風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真

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；建模與仿真1風(fēng)資源及風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(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(dòng)的結(jié)果。風(fēng)向和風(fēng)速是兩個(gè)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(dòng)的速度即單位時(shí)間內(nèi)空氣流動(dòng)所經(jīng)過的距離。風(fēng)速是指某一高度連續(xù)lOmin所測(cè)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(gè)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)能資源的估算風(fēng)能的大小實(shí)際就是氣流流過的動(dòng)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：①二0.5pv3 （1-1）式中,?——風(fēng)能密度（W/m2），是描述一個(gè)地方風(fēng)能潛力的最方便最有價(jià)值的量；空氣密度（kg/m3）；風(fēng)速(m/s)。由于風(fēng)速是一個(gè)隨機(jī)性很大的量，必須通過一段時(shí)間的觀測(cè)來了解它的平均狀況，一個(gè)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(gè)值可以將風(fēng)能密度公式對(duì)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?=Jv20.5pv3P(v)dv (1-2)v1式中，v——啟動(dòng)風(fēng)速(m/s)；1v——停機(jī)風(fēng)速(m/s)；2P(v)——有效風(fēng)速范圍內(nèi)的條件概率分布密度函數(shù)［2］。平均風(fēng)能密度則可用下式求得：?=#0.5pv3P(v)dt (1-3)風(fēng)力發(fā)電的基本原理風(fēng)能具有一定的動(dòng)能，通過風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)帶動(dòng)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(jiǎn)單，最簡(jiǎn)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?dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動(dòng)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(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。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(tái)資金就可以安裝一臺(tái)投產(chǎn)一臺(tái)；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(jiǎn)單，實(shí)際占地面積?。话l(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(chǎng)某個(gè)時(shí)段每一風(fēng)速出現(xiàn)的概率，可以通過分析風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際測(cè)風(fēng)的原始資料得到。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際測(cè)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(cè)取，那么在一年之內(nèi)就有N個(gè)測(cè)點(diǎn)，這樣可得風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際的風(fēng)頻分布為：NF (2-1)iNy

式中式中F——風(fēng)速v的實(shí)際分布頻率；iwi年內(nèi)總的測(cè)風(fēng)點(diǎn)數(shù)，一般有N二8760。y年內(nèi)總的測(cè)風(fēng)點(diǎn)數(shù)，一般有N二8760。yNy風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速符合威布爾分布2-2)式中，V為風(fēng)速（m/s）,f（?）為威布爾分布函數(shù)，A、K為威布爾尺度系數(shù)（m/s）和形狀系數(shù)。利用風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)的結(jié)果，對(duì)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V和風(fēng)速頻率分布F，并采用最小逼近法，Pi工yf—F|2二mini=iii （2-3）算出威布爾分布參數(shù)A、K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(chǎng)風(fēng)能資源分布和評(píng)估、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型和發(fā)電量的預(yù)測(cè)以及風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響分析。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)v、陣風(fēng)v、漸變風(fēng)和隨wbwg機(jī)風(fēng)。（1）基本風(fēng)vwb2-4)2-4)v=wb

vwb圖2-1基本風(fēng)隨時(shí)間變化曲線圖（2）陣風(fēng)vwg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t-T）vwb圖2-1基本風(fēng)隨時(shí)間變化曲線圖（2）陣風(fēng)vwg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t-T） 1GT丿V=<wgG——max21-cos2兀T<t<T+T1G 1G G其他時(shí)間2-5)式中，Gmax陣風(fēng)幅值（m/s）；T陣風(fēng)開始時(shí)刻（s）。1G圖2-2陣風(fēng)隨時(shí)間變化曲線圖陣風(fēng)開始時(shí)刻（s）。1G圖2-2陣風(fēng)隨時(shí)間變化曲線圖wrwrt-T< 1Rwrt-T< 1R—T-T

2R1RR

maxRmaxt<T或t>T+T1R 2R RT<t<T1R 2RT<t<T+T2R 2R R2-6)式中，R——漸變風(fēng)的最大值；maxT——漸變風(fēng)開始時(shí)刻；T——漸變風(fēng)結(jié)束時(shí)刻1R 2R——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。vwn=2^I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。vwn=2^IsVi=lcos(wt+e)iiS(w)=Viw=（i-0.5）Awi式中，w——第i個(gè)分量的角頻率；iAw——隨機(jī)分量的離散間距；申——在0?2“間服從均勻概率密度的隨機(jī)變量;iK——地表粗糙系數(shù)，一般取0.004；NF——擾動(dòng)范圍（m2）；2-7)卩 相對(duì)高度的平均風(fēng)速（m/s）；S（w）——風(fēng)速隨機(jī)分量分布譜密度（m2/s），通過對(duì)其積分便可得短期Vi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)速為二v+v+v+vwrwn2-8)二v+v+v+vwrwn2-8)6）綜合風(fēng)速模型wwbwgVw圖2-4綜合風(fēng)速模型輸入?yún)?shù)如下：①基本風(fēng)：v=9m/s。wb②陣風(fēng)：v=2m/s,T=3s,T=1s，數(shù)量為1。maxIGG③漸變風(fēng)：v =2m/s,T=4s,T=1s，數(shù)量為1.5.maxIRR④隨機(jī)風(fēng)：K二0.004,F=2000m2,n二50。N仿真結(jié)果如下：鳳謹(jǐn)模型輜出0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0050505050為型2D.17.15.12.1O.鳳謹(jǐn)模型輜出0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0050505050為型2D.17.15.12.1O.了5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(dòng)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(dòng)，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(gè)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。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)算公式是根據(jù)流體力學(xué)中氣流的動(dòng)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(jiǎn)化模型如下：

圖2-6風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)化模型風(fēng)力機(jī)，風(fēng)能的吸收和轉(zhuǎn)換裝置。傳動(dòng)裝置主要包括輪轂、齒輪箱和傳動(dòng)軸，起連接和傳動(dòng)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f機(jī)械能f電能。由文獻(xiàn)［6］得，風(fēng)力機(jī)軸上的輸出機(jī)械功率為：P=1P兀R2V3C（X,卩） （2-9）w2 P式中，P——空氣密度（kg/m3）；R——風(fēng)機(jī)葉輪半徑（m）；X——葉尖速比，定義為X=竺卄，其中?為風(fēng)力機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速（rad/s）,v tureqv為等效風(fēng)速（m/s）；eqP――槳距角（deg）；C――風(fēng)能利用系數(shù)，是葉尖速比X和葉片槳距角p的函數(shù)；對(duì)于給定的P風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)，C的表達(dá)式是一定的。P一種變槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率系數(shù)：TOC\o"1-5"\h\z/ 、 （116 、125C（X,P）二0.22=-o.4p-5e-5

p I5 丿2-10)1_ 1 0.0352-10)x+0.08P-p3+1風(fēng)力機(jī)獲得轉(zhuǎn)矩為：T-PT 2-11)w2-11)tur

定義cd,卩)為轉(zhuǎn)矩系數(shù),定義cd,卩)為轉(zhuǎn)矩系數(shù),C(X,卩)=Tca,卩)—P九2-12)注：)Ro由九二皿推出veq九o= optv2-13)tur R2-13)對(duì)于給定的葉片槳距角0，不同的葉尖速比所對(duì)應(yīng)的C值相差較大;P對(duì)于給定的0，有且僅有一個(gè)固定的X=X能使C達(dá)到最大值；optP③在風(fēng)速不斷變化的情況下,③在風(fēng)速不斷變化的情況下,要保持X、oopt必須隨著風(fēng)速按照亠t的比例tur r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。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。對(duì)于變槳距型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，C特性可近似表示為：P(RCC(RCC=0.5Pe-0.255eX2-14)式中，Cf為葉片設(shè)計(jì)常數(shù)，一般取1~3。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(duì)于分析不太方便，所以在實(shí)際應(yīng)用中多是取幾個(gè)離散的P值，畫出平面圖的方法，如下圖所示，取6組P值，繪制如下:在T6,v）曲線中，以轉(zhuǎn)矩T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。［6］對(duì)比PC,v）和T6,v）曲線，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)T達(dá)到最大時(shí)，P并沒有達(dá)到最大，具體而言，就是最大功率點(diǎn)對(duì)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pC,v）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)建模基于葉素理論的風(fēng)輪建模是將葉片分為若干個(gè)微元，稱為葉素，通過對(duì)葉素的受力分析求得微元轉(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［5,75］，在風(fēng)輪半徑r處取一長(zhǎng)度為dr的葉素，其弦長(zhǎng)為1，節(jié)距角為0。

阻力心葉片離魅方向來流方向切向兒F片#對(duì)風(fēng)速w法向力阻力心葉片離魅方向來流方向切向兒F片#對(duì)風(fēng)速w法向力貯孔I]—\升力葩惹吒動(dòng)力血圖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v，在半徑為r處的風(fēng)輪機(jī)速度為u=3-rt（3為風(fēng)輪機(jī)角速度），氣流相對(duì)于葉片的相對(duì)速度為w，則有：tw=v-u （2-15）葉素dr在相對(duì)速度為w的氣流作用下，受到一個(gè)方向斜向上的氣動(dòng)力dF的作用。將dF沿與相對(duì)速度w垂直及水平方向可分解為升力dL和阻力dD，當(dāng)dr很小時(shí)，可以近似的將葉素面積看成弦長(zhǎng)與葉素長(zhǎng)度的乘積，可得如下計(jì)算公式：? 1dL=—pClw2dr< 2 1（2-16）dD=—pClw2drI 2 d氣動(dòng)力dF按垂直和平行于旋轉(zhuǎn)平面方向分解為法向力dF和切向力dF，風(fēng)au輪轉(zhuǎn)矩dT由切向力dF產(chǎn)生，則有轉(zhuǎn)矩微元:u2-17)2-18)dT=r-dF=r(dL-sinI一dD-cosI)2-17)2-18)u令￡=C/C，得總轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式:dlT=n」dT=n」2pr1w2Ci-sin1c-￡-cot1)drr0式中，輪轂半徑；風(fēng)輪包含的槳葉個(gè)數(shù)i——傾斜角（槳距角?與攻角i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：T=f(v,u,0),即風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩為風(fēng)速V，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速u，槳距角0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：WindTurbineBeta圖2-10風(fēng)力機(jī)簡(jiǎn)化模型基于上面的原理及理論公式，仿真結(jié)果如下：Title(fordisplayonplots.meters,...)TmGroupDisplaytitleonicon?No ▼|ScaleFactor1.0Unit(fordisplayonmeters:p.u.,kA,...)puSaveoutputduringMultipleRunonLastRunOnly|DefaultMin/MasiLimits|_212圖2-11風(fēng)輪機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸出及參數(shù)設(shè)置Title(fordisplayoriplots.meters,...)IPTGroup1Displaytitleonicon?|No 〒|ScaleFactor|1.OUnit(fordisplayonmeters:p.u.,kA,-J puSaveoutputduringMultipleRunonLastRunOnlyDefaultMin/MaxLimits卜？I0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0~3s時(shí)變槳距控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)槳葉節(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(gè)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(dòng)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(duì)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(hào)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)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(dòng)，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(duì)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(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來；轉(zhuǎn)速降低時(shí)，再將動(dòng)能釋放出來，使功率曲線達(dá)到理想的狀態(tài)。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(hào)與給定信號(hào)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(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，如圖2-9所示。變距控制器是一個(gè)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(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號(hào)控制比例閥（或電液伺服閥）,驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞，推動(dòng)變槳距機(jī)構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化。活塞的位移反饋信號(hào)由位移傳感器測(cè)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(dòng)時(shí)投入工作，如圖2-10所示在這些過程中通過對(duì)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?50Hz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±10nmin內(nèi)持續(xù)1s發(fā)電機(jī)將切入電網(wǎng)。節(jié)距非線性化圖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(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的非線性，因?yàn)楫?dāng)功率不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩對(duì)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1500r'min時(shí),節(jié)距角給定值從45。線性的減小到5°。這一過程不僅使轉(zhuǎn)子具有高起動(dòng)力矩，

而且在風(fēng)速快速地增大時(shí)能夠快速起動(dòng)。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(hào)輸入端設(shè)有低通濾波器，節(jié)距控制對(duì)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0000^IT圖4-1風(fēng)力發(fā)電機(jī)無窮大系統(tǒng)模型0000^IT0-n-oo^0-000^A負(fù)日I:C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Title(fordisplayonplots.meters,...)GroupDisplaytit俺onicon?ScaleFactorUnit(fordisplayonmeters:p.j.,kA,...)o

EbSaveoutputduringMultipleRunon1)發(fā)電機(jī)三相電壓輸出及仿真結(jié)果分析Title(fordisplayonplots.meters,...)GroupDisplaytit俺onicon?ScaleFactorUnit(fordisplayonmeters:p.j.,kA,...)o

EbSaveoutputduringMultipleRunonEcDefaultMinfMaKLimits-1Ed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0:05(1,20.0o?5?20075502500255075001.0OQ0心OO.J0.05.010.015.020.025.030.00:05(1,20.0o?5?20075502500255075001.0OQ0心OO.J0.05.010.015.020.025.030.00075502500255075001aooaq-o.-o./00 5.0 100 15.0 20.0 25.0 30.0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。低壓母線和高壓母線的線電壓輸出及仿真結(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0.69kV左右，高壓母線電壓穩(wěn)定在121kV左右。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Is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。

D 4D 4氐lao-lbo__4lcGroupDisplaytitleonicon?ScaleFactorUnit(fordisplaycnmeters;p.u.M,...)SaveoutputduringMultipleRunon1巾1 JNo 二||l則RunOrdy1巾1 JNo 二||l則RunOrdy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(dòng)時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始自動(dòng)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(dòng)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(duì)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)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(duì)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(duì)各種仿真曲線進(jìn)行分析