风电并网的电压波动研究

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风电并网的电压波动研究摘要自然界中的风能是不确定的，当大规模的风电功率注入电网时会引起电网的电压波动。本文首先分析了风电并网引起电网电压波动的本质原因是风电场输出功率的波动。以双馈型风力发电机组为研究对象，在Matlab/Simulink中搭建了双馈风电机组并网仿真模型。仿真分析了风电机组分别在恒电压和恒功率控制方式下切入后的运行特性及其对电网电压的影响，结果表明恒功率控制较恒电压控制方式具有更好的电压质量。风电场输出稳定后，分析了风速波动及风电场出口负荷波动对电网电压的影响，得出风速和负荷波动越严重，引起的电网电压波动越大。在风速随机波动的情况下，分析了系统短路容量和线路X/R值对风电并网引起的电压波动的影响，结果表明系统短路容量越大，电压波动越小，合适的线路X/R值可将电压波动降为最小。最后，分析了系统分别发生单相、两相和三相短路故障时，风电场的运行状况，得出三相短路故障最严重。关键词：风力发电、双馈型风电机组、电压波动、故障分析AbstractThewindenergyisuncertain,andwhenalargescalewindpowerisinjectedintothepowergrid,thevoltagefluctuationofthepowernetworkiscaused.Inthispaper,theessentialcauseofthegridvoltagefluctuationisthefluctuation oftheoutputwindpower.Takingthedoublyfedwindturbineastheresearchobject,thegridconnectedsimulationmodelofthedoublyfedwindturbineisbuiltinMatlab/Simulink.Simulationandanalysisofthewindturbinerespectivelyintheconstantvoltageandconstantpowercontrolmodeofthecutaftertheoperationcharacteristicsanditsinfluenceonthegridvoltage.Theresultsshowthatconstantpowercontrolwithconstantvoltagecontrolmodehasbettervoltagequality.Aftertheoutputofthewindfarmisstable,thewindspeedfluctuationandthefluctuationofthewindfarmloadfluctuationareanalyzed.Thewindspeedandtheloadfluctuationaremoreserious,andthehigherthevoltagefluctuationofthenetworkis.Undertherandomfluctuationofwindvelocity,analyzesthesystemshortcircuitcapacityandlineX/Rofgridconnectedwindpowerduetovoltagefluctuations,theresultsshowthatthesystemshort-circuitcapacityismorebig,thevoltagefluctuationissmall,suitablelineX/Rvalueofvoltagefluctuationswillbereducedtoaminimum.Atlast,theoperatingconditionofthewindfarmisanalyzedwhenthesingle-phase,two-phaseandthree-phasefaultsoccurrespectively,andthemostseriousofthethree-phaseshort-circuitfaultisobtained.Keywords:windpowergeneration,windturbinedoubly-fedinductiongenerator,voltagefluctuation,faultanalysis目录第1章绪论11.1选题背景及意义11.2国内外研究现状11.3本文主要工作2 第2章风力发电系统32.1风力发电系统概述32.1.1恒速恒频的异步风力发电系统32.1.2直驱式永磁同步风力发电系统42.1.3变速恒频的双馈风力发电系统42.2风力机相关理论52.2.1风力机基本工作原理52.2.2风力机气动特性72.3双馈异步发电机92.3.1双馈异步发电机变速恒频运行的原理92.3.2双馈异步发电机的功率传递关系102.3.3双馈异步发电机的数学模型112.4双馈风电机组的运行特性132.4.1双馈风电机组的运行阶段132.4.2双馈风电机组的转速及桨距角控制142.4.3双馈风电机组的矢量控制152.5电压波动172.5.1电压波动的定义172.5.2风电并网电压波动产生的原因182.6本章小结18第3章双馈风电机组并网仿真建模193.1风速模型193.1.1基本风193.1.2阵风193.1.3渐变风203.1.4随机噪声风223.1.5自然风23 3.2双馈风电机组仿真建模233.3本章小结28第4章双馈风电机组并网电压波动分析294.1风电场切入仿真分析294.2风速波动的电压波动分析344.3负荷波动的电压波动分析364.4系统短路容量对风电并网电压波动的影响394.5线路X/R对风电并网电压波动的影响404.6系统短路故障时风电机组的动态响应414.6.1单相短路仿真分析424.6.2两相短路仿真分析434.6.3三相对称短路仿真分析444.7本章小结45第5章总结与展望465.1总结465.2展望47致谢48参考文献49 大学本科生毕业设计（论文）第1章绪论1.1选题背景及意义能源是人类社会发展与进步的物质基础。随着全球经济的持续快速增长对能源资源的需求和依赖与日俱增。而以煤、石油、天然气等为主的传统化石能源资源在不断地开发利用过程中逐渐面临着枯竭的危机并带来了一系列的环境污染问题，从而制约了社会的进步和经济的发展，故人类迫切需要调整能源结构由以传统化石能源为主的单一能源结构向以新能源和可再生能源为主的多元化能源结构转变。在众多新能源和可再生能源中，风能以其取之不尽、用之不竭清洁无污染且可再生等优势得到广泛应用。近年来，风力发电渐渐地取代了传统化石能源发电已成为电力系统中重要的电源组成部分。当具有不确定性的风电功率注入电网后会引起电网的功率分布变化，从而影响电网的电能质量。再加上我国风能资源与负荷中心呈逆向分布，大部分的风电场都建在人口稀少的偏远地区，这些地区的电网结构较为脆弱，此时风电并网产生的电能质量问题会更严重，故对风电并网引起的电能质量研究极具现实意义。在电能质量中电压波动尤为重要，电压波动太严重将给人们的生产生活带来影响，造成国民经济损失。基于以上，有必要对风电并网引起的电压波动进行详尽的研究，为改善电压波动提供有效依据。1.2国内外研究现状49 大学本科生毕业设计（论文）随着风电装机容量的增加，大规模风电并网已成为风力发电的主流。由于风能的不确定性，风电并网会给电网的安全稳定运行带来一定的影响，故有必要对风电并网进行研究。目前，国内外有关风电并网的研究主要集中在两个方面，分别为风电并网的电能质量和稳定性研究。在有关电能质量的研究中，风电并网的电压波动是研究的热点之一。而电压波动的研究主要有以下三个方面：（1）风电并网引起电压波动的机理分析。风力发电引起电网电压波动的根本原因是并网风电机组输出功率的波动【1】。文献【2】从风电机组输出功率波动角度对风电并网引起电压波动进行了机理分析，得出并网风电机组输出有功及无功功率的波动都会引起电网的电压波动。（2）风电并网电压波动的影响因素。影响风电并网电压波动的因素主要有风况、风电机组的类型、风电机组的控制方式（如双馈风机的恒电压和恒功率控制）、电网负荷特性、风电并网系统短路容量和线路X/R值等。文献【3】在Matlab/Simulink中搭建了基于普通异步发电机的风电并网仿真模型，建立了风速扰动模块，对不同强度的风速扰动进行仿真分析，研究了风速对风电并网电压波动的影响；文献【4-5】分析了系统短路容量和线路X/R对风电并网电压波的影响。文献【6】研究了双馈风电机组的控制方式对风电并网电压波动的影响。（3）改善风电并网电压波动的措施研究。1.3本文主要工作本文以双馈型风电机组为研究对象，在Matlab/Simulink中搭建风电并网仿真模型，分析各种因素下的电压波动问题。本文的主要工作如下：（1）查阅国内外相关文献，了解本课题的选题背景及研究意义，了解本课题在国内外的研究现状；（2）学习双馈风力发电系统各组成部分的基本工作原理及其相应的控制策略，包括风力机的基本工作原理及其气动特性，双馈异步发电机的工作原理，双馈风电机组的运行特性及其相应的控制策略；（3）学习影响风电并网引起的电压波动的各种因素，主要从风电机组输出功率的波动及电网的状况两方面进行分析；（4）在Matlab/Simulink中搭建双馈型风电机组并网仿真模型。（5）通过仿真分析各影响因素对风电并网引起的电压波动的影响。（6）总结本文的研究成果，展望风电并网电压波动的研究方向。49 大学本科生毕业设计（论文）第2章风力发电系统2.1风力发电系统概述将风能转换为电能的系统称为风力发电系统，风力发电系统一般是由风力机、齿轮箱、传动机构、发电机及控制系统组成。风力发电的原理是：风吹动风力机叶片旋转，带动轮毂转动，将风能转化为机械能，传动装置将此机械能送至发电机转子上，驱动发电机转子旋转，完成机械能到电能的转换。风力发电系统按不同的标准有不同的分类方法。目前，国内外主流的风力发电系统有3种，分别为恒速恒频的异步风力发电系统、变速恒频的双馈风力发电系统和直驱式永磁同步风力发电系统。2.1.1恒速恒频的异步风力发电系统恒速恒频的异步风力发电系统结构如图2-1所示。机组采用笼型异步发电机。在风速作用下风力机带动低速转轴旋转，经齿轮箱加速后，直接驱动发电机转子旋转进行发电。由于采用笼型异步发电机，其在运行期间要从电网中吸收较大的无功功率来建立励磁，这会给电网带来很大的无功负担，故一般要在其出口安装无功补偿装置。此类系统发电机的转速变化范围很小（一般在1%至2%之间），与其它风机相比几乎是“恒速”运行，故将其称为恒速风机。49 大学本科生毕业设计（论文）图2-1恒速恒频的异步风力发电系统2.1.2直驱式永磁同步风力发电系统直驱式永磁同步风力发电系统结构如图2-2所示。系统中省去了齿轮箱，发电机采用多极永磁同步发电机，其运行转速比较低，故由风力机直接驱动发电机进行发电，然后再经全功率的AC/DC/AC变换器接入电网，风电机组输出的全部功率都要经变换器传递，故变换器的成本较高。图2-2直驱式永磁同步风力发电系统2.1.3变速恒频的双馈风力发电系统变速恒频的双馈风力发电系统的结构如图2-349 大学本科生毕业设计（论文）所示。发电机采用绕线式异步发电机，其定子绕组直接与电网相连，转子绕组经一背靠背的功率变换器与电网相连，两变换器通过直流环节相连。发电机向电网输送的总功率为定子输出功率与转子输出滑差功率之和，故将其称为双馈电机。变换器的容量约为风电机组额定容量的25%45%，与直驱式系统相比大大降低了变换器的成本。图2-3变速恒频的双馈风力发电系统2.2风力机相关理论2.2.1风力机基本工作原理风力机是由风轮、塔架和对风装置组成，风轮是风力机的重要组成部件。其工作过程是：风轮捕获风能，并将其转化为机械能，再经由风轮轴传送出去。风力机的工作原理是利用空气流经风轮叶片时产生的空气动力推动叶片旋转，从而完成风的动能到机械能的转换。风力机从不同的角度有不同的分类方法，从其原理上可分为升力型风力机和阻力型风力机，从其结构上可分为水平轴风力机和垂直轴风力机，目前普遍使用水平轴升力型风力机。（1）水平轴升力型风力机的工作原理如下：图2-4给出了水平轴升力型风力机叶片的受力情况。由空气动力学可知，当空气流过风力机叶片时，叶片平面与气流方向会形成一个夹角，此夹角称为攻角。叶片上方和下方的气流速度不同（上方速度大于下方速度），故上下方所受压力不同（下方压力大于上方压力），合力、49 大学本科生毕业设计（论文）为叶片在流动气流作用下产生的空气动力，其方向与叶片板面垂直。对此合力进行分解可得到：垂直气流方向的力、，它使平板上升，称为升力；与气流方向一致的力、，称为阻力。叶片板面所受升力和阻力与气流方向的投影面积、空气密度及气流速度的平方成正比，其表达式为：（2-1）式中，为升力系数，为阻力系数，为总的气动力系数。图2-4水平轴风力机叶片升力阻力图对于升力型风力机，升力是其工作的有效力，是推动风轮旋转的动力；阻力形成了风轮的正面压力，由风力机的塔架承受。为使风力机高效、安全运行，就应合理地设计叶片的翼型断面，使其获得最大的升力和最小的阻力。影响升力系数与阻力系数的因素主要有两个：49 大学本科生毕业设计（论文）翼型。流线型翼型产生的升力大于平板翼型，且在攻角不大时流线型翼型几乎不产生涡流，而平板型会产生很大的涡流，会减小升力增大阻力。攻角。流线型叶片的升力系数随着攻角从零逐渐增大而增大，当攻角增大至某一临界值时，升力系数达到最大值，此后，会随着攻角的增大而下降，故应使攻角保持在最佳值附近以获得较多的升力。（2）阻力型风力机的工作原理图2-5给出了垂直轴阻力型风力机的风轮，它由3个曲面叶片组成。风吹向叶片时会产生阻力，驱动风轮旋转。其中凹下的叶片驱动风轮旋转，凸起的叶片阻碍风轮旋转，叶片产生的阻力的表达式如下：（2-2）式中，为空气密度，为风速，为叶片线速度，为叶片最大投影面积，为阻力系数（凹下的叶片的阻力系数大于凸起的叶片的阻力系数）。图2-5垂直轴风力机风轮2.2.2风力机气动特性风力机捕获的风能功率为：（2-3）式中，为空气密度，为风力机叶片半径，为桨距角，为风力机叶尖速比（），为风力机旋转角速度，为作用于叶片的风速，为风能利用系数。49 大学本科生毕业设计（论文）由式（2-3）可知风力机捕获的风能不仅与风速的三次方成正比，还与风力机结构及风能利用系数有关。风能利用系数反映了风力机将风能转化为机械能的能力，为单位时间内风轮所吸收的风能与通过风轮旋转面的全部风能的比值。一定风速下，值越大，风力机将风能转化为机械能的效率就越高。但风能不可能全部被风力机吸收，贝茨通过对平面圆盘形理想型风轮的研究，得出的最大值为59.3%，也就是说风力机将风能转换为机械能的最大极限为59.3%，考虑到风力机的实际运行状况，一般在20%~40%范围内。风能利用系数与风速、叶片转速、叶片桨距角及叶片直径有关，当风力机桨叶确定后，仅与风力机叶尖速比和叶片桨距角有关。风力机的叶尖速比为叶片叶尖线速度与风速的比值，其计算公式为，式中为风力机旋转的额定机械角速度。与和间的函数关系式如下：（2-4）式中，。由上式可知，当桨距角一定时，风能利用系数由风力机叶尖速比唯一确定，且对于每一个确定的值，都存在唯一的最佳叶尖速比使达到最大值。风能利用系数与叶尖速比和桨距角间的关系曲线如图2-6所示：49 大学本科生毕业设计（论文）图2-6与和间的关系曲线2.3双馈异步发电机2.3.1双馈异步发电机变速恒频运行的原理双馈异步发电机定子绕组接入工频电网，转子绕组接幅值、频率及相角都可调的三相变频电源。稳态运行时，其定子旋转磁场与转子旋转磁场保持静止，假设转子的转速为，定子旋转磁场转速为同步转速，转差率。若要使定转子旋转磁场保持静止，则转子绕组需产生相对转子以转速旋转的旋转磁场，以维持。若发电机的极对数为，则通入转子绕组的三相交流电频率，将此频率称为转差频率。在此需要说明，当转差率时，为负值，此时要通过转子绕组相序与定子绕组相序相反来实现。49 大学本科生毕业设计（论文）通过以上的分析可知，当双馈异步发电机转子以变化的转速运行时，可通过控制输入转子绕组的三相交流电的频率以实现双馈异步发电机的变速恒频。根据双馈异步发电机转子转速与同步转速之间的大小关系，其可以工作在三种运行状态：1）亚同步运行状态。此状态下，，转子励磁电流的旋转磁场与转子转速相同。2）超同步运行状态。此状态下，，转子励磁电流的旋转磁场与转子转速相反。3）同步运行状态。此状态下，转子绕组为直流励磁，与普通同步发电机相同。2.3.2双馈异步发电机的功率传递关系双馈异步发电机在不同的运行状态下，具有不同的功率流向。双馈异步发电机的机械功率和电磁功率的表达式分别为：（2-5）式中，、分别为发电机的机械功率和电功率，、分别为机械转矩和电磁转矩，和分别为转子旋转角速度和同步角速度。双馈发电机稳态运行时，有，，则可得式：（2-6）式中，为转差功率。当发电机工作在亚同步运行状态时，转差率，变换器向发电机转子提供交流励磁，发电机的定子向电网发出电能，此时的功率传递关系如图2-7所示：49 大学本科生毕业设计（论文）图2-7亚同步运行功率传递关系当发电机工作在超同步运行状态时，转差率，此时发电机的定子和转子都向电网发出电能，其对应的功率传递关系如图2-8所示：图2-8超同步运行功率传递关系2.3.3双馈异步发电机的数学模型假设发电机气隙均匀且不计铁心饱和，将转子绕组的电气量折至定子侧，定、转子均采用电动机惯例，得到49 大学本科生毕业设计（论文）坐标系下双馈异步发电机的电压方程：（2-7）式中，为旋转坐标系的电角速度；、、、分别为定转子、轴电压分量；、、、分别为定转子、轴电流分量；、、、分别为定转子、轴磁链分量。磁链方程为：（2-8）式中，为励磁电感；为坐标系下定子等效电感，，为定子漏感；为坐标系下定子等效电感，，为定子漏感。电磁转矩方程为：（2-9）式中，为风力发电机极对数。功率方程为：49 大学本科生毕业设计（论文）（2-10）式中，、、、分别为定、转子的有功及无功功率。2.4双馈风电机组的运行特性2.4.1双馈风电机组的运行阶段变速恒频的双馈风电机组的运行状态一般分为三个区域，每个区域都有各自的控制任务及控制手段，其运行区域图如图2-9【5】所示：图2-9变速恒频双馈风电机组运行图第一个区域：启动阶段。此阶段风速由零逐渐增大至切入风速。在风速小于切入风速时，风电机组运行在离网状态，不给系统注入风电功率，主要是完成风电机组的并网工作。49 大学本科生毕业设计（论文）第二个区域：额定风速以下区域。此时风电机组联网运行，并向电网输送功率。此区域又可以分为两个运行阶段，分别为变速运行阶段和恒速运行阶段。当发电机转速小于最大允许转速时，风力发电机组保持变速恒频运行，此阶段叶片桨距角保持不变，主要依靠转速控制使风机运行在最大风能利用系数下，实现最大风能追踪，故该区也被称为恒定区；当转速大于最大允许转速后，风电机组将运行在转速恒定区，此时风力机变桨距角控制系统将机组转速控制在最大允许转速值，风能利用系数偏离最大风能利用系数，但机组的输出功率会继续增加。第三个区域：恒功率区。随着风速的继续增加，风机的输出功率也会随着增加，而风力发电机和变换器的功率有一定的极限，故要对机组的输出功率加以限制。恒功率区通常是由风力机的变桨距控制系统来实现。2.4.2双馈风电机组的转速及桨距角控制风机输出功率与转速间的关系曲线【5】如图2-10所示：图2-10风机功率-转速曲线由图可看出每种风速都对应一条风机输出功率—转速曲线，每条曲线都存在一最佳转速使得风机输出功率达到最大值，每条曲线最大值的连线为风机运行的最优功率曲线。变速恒频的双馈风力发电机组的转速及桨距角控制就是将不同风速下的发电机转速控制在最佳值，使其按最优功率曲线运行，将风能尽可能多地转化为电能。49 大学本科生毕业设计（论文）2.4.3双馈风电机组的矢量控制变速恒频的双馈风力发电机的转子通过背靠背的变换器与电网相连。其中与电网相连的变换器称为网侧变换器，与发电机转子相连的变换器称为转子侧变换器，二者通过直流环节相连。双馈风力发电机普遍采用矢量控制测略，转子侧变换器采用定子磁链定向的矢量控制测略；网侧变换器采用电网电压定向的矢量控制测略。（1）基于定子磁链定向的转子侧变换器控制所谓定子磁链定向是指将发电机的定子磁链方向与同步旋转坐标系的轴重合，轴超前轴。此时定子磁链在轴、轴上的分量分别为，，轴、轴上的定子电压分别为，。将，代入式（2-8）中定子磁链方程可得：（2-11）将，和式（2-11）代入式（2-10）中的定子功率方程可得：（2-12）由上式可知，发电机输出有功及无功功率分别与转子电流的轴分量和轴分量成一定关系，且电流和之间不存在耦合，故可以通过调节转子电流的轴和轴分量实现风电机组输出有功及无功功率的解耦控制。（2）基于电网电压定向的网侧变换器控制网侧变换器用来维持直流母线电压恒定，调节变换器网侧功率因数。网侧变换器简化结构如图2-11所示：49 大学本科生毕业设计（论文）图2-11网侧变换器结构电网电压在坐标系下的方程为：（2-13）式中，、为电网电压在轴和轴上的分量；、、、分别为网侧变换器电压、电流在轴和轴上的分量；为旋转坐标系的角速度；和分别为连接网侧变换器与电网间馈线上的总电阻与电感。将上式变形后可得到：（2-14）将上式中的和当做解耦项，和当做补偿项，、当做前馈补偿项，经这样处理后就可以实现轴和轴电流的独立控制。将，代入式（2-14）可得：49 大学本科生毕业设计（论文）（2-15）网侧变换器输出功率表达式为：（2-16）电网电压基本保持不变，故可以通过调节和控制变换器输出有功及无功功率，进而控制直流母线电压和网侧的功率因数。2.5电压波动2.5.1电压波动的定义电压波动是指电压幅值（或是电压半周波的方均根）的连续快速变化。将每半周波的方均根值按时间序列进行排列后，所得包络线即为电压波动的波形。把电压波动波形中的相邻两个极值之间的变化称为一次电压波动。国标规定，电压变动的电压变化率应不低于每秒0.2%，低于此速率时不认为是一次电压波动，而当作电压偏差来考虑。电压波动用电压波动值和电压变动频度来综合衡量。电压波动值用各次电压变化量与电网额定电压之比来表示，其计算公式如下：（2-17）式中，为本次电压波动的峰点电压，为本次电压波动的谷点电压,为电压波动量，为电网的额定电压。电压波动频度是指单位时间内的电压变动次数。49 大学本科生毕业设计（论文）2.5.2风电并网电压波动产生的原因风电并网引起的电网电压波动是由风电场输出功率的波动引起的。风电场输出功率变化剧烈时会在系统的阻抗上产生电压损失，从而引起电网电压的快速变化。设风电场输出功率的波动在电网中某一测试点引起的有功及无功功率的变化量分别为和,则该点的电压波动值为：（2-18）式中，、分别为测试点的系统等值电阻和电抗。通过以上的理论分析，可得出风电场输出功率的波动及电网的状况都有可能对电压波动产生影响。文献【2】中总结了影响风电并网电压波动的因素主要有：风电机组的类型、风况、风电机组的控制方式、系统短路容量、线路X/R值以及电网负荷特性等。2.6本章小结本章介绍了风力发电系统的组成、发电原理及三种典型的风力发电系统；介绍了水平轴及垂直轴风力机的基本工作原理和风力机的空气动力学特性；学习了双馈异步发电机的运行原理及其数学模型；学习了双馈型风电机组的运行特性及其相应的一些控制策略；最后介绍了电压波动的含义，并对风电并网引起的电压波动进行了理论分析，总结了影响风电并网电压波动的各种因素，主要有风电机组的类型、风况、风电机组的控制方式、系统短路容量、线路X/R值以及电网负荷特性等。49 大学本科生毕业设计（论文）第3章双馈风电机组并网仿真建模双馈风力发电机组的仿真模型是由风速仿真模型、风力机仿真模型、机械传动装置仿真模型、发电机仿真模型、控制系统仿真模型和保护系统仿真模型等6部分组成。3.1风速模型风电场的风速模型多采用4分量组合风速模型，分别为基本风、阵风、渐变风和随机噪声风，其公式表示如下：（3-1）式中，表示风速；表示基本风；表示阵风；表示渐变风；表示随机噪声风。3.1.1基本风基本风用来描述风电场平均风速变化的特性，由风电场测风数据获得的威布尔分布参数，代入威布尔分布数学期望中得到，其数学公式为：（3-2）式中，和分别为威布尔分布尺度参数和形状参数，为伽马函数。Matlab/Simulink中基本风的仿真模型用常数模块来表示。3.1.2阵风阵风用来描述风电场风速突然变化的特性，一般用阵风来模拟较大的风速扰动。其模型数学表达式为：49 大学本科生毕业设计（论文）（3-3）式中，为阵风最大值，为阵风起动时间，为阵风持续时间。Matlab中阵风仿真模型如图3-1所示：图3-1Matlab中阵风仿真模型一3s开始，持续时间为4s，强度为6m/s的阵风仿真结果如图3-2所示：图3-2阵风仿真结果3.1.3渐变风渐变风用来描述风速中随时间有规律变化的风速分量，其模型的数学表达式为：49 大学本科生毕业设计（论文）（3-4）式中，为渐变风最大值，为渐变风启动时间，渐变终止时间，渐变风保持时间。Matlab中渐变风仿真模型如图3-3所示：图3-3Matlab中渐变风仿真模型一2s开始，5s结束，持续时间为2s，强度为6m/s的渐变风仿真结果如图3-4所示：图3-4渐变风仿真结果49 大学本科生毕业设计（论文）3.1.4随机噪声风风速中变化没有任何规律的部分用随机风来描述，其模型的数学表达式为：（3-5）式中，；；之间均匀分布的随机变量；为地表粗糙系数；为扰动范围；为相对高度的平均风速；为频谱取样点数；为各个频率段的频率。Matlab建模时很难准确地表达公式中的，在此用来替代它，这样随机噪声风的建模表达式可表示为：（3-6）式中，为之间均匀分布的随机变量。Matlab中随机噪声风仿真模型如图3-5所示:图3-5Matlab中随机噪声风仿真模型一波动最大幅度为1m的随机噪声风仿真结果图如图3-6所示49 大学本科生毕业设计（论文）图3-6随机噪声风仿真结果3.1.5自然风自然风是由基本风、阵风、渐变风和随机噪声风这四种风速分量按一定比例合成的，故可以用四分量组合风速模型来模拟任意自然风。3.2双馈风电机组仿真建模风电场仿真模型采用Matlab中提供的双馈风电机组仿真模块。发电机参数如下：图3-7双馈风力发电机参数49 大学本科生毕业设计（论文）参数含义：Nom.power,L-Lvolt.andfreq.[Pn(VA),Vn(Vrms),fn(Hz)]:发电机额定功率，单位VA；额定电压，单位V；额定频率,单位Hz；Stator[Rs,L1s](pu):定子电阻、电感，以标幺值表示；Rotor[Rs,L1s](pu):转子电阻、电感，以标幺值表示；MagnetizinginductangceLm(pu):发电机励磁电感，以标幺值表示；Inertiaconstant,frictionfactor,andpairsofpoles[H(s)F(pu)p]:发电机惯性常数，单位s；阻尼系数，以标幺值表示；发电机极对数，单位p；Initialcondition[s()th(deg)Is(pu)ph_Is(deg)Ir(pu)ph_Ir(deg)]:初始条件[转差率；功角，单位deg；定子相电流，以标幺值表示；定子相电流角，单位deg；转子相电流，以标幺值表示；转子相电流角，单位deg]。变换器参数如下：图3-8变换器参数参数含义：Convertermaximumpower(pu)：变换器最大功率，以标幺值表示；Grid-sidecouplinginductor[L(pu)R(pu)]:网侧变换器耦合阻抗；Couplinginductorinitialcurrent[IL(pu)ph_ILdeg()]49 大学本科生毕业设计（论文）:耦合阻抗电流初始值及相角；NominalDCbusvoltage（V）：直流母线电压，单位V；DCbuscapacitor(F):直流环节电容，单位F。风机的参数如下：图3-9风机参数参数含义：Nominalwindturbinemechanicaloutputpower(W):风力机额定功率，单位W；Trackingcharacteristicspeed[speed_A(pu)...speed_D(pu)]:功率特性曲线中跟踪点的速度，以标幺值表示；PoweratpointC(pu/mechanicalpower):功率特性曲线中C点对应的功率,标幺值表示；WindspeedatpointC(m/s):C点的风速，单位m/s；Pitchanglecontrollergain[Kp]:桨距角控制器的增益；Maximumpitchangle(deg):风机最大桨距角，单位deg；Maximumrateofchangeofpitchangle(deg/s):桨距角调节的最大速率，单位deg/s。风机的功率-转速曲线如下：49 大学本科生毕业设计（论文）图3-10风机功率-转速曲线风机的运行特性：转速小于A点时，风机不启动，输出功率为零;A-B阶段，风机快速启动；B-C阶段，风机进行变速控制，追踪最大风能功率曲线；C-D阶段，风机进入恒定转速区，转速不再增大，但输出功率会继续增大；D点之后，风机变桨距控制系统工作，将风机的输出功率维持在额定功率。控制参数如下：双馈风电机组具有两种控制方式，分别为恒电压控制和恒功率控制。恒电压控制方式下的参数如下：49 大学本科生毕业设计（论文）图3-11恒电压控制参数恒功率控制方式下的参数如下：图3-12恒功率控制参数以上设置的是由6台1.5MW的风电机组组成的风电场参数，当风电场风机的数目为其它值时，须对发电机、变换器和风力机参数中的Nom.power(W)、DCbuscapacitor(F)、Nominalwindturbinemechanicaloutputpower(W)所对应的参数进行修改。49 大学本科生毕业设计（论文）3.3本章小结本章学习了基本风、阵风、渐变风和随机噪声风的数学模型，并根据其数学模型在Matlab/Simulink中搭建了各自的仿真模型，并将四种风速组合形成了自然风仿真模型；学习了Matlab中提供的双馈风力发电机组仿真模块中发电机、变换器、风力机及控制系统中各参数含义及各参数的设置方法；通过对双馈风机功率-转速的学习，对双馈风电机组的工作特性有了深入的了解；最后，设置了一9WM双馈型风电场仿真参数。49 大学本科生毕业设计（论文）第4章双馈风电机组并网电压波动分析4.1风电场切入仿真分析风电并网系统图如图4-1所示：图4-1风电并网系统图风电机组端口电压690v，在风电场出口安置一升压变电站将此电压升为35kV后经由30km的架空线路将风电输送至区域变电站进行二次升压，将电压升为110kV后注入电力系统。风电场出口带有500KW负荷，35kV母线接一空载变压器。系统参数设置如下：电源:频率50Hz，电压110kV，短路容量2500MW；线路：长度30km,线路单位长度电阻、电感、电容分别为0.1153、、，其零序电阻电抗为正序电阻电抗的3倍，零序单位长度电容值为。根据上述风电并网系统图，在Matlab中搭建的风电并网仿真模型如图4-2所示：49 大学本科生毕业设计（论文）图4-2双馈风电并网仿真模型风电机组并网前发电机转差率设置为0.2，即发电机转子转速为0.8pu。风电场由6台1.5MW的风力发电机组组。风电场风速前5s内设置为8m/s,5s时风速突升为14m/s，此后保持恒定。(1)恒电压控制模式下：风电机组各电气量及机械量如图4-3所示：图4-3恒电压控制方式下风电机组各电气及机械量49 大学本科生毕业设计（论文）仿真前5s内，风速保持8m/s,风力发电机的转速、机械和电磁转矩均不变，风电输出功率也保持不变，风电场稳定运行。5s时风速瞬间增大为14m/s,发电机机械转距随之突增，机械转矩大于电磁转矩，发电机转速开始增加，在风力机的风能最大功率跟踪控制下，发电机的电磁转矩缓慢增加，风电机组输出有功功率也缓慢增加，此过程中发电机从电网中吸收的无功功率也逐渐增大。17s时转速增大至1.2pu,达到了最大允许转速，此时风力机桨距角调节机构迅速动作经0.5s将风力机的桨距角调整至0.8度并保持不变，在桨距角变化期间发电机转速、输出有功功率、无功功率及电磁转据均保持恒定，由于桨距角的增大，发电机的机械转矩自然而然地随着减小。风电并网点电气量如图4-4所示：图4-4恒电压控制方式下风电并网点电气量由于风力发电机组采用恒电压控制，故并网点电压基本保持恒定值1pu。517s49 大学本科生毕业设计（论文）内，风电场注入电网的有功功率随发电机转速的增大而增加（有功功率注入电网为负），同时随着风电场输出有功的增加，风力发电机组从电网吸收的无功功率也随之增加（从电网吸收无功功率为正），流经并网点的电流也随之增加。17s之后各电气量保持恒定，风电机组注入电网的有功功率为8.8MW,其从电网吸收的无功功率为1MW，流经并网点的电流为0.088pu。110kV、35kV母线电压如图4-5所示：图4-5恒电压控制方式下110kV、35kV母线电压517s内，110kV、35kV母线电压随着风电机组输出有功功率和风电机组从电网中吸收无功功率的增加而下降。17s时110kV母线电压降至0.9995pu，35kV母线电压降至0.994pu。(2)恒功率控制模式下：设置风力发电机组功率因数为1，即风力发电机组与电网之间不交换无功功率。风电并网点的电气量如图4-6所示：49 大学本科生毕业设计（论文）图4-6恒功率控制方式下风电并网点电气量以上仿真结果中风电机组出口电压为1.02pu，风电机组注入电网的有功功率仍为8.8MW，由于采用了功率因数为1的恒功率控制方式，故风电机组从电网中吸收的无功功率为0，只是在16.3s时，无功功率会发生一小的波动，流经并网点的电流为0.086pu。110kV、35kV母线电压如图4-7所示：图4-7恒功率控制方式下110kV、35kV母线电压49 大学本科生毕业设计（论文）17s时110kV、35kV母线电压分别将为0.9999pu、0.998pu。对比两种控制方式下的仿真结果，得出恒功率因数控制方式较恒电压控制方式具有较好的电网电压质量，主要是因为前者可实现风电场与电网间无功功率交换为0，从而削弱了无功功率造成的电压波动。4.2风速波动的电压波动分析风电场容量9MW，基本风取10m/s。用阵风模拟风速波动，阵风强度分别取2m/s、4m/s、6m/s,阵风在25s切入,持续时间为5s。图4-8风速波动2m/s时风电场输出功率及35kV母线电压49 大学本科生毕业设计（论文）图4-9风速波动4m/s时风电场输出功率及35kV母线电压图4-10风速波动6m/s时风电场输出功率及35kV母线电压49 大学本科生毕业设计（论文）图4-11风速波动8m/s时风电场输出功率及35kV母线电压通过对以上波形的分析，得出风速波动时风电机组的输出功率也随着波动，从而引起了电网的电压波动，且随着风速波动程度的增加，风电机组输出功率变化较大，从而引起电网电压的波动程度也随之增大。4.3负荷波动的电压波动分析风电场容量9MW，基本风取12m/s，负荷在30s时发生波动，波动值分别取2MW、3MW、4MW、6MW。49 大学本科生毕业设计（论文）图4-12负荷波动2MW风电场出口电压、输出功率及35kV母线电压图4-13负荷波动4MW风电场出口电压、输出功率及35kV母线电压49 大学本科生毕业设计（论文）图4-14负荷波动4MW风电场出口电压、输出功率及35kV母线电压图4-15负荷波动6MW风电场出口电压、输出功率及35kV母线电压49 大学本科生毕业设计（论文）通过对以上波形的分析，得出风电场出口负荷波动时，会对风力发电系统产生一定的冲击，导致风电场出口电压、有功功率和无功功率的波动，从而改变了系统的潮流分布，对电网的电压产生了一定的影响。且负荷波动程度的越大，风电场输出功率波动越大，从而引起的电网电压波动也就越大。4.4系统短路容量对风电并网电压波动的影响为研究系统短路容量对风电并网电压波动的影响，设置风电场的风速随机波动，在波动的风速下风电场输出功率随机波动，引起电网功率分布发生变化，从而引起电网电压波动，此时通过设置不同的系统短路容量研究系统短路容量对电压波动的影响。系统短路容量分别取1000MVA、3000MVA、5000MVA。风电场风速波形如图4-16所示：图4-16随机波动风速三种短路容量下35kV母线电压仿真波形如下图所示：图4-17系统短路容量为1000MVA时35kV母线电压49 大学本科生毕业设计（论文）图4-18系统短路容量为3000MVA时35kV母线电压图4-19系统短路容量为5000MVA时35kV母线电压将三种短路容量下的电压仿真结果对比分析后可得出：随着系统短路容量的增加，并网运行的风电场输出功率的波动对电网电压波动的影响程度越来越小。因此在风电并网选址时，应选择合适的并网点，依靠系统短路容量将风电并网引起的电压波动降为最小。4.5线路X/R对风电并网电压波动的影响系统短路容量设置为2500MVA，线路长度取100km，线路X/R值分别取0.5、1、1.5、2、3。图4-20X/R=0.5时35kV母线电压图4-21X/R=1时35kV母线电压49 大学本科生毕业设计（论文）图4-22X/R=1.5时35kV母线电压图4-23X/R=2时35kV母线电压图4-24X/R=3时35kV母线电压对以上的仿真结果进行对比分析后可得出：当线路的X/R值较小时，35kV母线的电压波动比较大。随着X/R值的增大，电压波动程度有所减轻，存在一些X/R值可使电压波动较小。一般线路X/R比对应的线路阻抗角为时【2】（即X/R值在范围内），风电机组并网引起的电网电压波动最小。因此，在满足电网运输要求的条件下，应选择合适的X/R值，将风电并网引起的电压波动降为最小。4.6系统短路故障时风电机组的动态响应故障位置设置在距离风电场10km处的架空线路上，故障发生时刻为20s，经1s后切除。49 大学本科生毕业设计（论文）4.6.1单相短路仿真分析图4-25单相短路故障时风电出口电气量图4-26单相短路故障时风电机组内部量当发生单相短路故障时，风电机组的机端电压出现了不平衡，其中两相的电压降为0.6pu,另一相电压几乎不变，机端电流突增至0.15pu,为正常时的2倍多。对于风力发电机组，发生故障时发电机电磁功率突然下降至0.6pu，此时机械转矩大于电磁转矩，发电机转速应增加，此时桨距角控制系统调整叶片桨距角使其增大以减小机械转矩，从而维持发电机转速基本保持不变，使风电机组能继续运行；故障期间风电场仍能够向系统注入有功功率，此时注入的有功功率降为8.2MW。故障切除恢复期间风电机组需从电网中吸收了2Mvar无功功率，经0.2s49 大学本科生毕业设计（论文）后风电机组恢复正常。通过以上的分析可得出此风电并网系统发生单相短路故障时能够不脱网继续运行。4.6.2两相短路仿真分析图4-27两相短路故障时风电出口电气量图4-28两相短路故障时风电机组内部量发生两相短路故障时，发电机机端电压出现严重不平衡，三相电压分别降为0.5pu、0.6pu、0.1pu；机端短路电流的瞬时值达到0.22pu,较单相短路更严重；电磁功率瞬时降为0.3pu，此时桨距角快速增大以减小机械转矩，维持发电机转速基本不变；故障期间,风电机组仍能向电网注入有功功率，此时注入的有功功率降为4MW,较单相故障时大大减少。故障切除后，风力发电机组瞬间从电网中吸收了近4Mvar49 大学本科生毕业设计（论文）的无功功率以支持风电机组恢复正常工作状态。4.6.3三相对称短路仿真分析图4-29三相短路故障时风电出口电气量图4-30三相短路故障时风电机组内部量三相对称短路时，发电机的机端电压几乎降为0。风电场出口电流高达0.4pu，为正常运行电流的4倍多，给短路点提供了较大的短路电流；故障期间，风电机组不再向电网输送有功功率，但其会给系统馈送一部分无功功率以支持电网电压；故障切除后，风电机组瞬间从电网中吸收了6Mvar的无功功率来建立发电机的励磁。49 大学本科生毕业设计（论文）对比三种短路故障下风电机组的动态响应，可以看出单相和两相短路故障期间风电场仍能向电网注入有功功率，而三相故障期间风电场不再向电网注入有功功率，但其会给电网注入一些无功功率以支持电网电压恢复。在故障切除恢复期间，三相短路故障从电网吸收的无功功率最多，对电网电压的影响较大。4.7本章小结本章通过仿真分析了风电场在各种扰动下的电网电压变化情况。首先分析了风电机组在不同控制方式下切入对电网电压的影响，恒功率控制方式下可实现风电场与系统无功功率交换为0，从而削弱了无功功率造成的电压损失，故恒功率控制方式较恒电压控制方式具有较好的电网电压质量；其次，仿真分析了风速及负荷的波动对电网电压的影响，得出风速及负荷波动时会导致风电场输出功率的波动，从而引起电网的电压波动，且随着风速及负荷波动程度的增加，风电场输出功率的波动随之增大，从而引起的电网电压波动也越来越大；然后，仿真分析了系统短路容量及线路X/R对电压波动的影响，得出系统短路容量越大，电压波动越小，合适的X/R可有效地减小电压波动；最后，仿真分析了电网同一点分别发生不同类型的短路故障时，风电场的在故障发生时刻、发生期间及故障切除恢复期间风电机组的动态响应，得出三相短路故障时最为严重。49 大学本科生毕业设计（论文）第5章总结与展望5.1总结本文以双馈风力发电机组为对象研究了风电并网的电压波动问题。通过仿真分析了各因素对风电并网引起的电压波动的影响。主要工作总结如下：（1）了解了风力发电系统的概况，学习了三种典型的风力发电系统结构。（2）学习了水平轴和垂直轴风力机的基本工作原理及风力机的空气动力学特性。学习了双馈异步发电机的运行原理及其数学模型。学习了双馈风力发电机组的运行特性及其相应的控制策略，学习了影响风电并网电压波动的各种因素，主要有风况、风电机组的控制方式、电网负荷特性、系统短路容量及线路X/R。（3）在Matlab/Simulink中搭建了用于仿真研究的风速和双馈风电机组并网模型，学会了双馈风电机组仿真模块参数的含义及设置方法。（4）通过仿真分析了风电机组分别在恒电压控制和恒功率控制方式下切入后的运行特性及其对电网的影响，结果表明相同容量的风电场，机组采用恒功率控制方式时几乎不从电网中吸收无功功率，从而削弱了无功功率引起的电压降落，较恒电压控制方式具有相对好的电压质量；当风电场输出稳定后，分析了风速波动对电网电压的影响，得出风速波动越严重，风电场输出功率越不稳定，对电网电压的影响程度越大；分析了风电场出口负荷波动对风电场输出功率的影响，进而分析其对电网电压的影响，得出负荷波动越大，风电场输出功率变化越大，对电网电压的影响越大；分析了系统短路容量对风电并网引起的电压波动的影响，随着短路容量的增加，电压波动减小；分析了线路X/R49 大学本科生毕业设计（论文）比对风电并网引起的电压波动的影响，得出合适的比值可有效地减小电压波动；最后，仿真分析了短路故障下风电场的动态响应，得出电网三相短路故障时对风电场的影响最严重。5.2展望由于时间的限制，本文仅仅分析了双馈型风电机组控制方式、风况、并网点负荷特性、系统短路容量及线路X/R比对风电并网引起的电压波动的影响以及系统发生短路故障时风电机组的动态响应。有关此课题进一步的研究方向是提出并采用一些合理可行的辅助设备，如无功补偿装置、储能装置等来平滑风电场的输出功率，削弱其对电网电压的影响。49 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