風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真(共22頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真摘要：風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源利用方式，近年來在世界范圍內(nèi)獲得了飛速的發(fā)展。本文基于風(fēng)力機(jī)發(fā)電建立模型，主要完成了以下工作：（1）基于風(fēng)資源特點(diǎn)，建立了以風(fēng)頻、風(fēng)速模型為基礎(chǔ)的風(fēng)力發(fā)電理論基礎(chǔ)；（2）運(yùn)用葉素理論，建立了變槳距風(fēng)力機(jī)機(jī)理模型；（3）分析了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行區(qū)域與變槳距控制的原理與方法，并給出了機(jī)組的仿真模型，為風(fēng)力發(fā)電軟件仿真奠定了基礎(chǔ)；（4）搭建了一套基于PSCAD/EMTDC仿真軟件的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型以及完整的風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)模型，并且已初步實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)特性模擬功能。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)頻；風(fēng)速；風(fēng)力機(jī)；變槳距

2、；建模與仿真1 風(fēng)資源及風(fēng)力發(fā)電的基本原理1.1 風(fēng)資源概述（1）風(fēng)能的基本情況1風(fēng)的形成乃是空氣流動的結(jié)果。風(fēng)向和風(fēng)速是兩個描述風(fēng)的重要參數(shù)。風(fēng)向是指風(fēng)吹來的方向，如果風(fēng)是從東方吹來就稱為東風(fēng)。風(fēng)速是表示風(fēng)移動的速度即單位時(shí)間內(nèi)空氣流動所經(jīng)過的距離。風(fēng)速是指某一高度連續(xù)10min所測得各瞬時(shí)風(fēng)速的平均值。一般以草地上空10m高處的10min內(nèi)風(fēng)速的平均值為參考。風(fēng)玫瑰圖是一個給定地點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)向分布圖。通過它可以得知當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。風(fēng)能的特點(diǎn)主要有：能量密度低、不穩(wěn)定性、分布不均勻、可再生、須在有風(fēng)地帶、無污染、分布廣泛、可分散利用、另外不須能源運(yùn)輸、可和其它能源相互轉(zhuǎn)換等。 （2）風(fēng)能

3、資源的估算風(fēng)能的大小實(shí)際就是氣流流過的動能，因此可以推導(dǎo)出氣流在單位時(shí)間內(nèi)垂直流過單位截面積的風(fēng)能，即風(fēng)能密度，表示如下： (1-1)式中,風(fēng)能密度()，是描述一個地方風(fēng)能潛力的最方便最有價(jià)值的量；空氣密度()；風(fēng)速()。由于風(fēng)速是一個隨機(jī)性很大的量，必須通過一段時(shí)間的觀測來了解它的平均狀況，一個地方風(fēng)能潛力的多少要視該地常年平均風(fēng)能密度的大小。因此需要求出在一段時(shí)間內(nèi)的平均風(fēng)能密度，這個值可以將風(fēng)能密度公式對時(shí)間積分后平均來求得。有效風(fēng)能密度還可根據(jù)下式求得 （1-2）式中， 啟動風(fēng)速（）； 停機(jī)風(fēng)速（）； 有效風(fēng)速范圍內(nèi)的條件概率分布密度函數(shù)。 平均風(fēng)能密度則可用下式求得： （1-3）1.

4、2 風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)能具有一定的動能，通過風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速器將旋轉(zhuǎn)的速度提高來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電的。依據(jù)目前的風(fēng)車技術(shù)，大約3m/s的微風(fēng)速度便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理說起來非常簡單，最簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可由葉片和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成如圖1-1所示?？諝饬鲃拥膭幽茏饔迷谌~輪上，將動能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動片葉旋轉(zhuǎn)，如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連就會帶動發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。1.3 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電具有以下特點(diǎn)： 可再生的潔凈能源； 建設(shè)周期短，裝機(jī)規(guī)模靈活，可根據(jù)資金情況決定一次裝機(jī)規(guī)模，有一臺資金就可以安裝一臺投產(chǎn)

5、一臺； 可靠性高，把現(xiàn)代高科技應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使其發(fā)電可靠性大大提高，中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性從80年代的50%提高到了98%，高于火力發(fā)電且機(jī)組壽命可達(dá)20年； 造價(jià)低，運(yùn)行維護(hù)簡單，實(shí)際占地面積??； 發(fā)電方式多樣化，既可并網(wǎng)運(yùn)行，也可以和其他能源如柴油發(fā)電、太陽能發(fā)電、水利發(fā)電機(jī)組形成互補(bǔ)系統(tǒng)，還可以獨(dú)立運(yùn)行； 單機(jī)容量小2 風(fēng)能及風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)模型的建立2.2 風(fēng)頻模型風(fēng)速具有明顯的隨機(jī)性和間歇性。為了較精確地描述風(fēng)速及其變化特性，引入風(fēng)頻分布的概念。風(fēng)頻分布就是風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)概率分布，是衡量風(fēng)能資源分布特性的重要指標(biāo)，它反映了風(fēng)電場某個時(shí)段每一風(fēng)速出現(xiàn)的概率，可以通過分析風(fēng)電場實(shí)際測風(fēng)的原

6、始資料得到。根據(jù)風(fēng)電場實(shí)際測風(fēng)的結(jié)果，假設(shè)風(fēng)速是以小時(shí)平均，按每小時(shí)正點(diǎn)前十分鐘測取，那么在一年之內(nèi)就有N個測點(diǎn)，這樣可得風(fēng)電場實(shí)際的風(fēng)頻分布為： （2-1）式中 風(fēng)速的實(shí)際分布頻率； 一年內(nèi)風(fēng)速出現(xiàn)的次數(shù)； 一年內(nèi)總的測風(fēng)點(diǎn)數(shù)，一般有。風(fēng)電場風(fēng)速符合威布爾分布： （2-2）式中，為風(fēng)速（），為威布爾分布函數(shù)，、為威布爾尺度系數(shù)（）和形狀系數(shù)。利用風(fēng)電場測風(fēng)的結(jié)果，對實(shí)際所得的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出年平均風(fēng)速和風(fēng)速頻率分布，并采用最小逼近法， （2-3）算出威布爾分布參數(shù)、的近似值。從而得到風(fēng)速風(fēng)頻特性的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得到風(fēng)電場風(fēng)能資源分布和評估、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型和發(fā)電量的預(yù)測以及風(fēng)電場并網(wǎng)對

7、系統(tǒng)的影響分析。2.2 風(fēng)速模型 通常用四種成分的風(fēng)速來模擬實(shí)際風(fēng)速：基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。（1） 基本風(fēng)基本風(fēng)反映了風(fēng)場平均風(fēng)速的變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送功率的大小主要由基本風(fēng)決定，它的測得由風(fēng)電場測風(fēng)所得的威布爾分布參數(shù)近似確定。一般認(rèn)為基本風(fēng)在一段時(shí)間內(nèi)不隨時(shí)間變化，可取常數(shù)。 （2-4）圖2-1 基本風(fēng)隨時(shí)間變化曲線圖（2） 陣風(fēng)陣風(fēng)為描述風(fēng)速突然變化的特性，可假設(shè)在該段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速具有余弦特性。 （2-5）式中， 陣風(fēng)幅值（）； 陣風(fēng)周期（）；陣風(fēng)開始時(shí)刻（）。圖2-2 陣風(fēng)隨時(shí)間變化曲線圖（3） 漸變風(fēng)漸變風(fēng)用以描述風(fēng)場穩(wěn)態(tài)能量隨時(shí)間緩慢變化的過程，以風(fēng)速由小變大為例，漸進(jìn)

8、風(fēng)可用下式模型： （2-6）式中， 漸變風(fēng)的最大值； 漸變風(fēng)開始時(shí)刻；漸變風(fēng)結(jié)束時(shí)刻；漸變風(fēng)保持時(shí)間。圖2-3 漸變風(fēng)隨時(shí)間變化曲線圖（4） 隨機(jī)風(fēng)隨機(jī)風(fēng)表示風(fēng)速變化的隨機(jī)特性：隨機(jī)噪聲風(fēng)速。 （2-7）式中， 第個分量的角頻率； 隨機(jī)分量的離散間距； 在0間服從均勻概率密度的隨機(jī)變量； 地表粗糙系數(shù)，一般取0.004； 擾動范圍（）； 相對高度的平均風(fēng)速（）； 風(fēng)速隨機(jī)分量分布譜密度（），通過對其積分便可得短期風(fēng)速數(shù)據(jù)。（5） 合成風(fēng)速模擬實(shí)際作用在風(fēng)力機(jī)上的風(fēng)速為： （2-8） （6）綜合風(fēng)速模型圖2-4 綜合風(fēng)速模型 輸入?yún)?shù)如下： 基本風(fēng)：。 陣風(fēng)：，數(shù)量為1。 漸變風(fēng)：，數(shù)量為1.5

9、. 隨機(jī)風(fēng)：，。仿真結(jié)果如下：圖2-5 綜合風(fēng)速模型仿真結(jié)果在前面我們已經(jīng)討論過，風(fēng)是近似的服從威布爾分布，也就是說，近似的服從正態(tài)分布。如圖2-5所示,在沒有外力風(fēng)速的情況下，由于受隨機(jī)噪聲風(fēng)的影響，風(fēng)速的曲線波動很大，在3s和4s時(shí)分別又受到陣行風(fēng)與漸變風(fēng)的影響，波形也出現(xiàn)了相應(yīng)的波動，其綜合風(fēng)速的最大值可達(dá)到15.96m/s。所示說，用以上的四個風(fēng)的分量在一定的程度上是可以大體的描述風(fēng)的波形，但在一些細(xì)節(jié)上還需要進(jìn)一步修正，所以它的使用范圍是有限的，只是可以用在一些要求的精確程度不高的模型的仿真。2.3 風(fēng)力機(jī)建模與分析2.3.1 風(fēng)力機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程風(fēng)力機(jī)能量轉(zhuǎn)換模型的功率及轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式

10、是根據(jù)流體力學(xué)中氣流的動能計(jì)算公式，并結(jié)合貝茲理論得到的，詳見資料4。風(fēng)力機(jī)簡化模型如下：風(fēng)力機(jī)傳動裝置發(fā)電機(jī)槳距角控制風(fēng)速圖2-6 風(fēng)力機(jī)簡化模型風(fēng)力機(jī)，風(fēng)能的吸收和轉(zhuǎn)換裝置。傳動裝置主要包括輪轂、齒輪箱和傳動軸，起連接和傳動作用。發(fā)電機(jī)，能量轉(zhuǎn)換裝置。在變槳距風(fēng)機(jī)中還應(yīng)包括槳距角控制環(huán)節(jié)。能量轉(zhuǎn)換過程是：風(fēng)能機(jī)械能電能。由文獻(xiàn)6得，風(fēng)力機(jī)軸上的輸出機(jī)械功率為： （2-9）式中， 空氣密度（）； 風(fēng)機(jī)葉輪半徑（）； 葉尖速比，定義為，其中為風(fēng)力機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速（），為等效風(fēng)速（）；槳距角（）； 風(fēng)能利用系數(shù)，是葉尖速比和葉片槳距角的函數(shù)；對于給定的風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)，的表達(dá)式是一定的。一種變槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)

11、能轉(zhuǎn)化效率系數(shù)： （2-10）風(fēng)力機(jī)獲得轉(zhuǎn)矩為： （2-11）定義為轉(zhuǎn)矩系數(shù)， （2-12）注：由推出 （2-13） 對于給定的葉片槳距角，不同的葉尖速比所對應(yīng)的值相差較大； 對于給定的，有且僅有一個固定的能使達(dá)到最大值； 在風(fēng)速不斷變化的情況下,要保持、必須隨著風(fēng)速按照的比例變化，才能保證風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能最大、效率最高。這是采用變速風(fēng)電機(jī)組代替固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組的初衷之一。圖2-7 風(fēng)機(jī)-特性曲線對于變槳距型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，特性可近似表示為： （2-14） 式中，為葉片設(shè)計(jì)常數(shù)，一般取13。2.3.2 風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)定工作區(qū)空間曲面雖然能包含風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的所有狀態(tài)點(diǎn)，但是對于分析不太方便，所以在實(shí)際應(yīng)

12、用中多是取幾個離散的值，畫出平面圖的方法，如下圖所示，取6組值，繪制如下：圖2-8 風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)曲線圖在曲線中，以轉(zhuǎn)矩的最大值為頂點(diǎn)連成的一條線AB，將曲線簇分成了兩部分，其中右側(cè)為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，左側(cè)部分為不穩(wěn)定工作區(qū)域。對比和曲線，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)達(dá)到最大時(shí)，并沒有達(dá)到最大，具體而言，就是最大功率點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值要大于最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的轉(zhuǎn)速值。如圖2-6所示，曲線CD是由最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的連線而成的，曲線EF則是由最大功率點(diǎn)的連線而成。這樣一來，在曲線簇中，CD曲線和EF曲線之間的部分也是穩(wěn)定區(qū)域。2.3.3 基于葉素理論的風(fēng)力機(jī)建?；谌~素理論的風(fēng)輪建模是將葉片分為若干個微元，稱為葉素，通過對葉素的受力分

13、析求得微元轉(zhuǎn)矩，再將所有微元轉(zhuǎn)矩相加得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，在風(fēng)輪半徑處取一長度為的葉素，其弦長為，節(jié)距角為。圖2-9 葉素微元受力分析圖 如上圖所示，來流方向的風(fēng)速為，在半徑為處的風(fēng)輪機(jī)速度為（為風(fēng)輪機(jī)角速度），氣流相對于葉片的相對速度為，則有： （2-15） 葉素 在相對速度為的氣流作用下，受到一個方向斜向上的氣動力的作用。將沿與相對速度垂直及水平方向可分解為升力和阻力，當(dāng)很小時(shí)，可以近似的將葉素面積看成弦長與葉素長度的乘積，可得如下計(jì)算公式： （2-16）氣動力按垂直和平行于旋轉(zhuǎn)平面方向分解為法向力和切向力，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩由切向力產(chǎn)生，則有轉(zhuǎn)矩微元： （2-17） 令，得總轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式：

14、 （2-18）式中， 輪轂半徑； 風(fēng)輪包含的槳葉個數(shù)； 傾斜角(槳距角與攻角之和)。 上式為基于葉素理論的風(fēng)輪模型函數(shù)，可以寫為如下形式：，即風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩為風(fēng)速，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，槳距角的函數(shù)。2.3.4 基于PSCAD風(fēng)力機(jī)模型與仿真 基于PSCAD的風(fēng)力機(jī)模型如下：圖2-10 風(fēng)力機(jī)簡化模型 基于上面的原理及理論公式，仿真結(jié)果如下：圖2-11 風(fēng)輪機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸出及參數(shù)設(shè)置圖2-12 風(fēng)輪機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩模擬仿真結(jié)果圖2-13風(fēng)輪機(jī)機(jī)械功率輸出及參數(shù)設(shè)置圖2-14 風(fēng)輪機(jī)機(jī)械功率模擬仿真結(jié)果由上述兩圖曲線可知，風(fēng)輪機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率都是標(biāo)幺值，則它們的曲線是完全一致的，在03s時(shí)變槳距控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)槳

15、葉節(jié)距使轉(zhuǎn)矩和功率輸出逐漸達(dá)到穩(wěn)定，由于又突然受到在3s與4s分別受到陣行風(fēng)與漸變風(fēng)的影響，從而使波形在這兩個時(shí)間有的突變，之后繼續(xù)達(dá)到穩(wěn)定。3 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型3.1 變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運(yùn)行狀態(tài)，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的起動狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。由于變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到限制,對快速變化的風(fēng)速,通過改變節(jié)距來控制輸出功率的效果并不理想。因此，為了優(yōu)化功率曲線，最新設(shè)計(jì)的變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行功率控制的過程中，其功率反饋信號不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。變槳距系統(tǒng)由風(fēng)速低頻分量和發(fā)

16、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，風(fēng)速的高頻分量產(chǎn)生的機(jī)械能波動，通過迅速改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行平衡，即通過轉(zhuǎn)子電流控制器對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率進(jìn)行控制，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，允許發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，將瞬變的風(fēng)能以風(fēng)輪動能的形式儲存起來；轉(zhuǎn)速降低時(shí)，再將動能釋放出來，使功率曲線達(dá)到理想的狀態(tài)。3.2 變槳距控制系統(tǒng)（1）變槳距控制系統(tǒng)工作原理圖3-1 變槳距控制系統(tǒng)工作原理圖在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)時(shí)前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由速度控制器A根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號與給定信號直接控制；發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，速度控制B與功率控制器起作用。功率控制器的任務(wù)主要是根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給出相應(yīng)的功率曲線，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，并確定速度控制器B的速度給定。節(jié)距的給定參考

17、值由控制器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)給出。如圖3-1所示，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)前，由速度控制器A給出；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)后由速度控制B給出。（2）變距控制變距控制系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)，如圖2-9所示。變距控制器是一個非線性比例控制器，它可以補(bǔ)償比例閥的死帶和極限。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動液壓缸活塞，推動變槳距機(jī)構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化?；钊奈灰品答佇盘栍晌灰苽鞲衅鳒y量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。圖3-2 變距控制結(jié)構(gòu)框圖 （3）速度控制器A轉(zhuǎn)速控制器A在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)或從待機(jī)狀態(tài)重新起動時(shí)投入工作，如圖2

18、-10所示在這些過程中通過對節(jié)距角的控制，轉(zhuǎn)速以一定的變化率上升?？刂破饕灿糜谠谕剿伲?0Hz時(shí)1500轉(zhuǎn)/min）時(shí)的控制。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速±10內(nèi)持續(xù)1s發(fā)電機(jī)將切入電網(wǎng)。圖3-3 速度控制器A控制器包含著常規(guī)的PD控制器和PI控制器，接著是節(jié)距角的非線性化環(huán)節(jié)，通過非線性化處理，增益隨節(jié)距角的增加而減小，以此補(bǔ)償由于轉(zhuǎn)子空氣動力學(xué)產(chǎn)生的非線性，因?yàn)楫?dāng)功率不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩對節(jié)距角的比是隨節(jié)距角的增加而增加的。 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，變槳距系統(tǒng)先將槳葉節(jié)距角快速地轉(zhuǎn)到45°，風(fēng)輪在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速從0增加到1500時(shí)，節(jié)距角給定值從45&

19、#176;線性的減小到5°。這一過程不僅使轉(zhuǎn)子具有高起動力矩，而且在風(fēng)速快速地增大時(shí)能夠快速起動。 （4）速度控制器B 發(fā)電機(jī)切入電網(wǎng)后，速度控制系統(tǒng)B作用。如圖2-11所示，速度控制器B受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)速的雙重控制。在達(dá)到額定值前，速度給定值隨功率給定值按比例增加。額定的速度給定值是1569r/min,相應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率是4%。如果風(fēng)速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率將降低到2%，節(jié)距控制將根據(jù)風(fēng)速調(diào)整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。如果風(fēng)速高于額定值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速通過改變節(jié)距來跟蹤相應(yīng)的速度給定值。功率輸出將穩(wěn)定地保持在額定值上。從圖中可知在風(fēng)速信號輸入端設(shè)有低通濾波器，節(jié)距控制

20、對瞬變風(fēng)速并不響應(yīng)。4風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的模擬仿真分析4.1 無窮大系統(tǒng)模型的建立圖4-1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)無窮大系統(tǒng)模型4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并網(wǎng)模擬仿真分析（1） 發(fā)電機(jī)三相電壓輸出及仿真結(jié)果分析 圖4-2 異步發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)三相電壓輸出及參數(shù)設(shè)置圖4-3 異步發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)三相電壓模擬仿真結(jié)果圖4-4 高壓母線電壓模擬仿真結(jié)果異步發(fā)電機(jī)三相電壓模擬仿真結(jié)果分析如圖4-3所示,在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)前低壓側(cè)電壓為0,在1s時(shí)發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng),電壓突然上升到接近于額定電壓,發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送功率。并網(wǎng)后的功率輸出逐漸趨于穩(wěn)定，這時(shí)的電壓曲線呈正弦曲線形狀變化，向電網(wǎng)輸送額定功率。(2)低壓母線和高壓母線的線電壓輸

21、出及仿真結(jié)果分析圖4-5 低壓母線和高壓母線的線電壓輸出及仿真結(jié)果在正常運(yùn)行時(shí),低壓母線和高壓母線電壓均從0迅速上升并均達(dá)到各自的額定值，然后一直保持穩(wěn)定。低壓母線電壓穩(wěn)定在0.69左右，高壓母線電壓穩(wěn)定在121左右。(3) 低壓母線相電流輸出及仿真結(jié)果分析并網(wǎng)前電流為0,在1s時(shí)斷路器合閘并網(wǎng)，出現(xiàn)很大的沖擊電流，其沖擊電流值達(dá)到11KA，最后開始衰減至0.07KA，然后又開始上升，最后趨于穩(wěn)定,其電流最大穩(wěn)定值為0.64KA。 圖4-6 低壓電流輸出及參數(shù)設(shè)置圖4-7 低壓母線相電流輸出及仿真結(jié)果4.3 變槳距控制系統(tǒng)模擬仿真分析通過控制槳距角的大小的改變就可以控制葉片吸收風(fēng)功率的多少，槳

22、距角的調(diào)節(jié)可以使發(fā)電機(jī)輸出功率平穩(wěn)。圖4-8 變槳距控制系統(tǒng)模擬仿真結(jié)果變槳距控制系統(tǒng)模仿真結(jié)果分析如下： 風(fēng)輪機(jī)啟動時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始自動運(yùn)行于風(fēng)輪葉尖本來值90°，即槳矩角初始值為90度，在機(jī)組起動的過程中逐漸變小，這樣葉片吸收風(fēng)能逐漸增大，葉片的轉(zhuǎn)速也逐漸加快，最后在1.4s時(shí)槳矩角變?yōu)榱?，且保持不變，此時(shí)葉片吸收風(fēng)能達(dá)到了最大。5 結(jié)論本文通過PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)模擬仿真軟件，建立了變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)模型，對加入控制系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)模型的可用性。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略是以風(fēng)速的變化為依據(jù)，風(fēng)能的最大利用效率為目的，為優(yōu)化風(fēng)

23、力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性提出的控制方案。變槳距控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用PI控制器，根據(jù)發(fā)電機(jī)有功功率輸出和風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速反饋來調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距。通過風(fēng)輪機(jī)槳距角控制系統(tǒng)對葉片槳距角進(jìn)行控制，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械部分與發(fā)電機(jī)的電氣部分配合，達(dá)到提高風(fēng)能利用效率及改善供電質(zhì)量的目的。利用風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)來驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可用性，并對各種仿真曲線進(jìn)行分析，從而得出結(jié)論。根據(jù)風(fēng)速模型的仿真曲線，分析風(fēng)輪機(jī)和發(fā)電機(jī)各部分曲線的變化情況和整個系統(tǒng)的仿真曲線圖。在并網(wǎng)以前電壓的波形基本上是正弦形狀的，轉(zhuǎn)速基本上是穩(wěn)定的。并網(wǎng)以后雖然受到了電網(wǎng)的干擾，但轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速后再沒有多大變化；電流的波形雖然是正弦的，但整體的趨向也發(fā)生了相應(yīng)的波動。變槳距控制系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動時(shí)，通過變距來獲得足夠的起動轉(zhuǎn)矩；起動以后，當(dāng)?shù)陀陬~定風(fēng)速運(yùn)行時(shí)的機(jī)組狀態(tài)控制為轉(zhuǎn)速,當(dāng)高于額定風(fēng)速運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片的攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩，使功率輸出保持穩(wěn)定。額定風(fēng)速之后的機(jī)組狀態(tài)控制主要由槳距角調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。得到的控制系統(tǒng)保持了風(fēng)