基于matlab_simulink风电机组并网运行特性分析毕业设计论文(编辑修改稿)

基于matlab_simulink风电机组并网运行特性分析毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

轮箱增速后转速 会升高，带动发电机的转子旋转起来进行发电。 风电场并网后，风力发电机组所发的电能会经过风电场内部的升压站升压后与电网相连接。 风力发电系统类型 并网风力发电机组主要包括两 大类：恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。 其中恒速恒频风力发电系统由普通异步发电机（即鼠笼式异步发电机 )组成。 该种风力发电系统由风轮来完成功率的调节，其控制比较简单，但是其叶片的结构很复杂，如果调节出现了失误会引起非常严山东科技大学学士学位 论文 双馈风力发电机组的运行理论 10 重的后果。 另外，该类风力发电系统可以通过改变定子绕组的极对数使发电机运行于两种不同转速 (双速异步发电机 )，达 到充分利用低风速时风能的目的。 当进入高风速时，该类风力发电系统将不能追求最优而是采用功率的最大限制，调节的灵活度以及范围是有限的。 变速恒频风力发电系统主要分为 双馈异步风力发电机和直驱永磁同步发电机两种。 这类风力发电系统随着电力电子技术的逐渐成熟而被广大用户积极使用，其中双馈风力发电机的使用最为广泛。 该种风力发电机的输出功率是由变频装置进行调节的，转速也可得到调节，最终可以达到无功功率的平衡以及风能利用系数达到最大的目的，使风力机在很大风速 范围内按最佳效率运行，提高风能利用效率。 随着大规模电力电子技术的发 展，双馈异步发电机的风力发电系统成为发电设备的主要选择方向之一。 该类风力发电系统不必使风力机转速保持恒定，而是通过其他控制方式使得频率保持恒定。 因此，它能够实现风力机运行在最佳值，从而实现风能的最佳利用。 为了控制风电机组的功率和转速，并且防止风电机组因超出功率极限和转速极限运行而造成可能的事故，该 类风力发电系统将釆用以下控制方案：风力机在额定风速以下时按优化桨 距角定桨距运行，转速由发电机控制系统来控制，同时调节风力机的叶尖速比，以达到实现最大风 能系数和最佳功率曲线追踪的目的。 该种发电机在低于额定风速下运行既 经济又高效，而且这也是其主要的工作方式。 此时，追踪与捕获最大风能就是该类风力发电系统的控制目标。 该类风力发电系统的主要优点如下： (1)采用该风力发电技术运行效率高。 由于风轮变速运行，因此，可在较大的风速范围内保持最大功率点和最佳的叶尖速比运行，从而使机组发电效率得到了提高，风力机的运行条件也得到了优化。 在不同的风速下，山东科技大学学士学位 论文 双馈风力发电机组的运行理论 11 风力机都会有一个最佳运行转速，在该转速下对风能的捕获效率最高，所以需要风力发电机组能够运行在这个转速下，双馈异步发电机可以随风速的改变调节风力机转速，使得风力机始终运行于最佳转速，而普通异步 发电机只能固定运行于同步转速，一 旦风速发生变化，风力机就会偏离最佳转速，使得运行效率降低， 浪费了风力资源。 (2)采用该风力发电技术使得功率因数 可调。 该类风力发电通过在异步电机的转子侧施加三相低频 电流来实现交流励磁，并且控制励磁电流的频率、幅值、相位，从而 实现输出电能的恒频恒压。 另外，采用矢量变换控制技术控制有功功率，使得风力发电机组的转速得到调节，从而实现了最大风能捕获的追踪控制；而采用矢量变换控制技术控制无功功率使得电网的功率因数得到调节，从而提高了风电并网系统运行的静态稳定性和动态稳定性。 (3)采用 该风力发电技术使变桨 距调节更加简单。 当风速很高时，可以通过调节桨距角来限制最大输出功率，当风速很低时，装距角是固定的。 (4)采用该风力发电技术使得风电并网实现了很好的柔性连接，在并网操作及运行上较普通异步发电系统更容易。 本次毕业设计 将以双馈异步 风力 发电系统作为研究对象。 双馈风力发电机组变速恒频运行的基本原理 双馈电机的结构类似于绕线式感应电机，定子绕组也由具有固定频率的对称三相电源激励，所不同的是转子绕组具有可调节频率的三相电源激励，一般采用交 交变频器或交 直 交变频器供以低频电流 [8]。 转 子的旋转速度rn 、转子外加励磁电源产生的旋转磁场相对于转子的旋转速度 en 与定子同步磁场的旋转速度 sn 之间的关系为： 山东科技大学学士学位 论文 双馈风力发电机组的运行理论 12 r e sn n n （ ） 当风速变化时，转速 rn 随之而变化。 在 rn 变化的同时，通过改变转子电流的频率和旋转磁场的速度 en ，可以补偿电机转速的变化，达到保持输出频率恒定不变的目的。 与转子相连接的双电压源变换器是电力电子电源变换装置，为了获得较好的输出电压和电流波形，其输出频率一般不超过输入频率的三分之一，其容量一般不超过发电机额定功率的 30%。 双馈风力发电机运行时，变速运行的范围比较宽，定子输出电压和频率可以维持不变，既可调节电 网的功率因数，又可以提高系统的稳定性。 这种控制方案除了可实现变速恒频控制、减小变流器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。 与式 ()相对应： 0rs   () 其中 ： r 为转子机械旋转角速度， s 为定子磁链旋转角速 度， 0 为转子旋转磁场角速度，即转差角速度，超同步运行时为负，亚同步运行时为正。 当定子旋转磁场在空间以 00 2 f  的速度旋转时，转子 旋转磁场相对于转子的旋 转速 度 s 应该是： 0 0 0 0(1 )sr ss           () 其中： s 为变速恒频双馈发电机转差率。 按照通常转差率的定义： srsnns n () 转子转差角转速与转差率 s 成正比。 如果交流励磁发电机的转子转速低山东科技大学学士学位 论文 双馈风力发电机组的运行理论 13 于同步转速，那么转子旋转磁场和转子的旋转方向相同，而当转子的转速高于同步转速时，则二者的旋转方向相反。 根据 2 f 可推 出励磁电流频率和定子电流频率之间存在如下关系： 0sf f s （ ） 其中： sf 为转子励磁电流的频率， 0f 为定子电流的频率。 双馈风力发电机系统的基本结构 双馈感应发电机的基本结构类似绕线式感应电机，其定转子上都具 有三相对称绕组，且磁路、电路对称，气隙分布均匀。 与绕线式感应 电机的不同之处在于转子绕组增加了电刷和滑 环。 当采用交流励磁时，转子的转速与励磁频率有关，因此双馈发电机的内部电磁关系 既 不同于感应发电机又不同于同步发电机，而是同时具有二者的某些特点。 双馈风力发电机系统的示意图如图 所示。 图 双馈风力发电机系统示意图 由图 可以看出，在双馈风力发电系统中，发电 机的定子直接与电网侧相连接，转子侧采用三相对称绕组，经过交 直 交变流器与电网侧相连接，以提供发电机交流励磁，励磁电流的幅值、相位、频率均可变，其励磁频率为转差频率。 其中交 直 交变流器由两组电压源 PWM 变换器组山东科技大学学士学位 论文 双馈风力发电机组的运行理论 14 成，可实现四象限 运行。 一般情况下，电网侧变流器的主要任务是保证电流波形和功率因数满足要求以及保证直流母线电压的稳定，转子侧变流器的主要任务是调节有功功率，实现最大风能捕获以及为转子回路提供励磁，同时调节定子无功功率。 风轮机采用变桨距控制，当风速小于额定风速时，桨距角为 0176。 ，变桨距装置不动作，采用最大功率跟踪策略来实现最大风能的捕捉；当风速增加到额定风速以上时，变桨距装置动作，桨距角逐渐变大，将发电机的输出功率限制在额定功率附近。 但 由于风轮机的转动惯量较大，因此，变桨距装置动作具有一定的时延。 双馈风力发电机的等效 电路 双馈式感应发电机 T 型等值电路如图 所示。 规定各绕组电压、电流、磁链正方向如图所示并符合右手螺旋定则，图中参数为绕组折算后到定子侧的参数 [6]。 sUsR 1sX 1rX rRssE mI rErUsmR mX 图 双馈感应发电机的 T 型等效电路图 忽略铁心损耗，根据等效电路可列以下方程： 山东科技大学学士学位 论文 双馈风力发电机组的运行理论 15 11()()()rs s s s srr r rr s ms m mrsU E I R jXU RE I jXssI I IE I jXEE       （ ） 其 中 : sU 、rU分别为定子和转子绕组电压向量， sE 、 rE 分别为定子和转子绕组的感应电动势向量， sI 、 rI 、 mI 分别为定子电流、转子电流和励磁电流向量， 1sX 、 1rX 、 mX 分别为定子漏抗、转子漏抗、 励磁电抗。 双馈风力发电机的功率关系 双馈型变速恒频风电机组，其发电机的转子电路具有功率双向流动的能力，这使得发电机既能运行在次同步模式，也能够运行在超同步模式。 双馈发电机的运行工况主要分为四种：次同步电动，次同步发电，超同步电动，超同步发电。 在不同的运行工况具有不同的功率传递关系，下面从双馈发电机的等效电路来研究其功率平衡关系。 根据功率守恒关系，经气隙 磁场传递的电磁功率从定子方和转子方可以分别表示 ： *2= + P + P = R e ( U I ) + R + Pe s C u F e s s s s F eP P I （ ） 2*rRU= + R e( I )rrerPIss （ ） 式（ ）又可以重写为 2 * *r 1 s= R + R e ( U I ) + R e ( U I )e r s s r rPI s () 山东科技大学学士学位 论文 双馈风力发电机组的运行理论 16 由上式可以看出， 2RssI 、 2rRrI 分别为定、转子铜耗， FeP 为定子铁耗，*Re(UI )ss 为定子端输出的有功功率， *Re(UI )rr 为励磁系统向发电机转子回路输入的功率，记为 rP ； 21rrs RIs+ *Re(UI )rr 即 mecP ， 为发电机轴所产生的机械功率。 式（ ）又可以重写为 2*r= R + R e(U I )e r r rsP I （ ） 因此可以得出： = 1smec ePP（ ） （ ） 2rr=s +RerP P I （ ） 由此得出，稳态运行时，双馈异步发电机的能量传递和发电机的运行状态有关。 在忽略 定转子回路损耗及铁耗的情况下，可以得出定转子回路功率关系的表达式为： rP = ssP （ ） 当 0s 1，双馈电机处于次同步运行状态，当 s0 时，双馈机处于超同步运行状态。 图 即为不同运行状态下双馈机的实际功率流向。 a)次同步发电运行功率关系 b)次同步电动运行功率关系 山东科技大学学士学位 论文 双馈风力发电机组的运行理论 17 c) 超同步发电运行功率关系 d) 超同步电动运行功率关 系 图 不同运行状态的双馈风力发电机的功率流向示意图 从上图可以看出，当 0s1，双馈发电机运行在次同步发电状态时 rsP 0, mecP 0,发电机定子端向电网输出有功功率，电网通过变流器向转子回路溃入功率，如图 a)所示；当 s0，超同步发电运行状态时， rsP 0, mecP 0, ，发电机定子端向电网输出有功功率，转子回路通过变流器向电网输入功率，如图 c)所示。 实际上，双馈电机在滑差为 0 的情况下也可实现发电，这时转子励磁电流为直流电，转子回路溃入电网的有功功率为 0，双馈电机的运行状态等同于同步发电机，由于其特殊性，一般不将其列为一种独立的运行状态。 对于双馈电机的次同步和超同步电动运行状态，分别如图 b)、 d)所示，这里不作深入讨论。