毕业设计（论文）：风力发电机组的并网特性研究

图2-1可知，Cp是一个变量，是随着风力机的转速而变化的，通常表示为风力机叶尖线速度和风速的比值－“尖速比（TSR）”的函数风力机的风能利用系数Cp只有在一个特定的最优尖速比λopt下才达到最大值Cpmax，而由式知，当风速变化时，如果风力发电机组仍然保持某一固定的转速，那么必将偏离其最优值λopt，从而使Cp降低，即降低了风力机的风能利用效率。所以，为了提高风能利用效率，必须使得风速变化时机组的转速也随之变化从而保持最优尖速比和最大风能利用系数，这就是变速风力发电系统诞生和发展的一个主要原因。图2-SEQ图2-\*ARABIC1典型风力机风能利用系数与尖速比特性曲线额定值为50MVA、10.5kV的2对极隐极同步发电机与10.5kV无穷大系统相连。隐极机的电阻R=0.005p.u，电感L=0.9p.u，发电机供给的电磁功率Pe=0.8p.u。图2-2电路仿真模型图2-3简化同步电机SSM图2-4电机测量信号分离器DemuxFourier分析模块FFT基频为50Hz。常数模块Pm为0.805VLLrms为1.04仿真时间为2s。图2-5仿真波形电磁功率Pe由0开始变大，机械功率大于电磁功率。发电机有过剩的功率，转速变大，随着功角变大，发电机的电磁功率Pe也变大，使得过剩功率变小。当t=0.18s是，在阻尼的作用下，，过剩功率成为减速性功率，转子转速开始下降，但转速仍大于1500r/min，因此功角继续增大，直到转速n小于1500r/min后（t=0.5s），功角开始减少，电磁功率Pe也变少。t=1.5s后，在电机的阻尼作用下，n稳定在1500r/min，功率稳定在0.8p.u.，为44°。2.3风力发电机组的类型及基本运行特性2.3.1鼠笼式感应风力发电机组根据异步电机理论，异步发电机并网运行时由定子三相绕组电流产生的旋转磁场的同步转速决定于电网的频率及电机绕组的极对数[16]，即nN式中:nN为同步转速；f为电网频率；当异步电机由原动机驱动，其转速超过同步转速时(n>nN)，异步电机将处于发电运行状态，异步电机的不同运行状态可用滑差率S来区别表示。异步电机的滑差率定义为:s=为了能够让风力发电机组的频率稳定输出，人们发明了恒速风机，与之相关的，鼠笼式感应风力发电机组就得到了非常广泛的应用，其结构如REF_Ref123634760\h图2-所示。其发电机采用笼型转子，通过齿轮箱与风力机转子相连。图2-6鼠笼式感应风力发电机组这种发电机组的优点是转子不需要外加励磁，没有滑环和电刷，因而其结构简单、坚固，基本上无需维护。但它也有几个明显的缺点，首先，鼠笼式感应发电机需要吸收大量的无功，而且有功功率输出越多所需要吸收的无功功率也越多，这是对电网运行很不利的，为此，发电机定子侧往往需要装设无功功率补偿装置，如REF_Ref123634760\h图2-所示的并联电容器，但这仍不能满足动态运行的需要；其次，这种发电机组运行时转速变化较小，但根据前述的风力机工作原理，恒速风机的风能利用效率较低[17]。2.3.2交－直－交变频并网同步风力发电机组随着电力电子技术的发展，风力发电中，电能变换装置起到了非常重要的作用。为了有效提高对风能的利用效率，发电机组必须实现变速运行。为了实现电压、频率的变换，要使用电力电子变流装置，因此，在发电机变速运行过程中，无论其发出的电能具有怎样的电压和频率，都可以用电力电子变流装置进行变换，然后并入电网[18]。REF_Ref123708827\h图2-所示是近年来发展迅速的一种风力发电机组原理图。它使用的是同步发电机，当风力机与发电机相连接时，变速装置就变得可有可无了图2-7交－直－交变频并网同步风力发电机组这种型式的风力发电机组对于风能的利用效率较高，并且实现了变速运行，经过电力电子变流装置并网，使得机电系统解耦，常见的同步电机存在功角稳定性问题，而它不存在此问题，变流装置本身是具有无功功率控制能力的，有效的缓解电压问题[19]。但这种发电机组的变流装置容量应该至少与发电机额定容量相等，使得成本较高且运行损耗较大。2.3.3双馈感应风力发电机组这种发电机组采用了双馈感应发电机，它是一种绕线式转子感应电机，它与笼型感应电机不同的地方是，通过滑环和电刷其转子绕组与一个双向变流器相连接，如REF_Ref123708327\h图2-所示。图2-8双馈感应风力发电机组双馈感应风力发电机组的转子变流器能够改变发电机转子绕组的电压、频率和相位，并且能够在发电机转子与电网之间实现双向能量交换，实际上具有提供励磁电流的功能。因此，这种风力发电机组实现了真正意义上的变速运行，提高对风能的利用效率；最主要的是，它具有控制无功功率的能力，可以吸收或发出无功功率，所以获得了较好的电网连接特性；同时，该转子变流器的容量一般为发电机额定容量的30%，降低了系统的运行损耗和成本[20]。3风力发电对电网的影响及其调整策略小规模的风电电源会引起电能质量、电压的问题，大规模的风电电源会引起电网稳定性等问题。在风力发电机组并网后对电网电压也会产生相当大的影响，其影响程度与风力发电机组接入方式，无功补偿容量，机组有功功率等方面影响。3.1风力发电机并网对电压的影响普通异步发电机不能发出无功，需要从系统吸收无功，因而风电场无功补偿对系统电压影响甚重。在进行无功补偿前，虽然风电场的接入能够提供有功功率，但是由于风电场需要从系统吸收大量无功以建立旋转磁场，因此会导致系统无功损耗增大，从而系统电压降低。而随着风场有功出力的增加，发电机转差进一步增大，需要的无功也增加，进而导致电网电压持续降低，当风电场端电压降到一定限值还会影响风机正常运行。接在电网上的负载，一般来说，其功率因数都是落后的，亦即需要落后的无功功率，而接在电网上的感应发电机也需从电网吸取落后的无功功率，这无疑加重了电网上其他同步发电机提供无功功率的负担，造成不利的影响。所以对配置感应电机的风力发电机，通常要采用电容器等无功补偿装置进行适当的无功补偿。无功补偿装置的存在，补偿了风电场的无功需要，使得风电场出力在一定范围内时线路损耗减小，使得风电场出线电压较风电场接入前有所提高；当风电场出力继续增大，功率开始倒倒送，电压抬高现象更为严重，此时容易引起电压波动、闪变等问题，影响风机的正常运行。所以应根据实际情况合理补偿无功。由于风电场的不稳定性和不可控性，普通异步发电机实际运行中所需要的无功也要随之做相应的调整。双馈发电机定子三相绕组直接与电网相联，转子绕组经交—交循环变流器联入电网。这种系统并网运行时，励磁电流的频率、幅值和相位都是可调的，调节励磁电流的频率，保证发电机在变速运行的情况下发出恒定频率的电力;通过改变励磁电流的幅值和相位，可达到调节输出无功功率的目的，从而调灵活调整电网电压。同发风电场并网及其出力大小对电网电压影响十分明显，随着风电场出力的增加，变电站母线电压先升后降，如图3-1所示。图3-1电场并网对电网电压影响需要指出的是，风电场设备平均利用小时数不超2000h，按同发风电场规划装机400～450MW，其出力多数时间在100MW左右，电网极有可能长期运行在电压最恶劣状态。因此，需要在同发风电场变压器低压侧加装电抗器，可以解决当前电压过高问题。3.2电网电压的调整有些风电场处于电网末端，电压较低，在进行风电场设计时有一项很重要的工作就是变压器电压分接头设计。既要保证风机的出口电压，又要确保线路上其它用户的要求。在设计时要认真调查不同季节、不同时间(白天与晚上的负荷)距离风电场最近的线路末端节点电压的变化值，并根据该电压值来设计电压分接头，风力发电机作为电源，其电压允许的偏差值为额定电压的+10%至-5%，如果电压低于额定值，则输送同样功率时电流值就会增加，从而引起线路损耗的增加。另一方面，低电压还会引起软启动电流值的增加。在风电场接入电网调试期间，应反复测量变电站低压侧电压，合理选择分接开关位置，以确保风机出口电压在规定的范围之内。3.3风电场对保护装置的影响为了减少风电机组的频繁投切对接触器的损害，在有风期间风电机组都保持与电网相连，当风速在起动风速附近变化时，允许风电机组短时电动机运行，因此风电场与电网之间联络线的功率流向有时是双向的。因此，风电场继电保护装置的配置和整定应充分考虑到这种运行方式。异步发电机在发生近距离三相短路故障时不能提供持续的故障电流，在不对称故障时提供的短路电流也非常有限。因此风电场保护的技术困难是如何根据有限的故障电流来检测故障的发生，使保护装置准确而快速的动作。另一方面，尽管风力发电提供的故障电流非常有限，但也有可能会影响现有网络保护装置的正确运行，这在最初的电网保护配置和整定时是没有考虑到的。当线路输送的有功功率变化时，节点电压会随无功损耗的变化而变化；而风电场内部存在无功损耗(集电系统线路、变压器和风场到电网并网点的送出线路)。这意味着如果不对并网点的无功功率进行调节，当风电场的有功功率随着风速的变化而变化时，并网点的电压也会随之变化，变化的幅度由系统强度、无功功率和有功功率决定。对于弱电网或接入风电比例较高时，如果不采取措施，会引起风场和电网的跳闸，影响电网的稳定运行。在风资源丰富的地区，会有许多风场接入同一输电系统。而常见的电网故障会导致风场并网点的电压跌落，从而导致常规的风机跳机。当风电比例较高时或者某地区风电特别集中时，会导致系统在故障(紧急)条件下失去大量有功功率和无功功率，由单一故障发展为多重故障(线路跳闸，电厂跳闸)，给电网的调度和运行带来困难，极大地影响电力系统的稳定性。3.4发电系统电网故障不脱网运行能力随着风力发电在电力系统中所占比例的不断升高，很多国家的并网导则对风力发电的要求也越来越高，要求风电机组具有一定的故障不脱网运行能力和电压支持能力。3.4.1低电压穿越低电压穿越是指在系统电压跌落时风电机组保持与电网并网的能力。电网在运行中的扰动(雷击，设备故障等)时有发生。此时，电源保持与电网的连接对于电网的稳定性是至关重要的。英国电网发生故障时的电压大于50％的地区电压低于80％额定电压，这意味着风电机组如果没有低电压穿越能力，这些地区接入的风电场在系统故障时会与系统解列。电网在运行中的扰动(雷击，设备故障等)时有发生。此时，电源保持与电网的连接对于电网的稳定性是至关重要的。我国当前在运行的风电机组尚不具备低电压穿越能力，在其电压低于最低运行电压时会因保护而切机。在风电比例较高的地区，当电网发生故障时，大量的风电机组会因电压跌落而跳机，引起系统所需的有功功率和无功功率不足，从而导致扰动后系统的稳定性更差，可能使单一故障发展为多重故障，并有导致系统崩溃的风险。因而，在电网故障时保持风电场的并网能力对于维持电网的稳定性具有重要意义。这已经被越来越普遍地认识和接受。许多国家如德国，丹麦、英国、美国、加拿大等，已经实施或正在修定的并网标准都规定了风电场在电网故障时应具备保持并网的能力。3.4.2电网故障运行模式时双馈发电机为双馈感应发电机增加Crowbar电路来实现系统的LVRT是目前最常用的方法，如图3-2所示。图3-2双馈感应发电机该电路中电阻的选取至关重要，既不能太大以防变流器端电压过高，也不能太小致使不能有效限制电流。短路发生时接入Crowbar电路进行限流。如果电压跌落时间较长，超过0.11s，则断开Crowbar并使系统运行在正常工作模式，电机即可在故障期间为电网提供无功。但应注意，如果在切换时不采取特殊的控制则会产生较严重的暂态过程。由于在此过程中电机始终没有与电网解列，因而电机仍能产生电磁转矩以抵消风机产生的机械转矩，故电机转速不会上升过高。故障消除后，风力发电机恢复到正常工作状态，但如不采取特殊控制策略，在电压恢复造成的暂态过程中，各PI环节的给定与实际返回值之间的不匹配会导致积分饱和，这将产生严重的暂态响应。因此，为得到平滑的切换过程，须将各参考值设定为此过程中的实际值，这才能较缓慢地过渡到正常状态。该方法简单有效，且成本较低，便于实现，但实际效果严重依赖于内部运行条件和故障特征，对于非对称故障能起到的作用有限;并且Crowbar在不同运行状态间切换会不可避免地产生暂态响应，尤其是在电压恢复过程中，电网电压从故障状态恢复到正常会使系统产生一个暂态过程，若此时Crowbar退出还将加剧该暂态过渡过程。另外，在电网发生故障时，发电机转速的变化不仅是由风速的变化引起的，同时也是由电磁转矩的减小引起的。也就是说，在电网故障时，有功功率的给定值需要进行不同的设置。在电网故障运行模式下，由一个机械振荡阻尼控制器给出。这个控制器的目的就是减弱电网故障时驱动链的扭曲振荡，它是一个带有限幅的PI控制器，输出信号为，输入信号为发电机实测转速与发电机转速给定值的差值，发电机转速给定值是由风速的优化曲线得到的。该振荡阻尼控制器可以在电网故障时有效地减弱驱动链的扭曲振荡，没有该控制器或者控制器整定不够充分都有可能引起驱动链的自激振荡，有导致发电机反复正反转运行的可能和机械构件的损坏。因此，振荡阻尼控制器的引入可以尽可能减少电网故障时对风电系统产生的电气和机械两方面的影响，与前面提到的Crowbar电路一起可以大大增强双馈发电系统的故障不脱网运行能力。另外，前面提到的桨矩角控制不能阻碍这种扭曲振动，这是由于在桨矩角控制中引入了多个延迟机构。因此，桨矩角控制可减弱振荡频率较低的振荡，而阻尼控制器是抑制频率较高的振荡。在电网故障时，转子侧变换器和网侧变换器的作用会有所改变，这取决于转子过流保护系统是否被触发激活。在不是很严重的电网故障时，转子过流保护系统不必触发，转子侧变换器未被阻断，此时，转子侧变换器和网侧变换器的作用不变。在严重的电网故障时，转子过流保护系统被触发，此时可以引入一个电压支持控制器，来进一步提高双馈风电系统的故障不脱网运行能力，这也是一些国家的风电场并网导则提出的要求。3.4.3电网故障运行模式时同步发电机有论文提出，在直流侧增加卸荷负载可以极大地提高永磁直驱风电系统的低电压穿越能力，使其可以在电网电压跌落较严重的情况下仍能保持并网和正常运行，说明永磁直驱风电系统可以适应新的电网规则对低电压穿越功能的要求。通过网侧变换器能够方便地实现对输出功率因数的调整，永磁直驱风电系统既可以向电网输送无功，也可以从电网吸收无功，从而为电力系统的总体调度作出贡献。在不同功率因数下，当发生跌落故障时，系统仍能保持良好的工作状态。随着风电机组容量的不断增大，当电网发生短时故障时，风电系统应该参与对电网电压的调节，起到稳定电网的作用。永磁直驱风电系统能在电网电压跌落时快速为电网提供无功支持。总之，永磁直驱风电系统具有较强的低电压穿越能力，可以安全运行在不同功率因数下，同时能在电网电压故障期间对系统提供一定的无功支持，随着其单机容量的不断提高和应用的日益广泛，将通过与传统发电方式的功率配合，更多地参与到电力系统的稳定性提高和整体调度中。4风力发电并网运行动态性能研究4.1引言当风力发电并入电网，会和电力系统产生相互影响，我们之前讨论了对稳态性能的影响，接下来我们要研究的是风力发电对电力系统动态性能的影响。并网动态性能包括并网过程动态、风力发电引起的电压波动和闪变、风力发电系统谐波研究、风力发电在电网故障等暂态过程中的特性及其稳定与控制和风力发电对继电保护系统的影响等[20]。本章将着重研究这些内容。4.2风电机组并网动态性能研究众所周知，只有在发电机电压与电网电压的频率、相序、相位和幅值分别相等时，才能把发电机并网，当然风力发电机组的并网也是一样的。满足这些条件是为了降低电网和发电机本身工作是产生的影响，从另一点来说，理想条件下，当发电机与电网之间满足这些条件时它们是没有功率交换的，可实现空载并网[21]。由于这种限制的存在或某些特殊需要，风机不可能总是空载并网，鼠笼式异步风力发电机定子是不能建立电压的，会对电网造成一定程度影响，这些都是并网型风力机的动态过程，使用各种各样的微分方程模型风力发电机组采用时域仿真方法研究了不同类型机组的同步过程的各种条件。2风力发电机各部分数学模型及仿真

4.2.1风力机

风能利用系数（功率系数）Cp是指单位时间内风力机所获得的能量与风能之比。它是评定风力机气动特性优劣的主要参数，其定义式：

Cp=P1式中：

P为风力机的功率，单位是W；ρ为空气密度，单位是kg/m3；S为风轮的扫风面积，单位是m2；V为来流风速，单位是m/s风力机通过叶片捕获风能，将风能转换为作用的发电机转子上的机械能，将吸收的叶片转矩为作用在发电机转子上的机械转矩。风力机吸收功率可以表示为风速的函数，其模型表示为：P=12ρC根据数学模型，进行Simulink仿真。输入为风速V，空气密度ρ和发电机电磁转矩T；叶尖速比λ和风力机受风面积A为常数。输出为风力机输出功率P，输出转矩Te，输出转速ω和发电机输入转速ω。图4-1风力机仿真模型图4-2风力机封装界面设定输入风速为15m/s，空气密度为1.29kg/m3，仿真时间为10秒，得输出曲线如图4-3。横坐标为时间，纵坐标分别为功率、转矩、转速、发电机输入转速。图4-3风力机仿真输出曲线4.2.2鼠笼式发电机组并网动态过程研究鼠笼式发电机定子绕组与电源直接相连，因此定子绕组电势和电流的频率决定了系统频率，而电流的频率与转子的转速也影响着转子绕组电势大小，它取决于空气隙旋转磁场与转子的相对速度。它的等值电路如图4-4所示图4-4鼠笼异步电机等值电路当风速满足并网条件时，风力机会带动鼠笼式感应风力发电机在达到额定转速时准备并网；鼠笼式感应发电机本身是不具备励磁系统，它的励磁都是由定子提供，在并网之前，其定子无法建立电压，并网时可能会产生很大的冲击。4.2.3双馈感应电机组并网动态过程研究由于双馈感应发电机具有转子励磁功能，其定子可以在并网前建立起由转子励磁可以进行快速灵活控制的电压，该电压可以达到幅值、频率和相位的完全一致。图4-5所示是一台1MW双馈感应风力发电机组理想并网过程的仿真曲线。并网时，发电机有功为零，而与电网具有100kVar无功功率交换。由可知，0.5秒时发电机并网，随后发电机定子电流产生响应，并迅速达到稳态值，曲线的仿真采用的步长仅为0.5ms，但我们还是无法从图形上观察到过渡过程的存在，经过多次仿真，这种现象与并网合闸时刻无关。同时，发电机有功功率一直保持接近为零，机端电压曲线平缓且变化幅度很小，这说明并网过程中电网与发电机存在的无功功率交换产生的冲击不是很大。图4-5只存在无功功率交换时发电机并网过程曲线在实际中，由于作为风力发电机组原动机的风力机功率调节过程缓慢，而风速却是市不断变化的，所以在并网过程中，很难保证发电机有功功率为零[22]。图4-5给出了同时具有150kW有功功率和100kVar无功功率交换的并网过程的仿真曲线。从曲线上我们可以看出，发电机定子电流出现了非常明显的由于有功功率交换而产生的过渡过程和冲击过程。图4-5存在有功功率和无功功率交换时发电机并网过程曲线实际上，风力发电厂中有很多的机组，各台机组很可能同时达到并网的风速条件，当多台发电机同时并网时，会对电网造成较大的冲击；而当风速变化时，调整各台机组状况是它们分别并网，则又会花费很长的时间[23]。因此，需要采取一定措施，使得风力发电机组有功功率时刻处在不断变化之中，实现平稳并网。由图4-5曲线可知，在并网过程中因为有功功率的交换所产生的冲击幅度大、时间长，这是因为有功功率的平衡是一个与发电机转子运动规律有关的机电暂态过程，在并网前，当有功功率剩余时，发电机将加速旋转，因此发电机有功功率的状况可以从转子转速的变化来体现。5总结与展望风力发电是一种可再生的清洁能源，风电能够带来显著的环境效益和社会效益。合理有效地利用能源对我国实现高速持续发展的目标有极其重大的意义。风力发电发展迅速、技术成熟、可靠性高、成本低互规模效益显著，是发展最快的新型能源。但大型风电场并网会改变系统原有的潮流及网损的分布，对电网的规划提出了新的要求：可能给配电网带来电能质量问题，如谐波污染、电压波动及闪变：对系统的功角、频率以及电压稳定性产生不利影响；风电具有很强的随机性，需要研究能够考虑风电特点的发电和运行计划方法；重新评估系统的发电可靠性，分析风电的客量可信度；研究新的无功调度及电压控制策略等。采用双馈发电机组是大势所趋，风电场可以像常规机组一样，承担电压及无功控制的任务。风力发电作为电力系统中一个崭新的领域，正吸引越来越多的研究机构和人员从事风电并网技术的研究和咨询工作。参考文献[1]吴捷,杨俊华.绿色能源与生态环境控制[J].控制理论与应用.2004,21(6):864一869[2]何柞麻,王亦楠.风力发电—我国能源和电力可持续发展战略的最现实选择[R].2005科学发展报告.2005[3]叶运骤.并网型变速风力发电机组的控制技术与策略.哈尔滨建筑大学学报.2002.12[4]戴慧珠,陈默子,王伟胜,王晓蓉.中国风电发展现状及有关技术服务[J].中国电力.2005,38(l):80一84[5]吴运东.世界并网型风电技术发展趋势.风力发电.2001,17(1):1-4[6]马洪飞,苗立杰.几种变速恒频风力发电系统控制方案的对比分析.电工技术杂志，2000,(10):1-4[7]梁静.变速恒频双馈风力发电系统控制研究.天津大学，2009.[8]计崔，大型风力发电场并网接入运行问题综述.上海电力.2008年第1期[9]SunT,Chenz，BlaabjergF.Voltagerecoveryofgridconnectedwindturbinesafterashort一circuitfault.The29thAnnualConferenceoftheIEEEIndus一trialElectronicsSociety(IECON2003)，Roanoke，Virginia,USA,2003[10]能源领域组.能源领域.科技发展“十五规划”和2015年远景研究.1999.[11]Seung-Hosong,Shin-ilkang,Nyeon-KunHahm,Implementationandcontrolofgridconnectedac-dc-acpowerconverterforvariablespeedwindenergyconversionsystem.AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition.2003(1):154-158.[12]BoldeaI,TuteleaL,SerbanI.Variablespeedelectricgeneratorsandtheircontrolanemergingtechnology[J].JournalofElectricalEngineering,2002,l(3):20-28[13]MalesaniL,TomasinP.PWMCurrentControlTechniquesofVoltageSourceConverters——aSurvey[A].IndustrialElectronics,Control,1993.ProceedingsoftheIECON′93[C].1993:670～6752.[14]叶杭冶.风力发电机组的控制技术(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2006.1:168[15]TangY,XuL.Aflexibleactiveandreactivepower