風電并網(wǎng)PPt教學提綱

風電并網(wǎng)(bìnɡwǎnɡ)問題的分析第一頁，共57頁。主要(zhǔyào)內(nèi)容介紹風力發(fā)電系統(tǒng)一、風力發(fā)電系統(tǒng)類型二、風力發(fā)電系統(tǒng)的模型(móxíng)風電場穩(wěn)態(tài)分析一、含雙饋異步發(fā)電機的工作原理二、含直驅(qū)同步發(fā)電機的電力系統(tǒng)潮流計算三、含直驅(qū)永磁同步機和雙饋異步機的風電場電力系統(tǒng)潮流計算風電場并網(wǎng)對系統(tǒng)影響仿真分析第二頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)一、風力發(fā)電系統(tǒng)類型1、恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)由普通異步發(fā)電機組成2、變速(biànsù)恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)雙饋異步風力發(fā)電機組成直驅(qū)永磁同步發(fā)電機組成第三頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)1、恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)采用(cǎiyòng)普通異步發(fā)電機的發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后普通異步發(fā)電機在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運行，普通異步發(fā)電機的風電系統(tǒng)運行于額定轉(zhuǎn)速附近，其滑差變化的范圍比較小，發(fā)電輸出頻率變化小。風速增大，風力機傳給發(fā)電機的機械功率增大，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和輸出功率也隨著增大。若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速的3%~5%，發(fā)電機輸出功率達到最大值，一旦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過這個轉(zhuǎn)速，異步發(fā)電機會進入不穩(wěn)定區(qū)，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速迅速增大，引起飛車。第四頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)這種風力發(fā)電系統(tǒng)中，異步發(fā)電機需要消耗無功功率，當風力發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)系統(tǒng)薄弱區(qū)域或者風力發(fā)電機組裝機容量比較(bǐjiào)大時，為了達到提高整個風力發(fā)電系統(tǒng)功率因數(shù)的目的，需要通過接入電容器組補償裝置（增加異步發(fā)電機的勵磁電流）。另外，由于風速變化、傳動軸傾斜度的變化以及葉片槳距角變化的影響使得普通異步發(fā)電機的力矩發(fā)生變化，而這種變化無法通過調(diào)節(jié)裝置進行抑制，這些變化會在風電機組的輸出功率中反映出來?？梢?，在恒定電壓的電力系統(tǒng)中，功率波動會以電流波動的形式在電網(wǎng)中表現(xiàn)出來。這些會引起電網(wǎng)電壓閃變，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。第五頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)2、變速恒頻風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)采用雙饋異步發(fā)電(fādiàn)機的風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)該類風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)不必使風力機組轉(zhuǎn)速保持恒定，而是通過其他控制方式使得頻率保持恒定。因此，它能夠?qū)崿F(xiàn)風力機運行在最佳值，從而實現(xiàn)風能的最佳利用。風力機在額定風速以下是按優(yōu)化將聚焦定漿距運行，轉(zhuǎn)速有發(fā)電(fādiàn)機控制系統(tǒng)來控制，同時調(diào)節(jié)風力機的葉尖速比，以達到實現(xiàn)最大風能系數(shù)和最佳功率曲線追蹤的目的。第六頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)2、變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)采用雙饋異步發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)追蹤與捕獲最大風能是該類風力發(fā)電系統(tǒng)的控制目的主要優(yōu)點：運行效率高，可在較大風速范圍保持最大功率點和最佳葉尖速比運行。功率因素可調(diào)。輸出電能(diànnéng)恒頻恒壓，最大風能捕獲的追蹤控制，而采用適量變換控制技術(shù)控制無功功率使得電網(wǎng)的功率因數(shù)得到調(diào)節(jié)，提高了風電并網(wǎng)系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性。變槳距調(diào)節(jié)更加簡單風電并網(wǎng)實現(xiàn)很好的柔性連接，在并網(wǎng)操作和運行上較普通異步發(fā)電系統(tǒng)更容。第七頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)2、變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)采用直驅(qū)永磁同步發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)無齒輪直接驅(qū)動，發(fā)電機定子繞組與電網(wǎng)通過(tōngguò)變頻器連接，并且頻率變化的電能經(jīng)變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)楹碗娋W(wǎng)頻率相等的恒頻電能。由于有變頻器的解耦控制而與電網(wǎng)完全解耦，因此，變頻器的控制系統(tǒng)的控制策略決定了改變蘇發(fā)電機組的特性。該風力發(fā)電機組沒有齒輪箱，避免了有關(guān)部件的更換或維修，提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性及穩(wěn)定性。第八頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)二、風力發(fā)電系統(tǒng)的模型1、風速模型2、風力機的功率(gōnglǜ)輸出特性3、傳動裝置模型4、槳距角控制模型5、發(fā)電機的數(shù)學模型6、風電場的電氣接線及風電場模型第九頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)1、風速模型Vw(m/s)是風力機感受到輪翼高度H(m)處的風速，對測風速高度Ho(m)處風速Vwo(m/s)進行(jìnxíng)修正，α為修正系數(shù)，取1/7第十頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)1、風速模型風速具有隨機性和問歇性的特點(tèdiǎn)，風速模型采用基于四分量疊加法的模擬風速模型：第十一頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)1、風速模型基本風一直存在與風機正常運行過程中，可以通過風電場測風的道德威布爾分布參數(shù)近似確定，并且此分量不會隨時間而變化。k表示為二部分布的形狀參數(shù)，A表示威布爾分布的尺度(chǐdù)參數(shù)，Γ(1+1/k)是伽馬函數(shù).第十二頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)1、風速模型陣風描述風速的突變特性，尤其被用于考慮(kǎolǜ)風電系統(tǒng)在較大風速擾動下的動態(tài)特性。T1G代表陣風啟動時間，VWGmax代表陣風最大值，TG代表陣風周期。第十三頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)1、風速模型漸變風描述風速漸變性能VWRmax代表(dàibiǎo)漸變風風速的最大值，T1R代表(dàibiǎo)漸變風風速的起始時間，T2R代表(dàibiǎo)漸變風風速的終止時間，TR代表(dàibiǎo)漸變風風速的保持時間。第十四頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)1、風速模型隨機風描述風速隨機性能。F表示擾動范圍，Ai表示0~2π之間均勻分布的隨機變量，μ表示相對高度的平均(píngjūn)風速，Kn表示地標粗糙系數(shù)。第十五頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)2、風電機組的功率(gōnglǜ)輸出特性PM為機械功率(gōnglǜ)，單位為W，ρ為空氣密度，A為風機葉片的掃掠面積。第十六頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)2、風電機組的功率輸出特性理想(lǐxiǎng)風輪機功率特性曲線當風速在(12~24m/s)范圍內(nèi)時，理想(lǐxiǎng)風機速出功率保持恒定，風速在(3~25m/s)范圍內(nèi)時，并且作用在風力達電機組輪翼高度處風速為已知的情況下，可根據(jù)P-V特性得到輸出的有功功率。第十七頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)3、傳動裝置模型風力發(fā)電機組的傳動部分主要包括風輪（輪轂及葉片）、轉(zhuǎn)軸和齒輪箱。在電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真(fǎnɡzhēn)分析中，一般無需建立機械部分傳動機構(gòu)各個環(huán)節(jié)的詳細數(shù)學模型，傳動部分的損耗也可忽略。第十八頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)3、傳動裝置模型齒輪箱和葉片用輪轂來連接，且輪轂具有較大慣性，用一節(jié)慣性環(huán)節(jié)來表示它的兩邊的轉(zhuǎn)矩如下：TT表示輸入齒輪箱的機械轉(zhuǎn)矩，TW表示風力機葉片的輸出(shūchū)轉(zhuǎn)矩，Tk表示轉(zhuǎn)股的慣性時間常數(shù)第十九頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)3、傳動裝置模型傳遞發(fā)電機和風力機之間轉(zhuǎn)矩的其實是齒輪箱和聯(lián)軸器，可用下面的動態(tài)方程來描述：Ω表示(biǎoshì)風力機的機械角速度，Tt表示(biǎoshì)齒輪箱的慣性時間常數(shù)，TM表示(biǎoshì)發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩和齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)矩，TT表示(biǎoshì)齒輪箱的輸入機械轉(zhuǎn)矩。第二十頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)3、傳動裝置模型風力機的轉(zhuǎn)速在通常親逛下基本保持不變，即TT≈TM因此(yīncǐ)用以下動態(tài)方程描述傳動部分模型TW表示風力機的慣性時間常數(shù)，TM表示發(fā)電機的輸入轉(zhuǎn)矩，TW表示風力機葉片的輸出轉(zhuǎn)矩第二十一頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)3、傳動裝置模型風力機的傳遞函數(shù)VW、VR、Vin、Vout分別表示來風風速、額定風速、風機啟動風速以及切出風速；PW、TW、PM分別表示風力機吸收的風功率、風力機的慣性時間常數(shù)(shíjiānchánɡshù)以及風力機輸出的機械功率。第二十二頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)3、傳動裝置模型風機的啟動風速、額定風速以及切出風速將風能曲線分為四段f(λ,β)表示風力機葉片氣動特征函數(shù)，λ表示風力機葉尖速比，β表示槳距角，ρ表示空氣密度、A表示風機葉片的掃掠面積(miànjī)，PN表示風力機額定功率第二十三頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)4、槳距角控制(kòngzhì)模型變槳距風力機可以通過漿距控制(kòngzhì)系統(tǒng)對葉片的槳距角進行調(diào)節(jié)，從而使風力機獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩得到改變，保證輸出功率穩(wěn)定，在一定范圍內(nèi)提高了風能的利用效率。在調(diào)節(jié)功率時，變槳距風力機是不能完全依靠葉片的氣動性能的，因此在不同情況下，變槳距控制(kòngzhì)需要采用不同的策略。第二十四頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)4、槳距角控制模型1、風速在額定風速以下時，控制器使槳距角接近于零度，等同于定槳距風力機，此時(cǐshí)的風電機組輸出功率會隨風俗的變化而變化，是的給定風速下的風電機組發(fā)出盡量多的電能，完成風電機組功率的尋優(yōu)。2、風速在額定風速以上時，變槳距機構(gòu)調(diào)節(jié)槳距角，使得風電機組的輸出功率保持在額定功率以內(nèi)（極限值輸出功率），同時保護機械機構(gòu)以避免過載或者使機械受到損壞。第二十五頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)4、槳距角控制模型槳距角控制分類：1、主動失速控制，風電機組的輸出功率隨著槳距角的減小而降低，主要(zhǔyào)用于恒速風電機組；2、槳距角控制，風電機組的輸出功率隨著槳距角的增加而降低，主要(zhǔyào)用于變速風電機組。第二十六頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)4、槳距角控制模型變槳距風力機模型，它通過風力機轉(zhuǎn)速偏差量來調(diào)節(jié)(tiáojié)槳距角，動態(tài)方程如下：△Ω表示風力機的轉(zhuǎn)速偏差（△Ω=Ω-Ω0），kp表示增益系數(shù)，τ表示調(diào)節(jié)(tiáojié)裝置的慣性時間常數(shù)第二十七頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)4、槳距角控制模型變槳距風力機轉(zhuǎn)速(zhuànsù)控制框圖第二十八頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)5、雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)模型雙饋一部風力發(fā)電系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)示意圖第二十九頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)5、雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)模型雙饋電機電壓和磁鏈方程是按照電動機正方向的規(guī)定，并且在丁字磁場(cíchǎng)同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標系下建立的，方程用標幺值可表示為：第三十頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)5、雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)模型Uds表示定子電壓的d軸分量，Uqs表示定子電壓的q軸分量，Udr表示轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)外加電壓的d軸分量，Uqr表示轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)外加電壓的q軸分量；p=d/dt表示微分算子，kds表示定子磁鏈的d軸分量，kqs表示定子磁鏈的q軸分量，kdr表示轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)磁鏈的d軸分量，kqr表示轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)磁鏈的q軸分量；Ids表示定子繞組電流的d軸分量，Iqs表示定子繞組電流的q軸分量，Idr表示轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)繞組電流的d軸分量，Iqr表示轉(zhuǎn)子(zhuànzǐ)繞組電流的q軸分量；Xss=Xs+Xm，Xrr=Xr+Xm第三十一頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)5、雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)模型忽略定子測的電阻和電磁暫態(tài)（即pkds=pkqs=0.rs=0），得到雙饋異步發(fā)電機的動態(tài)基本(jīběn)方程如下所示第三十二頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)5、雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)模型代入得出第三十三頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)5、雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)模型令設雙饋電機的動態(tài)方程可表示為第三十四頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)5、雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)模型(móxíng)雙饋電機動態(tài)等值電路第三十五頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)5、雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)模型將E、Ur、Is分別用dq分量(fènliàng)進行表示第三十六頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)5、雙饋異步發(fā)電機及其控制(kòngzhì)系統(tǒng)模型如果風電機組是在定子磁場定向矢量控制(kòngzhì)下，Uab=0，則由發(fā)電機定子繞組電壓和電流來決定電磁轉(zhuǎn)矩McUx是定子繞組電壓，Iqs是定子電流q軸分量。第三十七頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)5、雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)模型通過以下方程組來表示雙饋異步電機的電磁(diàncí)暫態(tài)方程s是電機轉(zhuǎn)差，Mm是發(fā)電機輸入的機械轉(zhuǎn)矩，Tj是轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)，Mc表示發(fā)電機的電磁(diàncí)轉(zhuǎn)矩。第三十八頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)5、雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)模型雙饋異步風電機的控制系統(tǒng)由三部分組成：轉(zhuǎn)速控制、無功功率控制以及槳距角控制。在雙饋異步風電及組成的動態(tài)(dòngtài)數(shù)學模型中，轉(zhuǎn)子繞組電壓dq軸分量Udr和Uqr以及槳距角β是控制變量；風速v、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及無功功率控制設定值是輸入變量，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子側(cè)外接電源的電壓dq軸分量Udr和Uqr可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制和無功功率控制。第三十九頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)5、雙饋異步發(fā)電機及其控制系統(tǒng)模型控制系統(tǒng)數(shù)學模型a轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)速控制傳遞函數(shù)框圖Kr表示比例積分控制器放大倍數(shù)Tr表示時間常數(shù)通過調(diào)節(jié)雙饋異步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，即改變電磁轉(zhuǎn)矩要通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組電流(diànliú)q軸分量來進行。第四十頁，共57頁。風力(fēnglì)發(fā)電系統(tǒng)b無功功率控制恒定功率因數(shù)(ɡōnɡlǜyīnshù)控制傳遞函數(shù)框圖一階慣性環(huán)節(jié)平滑輸出減小了Idr波動的幅度，TQ是慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)第四十一頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)6、直驅(qū)永磁同步發(fā)電機模型

直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)有以下幾個部分(bùfen)組成：風力機、機械傳動系統(tǒng)和槳距角控制系統(tǒng)、永磁同步發(fā)電機、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、變頻器及其控制系統(tǒng)。第四十二頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)6、直驅(qū)永磁同步(tóngbù)發(fā)電機模型永磁同步(tóngbù)發(fā)電機等效電路第四十三頁，共57頁。風力發(fā)電(fādiàn)系統(tǒng)6、直驅(qū)永磁同步(tóngbù)發(fā)電機模型第四十四頁，共57頁。含雙饋異步發(fā)電機的電力系統(tǒng)(diànlìxìtǒnɡ)潮流計算第四十五頁，共57頁。下標s和r分別表示釘子測物理量和轉(zhuǎn)子側(cè)物理量，Us和Is分別表示定子(dìngzǐ)端電壓和定子(dìngzǐ)電流，Ur和Ir分別表示轉(zhuǎn)子繞組外接電源的電壓和轉(zhuǎn)子電流，rs表示定子(dìngzǐ)繞組的電阻，xs表示定子(dìngzǐ)繞組的電抗，rr表示轉(zhuǎn)子繞組的電阻，xr表示轉(zhuǎn)子繞組的電抗，s表示轉(zhuǎn)差率。第四十六頁，共5