風能發(fā)電及風力發(fā)電論文

XX本科畢業(yè)設計說明書引言作為可再生能源的風力資源以其蘊量巨大；可以再生；分布廣泛；沒有污染等優(yōu)勢而在各國發(fā)展迅速。雖然風能資源還有密度低，不穩(wěn)定，地區(qū)差異大等缺點，但是仍然不能阻擋它快速發(fā)展的強勁勢頭。大中型風力發(fā)電機組聯(lián)網(wǎng)發(fā)電是當前世界范圍內(nèi)風能利用的主要形式。目前風力發(fā)電已成為技術(shù)最成熟、最具商業(yè)化前景的新型發(fā)電方式之一，而且商品化的兆瓦級風力發(fā)電機組已成為新建風電場的主力機型。由于異步發(fā)電機對并網(wǎng)要求低，控制和保護比較簡單，并網(wǎng)運行穩(wěn)定，因此采用異步發(fā)電機的風力發(fā)電機組是國內(nèi)外商品化的風力發(fā)電機組所采取的主要技術(shù)方案。但異步發(fā)電機直接并入電網(wǎng)時，其沖擊電流會達到其額定電流的6～8倍，甚至10倍以上，該沖擊電流會對電網(wǎng)、葉輪以及發(fā)電機本身造成嚴重的沖擊，甚至會影響其它聯(lián)網(wǎng)機組的正常運行。另外，并網(wǎng)沖擊電流也會對電機接觸器、主空氣開關(guān)等開關(guān)設備造成較強的沖擊。因此，限制發(fā)電機并網(wǎng)時引起的沖擊電流成為風力發(fā)電控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前風力發(fā)電機組普遍采用軟并網(wǎng)技術(shù)，用于限制異步發(fā)電機并網(wǎng)時的瞬態(tài)沖擊電流。軟并網(wǎng)系統(tǒng)運用大功率晶閘管進行限流，在機組電動啟動或并網(wǎng)過程中控制系統(tǒng)根據(jù)收到命令情況和相應傳感器的信號對并網(wǎng)過程進行控制，并網(wǎng)結(jié)束后旁路晶閘管支路短接，并網(wǎng)過程結(jié)束。前人在軟并網(wǎng)這方面作了大量的工作，探討了利用何種并網(wǎng)方式能有效的解決并網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電流對發(fā)電機和電網(wǎng)的影響的問題，研究了利用軟并網(wǎng)來限制沖擊電流幅值的效果如何以及分析了用晶閘管進行軟并網(wǎng)時晶閘管如何控制等問題。但由于風力發(fā)電機組并網(wǎng)過程是一個非常復雜的非線性過程，另外，軟并網(wǎng)裝置對晶閘管的要求非常嚴格，這在技術(shù)上是一個很大的難題。目前仍待解決的問題是用何種并網(wǎng)方式可既簡單又方便地把并網(wǎng)時的沖擊電流限制在允許的限度內(nèi)，另外，若利用晶閘管進行軟并網(wǎng)，怎樣才能做到每只晶閘管的特性完全一致以及在并網(wǎng)過程中如何控制晶閘管才能更好地達到限制沖擊電流的目的。本論文針對上述問題，首先對風力發(fā)電的一般原理進行了解，建立了軟啟動數(shù)學模型、軟并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型及相應的控制系統(tǒng)仿真模型，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下對風力發(fā)電機組直接并網(wǎng)和軟并網(wǎng)過程進行了仿真模擬實驗，并對仿真結(jié)果進行了分析和研究。本論文所建立的風力發(fā)電機組直接并網(wǎng)仿真模型和軟并網(wǎng)仿真仿真模型，可直觀的分析風力發(fā)電機組直接并網(wǎng)和軟并網(wǎng)過程并進行比較，通過對仿真結(jié)果的分析和研究得出通過利用晶閘管進行軟并網(wǎng)可把并網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電流限制在允許的范圍內(nèi)，確保了發(fā)電機組和電網(wǎng)的正常運行。另外，通過對發(fā)電機軟并網(wǎng)裝置中晶閘管控制電路的觸發(fā)規(guī)律與發(fā)電機并網(wǎng)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系進行仿真和分析，可得出晶閘管控制電路的好壞也直接關(guān)系著沖擊電流的幅值大小。以上這些結(jié)論為限制并網(wǎng)時的沖擊電流對電網(wǎng)和發(fā)電機的影響提供了一些參考。第一章緒論1.1風能開發(fā)與風力發(fā)電人類利用風能已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機發(fā)明以前風能曾經(jīng)作為重要的動力，用于船舶的航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。到了19世紀末，開始利用風力發(fā)電，這在解決農(nóng)村電氣化方面顯示了重要的作用，特別是20世紀70年代以后利用風力發(fā)電更進入一個蓬勃發(fā)展的階段。1.2風力發(fā)電的基本原理1.2.1現(xiàn)代風力發(fā)電機簡介先前的風力發(fā)電機發(fā)出的電時有時無，電壓和頻率不穩(wěn)定，是沒有實際應用價值的。一陣狂風吹來，風輪越轉(zhuǎn)越快，系統(tǒng)就會被吹跨。為了解決這些問題，現(xiàn)代風機增加了齒輪箱、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，現(xiàn)代風機的示意如圖TOC\o"1-3"\p""\u1-2所示。、圖1-2.現(xiàn)代風力發(fā)電機系統(tǒng)示意圖齒輪箱可以將很低的風輪轉(zhuǎn)速（600千瓦的風機通常為27轉(zhuǎn)/分）變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機轉(zhuǎn)速（通常為1500轉(zhuǎn)/分）。同時也使得發(fā)電機易于控制，實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。偏航系統(tǒng)可以使風輪掃掠面積總是垂直于主風向。要知道，600千瓦的風機機艙總重20多噸，使這樣一個系統(tǒng)隨時對準主風向也有相當?shù)募夹g(shù)難度。風機是有許多轉(zhuǎn)動部件的。業(yè)已說明，機艙在水平面旋轉(zhuǎn)，隨時跟風。風輪沿水平軸旋轉(zhuǎn)，以便產(chǎn)生動力。在變槳矩風機，組成風輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn)，以便適應不同的風況。在停機時，葉片尖部要甩出，以便形成阻尼。液壓系統(tǒng)就是用于調(diào)節(jié)葉片槳矩、阻尼、停機、剎車等狀態(tài)下使用?？刂葡到y(tǒng)是現(xiàn)代風力發(fā)電機的神經(jīng)中樞。現(xiàn)代風機是無人值守的。就600千瓦風機而言，一般在4米/秒左右的風速自動啟動，在14米/秒左右發(fā)出額定功率。然后，隨著風速的增加，一直控制在額定功率附近發(fā)電，直到風速達到25米/秒時自動停機。現(xiàn)代風機的存活風速為60-70米/秒，也就是說在這么大的風速下風機也不會被吹壞。要知道，通常所說的12級颶風，其風速范圍也僅為32.7-36.9米/秒。風機的控制系統(tǒng)，要在這樣惡劣的條件下，根據(jù)風速、風向?qū)ο到y(tǒng)加以控制，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運行，自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng)。并監(jiān)視齒輪箱、發(fā)電機的運行溫度，液壓系統(tǒng)的油壓，對出現(xiàn)的任何異常進行報警，必要時自動停機。1.3風力發(fā)電的特點風力發(fā)電是利用風能來發(fā)電，而風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)化為電能的機械。在理論上，最好的風輪約60%的風能轉(zhuǎn)化為機械能。現(xiàn)代風力發(fā)電機組風輪效率可達40%。在風力發(fā)電機組輸出達到額定功率之前，其功率與風速的立方成正比。風力發(fā)電的突出優(yōu)點是[1]：環(huán)境效益好，不排放任何有害氣體和廢氣物。風電場雖然占了大片土地，但是風力發(fā)電機組基礎(chǔ)使用面積很小，不影響農(nóng)田和牧場的正常生產(chǎn)。到風的地方往往是荒灘或山地，建設風力發(fā)電場的同時也開發(fā)了旅游資源。1.4中國風力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢風電起源于20世紀70年代，風電技術(shù)成熟于八十年代。自90年代以來，風電進入大發(fā)展階段，單機容量兆瓦級風電機設備已投入商業(yè)化運行。風力發(fā)電是近年來世界各國普遍關(guān)注的可再生能源開發(fā)項目，發(fā)展速度非?？?。1997-2004年，全球風電裝機年平均增長率達26.1%。目前全球風電裝機容量已達到5000萬千瓦左右，相當于47座標準核電站。1.4.1中國風能資源的分布中國風能資源豐富，根據(jù)全國900多個氣象站的觀測資料估計，我國陸地風能資源總儲量約32.26億千瓦，其中可開發(fā)利用的風能資源總量為2.53億千瓦，居世界首位；中國近海（水深小于15米）風能資源，估計為陸上的三倍，即近海的風能儲量約為7.5億千瓦。這樣，陸上和近海10米高處技術(shù)可開發(fā)風能資源總量，總計約為10億千瓦。現(xiàn)代大型風力發(fā)電機組高度已超過50米，50米處的風能密度為10米高處的2倍，這樣，中國技術(shù)可開發(fā)的風能資源總量，即可高達20億千瓦。我國東南沿海和山東、遼寧沿海及其島嶼，內(nèi)蒙古北部，甘肅、新疆北部以及松花江下游等地區(qū)均屬風能資源豐富區(qū)，年平均風速大于等于6m/s，有效風能密度大于等于200W/m2，有很好的開發(fā)利用條件。這些地區(qū)中很多地方常規(guī)能源貧乏，無電或嚴重缺電，尤其是新疆、內(nèi)蒙古的大部分草原牧區(qū)及沿海幾千個島嶼，人口分散，電網(wǎng)難以通達，或無電力供應，或采用很貴的柴油發(fā)電。在上述地區(qū)，利用風力發(fā)電，以節(jié)約能源，改善環(huán)境，緩解電力供應緊張狀況，具有重要意義。另一方面，這幾年我國的交通條件得到很大的改善，電網(wǎng)覆蓋程度有了很大的提高，不少風能資源豐富地區(qū)已置于電網(wǎng)覆蓋之下，這也為建設大型風電場提供了有利條件。上述情況決定了我國發(fā)展風電的特點是：在風能資源豐富或較豐富的邊遠無電、缺電地區(qū)，以發(fā)展小型或中型獨立運行的風電系統(tǒng)（包括風力/柴油聯(lián)合發(fā)電和風/光聯(lián)合發(fā)電等）為主，利用風力發(fā)電解決邊遠地區(qū)的生活用電和部分生產(chǎn)用電；在風力資源豐富、電網(wǎng)通達的地區(qū)，風力發(fā)電則作為一種清潔的可再生能源，補充和逐步代替部分常規(guī)能源，緩解電力供應緊張的矛盾，提高當?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量，所以應以發(fā)展大型風電場為主[1]。1.4.2中國風力發(fā)電的規(guī)劃風力發(fā)電場是將多臺并網(wǎng)型風力發(fā)電機安裝在風力資源好的場地，按照地形和主風向排成陣列，組成機群向電網(wǎng)供電，簡稱風電場。風電場是大規(guī)模利用風電的有效方式，于20世紀80年代在美國興起。我國計劃到2010年，并網(wǎng)風電裝機達到500萬千瓦。目前，我國的風電裝機容量還不到全國總裝機容量（4.5億千瓦）的0.5%，根據(jù)我國能源發(fā)展規(guī)劃，我國風電具有大規(guī)模發(fā)展的前景和市場需求。風力發(fā)電能夠成為中國電源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，發(fā)展風電有利于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)。目前中國的電源結(jié)構(gòu)中75%是煤電，排放污染嚴重，增加風電等清潔電源比重刻不容緩。尤其在減少二氧化碳等溫室氣體排放，緩解全球氣候變暖方面，風電是有效措施之一。從長遠看，中國常規(guī)能源資源人均擁有量相對較少，為保持經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展，必須采取措施解決能源供應。中國風能資源豐富，如果能夠充分開發(fā)，按目前估計的技術(shù)可開發(fā)儲量計算，風電年發(fā)電量可達幾萬億千瓦時。據(jù)官方和專家的推算，中國2020年需要10億千瓦的發(fā)電裝機，4萬億千瓦時的發(fā)電量，之后如果按照人均2千瓦，達到中等發(fā)達國家生活水平的基本要求，在2050年中國需要大約30億千瓦的發(fā)電裝機和12萬億千瓦時的發(fā)電量。龐大的裝機和發(fā)電量需求，給風力發(fā)電的發(fā)展提供了足夠的空間。由中國資源綜合利用協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會主持、綠色和平和歐洲風能協(xié)會共同資助的報告指出，中國有能力在2020年實現(xiàn)3000-4000萬千瓦的風電裝機容量，年發(fā)電量將達800億千瓦時，可滿足8000萬人的用電需求，同時每年可減少4800萬噸的二氧化碳排放量。

專家們預測，我國風電發(fā)展可能將分為3個階段進行：首先在2010年之前完成起步階段，風電裝機達400-500萬千瓦，初步奠定風電產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；第二階段是2020年達到3000萬—4000萬千瓦，實現(xiàn)快速發(fā)展，在全部發(fā)電裝機中占有一定比例；第三階段是在2020年之后超過核電成為第三大發(fā)電電源，并在2050年前后達到或超過4億千瓦，超過水電，成為第二大主力發(fā)電電源[5]。中國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，對能源的需求增長很快，常規(guī)能源的供應及其帶來的環(huán)境問題日益突出，風電隨著技術(shù)的發(fā)展和批量的增大，成本將會繼續(xù)下降，必然成為重要的清潔電源。第二章PSCAD/EMTDC軟件簡介為了研究高壓直流輸電系統(tǒng)，DennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局(ManitobaHydro)開發(fā)完成了EMTDC的初版，隨后在曼尼托巴大學(UniversityofManitoba)創(chuàng)建高壓直流輸電研究中心，多年來該直流輸電研究中心在DennisWoodford的領(lǐng)導下不斷完善了EMTDC的元件模型庫和功能，使之發(fā)展為既可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又能夠完成電力電子仿真及非線性控制的多功能工具(Versatiletoo1)[7]。是一種世界各國廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件，PSCAD是其用戶界面，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實時數(shù)字仿真器的前置端?？赡M任意大小的交直流系統(tǒng)。操作環(huán)境為：UNIXOS,Windows95,98,NT；Fortran編輯器；瀏覽器和TCP/IP協(xié)議。2.1PSCAD/EMTDC的程序結(jié)構(gòu)和功能特點PSCAD/MTDC軟件的主要功能是進行電力系統(tǒng)時域和頻域仿真，還可以進行交流系統(tǒng)的諧波研究、暫態(tài)扭矩的分析、直流系統(tǒng)的啟動、直流系統(tǒng)換相方法研究、串聯(lián)或并聯(lián)的多端輸電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真、同桿架設的交直流電路的相互影響等。EMTDC程序具有“拍照”功能，可記錄下某個時刻系統(tǒng)中工作狀態(tài)，為重新計算提供正確的條件，可以在此基礎(chǔ)上進一步研究系統(tǒng)的暫態(tài)過程。

2.2PSCAD軟件模塊的構(gòu)成2.2.1文件管理系統(tǒng)當用戶涉及PSCAD

時所遇到的第一個軟件模塊就是文件管理系統(tǒng)。采用一種工程/算題/文件的分層結(jié)構(gòu)來表示用戶進行電力系統(tǒng)模擬研究的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。如果得到授權(quán)可以進入該數(shù)據(jù)庫,

這樣,

局部網(wǎng)上的不同用戶可以共享同一個數(shù)據(jù)庫。從文件管理軟件模塊可以直接進行諸如備份、儲存、文件編緝、拷貝和刪除等操作。

通過選擇文件管理模塊屏幕右上角的適當菜單可調(diào)用PSCAD

的其它軟件模塊,

很多情況下將所有的軟件模塊同時激活,

有些模塊的圖像可能暫時隱藏在正在處理的模塊圖像之下。2.2.2建模DRAFT模塊建模程序包是PSCAD

程序族中最有功效的。借助建模包,

用戶可以用圖形的方法建立需要進行模擬研究的電力系統(tǒng)模型。通過選擇不同的功能,

建模包可以為EMTDC

或RTDS模擬研究準備必需的文件。

電力系統(tǒng)元部件圖像位于調(diào)色板中(建模窗口的右側(cè))并可移至畫布上(左側(cè)),

通過將各元部件模型互連便完成了電力系統(tǒng)模型。不同元部件模型所需的參數(shù)可在調(diào)用這些模型時屏幕上出現(xiàn)的菜單中直接輸入。具有大量互聯(lián)元部件的電力系統(tǒng)模型同樣易于處理,

因為畫布部分可分為很多層次并可在屏幕上滾動顯示。當用戶完成了模型構(gòu)筑時,

可以通過基于PS格式的激光打印機或者可以接受HP-GL

命令的繪圖儀輸出硬拷貝。2.2.3架空線T-LINE和電纜CABLE模塊確定架空輸電線和電纜的行波模型所需數(shù)據(jù)的計算過程是相當復雜的。為了確定變換矩陣、模式傳輸時間和波阻抗,

需要進行特征值分析。為了完成這種分析,

需要使用T-LINE和CABLE

模塊。通過功能選擇可以產(chǎn)生單頻率模式模型或者完全的頻率相關(guān)行波模型。

架空線模型所需要的數(shù)據(jù)有導線的空間相對位置以及導線的半徑和電阻率。對于電纜,

每一導電層和絕緣層的半徑和特性都是必需的。

由T-LINE和CABLE

模塊所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以直接輸入到PSCAD

的建模(DRAFT)模塊中。2.2.4運行RUN

TIME模塊運行模塊中的EMTDC

操作員控制臺軟件模塊和RTDS控制臺軟件模塊可分別為運行EMTDC和RTDS提供控制操作功能和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)功能。軟件中提供了完善的界面,

允許使用者裝入、啟動或停止一個模擬算題,

并可在模擬過程中與之通訊。由于采用了多種儀表和模擬過程數(shù)據(jù)在線繪圖,

允許使用者獲得相關(guān)模擬算題的即時反饋。使用者所激發(fā)的動態(tài)過程,

如整定值改動、開關(guān)操作以及故障觸發(fā)可以通過操縱滑觸頭、電位器、開關(guān)和按鈕進行。2.2.5單曲線繪圖UNIPLOT和多曲線繪圖MULTIPLOT模塊EMTDC

和RTDS所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的分析和繪圖是通過單曲線繪圖模塊進行的?？梢詫?shù)據(jù)進行標尺整定和通用格式整定。對于繪圖用的數(shù)據(jù)可直接進行傅里葉分析。如果要處理大量的數(shù)據(jù),

可以通過編程的辦法形成自動處理順序。

多曲線繪圖模塊可以將單曲線繪圖模塊繪出的曲線整理成適合報告應用?？蓪⒍喔€組合安排在單張紙上。使用者可以直接處理曲線并在紙面上添加需要的文字說明并可繪制其它美化標志。2.3EMTDC模塊EMTDC

是一套基于軟件的電磁暫態(tài)模擬程序,

可以通過PSCAD

進行調(diào)用。用戶可以通過調(diào)用隨EMTDC

主程序一起提供的庫程序模塊或利用用戶自己開發(fā)的元部件模型有效地組裝任何可以想象出的電力系統(tǒng)模型和結(jié)構(gòu)。EMTDC

的威力之一是可以較為簡單地模擬復雜電力系統(tǒng),

包括直流輸電系統(tǒng)和其相關(guān)的控制系統(tǒng)。2.3.1利用EMTDC可進行的模似研究范圍（1）一般的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究

（2）直流輸電結(jié)構(gòu)和控制

（3）FACTS(靈活交流輸電系統(tǒng))元部件模型

（4）同步發(fā)電機和感應電動機的扭矩效應和自勵磁研究

（5）靜止補償器研究

（6）非線性控制系統(tǒng)研究

（7）變壓器飽和研究,

如鐵磁振蕩和鐵芯飽和不穩(wěn)定性研究

（8）絕緣配合研究

（9）諧波相互影響研究

（10）新型控制系統(tǒng)原則的開發(fā)

（11）陡前波分析

2.4PSCAD/EMTDC的應用PSCAD／EMTDC典型應用是計算電力系統(tǒng)遭受擾動或參數(shù)變化時，參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，此外PSCAD／EMTDC軟件廣泛應用于高壓直流輸電、FACTS控制器的設計、電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領(lǐng)域的仿真計算。第三章風能數(shù)學模型的建立和仿真3.1風能的數(shù)學模型風能作用于風力機的葉片上，作為風力發(fā)電機的原動力。為了能較準確的描述自然界的風能的隨機性和間歇性的變化特點，在工程上一般采用簡化的四分量模型來模擬風速隨時間變化的特征。3.1.1基本風基本風可以由風電場測量所得的威布爾（Weibull）分布參數(shù)近似確定（3-1）式中：A、K——表示威布爾分布尺度參數(shù)和形狀參數(shù)；——伽馬函數(shù)。在實際領(lǐng)導真時我們近似認為vwB是一個不隨時間變化的分量，也就是取vwB為一個常數(shù)。3.1.2陣行風vwG用于表述風速的突然變化，在3個時間段內(nèi)有不同的風速。（1）0<t<T1G風速vwG=0（2）T1G<=1<(T1G+TG),風速vuG=vcos。Vcos表示在該時間段內(nèi)風速變化具有佘弦特性，其表達式為：（3-2）式中：vmaxG——陣行風最大的風速（m/s）t——時間（s）T1G——出現(xiàn)陣性風的時間（起動時間s）TG——陣性風的持續(xù)時間（3）t>T1G+TG風速vwG=0可見當t=T1G時vcos=0t=(T1G+TG/2)vcos=vmaxt=T1G+TGvcos=0陣性風變化過程如圖所示：vvwGvmax圖3-1陣行風隨時間變化曲線圖在分析風電系統(tǒng)對電壓波動的影響時，通常用陣性風來考核較大的風速變化時的電壓波動的特性。3.1.3漸變風vwR用于描述風速的逐漸的變化。在4個時間區(qū)段內(nèi)有不同風速（1）0<t<T1R風速vwR=0（2）T1R<=t<T2R風速vwR=vramp。vramp表示在該時間區(qū)段內(nèi)風速線性變化表達式：（3-3）可見t=T1Rvramp=0t=T2Rvramp=vmax（3）T2R<=t,<=T2R+TR 風速vwR=vmax（4）t>=T2R+TR風速vwR=0漸變風變化過程：VVwRVmaxT1RT2RT2R+TGt圖3-2漸變風隨時間變化曲線圖3.1.4隨機噪聲風vwN用以描述在指定的高度的風速變化的隨機風的特性，由許多諧波分量構(gòu)成，其表達式為：（3-4）——隨機分布的離散間距——第I個分量的角頻率——第I個分量的初相角為0~2Pi之間分布的隨機量——第I個分量的振幅（3-5）式中：kN——地表摩擦系數(shù)F——攏動范圍m2——相對高度的平均風速（m/s）3.1.5綜合風速表達式綜合風速表達式即是對前面的四個分量風的表達式求和即可，其表達式如下：（3-6）3.2風能的仿真3.2.1基本風的仿真我們將基本風作為常數(shù)考慮，仿真模塊與結(jié)果如圖4·3和4·4所示。在仿真基本風模塊時取常數(shù)為8m/s。圖3-3基本風仿真模塊圖3-4基本風輸出仿真波形3.2.2陣形風的仿真陣形風仿真模塊與結(jié)果如圖4-5和4-6所示。圖3-5陣形風仿真模塊圖3-6陣形風輸出仿真波形3.2.3漸變風的仿真漸變風仿真模塊與結(jié)果如圖4-7和4-8所示。圖3-7漸變風仿真模塊圖3-8漸變風輸出仿真波形3.2.4隨機噪聲風的仿真隨即噪聲風的仿真模塊與結(jié)果如圖4-9和4-10所示。圖3-9隨機噪聲風仿真模塊圖3-10隨機噪聲風輸出仿真波形3.2.5綜合風的仿真綜合風就是前四種風的求和，仿真模塊與結(jié)果如圖4-11與4-12所示。圖3-11綜合風仿真模塊圖3-12綜合風輸出仿真波形第四章異步風力發(fā)電機的并網(wǎng)4.1異步發(fā)電機的基本原理4.1.1異步發(fā)電機的基本原理簡介風力發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)運行的異步發(fā)電機，其定子與同步電機的定子基本相同，定子繞組為三相的，可接成三角形或星形接法；轉(zhuǎn)子則有鼠籠型和饒線型兩種。根據(jù)異步電機理論，異步電機并網(wǎng)運行時由定子三相繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速決定于電網(wǎng)的頻率及電機繞組的極對數(shù)ns=60f/p（4-1）式中：ns為同步轉(zhuǎn)速；f為電網(wǎng)頻率；p為繞組極對數(shù)。按照異步發(fā)電機理論可知，當異步電機連接到頻率恒定的電網(wǎng)上時，異步電機可以有不同的運行狀態(tài)；當異步電機的轉(zhuǎn)速小于異步電機的同步轉(zhuǎn)速時（即n<ns),異步電機以電動機的方式運行，處于電動運行狀態(tài)，此時異步電機自電網(wǎng)吸取電能，而由其轉(zhuǎn)軸輸出機械功率；當異步電機由原動機驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速時（n>ns),則異步電機將處于發(fā)電運行狀態(tài)，此時異步電機吸收由原動機供給的機械能而向電網(wǎng)輸出電能。4.1.2發(fā)電機的啟動電動機起動是指風力發(fā)電機組在靜止狀態(tài)時，把發(fā)電機用作電動機將機組起動到額定轉(zhuǎn)速并切人電網(wǎng)。電動機起動目前在大型風力發(fā)電機組的設計中不再進入自動控制程序。因為氣動性能良好的槳葉在風速v>4m／s的條件下即可使機組順利地自起動到額定轉(zhuǎn)速。電動機起動一般只在調(diào)試期間無風時或某些特殊的情況下，比如氣溫特別低，又未安裝齒輪油加熱器時使用。電動機起動可使用安裝在機艙內(nèi)的上位控制器按鈕或是通過主控制器鍵盤的起動按鈕操作，總是作用于小發(fā)電機。發(fā)電機的運行狀態(tài)分為發(fā)電機運行狀態(tài)和電動機運行狀態(tài)。發(fā)電機起動瞬間，存在較大的沖擊電流(甚至超過額定電流的10倍)，將持續(xù)一段時間(由靜止至同步轉(zhuǎn)速之前)，因而發(fā)電機起動時需采用軟起動技術(shù)，根據(jù)電流反饋值，控制起動電流，以減小對電網(wǎng)沖擊和機組的機械振動。電動機起動時間不應超出60s，起動電流小于小發(fā)電機額定電流的3倍。4.2異步風力發(fā)電機的并網(wǎng)方法因為風力機為低速運轉(zhuǎn)的動力機械，在風力機與異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間經(jīng)增速齒輪傳動來提高以達到適合異步發(fā)電機運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速,一般與電網(wǎng)并聯(lián)運行的異步發(fā)電機多選用4極或6極電機,因此異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速必須超過1500r/min或1000r/min,才能運行在發(fā)電狀態(tài),向電網(wǎng)送電。顯見,電機極對數(shù)的選擇與增速齒輪箱關(guān)系密切,若電機極對數(shù)選小,則增速齒輪傳動的速比增大,齒輪箱增大,但電機的尺寸則小些；反之,若電機極對數(shù)選大些,則傳動速比減小,但電機的尺寸大些。根據(jù)電機理論,異步發(fā)電機并入電網(wǎng)運行時,是靠滑差率來調(diào)整負荷的,其輸出的功率與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速近乎成線性關(guān)系,因此對機組的調(diào)整要求,不像同步發(fā)電機那么嚴格精確,不需要同步設備和整步操作,只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時就可并網(wǎng),國內(nèi)及國外與電網(wǎng)并聯(lián)運行的風力發(fā)電機組中,多采用異步發(fā)電機,但異步發(fā)電機在并網(wǎng)瞬間會出現(xiàn)較大的沖擊電流(約為異步發(fā)電機額定電流的4～7倍),并使電網(wǎng)電壓瞬時下降.隨著風力發(fā)電機組單機容量的不斷增大,這種沖擊電流對發(fā)電機自身部件的安全及對電網(wǎng)的影響也愈加嚴重[5]。過大的沖擊電流，有可能使發(fā)電機與電網(wǎng)連接的主回路中的自動開關(guān)斷開；而電網(wǎng)電壓的較大幅度下降,則可能會使低電壓保護動作,從而導致異步發(fā)電機根本不能并網(wǎng)。當前在風力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機并網(wǎng)方法有以下幾種。4.2.1直接并網(wǎng)這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同,當風力機驅(qū)動的異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時即可并入電網(wǎng)；自動并網(wǎng)的信號由測速裝置給出,而后通過自動空氣開關(guān)合閘完成并網(wǎng)過程。顯見這種并網(wǎng)方式比同步發(fā)電機的準同步并網(wǎng)簡單。但如上所述，直接并網(wǎng)時會出現(xiàn)較大的沖擊電流及電網(wǎng)電壓的下降，因此這種并網(wǎng)方法只適用于異步發(fā)電機容量在百千瓦級以下，而電網(wǎng)容量較大的情況下。中國最早引進的550kW風力發(fā)電機組及自行研制的50kW風力發(fā)電機組都是采用這種方法并網(wǎng)的。4.2.2降壓并網(wǎng)這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以達到降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。因為電阻、電抗器等元件要消耗功率，在發(fā)電機并入電網(wǎng)以后，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)時，必須將其切除，這種并網(wǎng)方法適用于百千瓦級以上、容量較大的機組，顯見這種并娃每個方法的經(jīng)濟性比較差，中國引進上午200kW異步發(fā)電機組，就是采用這種并網(wǎng)方式，并網(wǎng)時發(fā)電機每相繞組與電網(wǎng)之間皆串接有大功率電阻。4.2.3通過晶閘管軟并網(wǎng)這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙相晶閘管連接起來，三相均有晶閘管控制，雙相晶閘管的兩端與并網(wǎng)自動開關(guān)的動合觸頭并聯(lián)。接入雙相晶閘管的目的是將發(fā)電機并網(wǎng)瞬間的沖擊電流控制在允許的限度內(nèi)。這種并網(wǎng)方法的特點是通過控制晶閘管的導通角，將發(fā)電機并網(wǎng)瞬間的沖擊電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)（一般為1.5～2倍額定電流以下，從而得到一個平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程。4.3軟并網(wǎng)系統(tǒng)4.3.1軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的必要性由于異步發(fā)電機對并網(wǎng)要求低，控制和保護比較簡單，并網(wǎng)運行穩(wěn)定，因此采用異步發(fā)電機的風電機組是國內(nèi)外商品化的風電機組所采取的主要技術(shù)方案。但是異步發(fā)電機在并網(wǎng)瞬間，所產(chǎn)生的沖擊電流會達到其額定電流的6～8倍，甚至10倍以上。該沖擊電流會對電網(wǎng)、葉輪以及發(fā)電機本身造成嚴重的沖擊，甚至會影響其他聯(lián)網(wǎng)機組的正常運行。另外，并網(wǎng)沖擊電流也會對電機接觸器、主空氣開關(guān)等開關(guān)設備造成較強的沖擊。因此軟并網(wǎng)技術(shù)是失速型風電機組控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。軟并網(wǎng)裝置用于限制異步發(fā)電機并網(wǎng)以及大小電機切換時的瞬態(tài)沖擊電流，以免對電網(wǎng)造成過大的沖擊。軟并網(wǎng)系統(tǒng)運用大功率晶閘管進行限流，在機組電動啟動或并網(wǎng)過程中控制系統(tǒng)根據(jù)收到命令情況和相應傳感器的信號對并網(wǎng)過程進行控制，并網(wǎng)結(jié)束后旁路晶閘管支路[2]。4.3.2軟并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成風力發(fā)電機組軟并網(wǎng)系統(tǒng)由主電路(強電回路)及其晶閘管移相觸發(fā)控制電路(弱電回路)組成。晶閘管移相觸發(fā)控制裝置的硬件部分主要由電網(wǎng)電壓同步信號生成、移相觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生與輸出、觸發(fā)脈沖的功率放大與整形、異步電機定子電流的監(jiān)測以及與主控制器之間的串行通訊等部分組成[8]。主電路由三對反并聯(lián)或雙向晶閘管及其保護電路組成，如圖5·1所示。六只晶閘管串接在發(fā)電機出線與電網(wǎng)之間。由于晶閘管屬貴重元器件，承受電壓與電流沖擊的能力較差。為了吸收開關(guān)器件動作過程中晶閘管兩端可能產(chǎn)生的瞬間尖峰電壓以及電網(wǎng)電壓大幅度快速波動帶來的不良影響，在晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收保護回路。阻容吸收回路主要是利用電容端電壓不能突變的特性來吸收晶閘管兩端的尖峰電壓，以保護晶閘管。但阻容電路吸收過電壓的能力是有限的[11]。當雷擊引起電網(wǎng)產(chǎn)生更高的過電壓，或者過電壓的持續(xù)時間過長，晶閘管的端電壓仍可能會超過允許值。因此，晶閘管兩應并接壓敏電阻。壓敏電阻是一種金屬氧化物的非線性電阻，其正常工作時漏電流小，損耗小，而泄放沖擊電流能力強，抑制過電壓能力高，而且對峰值電壓反應快。軟并網(wǎng)過程結(jié)束后，為減少主電路各器件的功率損耗，旁路接觸器K2閉合，將晶閘管支路短接。另外，K1為主空氣開關(guān)，串接于電網(wǎng)與晶閘管之間。4.3.3軟并網(wǎng)系統(tǒng)的基本工作原理晶閘管在正向電壓與觸發(fā)脈沖的作用下可在很短的時間內(nèi)快速導通，并在其電流變?yōu)榱阒笆冀K保持導通狀態(tài)。通過控制晶閘管的導通角，就可連續(xù)調(diào)節(jié)加在負載上的電壓波形，進而改變負載電壓的有效值。由于晶閘管的等效阻抗值隨晶閘管導通角大小變化。具體來說，當晶閘管的導通角為零時，即晶閘管完全關(guān)閉，此時晶閘管的等效電阻為無窮大，相當于開路；當晶閘管完全導通時，也就是完全打開時，此時晶閘管的等效電阻非常小，相當于導線直接連接[3]。由于雙向晶閘管串接于電機出線與電網(wǎng)之間，所以通過調(diào)節(jié)晶閘管的導通角，就可調(diào)節(jié)電機定子電壓按階梯波的形式從某一較小的初值逐漸增加到全壓狀態(tài)，從而降低定子電壓隨時間增長的速率。由于三相異步電機電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，這樣降低了電磁轉(zhuǎn)矩隨時間的增長率[9]。隨著風速增大，葉輪輸出給電機主軸更多的機械轉(zhuǎn)矩，此時通過調(diào)節(jié)晶閘管導通角同步緩慢增大，從而使并網(wǎng)沖擊電流限制在較低的范圍內(nèi)。圖4-1軟并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖4.3.4軟并網(wǎng)的步驟軟并網(wǎng)仿真的步驟是[6]：當發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近97%～99%同步轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機接觸器逼合，同時與電網(wǎng)直接相連的雙相晶閘管在觸發(fā)脈沖控制下，逐步導通。晶閘管初始導通時，即次同步轉(zhuǎn)速階段，電機運行與電動狀態(tài)，此時電機在電網(wǎng)與葉輪共同驅(qū)動下轉(zhuǎn)速迅速上升，其花差率很快趨于零。當花差率接近于零時，晶閘管完全導通，這樣將并網(wǎng)沖擊電流限制在較小的范圍內(nèi)，從而得到一個平滑的并網(wǎng)過程。晶閘管完全導通后，旁路接觸開關(guān)將其短路，并網(wǎng)過程結(jié)束，風力發(fā)電機組進入穩(wěn)態(tài)運行階段。4.3.5晶閘管用于風力發(fā)電機組軟并網(wǎng)裝置的優(yōu)點（1）晶閘管導通壓降小，解決了器件的率損耗和發(fā)熱問題；（2）晶閘管用于軟并網(wǎng)裝置可以消除電流浪涌沖擊與峰值轉(zhuǎn)矩沖擊；（3）晶閘管相當于無觸點軟開關(guān)，不存在接觸不良與磨損、粘著、彈跳等問題；（4）晶閘管導通角連續(xù)可調(diào)，無需輔助換流裝置，軟并網(wǎng)過程平穩(wěn)，限流可靠4.3.6晶閘管軟并網(wǎng)存在的問題晶閘管軟并網(wǎng)技術(shù)雖然是目前一種先進的并網(wǎng)方法，但它也對晶閘管器件及與之相關(guān)的晶閘管觸發(fā)電路提出了嚴格的要求，即晶閘管器件的特性要一致、穩(wěn)定以及出發(fā)電路可靠，只有發(fā)電機主回路中的每相的雙相晶閘管特性一致，控制極觸發(fā)電壓、觸發(fā)電流一致，全開通后壓降相同，才能保證可控硅導通角在0°～180°范圍內(nèi)同步逐漸增大，才能保證發(fā)電機三相電流平衡，否則會對發(fā)電機不利。第五章軟并網(wǎng)系統(tǒng)模型的建立5.1軟啟動器模型的建立為了把異步風力發(fā)電機并網(wǎng)瞬間的沖擊電流限制在允許的限度內(nèi)，本仿真系統(tǒng)采用了具有軟啟動的異步發(fā)電機進行并網(wǎng)。其中的軟啟動器由兩只反并聯(lián)的普通晶閘管和旁路并網(wǎng)開關(guān)組成，并基于PSCAD/EMTDC軟件建立軟并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。5.1.1雙相晶閘管模型的建立利用PSCAD/EMTDC軟件模塊庫建立晶閘管仿真模型，雙相晶閘管可由兩只反并聯(lián)的普通晶閘管組成，如圖5-1所示。為了降低并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的高次諧波和低次諧波給軟并網(wǎng)裝置帶來的危害，在每組雙相晶閘管中需另外增設吸收裝置，入圖5-2所示。圖5-1雙相晶閘管仿真模型圖5-2帶有吸收裝置的雙相晶閘管仿真模型5.1.2軟啟動仿真模型的建立圖5-1與圖5-2中的仿真模型是串在異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)的一相之間的，由于仿真的是三相異步發(fā)電機，故在每相之間都需串入如圖5-2所示的雙相晶閘管，仿真模型如圖5-3所示。這種軟并網(wǎng)連接方式中，雙相晶閘管既在并網(wǎng)過程中起到控制沖擊電流的作用，同時又作為又作為無觸頭自動開關(guān)，在并網(wǎng)后繼續(xù)存在于主回路中，這種比軟并網(wǎng)連接方式可以省去一個并網(wǎng)自動開關(guān)，因而控制回路也較為簡單些，并且避免了有觸頭自動開關(guān)觸頭粘著、彈跳及磨損等現(xiàn)象，可以保證較高的開關(guān)頻率，這是其優(yōu)點。但這種并網(wǎng)方式需要選用電流允許值大的高反壓雙相晶閘管，這是因為在這種連續(xù)方式下，雙相晶閘管中通過的電流需滿足能通過異步發(fā)電機的額定電流值，為了避免這種情況，選擇在雙相晶閘管上并聯(lián)旁路并網(wǎng)自動開關(guān)。在并網(wǎng)過程中當異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速時旁路自動并網(wǎng)開關(guān)閉合，將雙相晶閘管短接，并網(wǎng)過程結(jié)束。設有旁路并網(wǎng)自動開關(guān)的仿真模型圖如圖5-4所示。圖5-3異步發(fā)電機軟啟動裝置仿真模型圖圖5-4具有旁路并網(wǎng)自動開關(guān)的仿真模型圖當并網(wǎng)過程結(jié)束后，異步發(fā)電機的輸出電流將不再經(jīng)雙相晶閘管，而是通過已閉合的自動開關(guān)觸頭流入電網(wǎng)。但這種并網(wǎng)方式的不利之處，是自動并網(wǎng)開關(guān)的軟并網(wǎng)連接方式中的高反壓雙相晶閘管只要能通過較發(fā)電機空載電流略高的電流就可以滿足要求。5.2晶閘管控制電路仿真模型的建立雙相晶閘管的控制電路是異步發(fā)電機軟并網(wǎng)系統(tǒng)的重要部分，軟并網(wǎng)能否成功直接取決于晶閘管的控制水平。5.2.1晶閘管單相控制電路仿真模型的建立如圖5-5是晶閘管控制電路仿真模型圖。圖5-5晶閘管控制電路仿真模型圖圖中由電網(wǎng)取得同步電壓型號，經(jīng)鋸齒波發(fā)生器將電網(wǎng)的正弦波轉(zhuǎn)化為鋸齒撥波，再通過脈沖發(fā)生器形成晶閘管門極出發(fā)脈沖，從而控制晶閘管的導通。上圖是單相晶閘管控制電路仿真模型，在異步發(fā)電機進行軟并網(wǎng)仿真時，三相均需晶閘管控制。5.2.2晶閘管三相控制電路仿真模型的建立如圖5-6是晶閘管三相控制電路仿真模型圖。圖中從電網(wǎng)中取得同步電壓信號，經(jīng)鋸齒波發(fā)生器將取自電網(wǎng)的正弦波電壓信號轉(zhuǎn)化為鋸齒波電壓信號，再通過脈沖發(fā)生器形成晶閘管門極出發(fā)脈沖信號，從而控制晶閘管的導通。在并網(wǎng)過程中，雙相晶閘管從晶閘管控制電路中獲得信號，晶閘管的控制角由180°～0°逐漸同步打開；與此同時，雙相晶閘管的導通角則同時由0°～180°逐漸增大，此時并網(wǎng)自動開關(guān)未動作，動合觸頭未閉合，異步發(fā)電機即通過晶閘管平穩(wěn)地并入電網(wǎng)；隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，電機的轉(zhuǎn)差率逐漸趨于零，當轉(zhuǎn)差率為零時，并網(wǎng)自動開關(guān)動作，動合觸頭閉合，雙相晶閘管被短接，并網(wǎng)過程結(jié)束。圖5-6晶閘管三相控制電路仿真模型圖第六章異步風力發(fā)電機的軟并網(wǎng)仿真風力發(fā)電的運行方式主要有兩種類。一類是獨立運行供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達的偏遠地區(qū)，用小型風力發(fā)電機組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換成為交流電向終端電器供電。另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運行，聯(lián)網(wǎng)風力發(fā)電是大規(guī)模利用風能的最經(jīng)濟方式[11]。風力發(fā)電不同于火力發(fā)電，風力發(fā)電所用能源是自然界的風能。而風速的大小、方向并不恒定，并且沒有一定的規(guī)律可循。發(fā)電機也經(jīng)常起、停機，也經(jīng)常并網(wǎng)、解列，所以要求應用在風力發(fā)電機組的發(fā)電機具有快速并網(wǎng)且對電網(wǎng)和電機的沖擊都最小。6.1風力發(fā)電機直接并網(wǎng)仿真為了與軟并網(wǎng)過程進行比較，首先進行風力發(fā)電機組直接并網(wǎng)的仿真分析。6.1.1直接并網(wǎng)仿真模型的建立直接并網(wǎng)仿真系統(tǒng)由風模型、風力機模型、風力機控制器模型、異步發(fā)電機模型、變壓器模型等組成。如圖6-1是風力發(fā)電機直接并網(wǎng)仿真模型圖。這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同,當風力機驅(qū)動的異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時即可并入電網(wǎng)；自動并網(wǎng)的信號由測速裝置給出,而后通過自動空氣開關(guān)合閘完成并網(wǎng)過程。6.1.2風速為7m/s時，發(fā)電機直接并網(wǎng)仿真風力發(fā)電機直接并網(wǎng)仿真結(jié)果如圖6-2到圖6-10所示通過一系列的仿真，得出風速仿真波形、風力機輸出功率仿真波形、風力機輸出機械轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機輸出機械轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機機械轉(zhuǎn)速等仿真波形。圖6-1風力發(fā)電機直接并網(wǎng)仿真模型圖圖6-2風速輸出仿真波形圖6-3發(fā)電機直接并網(wǎng)風力機的輸出功率仿真波形圖6-4發(fā)電機直接并網(wǎng)風力機的輸出轉(zhuǎn)矩仿真波形圖6-5發(fā)電機直接并網(wǎng)發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-6發(fā)電機直接并網(wǎng)發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-7發(fā)電機直接并網(wǎng)風輪機葉片節(jié)矩角輸出仿真波形圖6-8發(fā)電機直接并網(wǎng)發(fā)電機的定子電流輸出仿真波形6.2風力發(fā)電機組直接并網(wǎng)仿真分析6.2.1直接并網(wǎng)仿真波形的分析（1）風力發(fā)電機組并入電網(wǎng)后第一個公頻周期內(nèi)沖擊電流達到峰值，并持續(xù)2～3個周期。（2）異步發(fā)電機在接近同步轉(zhuǎn)速時并入電網(wǎng)，沖擊電流持續(xù)時間最短。6.2.2異步發(fā)電機啟動的相關(guān)理論的驗證（1）發(fā)電機直接并入電網(wǎng)時沖擊電流峰值由電網(wǎng)電壓及發(fā)電機本身參數(shù)決定，與并網(wǎng)風速、發(fā)電機轉(zhuǎn)速無關(guān)，這是因為沖擊電流主要由過度過程的直流分量和暫態(tài)交流分量合成產(chǎn)生，而二者的幅值與電網(wǎng)電壓成反比，與發(fā)電機過度過程的暫態(tài)電抗成反比。（2）當發(fā)電機參數(shù)一定時，交流暫態(tài)衰減時間與滑差成正比。當滑差趨于零時，沖擊電流也由峰值隨之衰減到最小值。（3）當發(fā)電機參數(shù)一定時，交流暫態(tài)分量衰減時間與并網(wǎng)風速有關(guān)。并網(wǎng)風速越高，葉輪輸出的機械轉(zhuǎn)矩越大，電機轉(zhuǎn)速很快達到同步轉(zhuǎn)速，沖擊電流隨之衰減到最低值[10]。6.3風力發(fā)電機組軟并網(wǎng)仿真6.3.1軟并網(wǎng)仿真模型的建力基于PSCAD/EMTDC仿真軟件建立風力發(fā)電機軟并網(wǎng)裝置的仿真模型如圖6-9所示。該模型主要由電網(wǎng)模型、發(fā)電機模型、風力機模型、風模型、三對反并聯(lián)的晶閘管及其RC吸收模塊、旁路自動并網(wǎng)開關(guān)模塊和相應的控制模塊等組成。晶閘管及其吸收模塊串接于發(fā)電機與電網(wǎng)之間；觸發(fā)脈沖的形成與分配模塊從電網(wǎng)取得同步信號后產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)信號并按順序發(fā)給相應的晶閘管；當晶閘管完全導通后，旁路自動并網(wǎng)開關(guān)模塊短接晶閘管支路，并網(wǎng)過程結(jié)束。圖6-9風力發(fā)電機軟并網(wǎng)仿真模型圖晶閘管觸發(fā)脈沖的形成與分配模塊是軟并網(wǎng)仿真模塊的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這里同步信號取自電網(wǎng)電壓的正相過零點，晶閘管觸發(fā)脈沖的形成與分配仿真波形如圖6-16和圖6-17中所示。6.3.2風速為7m/s，軟并網(wǎng)仿真通過一系列的仿真，得出風速仿真波形、風力機輸出功率仿真波形、風力機輸出機械轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機輸出機械轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形、得出晶閘管移相規(guī)律、轉(zhuǎn)速曲線以及電流的仿真波形如圖6-18所示：圖6-10風速輸出仿真波形圖6-11發(fā)電機軟并網(wǎng)風力機的輸出功率仿真波形圖6-12發(fā)電機軟并網(wǎng)風力機的輸出機械轉(zhuǎn)矩仿真波形圖6-13發(fā)電機軟并網(wǎng)發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-14發(fā)電機軟并網(wǎng)發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-15發(fā)電機軟并網(wǎng)風輪機葉片節(jié)矩角輸出仿真波形圖6-16取自電網(wǎng)同步電壓形成的鋸齒波波形圖圖6-17晶閘管門極觸發(fā)信號波形第二組晶閘管和第三組晶閘管的門極觸發(fā)型號與圖5-18的觸發(fā)型號波形類似，這里不再一一列出。圖6-18風速為7m6.3.3風速為10m/s時，軟并網(wǎng)仿真通過一系列的仿真，得出風速仿真波形、風力機輸出功率仿真波形、風力機輸出機械轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機輸出機械轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機機械轉(zhuǎn)速等仿真波形。晶閘管移相規(guī)律、轉(zhuǎn)速曲線以及電流的仿真波形如圖6-19到6-27所示：圖6-19風速輸出仿真波形圖6-20發(fā)電機軟并網(wǎng)風力機的輸出功率仿真波形圖6-21發(fā)電機軟并網(wǎng)風力機的輸出機械轉(zhuǎn)矩仿真波形圖6-22發(fā)電機軟并網(wǎng)發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-23發(fā)電機軟并網(wǎng)發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-24發(fā)電機軟并網(wǎng)A相電壓輸出仿真波形圖6-25發(fā)電機軟并網(wǎng)取自A相的同步電壓圖6-26發(fā)電機軟并網(wǎng)風輪機葉片節(jié)矩角輸出仿真波形圖6-27風速為10m/s時發(fā)電機軟并網(wǎng)過程的仿真波形風速為12m/s，軟并網(wǎng)仿真在晶閘管觸發(fā)電路的移相規(guī)律與發(fā)電機轉(zhuǎn)速不配合時，得出電流波形和發(fā)電機轉(zhuǎn)速仿真波形入圖6-28所示。圖6-28風速為12m/s是軟并網(wǎng)過程的仿真波形風速為20m/s時,軟并網(wǎng)仿真當風速增到較大值時，通過對發(fā)電機組進行軟并網(wǎng)仿真得出的風速波形、風力機輸出功率波形與輸出轉(zhuǎn)矩波形、發(fā)電機轉(zhuǎn)速波形、定子電流波形等輸出仿真波形如圖6-29到圖6-36所示。圖6-29風速輸出仿真波形圖6-30發(fā)電機軟并網(wǎng)風力機的輸出功率仿真波形圖6-31發(fā)電機軟并網(wǎng)風力機的輸出機械轉(zhuǎn)矩仿真波形圖6-32發(fā)電機軟并網(wǎng)發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-33發(fā)電機軟并網(wǎng)時發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-34發(fā)電機A相電壓輸出仿真波形圖6-35風速為20m/s時發(fā)電機轉(zhuǎn)速圖6-36發(fā)電機有功功率輸出仿真波形6.4風力發(fā)電機組軟并網(wǎng)仿真分析6.4.1仿真波形的分析通過上述軟并網(wǎng)仿真結(jié)果可以看出，在發(fā)電機與電網(wǎng)之間裝設軟并網(wǎng)裝置可將并網(wǎng)瞬間的沖擊電流限制在較低的范圍內(nèi)。在直接并網(wǎng)仿真中，電網(wǎng)的沖擊電流最高達到6.8KA，是額定電流的7倍，這么高的沖擊電流對發(fā)電機和電網(wǎng)的正常運行將造成嚴重的危害。而通過軟并網(wǎng)裝置后的，在并網(wǎng)瞬間電網(wǎng)的沖擊電流是1.8KA之間，是額定電流的1.7倍。通過軟并網(wǎng)仿真可以看出，風力機與發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩和輸出功率在并網(wǎng)瞬間的波動要比直接并網(wǎng)的波動要小，有利于風力機和發(fā)電機及電網(wǎng)的正常運行。通過適當調(diào)整晶閘管移相規(guī)律和機組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，可使軟并網(wǎng)電流變化平穩(wěn)些。仿真結(jié)果表明當風速為7m/s時，并網(wǎng)轉(zhuǎn)速為1504rad/min，即花差率為-0.003左右；當風速為10m/s時，并網(wǎng)轉(zhuǎn)速為1515rad/min，即花差率為-0.01左右。作為對比，圖6-28是晶閘管移相規(guī)律與軟并網(wǎng)轉(zhuǎn)速不適當時的發(fā)電機定子電流衰減波形與發(fā)電機轉(zhuǎn)速曲線。從圖可以看出在風速較大時晶閘管并網(wǎng)控制與發(fā)電機轉(zhuǎn)速不太協(xié)調(diào)時會造成并網(wǎng)電流上升到2.6KA，發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升到1590rad/min，這是不允許的。當發(fā)電機的轉(zhuǎn)訴接近同步轉(zhuǎn)速時，為減少軟并網(wǎng)的持續(xù)時間，使晶閘管完全導通的時刻與發(fā)電機到達同步轉(zhuǎn)速的時刻盡可能接近，可大大加快晶閘管的導通速度，而不會引起電網(wǎng)電流大幅上升。結(jié)論通過對上述仿真結(jié)果的分析可得出以下結(jié)論：（1）發(fā)電機轉(zhuǎn)速等于或超過同步轉(zhuǎn)速時機組才發(fā)電。（2）異步風力發(fā)電機組直接并網(wǎng)會產(chǎn)生很大的沖擊電流，對發(fā)電機和電網(wǎng)的影響也比較嚴。（3）異步風力發(fā)電機組通過晶閘管軟并網(wǎng)可把沖擊電流限制在比較小的范圍內(nèi)，保護了發(fā)電機自身設備的安全和電網(wǎng)的正常運行。（4）風力發(fā)電機組直接并網(wǎng)和軟并網(wǎng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與風速有關(guān)。（5）機組容量越大，在不斷變化的風速下其穩(wěn)定性越好。（6）在發(fā)電機旁路開關(guān)閉合至同步轉(zhuǎn)速之前，晶閘管導通角的增大會引起并網(wǎng)電流幅值的上升躍變。此時，如果晶閘管導通速度過快會產(chǎn)生較大的沖擊電流，所以在此期間晶閘管的導通角應緩慢增大，即晶閘管導通角增大的步長小一些，而且每個步長的持續(xù)時間比較長，只有這樣才可把比并網(wǎng)沖擊電流限制在較低值內(nèi)。（7）為減少軟并網(wǎng)持續(xù)的時間與沖擊電流的峰值，機組的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速應隨風速調(diào)節(jié)。軟并網(wǎng)控制技術(shù)是風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中故障率較高的一個子系統(tǒng)，而且軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的故障較難發(fā)現(xiàn)和處理。本設計著重敘述分析了風力發(fā)電機組軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的必要性、原理、結(jié)構(gòu)以及具體的控制過程，這有助于理解軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的工作原理及其故障的順利排除。由于現(xiàn)有知識有限，通過仿真實驗，有些結(jié)果還是和已有結(jié)果有一定的距離，晶閘管的觸發(fā)電路還是有一些問題需要解決，另外，在風力機和發(fā)電機之間的一些參數(shù)配合上也存在一些問題。相信在今后的工作中通過不斷的學習和實踐一定會在這方面有新的更大的突破。參考文獻[1]盛雙文．大型風力發(fā)電機組中央控制系統(tǒng)的研制．中國科學院碩士學位論文，2000．6C27[2]趙斌，許洪華．大型風力發(fā)電機組的軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)．新能源．2000(12)：45～47[3]邵丙衡．電力電子技術(shù)．北京：中國鐵道出版社．1997．8，ll2～l23[4]孫浩．風力發(fā)電機組并網(wǎng)沖擊電流產(chǎn)生的原因及其控制方法的初步探討．風力發(fā)電.2001(3)：6～8[5]馬金路.BONUS150KW風力發(fā)電機軟啟動的特點及原理.風力發(fā)電.1994（4）：5～7[6]吳烽.風力發(fā)電機并網(wǎng)技術(shù)綜述.風力發(fā)電，1992（1）：5～8[7]PSASP使用手冊[K]．北京：中國電力科學研究院[8]SvenssonT,BriozzoC.Gridconnectingusingthyristors[A].FourthInternationalSyposiumonWindEnergySystems[C].Sweden,1982(9):31～35[9]GzotnmNalhandGunnarJ．Berg．TransientAnalysisofThree-phaseSCRconnliedinductionmotors.IEEETransactionsonIndustryApplications,VOL．IA-218,NO．2,March／Apcil,1981．133～142[10]GapeP.WindEnergyComesofAgeNewYork:JohnWiley&Sons,Inc,1995.20～21[11]BruneCS,SppeR,WallaeeA.K.ExpersmentalEvaluationofAVariable-speed,Double-fedWindPowerGenerationSyste