【风力发电机及输出功率的数学模型与应用探析5200字（论文）】

风力发电机及输出功率的数学模型与应用分析目录TOC\o"1-3"\h\u279321引言 1207602电力系统稳定性概述 146343风力发电机及输出功率的数学模型 3132803.1风力发电机分类 3238373.1.1恒速恒频风力发电机 3161003.1.2变速恒频风力发电机 396053.2风机输出功率的数学模型 583083.2.1风速概率分布 5274273.2.2计及风速波动性的风速分层建模 5165943.2.3功率转换模型 697314实例应用 7280044.1系统结构及模块功能 7300364.2实例应用 8149695结束语 911934参考文献 101引言能源是经济发展的物质基础，在国民经济和社会发展中有着非常重要的作用。社会的进步和全球经济的发展，给人类的生活带来了巨大的便利，但由此带来的生态环境问题也反过来威胁人类的生存发展。人类对能源需求量日益增长的今天，煤、石油、天然气等不可再生的传统化石燃料，不仅日趋减少，而且污染生态环境。随着人们的环保意识和环境危机感的不断加强，能源短缺、气候恶化以及环境污染等问题已成为全世界关注的焦点，而全世界发展的脚步却不可能停止，这就迫使人们不得不开发寻求可持续利用的清洁能源。在各类新能源中，风能由于具有分布广泛、可再生、无污染等优点受到了广泛关注。近年来，风力发电技术日益成熟。并网性能不断改善，风电转化效率也在不断提高；风电机组单机容量的增大，降低了风电场的运行维护费用，从而降低了风力发电的整体成本。因此，风能的开发利用，不仅可以减少传统化石燃料带来的环境污染，而且可以减轻不可再生能源短缺的压力。我国幅员辽阔，风能资源丰富，充分合理的利用风能是将可持续发展战略落实到国家能源建设中的重要手段。我国重视并扶持风电的建设，随着大量风电项目的设立，以及相关能源法律的实施，促使我国风电事业迅猛发展。电力系统是一个复杂的非线性系统，其承载着电能的生产、传输和使用的整个过程又是动态变化的。如今，不管是人们日常工作生活还是国民经济的各个部门的运转都离不开电能，一旦电网发生故障造成供电中断，就会影响人们的正常生产生活，带来严重的经济损失，因此，保证电力系统安全稳定运行的意义重大。虽然风能与传统的化石能源相比有着显著的环保优势，但其随机波动性，使得风力发电机组输出功率是不确定的，加之风电机组抵御故障的能力也不同于常规发电机组，因此，风电场并入电网后，给电网的安全稳定运行带来了新的挑战，也增加了调度人员决策的难度。因此，稳定性分析对于含风电场的电力系统的合理规划和稳定运行具有重要意义。2电力系统稳定性概述电力系统庞大且复杂，引起不稳定的因素以及失稳的表现形式各异，整体详细的稳定性分析复杂、耗时且无从下手。将电力系统稳定性进行分类，针对不同稳定问题的不同侧重点，适当的简化分析模型后选用合适的计算分析方法，可以在保证准确性的同时提高分析的计算速度，更具针对性，有利于快速有效地找到引起失稳的主要原因，从而安排有效的预防控制策略和合理的运行方式。我国《电力系统安全稳定导则》(DL755-2001)给出了分类，如图2-1所示。图2-1电力系统稳定性的分类(1)功角稳定功角稳定性是指系统受到扰动后，各同步发电机是否具有保持同步运行的能力。图2-1中功角稳定又可根据扰动大小和主要诱因的不同分为以下四种：①静态稳定：小扰动后系统不发生非周期性失稳。用来分析系统某种运行方式下的静态稳定储备情况。②小干扰动态稳定：系统受到小扰动后不发生周期性振荡失稳。主要用于分析某种运行工况下系统的阻尼特性。③暂态稳定：系统受到大扰动后不发生非周期性(第一、二摇摆)失稳。④大干扰动态稳定：系统受到大扰动后不发生周期性振荡失稳。暂态和大干扰动态稳定分析都需要考虑元件的动态特性。电压稳定电压稳定是指电力系统受到扰动后各母线电压可以保持或者恢复到稳定范围内，不发生电压崩溃。根据扰动大小不同可分为以下两种：①静态电压稳定：受到小扰动后，系统能够将电压保持在稳定范围内。主要用于研究系统在某种运行状况下的稳定裕度情况。②大干扰电压稳定：系统受到大扰动后，不发生电压崩溃。其分析过程中也需要考虑元件的动态特性。频率稳定频率稳定是指电力系统受到大扰动后，造成发电机和负荷之间出现大的有功不平衡，系统频率能够保持或者恢复到稳定范围内。电力系统稳定性的定义和分类是进行稳定问题研究的工作基础，理解各种稳定性问题以及它们彼此之间的关系，对电力系统稳定问题的分析，以及电网的安全规划和系统的稳定运行都具有重要意义。3风力发电机及输出功率的数学模型3.1风力发电机分类目前，按照运行方式可将风机分为恒速恒频风力发电机和变速恒频风力发电机两类。3.1.1恒速恒频风力发电机恒速恒频风力发电机结构简单，且成本较低，主要由恒速风力机、普通异步发电机、齿轮箱、并联在机端的无功补偿装置和控制系统组成，其结构如图3-1所示。图3-1恒速恒频风力发电机结构图风力机的转速较低，需要通过齿轮箱的增速齿轮来提高转速，才能达到适合异步机工作的转速。由于普通异步发电机没有独立励磁系统，需要从电网获取励磁电流，使得风机发出有功功率的同时要吸收一定的无功功率，因此并入电网的恒速恒频风力发电机需要安装无功补偿设备来减轻电网的无功负担。恒速恒频风力发电机一般采用定桨距失速或主动失速调节来控制输出功率，由于其功率控制系统简单，无法抑制风速波动引起的风机力矩的变化，使得风机输出功率波动较大，易引起电压波动，不利于电网的稳定运行。3.1.2变速恒频风力发电机随着电力电子技术发展成熟，变速恒频风力发电机也逐渐被广泛使用，其主要包括双馈感应发电机和直驱永磁同步发电机。双馈感应风力发电机双馈感应风力发电机由双馈感应发电机、变流器、风力机、齿轮箱和桨距角控制系统等构成，如图3-2所示。图3-2双馈感应发电机结构图风力机采用变桨距调节，可以优化风力发电机的输出功率，提高风能的利用率。由图3-2可以看到，发电机的定子与电网直接相连；转子通过变频器与电网相连，可以达到控制功率流向的目的。变流器的使用不仅可以为发电机提供了交流励磁电流，还可以调节励磁系统的频率，拓宽了风机转速的可调范围，使定子输出电压和频率保持不变，从而提高了其并网的稳定性；同时实现有功和无功的解耦控制，减轻电网的无功负担。且变频器容量小，可以节省投资，经济性较好。因此，双馈异步发电机被广泛应用，已成为国内的主流机型。直驱永磁同步发电机组直驱永磁同步风力发电机由变速风力机、永磁同步发电机、变流器及桨距角控制系统组成，如图3-3所示。图3-3直驱永磁同步发电机结构图直驱式风力发电机中不含齿轮箱，利用风力机来直接驱动发电机运转工作，从而减少了因齿轮箱损坏而带来的维护成本，同时，机械传动部分的简化也从整体上提高了风机的可靠性。低速永磁同步发电机是利用永磁体进行励磁的，省掉了滑环、电刷等装置，使结构和控制都更加简单。与电励磁的风力发电机相比，其直径小、质量轻，更便于运输。直驱永磁同步发电机利用变桨距系统对风力发电机的输出功率进行控制，使得风能的利用率较高。其全功率变流器对有功、无功进行解耦控制，使得风电场的功率因数可调；同时，其直流到交流，再由交流到直流的变流过程也有效地降低了风电场与电网之间的相互干扰，提高了风机的抗干扰能力和系统的电能质量。全功率变频器较高的造价阻碍了该类风力发电机的大规模应用，但随着科技的发展，其成本也在不断下降，因此具有很大的发展空间。3.2风机输出功率的数学模型3.2.1风速概率分布由于风的随机性很大，而风机的输出功率又取决于风速的大小，因此了解某地区的风况，对含风电场的电力系统的稳定运行和合理规划都有着重要的意义。风电场的风速概率分布从统计的角度反映了某地区在某段时间内不同大小的风速出现的概率。过去常常用平均风速来衡量一个地区的风速分布状况，这种做法虽然简便，但是有很大的局限性，因为长期的统计资料显示风速的分布是一个偏正态的概率分布，所以要描述这一分布至少需要平均值、离差系数和偏差系数三个参数，仅靠平均风速很难准确描述出风速的分布。较多的文献对风速分布的统计模型做了研究，在各种模型中，经国内外广泛研究表明，两参数的Weibull分布模型形式简单，拟合结果最接近实际风速，其可以调整参数拟合不同时间长度的风速，适应范围广。因此，本文采用两参数的Weibull分布模型。两参数的Weibull分布的概率密度函数和分布函数分别为式中c、k——尺度参数和形状参数；v——给定风速(m/s)。3.2.2计及风速波动性的风速分层建模根据风电场所在地的风速采样数据可以估算出不同时间段内的c，k，代入上式就可以拟合出该段时间内的风速概率密度曲线。根据后续研究需要，将所研究时间长度内出现的风速分成若干层，根据风电场所在地的风速采样数据计算出的c、k值和上式可以求出每个风速区间的概率值，取每个风速区间的中值作为该层的风速值，这样就可以把风速概率密度曲线分成若干矩形，如图3-4所示。分层越多，风速所对应的概率越准确，研究的结果也就越准确，但是相应的计算量就会增大。图3-4风速概率密度分层图3.2.3功率转换模型风电机组输出的有功功率取决于不可控的风速，但并不是所有的风速都能使风机正常工作，当风速小于风机的启动风速，风机无法工作，输出功率为零；当风速大于风机安全运行的风速时，风机也会停止运行。风机的有功输出与风速之间的关系如图3-5所示。图3-5风电机组有功输出与风速的关系图可用分段函数表示为式中civ、cov、vr——风力发电机组的切入风速、切出风速、额定风速(m/s)；Pr——风电机组额定输出功率(MW)；A、B、C——风机功率曲线的特性参数(由每台风机的出力特性决定)。4实例应用4.1系统结构及模块功能整个短路电流限制措施优化配置系统由主控模块及多个功能模块构成，系统框图见图4-1。系统分为数据接口、权重计算、隶属度矩阵计算和优先度计算4大模块。图4-1短路电流限制措施优化配置系统框图系统数据来源分为人工录入部分和PSASP计算后生成部分。人工录入部分包括间接投资和直接投资，由设备厂商和工程施工单位提供。PSASP计算生成部分是指对应方案下短路电流计算、暂态稳定计算和潮流计算结果。上述2部分数据格式均为excel5.0。权重集是由因素集U或因素子集Ui中各个因素相对重要性的权重组成的集合。确定因素集和各因素子集相对应的权重集是模糊综合评价最为关键的一环。在实际应用中，常用的确定权重集的方法有专家评议法、专家调查法和判断矩阵分析法。本系统采用判断矩阵分析法，它是通过经验丰富的专家对因素集各因素之间的相对重要性作两两比较后构造判断矩阵，判断矩阵的最大特征值对应的特征向量经归一化后即为该因素集对应的权重集W，然后进行一致性检验，若不满足则需要重新调整判断矩阵的元素。4.2实例应用以某区域输电网2015年冬大方式全接线网架为例，应用上述综合决策系统，对该区域电网进行限流运行方式综合决策。该区域电网220kV系统发展成熟，负荷水平较高，直接接入220kV电网的电源点较多，500kV/220kV电磁环网的形成使该地区综合阻抗更小，促使该地区电网短路电流飙升；新建大电源的接入使分区电网短路电流超标问题更加突出。该区域电网短路电流超标情况如表4-1所示。短路故障点站名；短路电流/kA；开关额定电流/kA；超标百分比/%表4-1某区域电网短路电流超标站点一览Ⅰ站220kV侧72.4850145Ⅱ站220kV侧68.3250136Ⅲ站220kV侧67.4350134Ⅳ站220kV侧62.1150124Ⅴ站220kV侧60.7450121Ⅵ站220kV侧58.7950117Ⅶ站220kV侧57.3450114.7Ⅷ站220kV侧57.2950114.6针对上述情况，制定了3套限流方案。由于该区域220kV站点短路电流普遍超标，而500kV主网业已坚强，为分区解环运行提供了必要条件。方案1采用500kV/22kV解环分区运行，能有效减小低电压等级220kV站点短路电流；同时配以母线分裂运行措施。方案2采用出线串抗、更换高阻抗变压器和更换大截面导线。方案3采用更换断路器和加装限流电抗器措施。利用电力系统分析软件包(PSASP)对每个方案进行短路电流计算、暂态稳定计算和潮流计算，将其结果导出为excel5.0文件。对PSASP计算结果和投资数据综合直观分析得，3个方案均能满足限流和电网安全运行要求。但在运行经济方面，显然方案1最优，其次是方案2。启动本系统，在权重计算模块输入各指标之间的关系；在分数矩阵计算模块导入PSASP计算结果和投资数据，并进行相关计算。然后进入优先度计算系统，进行优先度计算。计算结果如表4-2所示。表4-2优先度计算结果方案号123优先度7.335.824.64表4-2表明，方案1为最优方案，这与前面直观分析结果一致。若忽略直接投资和间接投资2个指标，通过计算发现，方案3的优先度最大。这显然与实际相悖，因此在控制层加入运行经济性准则能更全面、系统的评价限流方案。5结束语本文提出的用于确定最佳限流运行方案的多层次模糊综合评价模型具有以下优势：应用判断矩阵分析法计算权重向量，使得权重的确定更具客观性。计算中增加了运行经济性指标，使得运行人员在考虑系统安全运行的同时还要顾及到运行经济性。参考文献[1]李全林.新能源与可再生能源[M].南京:东南大学出版社,2012:16-58.[2]王志新.现代风力发电技术及工程应用[M].北京: