(10)解出以电流为状态变量的方程，如下（6）对于鼠笼异步电机，

17、由于转子绕组短路，故ur=ur=0 （7）将式（12）带入式（11）得（8）式中：k=Ls×Lr-Lm2转矩方程：Te=npLmisis0-110irir=npLm(isir-isir) （9）转速方程：Jnpdrdt=Te-TL式中：Lm=32Llm为、静止坐标系上定子与转子绕组间的互感，Ls=Ls+32Llm为、静止坐标系上定子绕组间的自感，Lr=Ls+32Llm为静止坐标系上两相转子绕组的自感，R1、R2为定、转子电阻，TL是负载组转矩，J是机组转动惯量，np是极对数，r是电机转子的旋转角速度。1.6无功补偿的数学模型由于恒速恒频风力机采用的是鼠笼式异步电机，其发电过程中本身也

18、需要消耗大量的无功，因此需要在发电机与电网连接处并联一个无功补偿设备，一般为固定的电容器，其容量可根据风力发电机需要消耗的无功的大小来设定其容量。模型为：Q=Q-Qcomp式中：Q是异步电机自身需要吸收的无功功率；Q是异步发电机从系统实际吸收的无功功率；Qcomp是电容器组补偿的无功功率。 1.7 电网 对于恒速恒频风力发电机组，容量一般较小，所以发电机的转子行为以及功率震荡是模拟的重点，对于定子则忽略其暂态过程，所以电网侧的模型采取单机无穷大电网模型。本文通过单机容量1.5MW，出口电压690V的风力发电机，经机端变压器升压至35KV，通过长度为100km、电抗为x=0.41/km的架空输电

19、线路传输，再经变压器升压至220KV，之后与无穷大系统相连第二章 恒速恒频风力发电系统并网运行仿真2.1风速仿真风速是风力发电机机的原始动力，它的模型相对比较独立，可以认为与风力机没有关系。由于风速具有随机性和间歇性的特点，在电力系统稳定状态的情况下，为了能够较精确地模拟风速这些特点。在本次毕业设计中，采用国内外经常使用的风力四分量模型：基本风、阵风、渐变风和随机风。其它的任何情况下的风速都可以由这四个风速分量的线性叠加而得到。2.1.1风速模型在进行风力实验模拟时，风速模拟的逼真性直接影响整个发电系统的性能研究与测试，因此较准确的模拟实际风况是风力发电系统模拟中的首要问题。国内外科技人员已用

20、统计模型对风速分布进行了拟合研究，但每种模型都与实际风况有一定的差距2.1.2基本风基本风描述的是风电场平均风速的变化情况。它存在于风轮及运行的整个过程，对风力大电机向系统输送额定功率起着决定行作用。对于基本风模型，模拟时不需要考虑实际风速的分布情况，一般认为基本风是作用在风轮机上的平均风速，所以基本风速可以是一个具体的常数值：V=k（k为一常数） （1）2.1.3阵风阵风反映风速的突变性。Vg数学模型： 0，t<T1Vgmax21-cos2(t-T1Tg)0，tT1+T，T1tT1+Tg （2）式中：Vg为阵风的风速，m/s；Tg为阵风的启动时间，s；Vgmax为阵风的最大值，m/s；

21、t为时间，s。2.1.4渐变风渐变风反映风速的渐变行。 Ve的数学模型：0，t<T1或T>T2+TVemaxt-T1T2-T1，T1tT2Vemax，T2<tT2+T （3）式中：Ve为渐变风的风速，m/s;Vemax为渐变风的最大值，m/s；T2为渐变风结束的时间，s；T为渐变风的保持时间，s。随机风反映的是风速变化的随机性。Vn的数学模型：Vn=VnmaxRam-1,1cosv+V （4）式中：Vn为随机风的风速；Vnmax为随机风的最大值，m/s；Ram(-1,1)为-1和1之间均分布的随机数；r为风速波动的平均距离，rad/s，一般v值取0.5到2；为0到2间均匀分布

22、的随机量。综合上述4分量风速成份，实际作用在风轮机上的组合风速可以用下式来表示：Vu=V+Vg+Ve+Vn （5）式中：Vu为作用在风轮机上的组合风速2.2风力机的仿真图2-2.1根据2.1节所描述的风力机运行特性，风力机模型如图2-2.1所示，Pitch angle（deg）为桨距角输入端口单位为度，本文采用变桨距角控制；Wind speed（m/s）为风速输入端口，单位为米/秒；Generator speed（pu）为电机转速的输入，为标幺值。Tm（pu）为风力机的输出机械转矩，也为标幺值。参数设置：风力机的输出功率：1.5MW；风速基值：9m/s。其他值不变2.3鼠笼型异步电机仿真图2-

23、3.2异步发电机由上文描述的鼠笼式风力机的数学模型可以得到MATLAB/Simulink中的异步电机的仿真模型，如图2-3.2。Tm为转子转矩的输入；A、B、C为三相电压得输出；m为异步电机的工作时变量的输出端口，由此端口可以得到异步电机运行时的各种参量。参数设置：额定功率：1.5MW；功率因数：0.9；额定电压：690V；额定频率：50Hz2.4无功补偿设备和无穷大系统的仿真图2-4.3本文是通过单机容量1.5MW，出口电压690V的风力发电机，经机端变压器升压至35KV，通过长度为100km、电抗为x=0.41/km的架空输电线路传输，再经变压器升压至220KV，之后与无穷大系统相连。如图

24、2-4.3其中，无功补偿设备采用固定电容器，其无功功率为200kVar；690V到35KV升压变压器的额定容量为2000KVA，其它参数不变；100km输电电路用简化的等效模型，即阻抗为41的三相电抗来模拟；35KV到220KV的升压变压器的额定容量设为47000KVA，其它参数不变。无穷大系统使用两个额定电压为220KV的电源和额定电压为220KV的负载来等效。2-4.4风力发电系统仿真图第三章并网的仿真结果分析3.1各种风速下的运行情况（1）渐变风在0秒是设定风速为 8m/s，在 t2s 时刻，渐变风开始出现。其上升时间为3s，达到峰值11m/s时，风速保持时间为2s，渐变风风上升速度为

25、1m/s。在渐变风扰动下的运行情况。风速波形如图 3.1.1 所示。在渐变风风速下，风力发电机输出的有功功率的变化曲线如图3.1.2。从仿真结果的有功功率变化曲线可以看出，风力发电机的有功功率的输出随着风的速度的增加而增加，风的速度减少而减小。风力电机随着风的速度变化输出的无功功率的变化曲线如图 3.1.3。由于恒速风力发电机组采用的是异步发电机是一个无功负荷，因此无功需要从系统吸收，而且无功功率随着风速的增加而增加。因此在考虑到风电系统的安全稳定运行，就需要在风电场出口处装设一定容量的容性无功补偿装置。一般来说，容性无功补偿装置安装的容量不低于风电装机容量的50%，风电场机端电压的变化情况如

26、图3.1.4。 图3.1.1风速变化曲线 图3.1.2有功功率变化曲线 图3.1.3无功功率变化曲线 图3.1.4出口电压变化曲线（2）阵风最初时刻假设风的速度为 9m/s，在 t4.5s 时，阵风扰动出现。阵风的持续时间为1s，最大风速为为21 m/s。图 3.1.5阵风的风速波形图 图3.1.6是有功功率的变化曲线，图3.1.7为无功功率变化曲线图，图3.1.8为出口电压的变化曲线图。从风电场有功仿真曲线可以看出，当阵风发生时，风电机组由于风速的突然增大引起出力增大，风电场端口电压降低。与之相反随着风力电机出力的减小，风力发电机所吸收的无功功率也减小，同时导致风力发电机出口电压增加，这符合

27、风电场的运行特性。 图3.1.5阵风变化曲线 图3.1.6有功功率变化曲线 图3.1.7无功功率变化曲线 图3.1.8端口电压变化曲线（3）组合风假设基本风风速为 9m/s；渐变风、阵风的条件分别与（1）（2）相同，随机风平均值为0，仿真运行到10s。图 3.1.93.1.12 是风电系统在各种风速共同扰动下的运行情况。由仿真曲线可以看出，在风速变化情况下，风电场输出功率的波动会导致电网各节点电压的变化。 图3.1.9组合风风速变化曲线 图3.1.10有功功率变化曲线 3.1.11无功功率变化曲线 图3.1.12端口电压变化曲线3.2风电场出口短路故障运行情况在MATLAB仿真运行的过程中，风

28、速基本维持9m/s不变，当仿真运行到2s时，风电场与电网连接处附近发生三相短路故障，经过4s左右时间，开关动作，故障被切除。图 3.2.1为有功功率变换曲线图，图3.2.2为无功功率变换曲线图，图3.2.3为端口电压变换曲线图。从运行结果可以看出，故障切除回复正常运行后，风电场的有功功率和电压的恢复较快，在低电压期间，风电场吸收的无功功率大幅度增加。图3.2.1有功功率变化曲线图3.2.2无功功率变化曲线图3.2.3出口电压变化曲线（2）三相断线故障在MATLAB运行到 3s 时，风电场与电网之间连接的馈电线路中的发生三相的断线故障。图3.2.4为有功功率变换曲线，3.2.5为无功功率变换曲线

29、,3.2.6为端口电压的变化曲线图。从MATLAB的仿真结果可以看出来，该风力发电机组在联络线发生断线故障后，有功功率的输出迅速减为0。 图3.2.4有功功率变化曲线 图3.2.5无功功率变化曲线图3.2.6出口电压变化曲线3.3总结本章在上一章的基础上，使用MATLAB/Simulink仿真软件实现了恒速恒频风力发电机组以及与并网的仿真模型，分别从不同风速和电网故障两类情况出发，对含恒速恒频风力发电的简单的电力系统进行了仿真分析。通过仿真分析得到了所建立的风电力发电系统仿真模型的可行性和正确性。第四章结论和展望4.1结论 通过三个月的毕业设计工作，我深深的了解到了风力发电机的工作原理，以及风力发电将在以后的能源产业方面占据主导地位。知道了定速风力发电机研制的意义。4.2展望 要尽快让风电机组制造本地化,采取一定的方法,以引进、消化、吸收和自主开发为原则,逐步掌握大型风电机组的核心技术，并开拓国际市场。建立国家级的风电制造业相关产品的检测中心和认证制度,从而不断提高风电产品质量,降低成本,完善售后服务。加强智能电网的规划、建设和发展，是风电稳定可靠并入电网，加强科研院校在风电对电网影响的研究，并