風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行研究

1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行研究論文題目：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行研究摘要二十世紀(jì)八十年代以來，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電以其獨(dú)特的能源、環(huán)保優(yōu)劣和規(guī)?；б?，得到了長足發(fā)展，從而風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行帶來的各種問題也引起了人們的廣泛關(guān)注。隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電特性對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響越來越顯著，成為制約風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的重要障礙，因此為了進(jìn)一步開發(fā)風(fēng)電造福人類，深入研究風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行后對(duì)電網(wǎng)造成的影響成為迫切需要解決的問題。盡管當(dāng)今風(fēng)電技術(shù)發(fā)展很迅速，各種新型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比以前都有了很大的進(jìn)步，它們對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)面影響也在不斷減少，但目前大多風(fēng)電場(chǎng)仍采用普通異步發(fā)電機(jī)為發(fā)電技術(shù)的恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，異步發(fā)電機(jī)的一

2、些特性使得研究它的并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性帶來的影響成為必要，這個(gè)問題也是本文要研究的主要內(nèi)容。本文在第一章介紹了風(fēng)力發(fā)電的一些發(fā)展現(xiàn)狀，并闡述了跟風(fēng)電有關(guān)的相關(guān)概念，闡明了研究大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的重要意義；在第二章論述了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成及分類，指出了不同風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，并就風(fēng)電的并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響這一問題進(jìn)行了大致分析：在第三章，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各主要組成部分的數(shù)學(xué)模型建起了基于MatlabSimulink仿真環(huán)境下的動(dòng)態(tài)仿真模型；在第四章則主要研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)功率因數(shù)和網(wǎng)損的影響。在第五章主要研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本運(yùn)行特性和并網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能。電

3、壓穩(wěn)定性是一個(gè)很復(fù)雜的問題，本文所作的工作還很少，需要更加深入的研究，為以后風(fēng)電的大規(guī)模應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)電場(chǎng)；并網(wǎng)分析；風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定性論文類型：研究報(bào)告目錄1緒論1研究背景1研究的內(nèi)容和方法1研究意義22風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組5風(fēng)能資源的特點(diǎn)5風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)6風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類型7鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組7交直交變頻并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組8雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組83風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)仿真模型113.1 Matlab仿真軟件的簡介11風(fēng)速模型11基本風(fēng)11陣風(fēng)12漸變風(fēng)12隨機(jī)風(fēng)13風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模式分析13異步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型15異步發(fā)電機(jī)的定子電壓方程15異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁暫

4、態(tài)方程15異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程15異步發(fā)電機(jī)電磁功率方程164風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)方式分析研究17風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)其他性能的影響17風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)功率因數(shù)的影響17風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)網(wǎng)損的影響195風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本運(yùn)行特性和并網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能研究23風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)有功特性與穩(wěn)定極限23靜態(tài)無功特性24短路電流特性25并網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能研究266結(jié)論與展望31聲明緒論研究背景風(fēng)能是一種豐富、清潔和可再生的一次能源，而電力是一種最重要的二次能源。當(dāng)前，世界各國對(duì)于能源安全和環(huán)境保護(hù)等問題愈來愈重視，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為解決能源和環(huán)境問題、滿足可持續(xù)發(fā)展要求的有效和重要手段，得到迅速的發(fā)

5、展，成為全球增長最快的能源。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）介紹，2011年全球風(fēng)電新裝容量41 GW以上，比2010年增加21%，使全球總裝機(jī)容量超過238 GW。迄今全世界已有75個(gè)國家安裝了商業(yè)化風(fēng)電，其中22個(gè)國家超過了1 GW。中國超過美國，成為世界上風(fēng)電設(shè)備制造大國和風(fēng)電裝機(jī)容量最多的國家。在我國，風(fēng)力發(fā)電同樣得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展，截至2010年底，中國成為全球最大風(fēng)電裝機(jī)國，中國全年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)達(dá)1600萬千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到萬千瓦，首次超過美國，躍居世界第一。風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展對(duì)能源、環(huán)境、制造等各個(gè)領(lǐng)域帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，也得到了不同領(lǐng)域人們的關(guān)注。對(duì)于電力系統(tǒng)，作為一種

6、不同于傳統(tǒng)火電、水電或核電的發(fā)電型式，風(fēng)力發(fā)電至少有三個(gè)新的特點(diǎn)：（1）作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)的風(fēng)力機(jī)，其出力受到自然界風(fēng)速變化的影響，并在本質(zhì)上不受人們的控制；（2）風(fēng)力發(fā)電采用了各種新型的發(fā)電機(jī)組，它們與傳統(tǒng)發(fā)電型式中的同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行和控制特性方面有著很大的差異，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量遠(yuǎn)小于當(dāng)代火力、水力或核能發(fā)電廠中的主流發(fā)電機(jī)組；（3）風(fēng)力發(fā)電受到風(fēng)能資源地域性分布的限制，大多位于電網(wǎng)相對(duì)薄弱的地區(qū)、電網(wǎng)末端、甚至遠(yuǎn)離現(xiàn)有電網(wǎng)的地區(qū)。風(fēng)力發(fā)電的這些新的特點(diǎn)將為其并網(wǎng)運(yùn)行的電力系統(tǒng)帶來許多新的特性和影響，尤其在當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電容量快速增長、局部電網(wǎng)有可能以風(fēng)力發(fā)電為主要電源的情況下，風(fēng)力發(fā)

7、電對(duì)電力系統(tǒng)的影響不容忽視。因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行特性的研究是當(dāng)前電力工作者迫切需要解決的一個(gè)課題。研究的內(nèi)容和方法本研究的主要目的有以下幾點(diǎn)：分析各種因素作用下風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的影響、研究風(fēng)力發(fā)電最大并網(wǎng)容量的限制性條件、研究并提出改善風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的措施。為此，本研究的主要內(nèi)容有：（1）研究風(fēng)能資源的特點(diǎn)，及其對(duì)風(fēng)力發(fā)電的基本要求。風(fēng)能資源雖然是易于變化和不可控制的，但是它也遵循一定的規(guī)律，對(duì)這些規(guī)律的研究和把握是開展與風(fēng)力發(fā)電有關(guān)的各類研究的基礎(chǔ)；（2）主要風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型的對(duì)比研究。通過長期的發(fā)展，目前形成了幾種不同的主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型，它們的原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性和對(duì)電

8、力系統(tǒng)的影響都是不盡相同的，在開展深入研究之前，有必要對(duì)它們的基本特性開展研究和對(duì)比；（3）風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)性能研究。電壓水平是電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的重要指標(biāo)，一般認(rèn)為，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行主要受到電壓的制約，所以，本部分的研究重點(diǎn)是風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行后電力系統(tǒng)的電壓特性，包括不同系統(tǒng)配置和風(fēng)力發(fā)電對(duì)電壓的影響，以及電壓變化對(duì)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)容量的限制。對(duì)于在配電網(wǎng)接入系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電，它將改變局部電網(wǎng)的潮流流向和大小，因此對(duì)網(wǎng)損、功率因數(shù)等指標(biāo)有著相應(yīng)的影響，這也屬于本部分的研究內(nèi)容。本部分研究以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)靜態(tài)有功與無功特性為基本依據(jù)，主要采用基于潮流的研究方法；（4）風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能研究。風(fēng)

9、力發(fā)電經(jīng)常處于風(fēng)速變化的擾動(dòng)之中，由此引發(fā)的動(dòng)態(tài)過程是風(fēng)力發(fā)電的顯著特點(diǎn)；此外，由于風(fēng)力發(fā)電采用了新型的發(fā)電機(jī)，其動(dòng)態(tài)性能也不同于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)，這些因素對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響是本部分研究的重點(diǎn)，主要包括：風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)過程動(dòng)態(tài)、風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動(dòng)和閃變、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)諧波研究、風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)故障等暫態(tài)過程中的特性及其穩(wěn)定與控制和風(fēng)力發(fā)電對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的影響等。本部分研究在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制原理和動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上，主要采用時(shí)域仿真的研究方法，并采用頻域分析等方法作為必要的補(bǔ)充。研究意義隨著能源的短缺及環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，分布式發(fā)電(DG，Distributedgeneration)以其一

10、次能源的豐富性、環(huán)境友好性及裝機(jī)方式的靈活性逐漸成為電力系統(tǒng)新的研究熱點(diǎn)其中風(fēng)力發(fā)電是近年來得以迅速發(fā)展的一種發(fā)電形式，具有發(fā)電技術(shù)比較成熟、發(fā)電價(jià)格較低、建設(shè)周期較短等優(yōu)點(diǎn)，在未來電力系統(tǒng)發(fā)展中將占有重要的地位。風(fēng)力發(fā)電形式可分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電是近幾年來風(fēng)電發(fā)展的主要趨勢(shì)，也是本文的研究重點(diǎn)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電通常是由多臺(tái)大容量(50KW-2MW)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成，被稱為大型風(fēng)電場(chǎng)。大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行多具有以下特點(diǎn)舊：1)輸入風(fēng)能的變化有隨機(jī)性；2)大多風(fēng)電場(chǎng)距離電力主系統(tǒng)和負(fù)荷中心較遠(yuǎn)。所以一般風(fēng)電場(chǎng)與地方薄弱電聯(lián)結(jié)；3)含異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)向系統(tǒng)輸送有功功率，吸取

11、無功功率；4)原來的地方電力系統(tǒng)的線路按常規(guī)設(shè)計(jì)建設(shè)，缺乏電雎控制設(shè)備和措施。因此，隨著風(fēng)電容量在電網(wǎng)的比例迅速增加，并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓問題逐漸暴露出來。大功率風(fēng)電在運(yùn)行時(shí)將對(duì)系統(tǒng)的電雎穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，應(yīng)從早期的小型風(fēng)電場(chǎng)引起的電能質(zhì)量問題研究上升到對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性的研究另外，風(fēng)電場(chǎng)的電壓穩(wěn)定性是制約并網(wǎng)風(fēng)電容量的一個(gè)重要因素，所以為了更多、更有效地利用風(fēng)能造福于人類，研究并網(wǎng)風(fēng)電特別是大型風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性有很大的意義。本文所作的主要工作是這樣的：l、描述了當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的常用類型及其組成部分2、對(duì)定槳矩+鼠籠型異步發(fā)電機(jī)和變槳矩+雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了描述，并

12、在MatlabSimulink基礎(chǔ)上，得到了仿真模型。3、基于仿真模型分析大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的影響。風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能資源的特點(diǎn)風(fēng)能資源狀況是發(fā)展風(fēng)力發(fā)電最基礎(chǔ)的工作。風(fēng)速概率分布是體現(xiàn)風(fēng)能資源統(tǒng)計(jì)特性的重要指標(biāo)，也是在風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和并網(wǎng)技術(shù)研究中所必須的重要依據(jù)。風(fēng)是自然界的產(chǎn)物，人們目前還無法對(duì)其進(jìn)行有效的控制，但是風(fēng)速的變化和分布也是有一定的規(guī)律可循的。簡言之，風(fēng)速可分解為緩慢變化的分量和快速變化的分量。在一定的時(shí)間尺度上，風(fēng)速的平均值可以認(rèn)為是不變的，這種平均值就是緩慢變化的分量。如人們常取10分鐘的風(fēng)速平均值進(jìn)行研究，通過長年累月的風(fēng)速觀測(cè)，用該平均值來估計(jì)觀測(cè)

13、地風(fēng)力資源的狀況，風(fēng)能研究領(lǐng)域中常用來表示風(fēng)速統(tǒng)計(jì)狀況的Weibull分布就是這種風(fēng)速平均值的一種反映。在人們需要從長期的角度進(jìn)行研究時(shí)，Weibull分布是一種非常有效的工具。在圖2-1中，給出了長期風(fēng)速Weibull分布在不同參數(shù)下的曲線。圖2-1不同參數(shù)下的Weibull型風(fēng)速分布曲線在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)研究中，還需要對(duì)風(fēng)速的快速變化分量進(jìn)行研究和建模。一種做法是將風(fēng)速分解為四種分量，其中基本風(fēng)表示慢速變化分量，陣風(fēng)、斜坡分量和背景噪聲組成了快速變化分量，且陣風(fēng)是快速變化分量的主要部分。但是這種模型難以確定陣風(fēng)或斜坡分量參數(shù)的方法?，F(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究中，還往往采用平均風(fēng)速分量與湍流分

14、量相疊加的風(fēng)速模型。在這種模型中，平均風(fēng)速可在數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘的時(shí)間尺度內(nèi)保持不變，風(fēng)速的變化由湍流分量給出。這時(shí)，湍流可以看作是一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過程，并且滿足兩個(gè)條件：一是風(fēng)速序列與平均風(fēng)速的偏差服從零均值高斯分布，二是風(fēng)速序列滿足一定的功率譜密度。這里的第一個(gè)條件限定了風(fēng)速變化的范圍，第二個(gè)條件則限定了風(fēng)速變化的頻率和幅度，這對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為是至關(guān)重要的。風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能以便加以利用的技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模取決于對(duì)風(fēng)能利用的大小。在這個(gè)過程中，風(fēng)力機(jī)是原動(dòng)機(jī)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，然后帶動(dòng)各種類型的發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，再通過輸、變電系統(tǒng)接入大規(guī)模電網(wǎng)、或

15、者就近組成孤立供電系統(tǒng)。所以，風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電的源頭，風(fēng)力發(fā)電的特性在很大程度上與風(fēng)力機(jī)有關(guān)。對(duì)一臺(tái)實(shí)際的風(fēng)力機(jī),其機(jī)械輸出功率PWT(v)可以下式表示：(2-1)其中，為空氣密度，為風(fēng)速，為風(fēng)力機(jī)掃略半徑，為風(fēng)能利用系數(shù)，表示風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)軸上輸出機(jī)械能的效率。不是一個(gè)常量，而是隨著風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化的，通常表示為風(fēng)力機(jī)葉尖線速度和風(fēng)速的比值“尖速比（TSR）”的函數(shù)，的定義為：(2-2)其中，為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速。隨的變化的典型曲線如圖2-2所示。對(duì)于定槳距角的風(fēng)力機(jī)，它的Cp-曲線是確定的；而對(duì)于變槳距風(fēng)力機(jī)，它的Cp-曲線隨著槳距角在一定范圍內(nèi)的變化大致做上下平移，對(duì)于某一固定的槳距角來

16、說也是確定的。由圖2-2可知，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp只有在一個(gè)特定的最優(yōu)尖速比opt下才達(dá)到最大值Cpmax，而由式(2-2)知，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仍然保持某一固定的轉(zhuǎn)速，那么必將偏離其最優(yōu)值opt，從而使Cp降低，即降低了風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率。所以，為了提高風(fēng)能利用效率，必須使得風(fēng)速變化時(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速也隨之變化從而保持最優(yōu)尖速比和最大風(fēng)能利用系數(shù)，這就是變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)誕生和發(fā)展的一個(gè)主要原因。圖2-2典型風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)與尖速比特性曲線1888年，在美國出現(xiàn)了用風(fēng)機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)給電池組充電的系統(tǒng)，隨后，又出現(xiàn)了用這種變速直流發(fā)電機(jī)帶動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，但只能用于對(duì)電壓要求不

17、高的場(chǎng)合，因?yàn)樽兯僦绷靼l(fā)電機(jī)所發(fā)的電壓隨轉(zhuǎn)速而變化。這些變速直流發(fā)電系統(tǒng)曾得到了很大的發(fā)展；但是，它們隨著交流電、變壓裝置、電網(wǎng)互聯(lián)等技術(shù)的出現(xiàn)而逐漸被交流互聯(lián)系統(tǒng)取代，只在偏遠(yuǎn)的、不便直接和電網(wǎng)連接的地區(qū)還有用途，作為獨(dú)立小系統(tǒng)的電源。在能源問題日益突出的今天，風(fēng)能作為清潔的可再生能源，越來越受到各國政府和科研工作者的重視，人們?cè)诓粩嗵剿黠L(fēng)力發(fā)電的新技術(shù)，試圖將風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)穩(wěn)定地連接起來，以便更好的利用風(fēng)電。這個(gè)問題的關(guān)鍵在于發(fā)電機(jī)（系統(tǒng)）輸出電壓的頻率要與電網(wǎng)相同。為解決這個(gè)問題，人們使用了各種型式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，下面分別具體進(jìn)行闡述。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類型鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力

18、發(fā)電機(jī)穩(wěn)定的頻率，人們發(fā)明了恒速風(fēng)機(jī)，與之對(duì)應(yīng)，得到廣泛應(yīng)用的就是鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。其發(fā)電機(jī)采用籠型轉(zhuǎn)子，通過齒輪箱與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子相連，因風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，一般為2030 轉(zhuǎn)/分，而發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，一般為數(shù)百至數(shù)千轉(zhuǎn)。圖2-3鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這種發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子不需要外加勵(lì)磁，沒有滑環(huán)和電刷，因而其結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，基本上無需維護(hù)。但它也有幾個(gè)明顯的缺點(diǎn)，首先，鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要吸收大量的無功，而且有功功率輸出越多所需要吸收的無功功率也越多，這是對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行很不利的，為此，發(fā)電機(jī)定子側(cè)往往需要裝設(shè)無功功率補(bǔ)償裝置，如圖2-3所示的并聯(lián)電容器，但這仍不能滿足動(dòng)

19、態(tài)運(yùn)行的需要；其次，這種發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速變化較小，但根據(jù)前述的風(fēng)力機(jī)工作原理，恒速風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用效率較低。交直交變頻并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電能變換裝置在風(fēng)力發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用并起到了重要的作用。為了提高風(fēng)能利用效率，必須實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。由于電力電子變流裝置可以實(shí)現(xiàn)電壓、頻率的變換，因此，在發(fā)電機(jī)變速運(yùn)行情況下，無論其發(fā)出的電能具有怎樣的電壓和頻率，都可以用變流裝置進(jìn)行變換，然后并網(wǎng)。圖2-4示出了近來得到快速發(fā)展的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。它采用同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)連接時(shí)，變速裝置可有可無，因發(fā)電機(jī)電子電壓總是變化的，然后經(jīng)過變流裝置并網(wǎng)。圖

20、2-4交直交變頻并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這種型式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)了變速運(yùn)行，風(fēng)能利用效率較高，而且經(jīng)過變流裝置并網(wǎng)，使得機(jī)電系統(tǒng)解耦，不存在同步電機(jī)的功角穩(wěn)定問題，變流裝置還具有一定的無功功率控制能力，改善了風(fēng)力發(fā)電的電壓問題。但這種發(fā)電機(jī)組的變流裝置容量至少與發(fā)電機(jī)額定容量相等，使得成本較高且運(yùn)行損耗較大。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)是一種繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)，與籠型感應(yīng)電機(jī)不同的是，其轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷與一個(gè)雙向變流器相連接，如圖2-5所示。圖2-5雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子變流器可以在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間進(jìn)行雙向能量交換，并

21、改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的電壓、頻率和相位，實(shí)際上具有提供勵(lì)磁電流的功能。因此，這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)變速運(yùn)行，追蹤最佳尖速比，從而提高風(fēng)能利用效率；更重要的是，它具有控制無功功率的能力，可以吸收或發(fā)出無功功率、以及運(yùn)行在單位功率因數(shù)下，所以獲得了較好的電網(wǎng)連接特性；同時(shí)，該轉(zhuǎn)子變流器的容量一般為發(fā)電機(jī)額定容量的30%，降低了系統(tǒng)的成本和運(yùn)行損耗。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)仿真模型分析風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電壓的動(dòng)態(tài)特性需要建立合理的仿真數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算。仿真數(shù)學(xué)模型的建立與研究對(duì)象和仿真精度的要求有關(guān)。本文將以由定槳矩加普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)組成的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各組成部分建立起相應(yīng)的仿真模型，然后對(duì)變槳矩

22、+雙饋異步發(fā)電機(jī)紐成的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型作了簡要描述，以便與進(jìn)行仿真比較。恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性，所以對(duì)風(fēng)速模型及風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力機(jī)及異步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)仿真模型都需要進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)學(xué)分析。Matlab仿真軟件的簡介Matlab仿真軟件是由美國Mathworks公司開發(fā)的大型軟件在Matlab軟件中包括了兩大部分：數(shù)學(xué)計(jì)算和工程仿真。其數(shù)學(xué)計(jì)算部分提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能；在工程仿真方面，Matlab提供的軟件支持幾乎遍布各個(gè)工程領(lǐng)域，并在不斷完善之中。以往的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)，往往局限于研究人員自己建模與仿真其數(shù)學(xué)模型是否真實(shí)描述實(shí)際情況，將很大程度上影響到仿

23、真是否取得成功。在Matlab涉及電力系統(tǒng)仿真方面以后，憑借其自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合眾多電力系統(tǒng)領(lǐng)域的專家，開發(fā)出了電力系統(tǒng)仿真工具箱，為電力系統(tǒng)的仿真提供了一個(gè)強(qiáng)有力的平臺(tái)在其中的Simulink仿真環(huán)境中，用戶可以直接搭建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，仿真更為快捷利用Simulink所提供的輸入信號(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)圖所描述的系統(tǒng)施加激勵(lì)，利用其提供的輸出裝置獲得系統(tǒng)的響應(yīng)，即數(shù)據(jù)和時(shí)問響應(yīng)曲線，成為圖形化、模塊化方式的控制系統(tǒng)仿真，是控制系統(tǒng)仿真工具的進(jìn)步。另外，Simulink包括各種結(jié)構(gòu)圖模塊，且有系統(tǒng)文件(s函數(shù))的設(shè)計(jì)方法，使仿真手段更加靈活本章的模型將是基于MatlabSimulink仿真環(huán)境下建立的模型。

24、風(fēng)速模型風(fēng)是大自然的產(chǎn)物，風(fēng)速自然也是不可測(cè)量的，具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性。有很多文章把風(fēng)速分成四個(gè)部分來模擬，即：基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸近風(fēng)和隨機(jī)噪聲風(fēng)，現(xiàn)分別介紹如下：基本風(fēng)由于基本風(fēng)與白噪聲的相似性，常用以下方程來代表基本風(fēng)速：其中𝑉𝑤𝑖𝑛𝑑為模擬的風(fēng)速；m（t）為自噪聲；𝑇𝛾=9秒為時(shí)間常數(shù)；b=（m/s）為基本風(fēng)。實(shí)際仿真可以忽略其他微變量，以固定常數(shù)13.5(m/s)為基本風(fēng)。陣風(fēng)陣風(fēng)是用于描述風(fēng)速突然變化的特性，在風(fēng)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真中，常用它來考察系統(tǒng)在較大風(fēng)速下的動(dòng)態(tài)特性，其數(shù)

25、學(xué)描述如下：式3-4中𝑉𝑐𝑜𝑠為陣風(fēng)風(fēng)速，𝑉𝑊𝐶𝑚𝑎𝑥為陣風(fēng)風(fēng)速最大值，式3-3中𝑇𝐺為陣風(fēng)周期，𝑇𝐼𝐺為陣風(fēng)起動(dòng)時(shí)間。漸變風(fēng)式3-5中𝑉𝑗𝑏、𝑅𝑚𝑎𝑥、𝑇1𝑅、𝑇2𝑅、⻓

26、9;𝑅分別為漸變風(fēng)速（m/s）,最大值10（m/s），起始時(shí)間（s）。終止時(shí)間（s）、保持時(shí)間（s）。隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速變化的隨機(jī)特性可用隨機(jī)噪聲風(fēng)速成份來表示：式3-6中𝜑𝑖為0-2之間均勻分布的隨機(jī)變量，式3-7中𝐾𝑁為地表粗糙系數(shù)，一般取，𝐹為擾動(dòng)范圍（𝑚2），為相對(duì)高度的平均風(fēng)速（m/s），𝑆𝑉(𝜔i)為風(fēng)速隨機(jī)分量分布譜密度（𝑚2/s），通過對(duì)功率譜密度函數(shù)進(jìn)行積分即可得到短期的風(fēng)速數(shù)據(jù)。隨機(jī)風(fēng)的模型通過編寫S函數(shù)來實(shí)

27、現(xiàn)。于是，作用在整個(gè)風(fēng)力機(jī)上的風(fēng)速就是以上四種風(fēng)速的綜合。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模式分析風(fēng)力機(jī)通過葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪毅上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，風(fēng)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系可用下式表示：式3-9中𝑀𝑤為風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)矩（）為空氣密度（kg/m3）；V𝑤為作用于風(fēng)力機(jī)風(fēng)速（m/s）；R為葉片半徑（m）；為葉片機(jī)械角速度（rad/s）；𝑁為風(fēng)力機(jī)額定機(jī)械角速度（rad/s）；𝑃𝑁為風(fēng)力機(jī)額定功率（KW）；=R𝑉𝑤為葉尖速率比；C𝑝為風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變

28、化時(shí)，風(fēng)力機(jī)運(yùn)行點(diǎn)要發(fā)生改變。為盡可能提高風(fēng)力機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)力機(jī)輸出功率平穩(wěn)，風(fēng)力機(jī)要進(jìn)行槳距調(diào)整。風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)是葉尖速率比和槳距角的函數(shù)，即C𝑝=(,)。對(duì)于定槳距型（失速型）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，C𝑝特性可近似表示為：式3-10中，B為葉片數(shù)；𝐿𝐷為升力比。對(duì)于定槳矩風(fēng)力機(jī)，Cp（五）是五的非線性函數(shù)，有些文章把它通過一個(gè)多系數(shù)方來模擬，從參考文獻(xiàn)中6中可以得到定槳矩風(fēng)力機(jī)的C𝑝（）曲線，見圖3-3。圖3-3 典型風(fēng)力機(jī)的C𝑝特性曲線對(duì)于風(fēng)力機(jī)，考慮葉片和輪毅的非剛性、齒輪箱與聯(lián)軸器和發(fā)電機(jī)

29、的柔性連接等特點(diǎn)，采用2階模型。風(fēng)能轉(zhuǎn)矩從葉片到傳遞到輪毅的非剛性，用一階慣性環(huán)節(jié)來表示：式3-11中𝑀𝑙為輪毅轉(zhuǎn)矩（p.u.），𝑀𝑤為葉片側(cè)機(jī)械轉(zhuǎn)矩（p.u.），𝑇𝑕為慣性時(shí)間常數(shù)（s）。式3-12中為機(jī)械角速度（p.u.），𝑀𝑙為齒輪箱聯(lián)軸器輸入側(cè)機(jī)械轉(zhuǎn)矩（p.u.），𝑀𝑚為齒輪箱聯(lián)軸器齒輪箱輸出，即發(fā)電機(jī)側(cè)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩（p.u.），𝑇𝑕為慣性時(shí)間常數(shù)（s）。異步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型一般來說，在分析風(fēng)電

30、對(duì)電網(wǎng)影響時(shí)，通常對(duì)異步機(jī)進(jìn)行一些簡化，并基于以下幾條假設(shè)：1）定子和轉(zhuǎn)子繞組沿著氣隙按正弦分布。并考慮到與轉(zhuǎn)子之間的相互作用；2）定子槽不引起轉(zhuǎn)子電感的波動(dòng)，轉(zhuǎn)子槽也不引起定子電感的波動(dòng)；3）不考慮磁滯現(xiàn)象和飽和現(xiàn)象；4）定子和轉(zhuǎn)子的繞組都是對(duì)稱分布的；5）所有繞組的電容都可忽略。在風(fēng)電場(chǎng)及風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)過程數(shù)值仿真中，需要建立異步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型。電力系統(tǒng)穩(wěn)定研究中，通?？紤]異步發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)過程進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定分析。對(duì)于普通異步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，常用的有兩種，一種是較詳細(xì)的模型，包括定子和轉(zhuǎn)子回路的電磁暫態(tài)；另一種是簡化模型，與詳細(xì)模型相比較而言，它忽略了定子暫態(tài)。有研究結(jié)果表明：用

31、忽略定子暫態(tài)的模型和考慮其影響的模型，結(jié)果相差不大，反而忽略定子暫態(tài)的模型更加精確。不過要注意的是，研究的目的與模型的選擇有直接的關(guān)系，不能一概而論。我們將考慮異步發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)過程，采用如下3階模型。異步發(fā)電機(jī)的定子電壓方程式3-13中𝑉𝑠、𝐼𝑠和𝑟1分別為發(fā)電機(jī)定子電壓、輸出電流和電阻（P.u.）；𝑥為發(fā)電機(jī)等效暫態(tài)電抗（p.u.）；𝐸為異步發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢(shì)（p.u.）。異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電磁暫態(tài)方程式3-15中𝑇𝑑0=𝑥2+w

32、909;𝑚2𝜋𝑓0𝑟2為定子繞組開路時(shí)轉(zhuǎn)子繞組的時(shí)間常數(shù)（S）；𝑠為異步發(fā)電機(jī)滑差；x=𝑥1+𝑥𝑚，𝑥1和𝑥𝑚分別為發(fā)電機(jī)定子漏抗和激磁電抗（p.u.）；𝑓0為系統(tǒng)頻率（Hz）。異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程式3-16中𝑝𝑒𝑚和𝑝𝑚（𝑀𝑚）分別為發(fā)電機(jī)的電磁功率和輸入機(jī)械功率（轉(zhuǎn)矩）；𝑇

33、;𝐽為異步發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)（s）。異步發(fā)電機(jī)電磁功率方程式3-17中𝑅𝑒()為取實(shí)部，𝜔為電角速度（p.u.），𝑀𝑒𝑚為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)方式分析研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)其他性能的影響本節(jié)主要研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)功率因數(shù)和網(wǎng)損的影響。研究范圍主要在配電網(wǎng)層次，并歸納成為一個(gè)35kV系統(tǒng)，如圖4-所示。該系統(tǒng)雖然簡單，但具有一般性。圖中，系統(tǒng)母線表示高壓變電站的35kV母線，該母線的第i根線路末端為一個(gè)35kV變電站，向用戶提供電能，并接入有一定數(shù)量的

34、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。正常方式下，負(fù)荷為12MVA，功率因數(shù)為。線路長度為10km。根據(jù)現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)定，對(duì)線路i始端（即系統(tǒng)母線側(cè)）的功率因數(shù)和線路i與變電站組成的35kV網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)損有一定的要求。本節(jié)將研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)后，對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的影響。圖4-1風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)簡化通用系統(tǒng)圖風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)功率因數(shù)的影響首先研究線路為10km電纜時(shí)的情形。當(dāng)負(fù)荷保持12MVA，功率因數(shù)為的情況下，隨著風(fēng)力發(fā)電容量的不斷增大，負(fù)荷所需的有功功率將逐漸由風(fēng)力發(fā)電就近供給，線路上的有功潮流逐漸減小，直至為零，如果此后繼續(xù)增大風(fēng)力發(fā)電出力，線路有功潮流將倒送至系統(tǒng)母線。而無功功率的情況比較復(fù)雜，主要取決于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的

35、運(yùn)行方式、即發(fā)出無功功率還是吸收無功功率。具體的分析結(jié)果如圖4-1所示。由圖4-1知，不論風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率因數(shù)如何，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)容量不斷增大時(shí)，線路i始端的功率因數(shù)將不斷減小，并隨著有功功率流向的變化，該功率因數(shù)出現(xiàn)了一個(gè)由正到負(fù)的變化。這說明，在負(fù)荷側(cè)有風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的情況下，線路始端功率因數(shù)的變化已不能反映負(fù)荷本身真正的功率因數(shù)水平。圖4-1風(fēng)力發(fā)電容量對(duì)配電網(wǎng)線路（電纜）功率因數(shù)的影響當(dāng)線路i為10km架空線時(shí)，在同樣的負(fù)荷水平下，其始端功率因數(shù)隨風(fēng)力發(fā)電容量變化的關(guān)系曲線如圖4-2所示。該曲線的趨勢(shì)與圖4-1基本一致，僅由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率因數(shù)的不同而有細(xì)微的差別。圖4-2風(fēng)力發(fā)電容

36、量對(duì)配電網(wǎng)線路（架空線）功率因數(shù)的影響除風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率因數(shù)之外，對(duì)配電饋線始端功率因數(shù)有較大影響的因素還有負(fù)荷水平。對(duì)10km電纜線路，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率因數(shù)等于1、負(fù)荷功率因數(shù)保持而負(fù)荷水平分別為30、24、12、6MVA時(shí)，配電饋線始端功率因數(shù)隨風(fēng)力發(fā)電容量變化的曲線如圖4-3所示。圖4-3風(fēng)力發(fā)電容量對(duì)配電網(wǎng)線路（架空線）功率因數(shù)的影響由上圖可見，負(fù)荷水平能夠在很大程度上改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)于配電饋線始端功率因數(shù)的影響。風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)網(wǎng)損的影響風(fēng)力發(fā)電接入電力系統(tǒng)后，局部網(wǎng)絡(luò)的潮流將被改變，由此會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)損耗的變化。這種網(wǎng)絡(luò)潮流和網(wǎng)絡(luò)損耗的變化仍然可以用圖4-所示的抽

37、象了的通用系統(tǒng)進(jìn)行研究。圖中，系統(tǒng)母線與變電站低壓母線構(gòu)成了一個(gè)簡單的電力網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)兩端都有電源，其中一端接有負(fù)荷，顯然，該網(wǎng)絡(luò)接收的電能和供應(yīng)的電能是不相等的，它們之間的差額就是網(wǎng)絡(luò)的損耗。由于能量損耗的計(jì)算依賴于實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電曲線和負(fù)荷曲線，故本研究主要針對(duì)其功率損耗。圖4-中的簡單網(wǎng)絡(luò)包含有長度為10km的線路和容量為31500KVA的變壓器。研究的基本工況為負(fù)荷12MVA，功率因數(shù)。首先研究當(dāng)線路為電纜的情況。研究中，使風(fēng)力發(fā)電出力從零不斷增加到30MVA，并分別運(yùn)行在1、和的功率因數(shù)下，觀察網(wǎng)絡(luò)中功率損耗的變化情況，如圖4-4所示。圖4-4風(fēng)力發(fā)電出力和功率因數(shù)對(duì)網(wǎng)損的影響（電纜）

38、由圖4-4知，在各種發(fā)電機(jī)功率因數(shù)情況下，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電容量不斷增長時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗都出現(xiàn)了一個(gè)先減后增的過程，網(wǎng)損的最低值出現(xiàn)在負(fù)荷水平與風(fēng)力發(fā)電出力相當(dāng)?shù)那闆r下，但該風(fēng)力發(fā)電出力的具體數(shù)值隨發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的不同而有差別。圖4-5風(fēng)力發(fā)電出力和功率因數(shù)對(duì)網(wǎng)損的影響（架空線）圖4-5示出線路為架空線時(shí)的網(wǎng)損曲線。該曲線與圖4-4趨勢(shì)一致，而由于架空線與電纜參數(shù)的區(qū)別，使得采用架空線的電力網(wǎng)絡(luò)具有較高的網(wǎng)損。在各種發(fā)電機(jī)功率因數(shù)和線路種類情況下，當(dāng)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)為吸收無功時(shí)，網(wǎng)損的整體水平較高，而當(dāng)風(fēng)力發(fā)電容量不斷增大時(shí)，這種差別愈加明顯。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本運(yùn)行特性和并網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能研究風(fēng)力發(fā)電

39、機(jī)組的靜態(tài)有功特性與穩(wěn)定極限雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。其轉(zhuǎn)子為繞線式繞組，可以外接有源或者無源設(shè)備與裝置，從而使發(fā)電機(jī)本身具有一定的控制能力。在實(shí)際的雙饋式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，轉(zhuǎn)子繞組通過一個(gè)雙向的變流裝置與定子（電網(wǎng)）側(cè)相連，通過轉(zhuǎn)子繞組外加電壓和輸入電流的變化，達(dá)到控制發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的目的。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外加為三相交流電壓，其變化范圍不是一條線，而是一個(gè)面，無法用類似于鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的P-s曲線來描述。對(duì)于這種系統(tǒng)，可以用特征值分析的方法研究它在各運(yùn)行點(diǎn)的靜態(tài)穩(wěn)定性。首先將描述系統(tǒng)的非線性方程組線性化，根據(jù)線性化系統(tǒng)的方程，首先求取雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在各轉(zhuǎn)速下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的工作點(diǎn)，再

40、通過對(duì)Jacobian矩陣特征根的計(jì)算判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)某雙饋式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特征根分析結(jié)果如表5-1和圖5-2所示。表5-1列出了幾個(gè)不同轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)的特征根，更多工作點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果參見圖。（1） 表5-1雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)各運(yùn)行點(diǎn)特征根轉(zhuǎn)差率s特征根(×100)jjjjj-j-j-j-j-jj-0.125+ .390j-0.098+ .298j-0.153+ .367j+ .696j-j-j-j-j-j-圖5-2雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)在各運(yùn)行點(diǎn)的特征根由上述計(jì)算結(jié)果知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從遠(yuǎn)離同步速到接近同步速時(shí)，有一對(duì)復(fù)根的實(shí)部在復(fù)平面的左半平面向虛軸移動(dòng)，而一個(gè)實(shí)跟則在左半平面遠(yuǎn)離虛

41、軸，即使當(dāng)發(fā)電機(jī)幾乎運(yùn)行在同步速時(shí)，仍能保持所有的根具有負(fù)實(shí)部，說明在相當(dāng)寬的運(yùn)行范圍（設(shè)計(jì)運(yùn)行范圍）內(nèi)，發(fā)電機(jī)能夠一直保持靜態(tài)穩(wěn)定。由于轉(zhuǎn)子電壓可以根據(jù)運(yùn)行點(diǎn)和外部系統(tǒng)的條件而變化，雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定性幾乎不受到外部系統(tǒng)參數(shù)的影響。靜態(tài)無功特性雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過變流裝置與電網(wǎng)連接起來，能夠與外界進(jìn)行雙向能量交換，在產(chǎn)生勵(lì)磁電流和建立發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)中起到重要作用，同時(shí)能夠調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)。在這種情況下，發(fā)電機(jī)的無功功率可以自由地調(diào)節(jié)，與轉(zhuǎn)速并沒有固定的關(guān)系，其變化主要受到發(fā)電機(jī)自身熱容量的限制，即與有功出力有關(guān)。Error! Reference source not fo

42、und.給出了雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)有功功率與無功功的關(guān)系。在圖5-3中，有功功率和無功功率的運(yùn)行極限構(gòu)成了一個(gè)半圓。圖中的一組曲線表示不同熱容量下發(fā)電機(jī)的運(yùn)行范圍。圖5-3 雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)有功功率與無功功率運(yùn)行極限。短路電流特性雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的短路過程比較復(fù)雜，與鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)有本質(zhì)的區(qū)別，與同步發(fā)電機(jī)也不相同?？梢岳脮r(shí)域仿真或公式推導(dǎo)的方法求解短路電流。某雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)1秒時(shí)發(fā)生短路后的短路電流計(jì)算結(jié)果如圖5-4和表5-5所示。圖5-4 雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)三相短路電流。IA (p.u.)IB (p.u.)IC (p.u.)計(jì)算結(jié)果表5-5雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子三相短路電流沖擊值。以上結(jié)果表

43、明，雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子三相短路電流最大沖擊值約為78倍額定電流值。并網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能研究發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)，需要滿足一定的條件，即發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓的相序、頻率、幅值和相位要分別相等，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)也不例外。滿足這些條件是為了減小發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程對(duì)電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)自身產(chǎn)生的沖擊，另一方面，在理想情況下，滿足這些條件時(shí)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的電流為零，即沒有功率交換，發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)空載并網(wǎng)。由于實(shí)際運(yùn)行條件的限制或特殊的需要，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并不總是空載并網(wǎng)，而鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)其定子無法建立電壓、從而造成并網(wǎng)時(shí)的沖擊，這些都是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)過程中存在的動(dòng)態(tài)，利用各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的微分方程組數(shù)學(xué)模型，能

44、夠利用時(shí)域仿真手段研究各種條件下不同類型機(jī)組的并網(wǎng)過程。由于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子勵(lì)磁功能，其定子在并網(wǎng)前可以建立起滿足并網(wǎng)要求的電壓，且由于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁可以進(jìn)行快速靈活控制，該電壓可以達(dá)到幅值、頻率和相位的完全一致。首先，圖5-6給出了某臺(tái)1MW雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組理想并網(wǎng)過程的仿真曲線。并網(wǎng)時(shí)，發(fā)電機(jī)有功為零，而與電網(wǎng)具有100kVar無功功率交換。由可知，秒時(shí)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，隨后發(fā)電機(jī)定子電流產(chǎn)生響應(yīng)，并迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，曲線的仿真步長為，仍觀察不到有過渡過程的存在，且多次仿真表明，這種現(xiàn)象與并網(wǎng)合閘時(shí)刻無關(guān)。同時(shí)，發(fā)電機(jī)有功功率一直保持接近為零，機(jī)端電壓曲線平緩且變化幅度很小，這說明并網(wǎng)過程中發(fā)

45、電機(jī)與電網(wǎng)存在的無功功率交換不會(huì)產(chǎn)生大的沖擊。圖5-6 只存在無功功率交換時(shí)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程曲線。在實(shí)際中，由于作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)的風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)過程緩慢，而風(fēng)速又經(jīng)常處于快速變化之中，所以在并網(wǎng)過程中，難以保證發(fā)電機(jī)的有功功率為零。圖5-7給出了同時(shí)具有150kW有功功率和100kVar無功功率交換的并網(wǎng)過程的仿真曲線。此時(shí)由曲線可看出，發(fā)電機(jī)定子電流具有明顯的過渡過程和沖擊，而輸出的有功功率和機(jī)端電壓也有明顯的波動(dòng)，這種沖擊主要是由于有功功率交換的存在而產(chǎn)生的。圖5-7存在有功功率和無功功率交換時(shí)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程曲線。事實(shí)上，由于一個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠中的機(jī)組數(shù)量很多，而在同一個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠內(nèi)，各臺(tái)

46、機(jī)組很可能同時(shí)達(dá)到并網(wǎng)的風(fēng)速條件，如果多臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)并網(wǎng)，那么將對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊；如果在風(fēng)速變化的條件下，調(diào)整各臺(tái)機(jī)組狀況使得嚴(yán)格滿足并網(wǎng)條件、并分別并網(wǎng)，則需要花費(fèi)較多的時(shí)間。因此，需要采取措施，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率不為零且不斷變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)并網(wǎng)。由圖曲線可知，有功功率交換產(chǎn)生的并網(wǎng)過程沖擊不僅幅度較大，且過渡過程時(shí)間較長，這是因?yàn)橛泄β实钠胶馐且粋€(gè)機(jī)電暫態(tài)過程，與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)規(guī)律有關(guān)，在并網(wǎng)前，當(dāng)有功功率過剩時(shí)，發(fā)電機(jī)將加速旋轉(zhuǎn)，因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化反映了其有功功率的狀況。發(fā)電機(jī)有功功率過剩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系近似為：(5-1)根據(jù)電路和電力系統(tǒng)基本原理，有功功率輸出的基本要

47、素是電壓相量的相角差，即(5-2)而對(duì)于雙饋異步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子勵(lì)磁系統(tǒng)是具有快速響應(yīng)能力的變流裝置，因此，根據(jù)式Error! Reference source not found.和Error! Reference source not found.，可以利用發(fā)電機(jī)變流裝置調(diào)節(jié)并網(wǎng)前機(jī)端電壓的相角，從而使得有功功率迅速平衡、達(dá)到抑制并網(wǎng)過程沖擊的作用。針對(duì)上述工況，由式Error! Reference source not found.和Error! Reference source not found.計(jì)算得知需要將發(fā)電機(jī)功角超前電網(wǎng)度，據(jù)此進(jìn)行的仿真結(jié)果如圖5-8所示。圖5-8優(yōu)化發(fā)電機(jī)電壓相角情況下并網(wǎng)過程曲線對(duì)比圖和圖可知，在發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓相角調(diào)節(jié)作用下，電流沖擊的幅值明顯降低，電流、電壓和有功功率迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，說明并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓相角的變化對(duì)并網(wǎng)過程中的沖擊有著明顯的抑制作用。同時(shí)，相角的調(diào)節(jié)能夠通過變流器快速實(shí)現(xiàn)，是一種可行的措施。結(jié)論與展望面對(duì)日趨嚴(yán)重的環(huán)境與資源問題的挑戰(zhàn)，世界能源結(jié)構(gòu)進(jìn)入了大變革的時(shí)期，2l世紀(jì)將是可再生能源發(fā)展的世紀(jì)。在各種可再生能源利用中，風(fēng)能具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，使之從太陽能，海洋能等可再生能源中脫穎而出，形成一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，成為電力系統(tǒng)中相對(duì)增長速度最快的能源，發(fā)展風(fēng)電成為改善電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極為重