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Logo风电并网问题的分析主要内容介绍•风力发电系统一、风力发电系统类型二、风力发电系统的模型•风电场稳态分析•一、含双馈异步发电机的工作原理•二、含直驱同步发电机的电力系统潮流计算•三、含直驱永磁同步机和双馈异步机的风电场电力系统潮流计算•风电场并网对系统影响仿真分析风力发电系统一、风力发电系统类型•1、恒速恒频风力发电系统•由普通异步发电机组成•2、变速恒频风力发电系统•双馈异步风力发电机组成•直驱永磁同步发电机组成风力发电系统1、恒速恒频风力发电系统采用普通异步发电机的发电系统并网后普通异步发电机在稳定区内运行，普通异步发电机的风电系统运行于额定转速附近，其滑差变化的范围比较小，发电输出频率变化小。风速增大，风力机传给发电机的机械功率增大，反转转矩和输出功率也随着增大。若转子转速大于同步转速的3%~5%，发电机输出功率达到最大值，一旦转子转速超过这个转速，异步发电机会进入不稳定区，反转转矩减小，转速迅速增大，引起飞车。风力发电系统这种风力发电系统中，异步发电机需要消耗无功功率，当风力发电系统并入电网系统薄弱区域或者风力发电机组装机容量比较大时，为了达到提高整个风力发电系统功率因数的目的，需要通过接入电容器组补偿装置（增加异步发电机的励磁电流）。另外，由于风速变化、传动轴倾斜度的变化以及叶片桨距角变化的影响使得普通异步发电机的力矩发生变化，而这种变化无法通过调节装置进行抑制，这些变化会在风电机组的输出功率中反映出来。可见，在恒定电压的电力系统中，功率波动会以电流波动的形式在电网中表现出来。这些会引起电网电压闪变，影响电网电能质量。风力发电系统2、变速恒频风力发电系统采用双馈异步发电机的风力发电系统•该类风力发电系统不必使风力机组转速保持恒定，而是通过其他控制方式使得频率保持恒定。因此，它能够实现风力机运行在最佳值，从而实现风能的最佳利用。•风力机在额定风速以下是按优化将聚焦定浆距运行，转速有发电机控制系统来控制，同时调节风力机的叶尖速比，以达到实现最大风能系数和最佳功率曲线追踪的目的。风力发电系统2、变速恒频风力发电系统采用双馈异步发电机的风力发电系统•追踪与捕获最大风能是该类风力发电系统的控制目的•主要优点：•运行效率高，可在较大风速范围保持最大功率点和最佳叶尖速比运行。•功率因素可调。输出电能恒频恒压，最大风能捕获的追踪控制，而采用适量变换控制技术控制无功功率使得电网的功率因数得到调节，提高了风电并网系统的静态稳定性和动态稳定性。•变桨距调节更加简单•风电并网实现很好的柔性连接，在并网操作和运行上较普通异步发电系统更容。风力发电系统2、变速恒频风力发电系统采用直驱永磁同步发电机的风力发电系统•无齿轮直接驱动，发电机定子绕组与电网通过变频器连接，并且频率变化的电能经变频器转变为和电网频率相等的恒频电能。•由于有变频器的解耦控制而与电网完全解耦，因此，变频器的控制系统的控制策略决定了改变苏发电机组的特性。•该风力发电机组没有齿轮箱，避免了有关部件的更换或维修，提高了系统结构的可靠性及稳定性。风力发电系统二、风力发电系统的模型•1、风速模型•2、风力机的功率输出特性•3、传动装置模型•4、桨距角控制模型•5、发电机的数学模型•6、风电场的电气接线及风电场模型风力发电系统1、风速模型•Vw(m/s)是风力机感受到轮翼高度H(m)处的风速，对测风速高度Ho(m)处风速Vwo(m/s)进行修正，α为修正系数，取1/7风力发电系统1、风速模型风速具有随机性和问歇性的特点，风速模型采用基于四分量叠加法的模拟风速模型：风力发电系统1、风速模型•基本风一直存在与风机正常运行过程中，可以通过风电场测风的道德威布尔分布参数近似确定，并且此分量不会随时间而变化。•k表示为二部分布的形状参数，A表示威布尔分布的尺度参数，Γ(1+1/k)是伽马函数.风力发电系统1、风速模型•阵风描述风速的突变特性，尤其被用于考虑风电系统在较大风速扰动下的动态特性。•T1G代表阵风启动时间，VWGmax代表阵风最大值，TG代表阵风周期。风力发电系统1、风速模型•渐变风描述风速渐变性能•VWRmax代表渐变风风速的最大值，T1R代表渐变风风速的起始时间，T2R代表渐变风风速的终止时间，TR代表渐变风风速的保持时间。风力发电系统1、风速模型•随机风描述风速随机性能。•F表示扰动范围，Ai表示0~2π之间均匀分布的随机变量，μ表示相对高度的平均风速，Kn表示地标粗糙系数。风力发电系统2、风电机组的功率输出特性•PM为机械功率，单位为W，ρ为空气密度，A为风机叶片的扫掠面积。风力发电系统2、风电机组的功率输出特性•理想风轮机功率特性曲线•当风速在(12~24m/s)范围内时，理想风机速出功率保持恒定，风速在(3~25m/s)范围内时，并且作用在风力达电机组轮翼高度处风速为已知的情况下，可根据P-V特性得到输出的有功功率。风力发电系统3、传动装置模型•风力发电机组的传动部分主要包括风轮（轮毂及叶片）、转轴和齿轮箱。•在电力系统暂态仿真分析中，一般无需建立机械部分传动机构各个环节的详细数学模型，传动部分的损耗也可忽略。风力发电系统3、传动装置模型•齿轮箱和叶片用轮毂来连接，且轮毂具有较大惯性，用一节惯性环节来表示它的两边的转矩如下：•TT表示输入齿轮箱的机械转矩，TW表示风力机叶片的输出转矩，Tk表示转股的惯性时间常数风力发电系统3、传动装置模型•传递发电机和风力机之间转矩的其实是齿轮箱和联轴器，可用下面的动态方程来描述：•Ω表示风力机的机械角速度，Tt表示齿轮箱的惯性时间常数，TM表示发电机的输入转矩和齿轮箱的输出转矩，TT表示齿轮箱的输入机械转矩。风力发电系统3、传动装置模型•风力机的转速在通常亲逛下基本保持不变，即TT≈TM•因此用以下动态方程描述传动部分模型•TW表示风力机的惯性时间常数，TM表示发电机的输入转矩，TW表示风力机叶片的输出转矩风力发电系统3、传动装置模型•风力机的传递函数•VW、VR、Vin、Vout分别表示来风风速、额定风速、风机启动风速以及切出风速；•PW、TW、PM分别表示风力机吸收的风功率、风力机的惯性时间常数以及风力机输出的机械功率。风力发电系统3、传动装置模型•风机的启动风速、额定风速以及切出风速将风能曲线分为四段•f(λ,β)表示风力机叶片气动特征函数，λ表示风力机叶尖速比，β表示桨距角，ρ表示空气密度、A表示风机叶片的扫掠面积，PN表示风力机额定功率风力发电系统4、桨距角控制模型•变桨距风力机可以通过浆距控制系统对叶片的桨距角进行调节，从而使风力机获得的空气动力转矩得到改变，保证输出功率稳定，在一定范围内提高了风能的利用效率。•在调节功率时，变桨距风力机是不能完全依靠叶片的气动性能的，因此在不同情况下，变桨距控制需要采用不同的策略。风力发电系统4、桨距角控制模型•1、风速在额定风速以下时，控制器使桨距角接近于零度，等同于定桨距风力机，此时的风电机组输出功率会随风俗的变化而变化，是的给定风速下的风电机组发出尽量多的电能，完成风电机组功率的寻优。•2、风速在额定风速以上时，变桨距机构调节桨距角，使得风电机组的输出功率保持在额定功率以内（极限值输出功率），同时保护机械机构以避免过载或者使机械受到损坏。风力发电系统4、桨距角控制模型桨距角控制分类：•1、主动失速控制，风电机组的输出功率随着桨距角的减小而降低，主要用于恒速风电机组；•2、桨距角控制，风电机组的输出功率随着桨距角的增加而降低，主要用于变速风电机组。风力发电系统4、桨距角控制模型•变桨距风力机模型，它通过风力机转速偏差量来调节桨距角，动态方程如下：•△Ω表示风力机的转速偏差（△Ω=Ω-Ω0），kp表示增益系数，τ表示调节装置的惯性时间常数风力发电系统4、桨距角控制模型•变桨距风力机转速控制框图风力发电系统5、双馈异步发电机及其控制系统模型•双馈一部风力发电系统模型结构示意图风力发电系统5、双馈异步发电机及其控制系统模型•双馈电机电压和磁链方程是按照电动机正方向的规定，并且在丁字磁场同步旋转的dq坐标系下建立的，方程用标幺值可表示为：风力发电系统5、双馈异步发电机及其控制系统模型•Uds表示定子电压的d轴分量，Uqs表示定子电压的q轴分量，Udr表示转子外加电压的d轴分量，Uqr表示转子外加电压的q轴分量；•p=d/dt表示微分算子，kds表示定子磁链的d轴分量，kqs表示定子磁链的q轴分量，kdr表示转子磁链的d轴分量，kqr表示转子磁链的q轴分量；•Ids表示定子绕组电流的d轴分量，Iqs表示定子绕组电流的q轴分量，Idr表示转子绕组电流的d轴分量，Iqr表示转子绕组电流的q轴分量；•Xss=Xs+Xm，Xrr=Xr+Xm风力发电系统5、双馈异步发电机及其控制系统模型•忽略定子测的电阻和电磁暂态（即pkds=pkqs=0.rs=0），得到双馈异步发电机的动态基本方程如下所示风力发电系统5、双馈异步发电机及其控制系统模型•代入得出风力发电系统5、双馈异步发电机及其控制系统模型•令设•双馈电机的动态方程可表示为风力发电系统5、双馈异步发电机及其控制系统模型•双馈电机动态等值电路风力发电系统5、双馈异步发电机及其控制系统模型•将E、Ur、Is分别用dq分量进行表示风力发电系统5、双馈异步发电机及其控制系统模型•如果风电机组是在定子磁场定向矢量控制下，Uab=0，则由发电机定子绕组电压和电流来决定电磁转矩Mc•Ux是定子绕组电压，Iqs是定子电流q轴分量。风力发电系统5、双馈异步发电机及其控制系统模型•通过以下方程组来表示双馈异步电机的电磁暂态方程•s是电机转差，Mm是发电机输入的机械转矩，Tj是转子惯性时间常数，Mc表示发电机的电磁转矩。风力发电系统5、双馈异步发电机及其控制系统模型•双馈异步风电机的控制系统由三部分组成：转速控制、无功功率控制以及桨距角控制。•在双馈异步风电及组成的动态数学模型中，转子绕组电压dq轴分量Udr和Uqr以及桨距角β是控制变量；•风速v、转子转速以及无功功率控制设定值是输入变量，通过调节转子侧外接电源的电压dq轴分量Udr和Uqr可以实现转速控制和无功功率控制。风力发电系统5、双馈异步发电机及其控制系统模型•控制系统数学模型•a转速控制•转速控制传递函数框图•Kr表示比例积分控制器放大倍数•Tr表示时间常数•通过调节双馈异步发电机的电磁转矩来实现转速控制，即改变电磁转矩要通过调节转子绕组电流q轴分量来进行。风力发电系统•b无功功率控制•恒定功率因数控制传递函数框图•一阶惯性环节平滑输出减小了Idr波动的幅度，TQ是惯性环节的时间常数风力发电系统6、直驱永磁同步发电机模型•直驱永磁同步发电系统有以下几个部分组成：风力机、机械传动系统和桨距角控制系统、永磁同步发电机、转速控制系统、变频器及其控制系统。风力发电系统6、直驱永磁同步发电机模型永磁同步发电机等效电路风力发电系统6、直驱永磁同步发电机模型含双馈异步发电机的电力系统潮流计算•下标s和r分别表示钉子测物理量和转子侧物理量，Us和Is分别表示定子端电压和定子电流，Ur和Ir分别表示转子绕组外接电源的电压和转子电流，rs表示定子绕组的电阻，xs表示定子绕组的电抗，rr表示转子绕组的电阻，xr表示转子绕组的电抗，s表示转差率。•双馈异步风电场在恒定功率因数方式下的潮流计算程序图如下•含直驱永磁同步电机风电场恒定功率因数方式下的潮流计算流程•示例分析系统描述•采用含有大型风电场的IEEE14节电系统，风电场通过变压器和110v双回输电线路接入IEEE节点标准测试系统的14号节点，应用MATLAB进行动态仿真仿真内容•1、各风速下的运行情况•2、负荷扰动下的运行情况•3、网络发生断线、短路故障的情况•4、风电场输出功率短时间内迅速增加、风电场输出功率短时间内迅速降低的情况•1、三种风电场的潮流计算•2、计算电压质量是否满足要求•建立风速模型，用于动态仿真风电机组模型、风电场模型；•利用仿真工具实现包含风电场的电力系统仿真；•通过具体算例的仿真验证所建风电机组模型的正确性和可行性。•风电场在接入电力系统