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风能发电及风力发电论文


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作为可再生能源的风力资源以其蕴量巨大;可以再生;分布广泛;没有污染等优 势而在各国发展迅速。虽然风能资源还有密度低,不稳定,地区差异大等缺点,但是 仍然不能阻挡它快速发展的强劲势头。 大中型风力发电机组联网发电是当前世界范围 内风能利用的主要形式。目前风力发电已成为

技术最成熟、最具商业化前景的新型发 电方式之一,而且商品化的兆瓦级风力发电机组已成为新建风电场的主力机型。 由于异步发电机对并网要求低,控制和保护比较简单,并网运行稳定,因此采用 异步发电机的风力发电机组是国内外商品化的风力发电机组所采取的主要技术方案。 但异步发电机直接并入电网时,其冲击电流会达到其额定电流的 6~8 倍,甚至 10 倍以上,该冲击电流会对电网、叶轮以及发电机本身造成严重的冲击,甚至会影响其 它联网机组的正常运行。另外,并网冲击电流也会对电机接触器、主空气开关等开关 设备造成较强的冲击。因此,限制发电机并网时引起的冲击电流成为风力发电控制系 统的关键技术之一。 目前风力发电机组普遍采用软并网技术, 用于限制异步发电机并网时的瞬态冲击 电流。软并网系统运用大功率晶闸管进行限流,在机组电动启动或并网过程中控制系 统根据收到命令情况和相应传感器的信号对并网过程进行控制, 并网结束后旁路晶闸 管支路短接,并网过程结束。 前人在软并网这方面作了大量的工作, 探讨了利用何种并网方式能有效的解决并 网时产生的冲击电流对发电机和电网的影响的问题, 研究了利用软并网来限制冲击电 流幅值的效果如何以及分析了用晶闸管进行软并网时晶闸管如何控制等问题。 但由于 风力发电机组并网过程是一个非常复杂的非线性过程,另外,软并网装置对晶闸管的 要求非常严格,这在技术上是一个很大的难题。目前仍待解决的问题是用何种并网方 式可既简单又方便地把并网时的冲击电流限制在允许的限度内,另外,若利用晶闸管 进行软并网, 怎样才能做到每只晶闸管的特性完全一致以及在并网过程中如何控制晶 闸管才能更好地达到限制冲击电流的目的。 本论文针对上述问题,首先对风力发电的一般原理进行了解,建立了软启动数学 模型、软并网系统仿真模型及相应的控制系统仿真模型,在 PSCAD/EMTDC 环境下对风 力发电机组直接并网和软并网过程进行了仿真模拟实验, 并对仿真结果进行了分析和 研究。 本论文所建立的风力发电机组直接并网仿真模型和软并网仿真仿真模型, 可直观

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的分析风力发电机组直接并网和软并网过程并进行比较, 通过对仿真结果的分析和研 究得出通过利用晶闸管进行软并网可把并网时产生的冲击电流限制在允许的范围内, 确保了发电机组和电网的正常运行。另外,通过对发电机软并网装置中晶闸管控制电 路的触发规律与发电机并网转速之间的关系进行仿真和分析, 可得出晶闸管控制电路 的好坏也直接关系着冲击电流的幅值大小。 以上这些结论为限制并网时的冲击电流对 电网和发电机的影响提供了一些参考。

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第一章 绪论
1.1 风能开发与风力发电
人类利用风能已有数千年历史,在蒸汽机发明以前风能曾经作为重要的动力,用 于船舶的航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等。 到了 19 世纪末,开始利用风力发电,这在解决农村电气化方面显示了重要的作 用,特别是 20 世纪 70 年代以后利用风力发电更进入一个蓬勃发展的阶段。

1.2 风力发电的基本原理
1.2.1 现代风力发电机简介
先前的风力发电机发出的电时有时无,电压和频率不稳定,是没有实际应用价值 的。一阵狂风吹来,风轮越转越快,系统就会被吹跨。为了解决这些问题,现代风机 增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等,现代风机的示意如图 1-2 所示。

、 图 1-2. 现代风力发电机系统示意图

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齿轮箱可以将很低的风轮转速(600 千瓦的风机通常为 27 转/分)变为很高的发 电机转速(通常为 1500 转/分) 。同时也使得发电机易于控制,实现稳定的频率和电 压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道,600 千瓦的风机 机舱总重 20 多吨,使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。 风机是有许多转动部件的。业已说明,机舱在水平面旋转,随时跟风。风轮沿水 平轴旋转, 以便产生动力。 在变桨矩风机, 组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转, 以便适应不同的风况。在停机时,叶片尖部要甩出,以便形成阻尼。液压系统就是用 于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用。 控制系统是现代风力发电机的神经中枢。现代风机是无人值守的。就 600 千瓦风 机而言,一般在 4 米/秒左右的风速自动启动,在 14 米/秒左右发出额定功率。然后, 随着风速的增加, 一直控制在额定功率附近发电, 直到风速达到 25 米/秒时自动停机。 现代风机的存活风速为 60-70 米/秒, 也就是说在这么大的风速下风机也不会被吹坏。 要知道,通常所说的 12 级飓风,其风速范围也仅为 32.7-36.9 米/秒。风机的控制系 统,要在这样恶劣的条件下,根据风速、风向对系统加以控制,在稳定的电压和频率 下运行,自动地并网和脱网。并监视齿轮箱、发电机的运行温度,液压系统的油压, 对出现的任何异常进行报警,必要时自动停机。

1.3 风力发电的特点
风力发电是利用风能来发电,而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。在理 论上,最好的风轮约 60%的风能转化为机械能。现代风力发电机组风轮效率可达 40%。 在风力发电机组输出达到额定功率之前,其功率与风速的立方成正比。 风力发电的突出优点是[1]:环境效益好,不排放任何有害气体和废气物。风电 场虽然占了大片土地,但是风力发电机组基础使用面积很小,不影响农田和牧场的正 常 源。 生产。到风的地方往往是荒滩或山地,建设风力发电场的同时也开发了旅游资

1.4 中国风力发电的现状与趋势
风电起源于 20 世纪 70 年代,风电技术成熟于八十年代。自 90 年代以来,风电 进入大发展阶段,单机容量兆瓦级风电机设备已投入商业化运行。风力发电是近年来 世界各国普遍关注的可再生能源开发项目,发展速度非常快。1997-2004 年,全球风 电装机年平均增长率达 26.1%。目前全球风电装机容量已达到 5000 万千瓦左右,相

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当于 47 座标准核电站。

1.4.1 中国风能资源的分布
中国风能资源丰富,根据全国 900 多个气象站的观测资料估计,我国陆地风能资 源总储量约 32.26 亿千瓦,其中可开发利用的风能资源总量为 2.53 亿千瓦,居世界 首位;中国近海(水深小于 15 米)风能资源,估计为陆上的三倍,即近海的风能储 量约为 7.5 亿千瓦。这样,陆上和近海 10 米高处技术可开发风能资源总量,总计约 为 10 亿千瓦。现代大型风力发电机组高度已超过 50 米,50 米处的风能密度为 10 米 高处的 2 倍,这样,中国技术可开发的风能资源总量,即可高达 20 亿千瓦。 我国东南沿海和山东、辽宁沿海及其岛屿,内蒙古北部,甘肃、新疆北部以及松 花江下游等地区均属风能资源丰富区,年平均风速大于等于 6m/s,有效风能密度大 于等于 200W/m2,有很好的开发利用条件。这些地区中很多地方常规能源贫乏,无电 或严重缺电,尤其是新疆、内蒙古的大部分草原牧区及沿海几千个岛屿,人口分散, 电网难以通达, 或无电力供应, 或采用很贵的柴油发电。 在上述地区, 利用风力发电, 以节约能源,改善环境,缓解电力供应紧张状况,具有重要意义。另一方面,这几年 我国的交通条件得到很大的改善,电网覆盖程度有了很大的提高,不少风能资源丰富 地区已置于电网覆盖之下,这也为建设大型风电场提供了有利条件。上述情况决定了 我国发展风电的特点是:在风能资源丰富或较丰富的边远无电、缺电地区,以发展小 型或中型独立运行的风电系统(包括风力/柴油联合发电和风/光联合发电等)为主, 利用风力发电解决边远地区的生活用电和部分生产用电;在风力资源丰富、电网通达 的地区,风力发电则作为一种清洁的可再生能源,补充和逐步代替部分常规能源,缓 解电力供应紧张的矛盾,提高当地的环境质量,所以应以发展大型风电场为主[1]。

1.4.2 中国风力发电的规划
风力发电场是将多台并网型风力发电机安装在风力资源好的场地, 按照地形和主 风向排成阵列,组成机群向电网供电,简称风电场。风电场是大规模利用风电的有效 方式,于 20 世纪 80 年代在美国兴起。我国计划到 2010 年,并网风电装机达到 500 万千瓦。目前,我国的风电装机容量还不到全国总装机容量(4.5 亿千瓦)的 0.5%, 根据我国能源发展规划,我国风电具有大规模发展的前景和市场需求。 风力发电能够成为中国电源结构的重要组成部分,发展风电有利于调整能源结 构。目前中国的电源结构中 75%是煤电,排放污染严重,增加风电等清洁电源比重刻 不容缓。尤其在减少二氧化碳等温室气体排放,缓解全球气候变暖方面,风电是有效 措施之一。从长远看,中国常规能源资源人均拥有量相对较少,为保持经济和社会的

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可持续发展,必须采取措施解决能源供应。中国风能资源丰富,如果能够充分开发, 按目前估计的技术可开发储量计算,风电年发电量可达几万亿千瓦时。据官方和专家 的推算,中国 2020 年需要 10 亿千瓦的发电装机,4 万亿千瓦时的发电量,之后如果 按照人均 2 千瓦,达到中等发达国家生活水平的基本要求,在 2050 年中国需要大约 30 亿千瓦的发电装机和 12 万亿千瓦时的发电量。庞大的装机和发电量需求,给风力 发电的发展提供了足够的空间。 由中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会主持、 绿色和平和欧洲风能协会 共同资助的报告指出, 中国有能力在 2020 年实现 3000-4000 万千瓦的风电装机容量, 年发电量将达 800 亿千瓦时,可满足 8000 万人的用电需求,同时每年可减少 4800 万吨的二氧化碳排放量。 专家们预测,我国风电发展可能将分为 3 个阶段进行:首 先在 2010 年之前完成起步阶段,风电装机达 400-500 万千瓦,初步奠定风电产业基 础;第二阶段是 2020 年达到 3000 万—4000 万千瓦,实现快速发展,在全部发电装 机中占有一定比例;第三阶段是在 2020 年之后超过核电成为第三大发电电源,并在 2050 年前后达到或超过 4 亿千瓦,超过水电,成为第二大主力发电电源[5]。 中国经济持续快速发展,对能源的需求增长很快,常规能源的供应及其带来的环 境问题日益突出,风电随着技术的发展和批量的增大,成本将会继续下降,必然成为 重要的清洁电源。

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第二章 PSCAD/EMTDC 软件简介
为了研究高压直流输电系统,Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴 水电局(ManitobaHydro)开发完成了EMTDC的初版,随后在曼尼托巴大学(University of Manitoba)创建高压直流输电研究中心,多年来该直流输电研究中心在Dennis Woodford的领导下不断完善了EMTDC的元件模型库和功能,使之发展为既可以研究交 直流电力系统问题, 又能够完成电力电子仿真及非线性控制的多功能工具(Versatile too1)[7]。是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件, PSCAD是其用户界面, PSCAD的开发成功,使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析,使电力系统复 杂部分可视化成为可能,而且软件可以作为实时 数字仿真器的前置端。可模拟任意 大小的交直流系统。操作环境为:UNIX OS, Windows95, 98, NT;Fortran 编辑器; 浏览器和TCP/IP协议。

2.1

PSCAD/EMTDC 的程序结构和功能特点
PSCAD/MTDC软件的主要功能是进行电力系统时域和频域仿真, 还可以进行交流系

统的谐波研究、暂态扭矩的分析、直流系统的启动、直流系统换相方法研究、串联或 并联的多端输电系统的电磁暂态仿真、同杆架设的交直流电路的相互影响等。EMTDC 程序具有“拍照”功能,可记录下某个时刻系统中工作状态,为重新计算提供正确的 条件,可以在此基础上进一步研究系统的暂态过程。

2.2 PSCAD 软件模块的构成
2.2.1 文件管理系统
当用户涉及 PSCAD 时所遇到的第一个软件模块就是文件管理系统。采用一种工程 /算题/文件的分层结构来表示用户进行电力系统模拟研究的数据库结构。 如果得到授 权可以进入该数据库, 这样, 局部网上的不同用户可以共享同一个数据库。 从文件管 理软件模块可以直接进行诸如备份、储存、文件编缉、拷贝和删除等操作。 通过选择文件管理模块屏幕右上角的适当菜单可调用 PSCAD 的其它软件模块, 很多 情况下将所有的软件模块同时激活, 有些模块的图像可能暂时隐藏在正在处理的模 块图像之下。

2.2.2 建模 DRAFT 模块
建模程序包是 PSCAD 程序族中最有功效的。借助建模包, 用户可以用图形的方法

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建立需要进行模拟研究的电力系统模型。通过选择不同的功能, 建模包可以为 EMTDC 或 RTDS 模拟研究准备必需的文件。 电 力 系 统 元部 件图 像 位 于 调色 板 中 (建 模 窗 口 的右 侧 ) 并可 移 至 画 布上 ( 左 侧), 通过将各元部件模型互连便完成了电力系统模型。不同元部件模型所需的参数 可在调用这些模型时屏幕上出现的菜单中直接输入。 具有大量互联元部件的电力系统 模型同样易于处理, 因为画布部分可分为很多层次并可在屏幕上滚动显示。 当用户完 成了模型构筑时, 可以通过基于 PS 格式的激光打印机或者可以接受 HP-GL 命令的绘 图仪输出硬拷贝。

2.2.3 架空线 T-LINE 和电缆 CABLE 模块
确定架空输电线和电缆的行波模型所需数据的计算过程是相当复杂的。 为了确定 变换矩阵、模式传输时间和波阻抗, 需要进行特征值分析。为了完成这种分析, 需要 使用 T-LINE 和 CABLE 模块。通过功能选择可以产生单频率模式模型或者完全的频率 相关行波模型。 架空线模型所需要的数据有导线的空间相对位置以及导线的半径和电阻率。 对于 电缆, 每一导电层和绝缘层的半径和特性都是必需的。 由 T-LINE 和 CABLE 模块所产生的数据可以直接输入到 PSCAD 的建模(DRAFT)模 块中。

2.2.4 运行 RUN TIME 模块
运行模块中的 EMTDC 操作员控制台软件模块和 RTDS 控制台软件模块可分别为运 行 EMTDC 和 RTDS 提供控制操作功能和数据收集系统功能。软件中提供了完善的界 面, 允许使用者装入、启动或停止一个模拟算题, 并可在模拟过程中与之通讯。由于 采用了多种仪表和模拟过程数据在线绘图, 允许使用者获得相关模拟算题的即时反 馈。使用者所激发的动态过程, 如整定值改动、开关操作以及故障触发可以通过操纵 滑触头、电位器、开关和按钮进行。

2.2.5 单曲线绘图 UNIPLOT 和多曲线绘图 MULTIPLOT 模块
EMTDC 和 RTDS 所产生的数据的分析和绘图是通过单曲线绘图模块进行的。可以 对数据进行标尺整定和通用格式整定。对于绘图用的数据可直接进行傅里叶分析。如 果要处理大量的数据, 可以通过编程的办法形成自动处理顺序。 多曲线绘图模块可以将单曲线绘图模块绘出的曲线整理成适合报告应用。 可将多 根曲线组合安排在单张纸上。 使用者可以直接处理曲线并在纸面上添加需要的文字说 明并可绘制其它美化标志。

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2.3 EMTDC 模块
EMTDC 是一套基于软件的电磁暂态模拟程序, 可以通过 PSCAD 进行调用。 用户 可以通过调用随 EMTDC 主程序一起提供的库程序模块或利用用户自己开发的元部件 模型有效地组装任何可以想象出的电力系统模型和结构。 EMTDC 的威力之一是可以较 为简单地模拟复杂电力系统, 包括直流输电系统和其相关的控制系统。

2.3.1 利用 EMTDC 可进行的模似研究范围
(1)一般的电力系统电磁暂态研究 (2)直流输电结构和控制 (3)FACTS(灵活交流输电系统)元部件模型 (4)同步发电机和感应电动机的扭矩效应和自励磁研究 (5)静止补偿器研究 (6)非线性控制系统研究 (7)变压器饱和研究, 如铁磁振荡和铁芯饱和不稳定性研究 (8)绝缘配合研究 (9)谐波相互影响研究 (10)新型控制系统原则的开发 (11)陡前波分析

2.4 PSCAD/EMTDC 的应用
PSCAD/EMTDC典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时, 参数随时间变化 的规律,此外PSCAD/EMTDC软件广泛应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电 力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。

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第三章
3.1 风能的数学模型

风能数学模型的建立和仿真

风能作用于风力机的叶片上,作为风力发电机的原动力。为了能较准确的描述 自然界的风能的随机性和间歇性的变化特点, 在工程上一般采用简化的四分量模型来 模拟风速随时间变化的特征。

3.1.1 基本风
基本风可以由风电场测量所得的威布尔(Weibull)分布参数近似确定 v wB = A ? Γ(1 + 1 / K ) (3-1)

式中:A 、K——表示威布尔分布尺度参数和形状参数; Γ(?) ——伽马函数。 在实际领导真时我们近似认为 vwB 是一个不随时间变化的分量,也就是取 vwB 为一个常数。

3.1.2 阵行风
vwG 用于表述风速的突然变化,在 3 个时间段内有不同的风速。

(1)0<t<T1G 风速 vwG=0 (2)T1G<=1<(T1G+TG),风速 vuG=vcos。Vcos 表示在该时间段内风速变化具有佘弦特性, 其表达式为:

vcos =

v max G 2

t ? T1G ? ? )? ?1 ? cos 2π ( TG ? ?

(3-2)

式中:vmaxG——阵行风最大的风速(m/s) t——时间(s)
T1G——出现阵性风的时间(起动时间 s) TG——阵性风的持续时间

(3) t>T1G+TG 风速 vwG=0 可见当 t=T1G 时

vcos=0 vcos=vmax vcos=0

t=(T1G+TG/2) t=T1G+TG
阵性风变化过程如图所示:

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vwG vmax

图 3-1

阵行风随时间变化曲线图

在分析风电系统对电压波动的影响时,通常用阵性风来考核较大的风速变化时 的电压波动的特性。

3.1.3 渐变风
vwR 用于描述风速的逐渐的变化。在 4 个时间区段内有不同风速 (1)0<t<T1R (2)T1R<=t<T2R 达式: 风速 vwR=0 风速 vwR=vramp。vramp 表示在该时间区段内风速线性变化表

v ramp = v max R (1 ?
可见

t ? T2 R ) T1R ? T2 R

(3-3)

t=T1R t=T2R

vramp=0 vramp=vmax
风速 vwR=vmax 风速 vwR=0

(3)T2R<=t,<=T2R+TR (4)t>=T2R+TR 渐变风变化过程:
VwR Vmax

T1R

T2R

T2R+TG

t

图 3-2 渐变风随时间变化曲线图

3.1.4 随机噪声风
vwN 用以描述在指定的高度的风速变化的随机风的特性,由许多谐波分量构成,

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其表达式为:
v wN = 2∑ [sV ( wi )?w]
t =1 N 1/ 2

cos( wi + φi )

(3-4)

?w ——随机分布的离散间距

wi ——第 I 个分量的角频率 s v ( wi ) ——第 I 个分量的振幅
S v ( wi ) =

wi = (i ? 1 / 2)?w

φi ——第 I 个分量的初相角为 0~2Pi 之间分布的随机量
2 K N F 2 wi

π [1 + ( Fwi / ?π )]
2 2

1 3

(3-5)

式中:kN——地表摩擦系数
F——拢动范围 m2

? ——相对高度的平均风速(m/s)

3.1.5 综合风速表达式
综合风速表达式即是对前面的四个分量风的表达式求和即可,其表达式如下:

vw = vwB + vwG + vwR + vwN

(3-6)

3.2 风能的仿真
3.2.1 基本风的仿真
我们将基本风作为常数考虑,仿真模块与结果如图 4·3 和 4·4 所示。在仿真基 本风模块时取常数为 8m/s。
Wind Source Mean

Vw

图 3-3 基本风仿真模块

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Main : Graphs 20.0 18.0 16.0 14.0 Mean 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 ... ... ... Vw(m/s)

图 3-4 基本风输出仿真波形

3.2.2 阵形风的仿真
阵形风仿真模块与结果如图 4-5 和 4-6 所示。
Wind Source Gust Vw

图 3-5

阵形风仿真模块
M : Graphs ain

4.0 3.0 2.0 Gust 1.0 0.0 -1.0 0.0

Vw(m/s)

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

... ... ...

图 3-6 阵形风输出仿真波形

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3.2.3 渐变风的仿真
渐变风仿真模块与结果如图 4-7 和 4-8 所示。
Wind Source Vw Ramp

图 3-7 渐变风仿真模块
Main : Graphs 4.0 3.0 2.0 Ramp 1.0 0.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 ... ... ... Vw(m/s)

图 3-8 渐变风输出仿真波形

3.2.4 随机噪声风的仿真
随即噪声风的仿真模块与结果如图 4-9 和 4-10 所示。
Wind Source Mean Noise

Vw

图 3-9 随机噪声风仿真模块

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Main : Graphs 4.00 Vw(m/s)

3.50

Noise

3.00

2.50

2.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 ... ... ...

图 3-10 随机噪声风输出仿真波形

3.2.5 综合风的仿真
综合风就是前四种风的求和,仿真模块与结果如图 4-11 与 4-12 所示。
Wind Source Mean Gust Ramp Noise

Vw

图 3-11 综合风仿真模块
M : Graphs ain 25.0 20.0 Vw(m/s)

15.0 y 10.0

5.0 0.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 ... ... ...

图 3-12 综合风输出仿真波形

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第四章 异步风力发电机的并网
4.1 异步发电机的基本原理 4.1.1 异步发电机的基本原理简介
风力发电系统中并网运行的异步发电机,其定子与同步电机的定子基本相同,定 子绕组为三相的,可接成三角形或星形接法;转子则有鼠笼型和饶线型两种。根据异 步电机理论, 异步电机并网运行时由定子三相绕组电流产生的旋转磁场的同步转速决 定于电网的频率及电机绕组的极对数 ns=60f/p 式中:ns 为同步转速;f 为电网频率;p 为绕组极对数。 按照异步发电机理论可知,当异步电机连接到频率恒定的电网上时,异步电机可 以有不同的 运行状态;当异步电机的转速小于异步电机的同步转速时(即 n< ns), 异步电机以电动机的方式运行,处于电动运行状态,此时异步电机自电网吸取电能, 而由其转轴输出机械功率; 当异步电机由原动机驱动, 其转速超过同步转速时 (n> ns), 则异步电机将处于发电运行状态, 此时异步电机吸收由原动机供给的机械能而向电网 输出电能。 (4-1)

4.1.2 发电机的启动
电动机起动是指风力发电机组在静止状态时, 把发电机用作电动机将机组起动到额 定转速并切人电网。 电动机起动目前在大型风力发电机组的设计中不再进入自动控制 程序。 因为气动性能良好的桨叶在风速 v>4m/s 的条件下即可使机组顺利地自起动到 额定转速。 电动机起动一般只在调试期间无风时或某些特殊的情况下,比如气温特别低, 又未安装齿轮油加热器时使用。 电动机起动可使用安装在机舱内的上位控制器按钮或 是通过主控制器键盘的起动按钮操作,总是作用于小发电机。发电机的运行状态分为 发电机运行状态和电动机运行状态。发电机起动瞬间,存在较大的冲击电流(甚至超 过额定电流的 10 倍),将持续一段时间(由静止至同步转速之前),因而发电机起动时 需采用软起动技术,根据电流反馈值,控制起动电流,以减小对电网冲击和机组的机 械振动。电动机起动时间不应超出 60s,起动电流小于小发电机额定电流的 3 倍。

4.2 异步风力发电机的并网方法
因为风力机为低速运转的动力机械,在风力机与异步发电机转子之间经增速齿轮

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传动来提高以达到适合异步发电机运转的转速,一般与电网并联运行的异步发电机多 选用 4 极或 6 极电机,因此异步发电机转速必须超过 1500r/min 或 1000r/min,才能运 行在发电状态,向电网送电。显见,电机极对数的选择与增速齿轮箱关系密切,若电机 极对数选小,则增速齿轮传动的速比增大,齿轮箱增大,但电机的尺寸则小些;反之, 若电机极对数选大些,则传动速比减小,但电机的尺寸大些。 根据电机理论,异步发电机并入电网运行时,是靠滑差率来调整负荷的,其输出的 功率与转速转速近乎成线性关系,因此对机组的调整要求,不像同步发电机那么严格 精确,不需要同步设备和整步操作,只要转速接近同步转速时就可并网,国内及国外与 电网并联运行的风力发电机组中,多采用异步发电机,但异步发电机在并网瞬间会出 现较大的冲击电流(约为异步发电机额定电流的 4~7 倍),并使电网电压瞬时下降.随 着风力发电机组单机容量的不断增大,这种冲击电流对发电机自身部件的安全及对电 网的影响也愈加严重[5]。过大的冲击电流,有可能使发电机与电网连接的主回路中 的自动开关断开; 而电网电压的较大幅度下降,则可能会使低电压保护动作,从而导致 异步发电机根本不能并网。 当前在风力发电系统中采用的异步发电机并网方法有以下 几种。

4.2.1 直接并网
这种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同,当风力机驱动的异 步发电机转速接近同步转速时即可并入电网;自动并网的信号由测速装置给出,而后 通过自动空气开关合闸完成并网过程。 显见这种并网方式比同步发电机的准同步并网 简单。但如上所述,直接并网时会出现较大的冲击电流及电网电压的下降,因此这种 并网方法只适用于异步发电机容量在百千瓦级以下,而电网容量较大的情况下。中国 最早引进的 550kW 风力发电机组及自行研制的 50kW 风力发电机组都是采用这种方法 并网的。

4.2.2 降压并网
这种并网方法是在异步发电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压 器,以达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。因为电阻、电抗 器等元件要消耗功率, 在发电机并入电网以后, 进入稳定运行状态时, 必须将其切除, 这种并网方法适用于百千瓦级以上、容量较大的机组,显见这种并娃每个方法的经济 性比较差,中国引进上午 200kW 异步发电机组,就是采用这种并网方式,并网时发电 机每相绕组与电网之间皆串接有大功率电阻。

4.2.3 通过晶闸管软并网

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这种并网方法是在异步发电机定子与电网之间通过每相串入一只双相晶闸管连 接起来,三相均有晶闸管控制,双相晶闸管的两端与并网自动开关的动合触头并联。 接入双相晶闸管的目的是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许的限度内。 这种并网方法的特点是通过控制晶闸管的导通角,将发电机并网瞬间的冲击电 流限制在规定的范围内(一般为 1.5~2 倍额定电流以下,从而得到一个平滑的并网 暂态过程。

4.3 软并网系统
4.3.1 软并网控制系统的必要性
由于异步发电机对并网要求低,控制和保护比较简单,并网运行稳定,因此采用 异步发电机的风电机组是国内外商品化的风电机组所采取的主要技术方案。 但是异步 发电机在并网瞬间,所产生的冲击电流会达到其额定电流的6~8倍,甚至10倍以上。 该冲击电流会对电网、叶轮以及发电机本身造成严重的冲击,甚至会影响其他联网机 组的正常运行。另外,并网冲击电流也会对电机接触器、主空气开关等开关设备造成 较强的冲击。因此软并网技术是失速型风电机组控制系统的关键技术之一。软并网装 置用于限制异步发电机并网以及大小电机切换时的瞬态冲击电流, 以免对电网造成过 大的冲击。软并网系统运用大功率晶闸管进行限流,在机组电动启动或并网过程中控 制系统根据收到命令情况和相应传感器的信号对并网过程进行控制, 并网结束后旁路 晶闸管支路[2]。

4.3.2 软并网系统的结构组成
风力发电机组软并网系统由主电路(强电回路)及其晶闸管移相触发控制电路(弱电回 路)组成。晶闸管移相触发控制装置的硬件部分主要由电网电压同步信号生成、移相 触发脉冲的产生与输出、触发脉冲的功率放大与整形、异步电机定子电流的监测以及 与主控制器之间的串行通讯等部分组成[8]。主电路由三对反并联或双向晶闸管及其 保护电路组成,如图5·1所示。六只晶闸管串接在发电机出线与电网之间。由于晶闸 管属贵重元器件,承受电压与电流冲击的能力较差。为了吸收开关器件动作过程中晶 闸管两端可能产生的瞬间尖峰电压以及电网电压大幅度快速波动带来的不良影响, 在 晶闸管两端并联阻容吸收保护回路。 阻容吸收回路主要是利用电容端电压不能突变的 特性来吸收晶闸管两端的尖峰电压,以保护晶闸管。但阻容电路吸收过电压的能力是 有限的[11]。当雷击引起电网产生更高的过电压,或者过电压的持续时间过长,晶闸 管的端电压仍可能会超过允许值。因此,晶闸管两应并接压敏电阻。压敏电阻是一种

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金属氧化物的非线性电阻, 其正常工作时漏电流小, 损耗小, 而泄放冲击电流能力强, 抑制过电压能力高,而且对峰值电压反应快。软并网过程结束后,为减少主电路各器 件的功率损耗,旁路接触器K2闭合,将晶闸管支路短接。另外,K1为主空气开关,串 接于电网与晶闸管之间。

4.3.3 软并网系统的基本工作原理
晶闸管在正向电压与触发脉冲的作用下可在很短的时间内快速导通, 并在其电流 变为零之前始终保持导通状态。通过控制晶闸管的导通角,就可连续调节加在负载上 的电压波形,进而改变负载电压的有效值。由于晶闸管的等效阻抗值随晶闸管导通角 大小变化。具体来说,当晶闸管的导通角为零时,即晶闸管完全关闭,此时晶闸管的 等效电阻为无穷大,相当于开路;当晶闸管完全导通时,也就是完全打开时,此时晶 闸管的等效电阻非常小,相当于导线直接连接[3]。由于双向晶闸管串接于电机出线 与电网之间,所以通过调节晶闸管的导通角,就可调节电机定子电压按阶梯波的形式 从某一较小的初值逐渐增加到全压状态,从而降低定子电压随时间增长的速率。由于 三相异步电机电磁转矩与定子电压的平方成正比, 这样降低了电磁转矩随时间的增长 率[9]。随着风速增大,叶轮输出给电机主轴更多的机械转矩,此时通过调节晶闸管 导通角同步缓慢增大,从而使并网冲击电流限制在较低的范围内。

图4-1 软并网系统示意图

4.3.4 软并网的步骤
软并网仿真的步骤是[6]:当发电机转速接近97%~99%同步转速时,发电机接触 器逼合,同时与电网直接相连的双相晶闸管在触发脉冲控制下,逐步导通。晶闸管初

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始导通时,即次同步转速阶段,电机运行与电动状态,此时电机在电网与叶轮共同驱 动下转速迅速上升,其花差率很快趋于零。当花差率接近于零时,晶闸管完全导通, 这样将并网冲击电流限制在较小的范围内,从而得到一个平滑的并网过程。晶闸管完 全导通后, 旁路接触开关将其短路, 并网过程结束, 风力发电机组进入稳态运行阶段。

4.3.5 晶闸管用于风力发电机组软并网装置的优点
(1)晶闸管导通压降小,解决了器件的率损耗和发热问题; (2)晶闸管用于软并网装置可以消除电流浪涌冲击与峰值转矩冲击; (3)晶闸管相当于无触点软开关,不存在接触不良与磨损、粘着、弹跳等问题; (4)晶闸管导通角连续可调,无需辅助换流装置,软并网过程平稳,限流可靠

4.3.6 晶闸管软并网存在的问题
晶闸管软并网技术虽然是目前一种先进的并网方法,但它也对晶闸管器件及与 之相关的晶闸管触发电路提出了严格的要求,即晶闸管器件的特性要一致、稳定以及 出发电路可靠, 只有发电机主回路中的每相的双相晶闸管特性一致, 控制极触发电压、 触发电流一致,全开通后压降相同,才能保证可控硅导通角在0°~180°范围内同步 逐渐增大,才能保证发电机三相电流平衡,否则会对发电机不利。

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第五章
5.1 软启动器模型的建立

软并网系统模型的建立

为了把异步风力发电机并网瞬间的冲击电流限制在允许的限度内,本仿真系 统采用了具有软启动的异步发电机进行并网。 其中的软启动器由两只反并联的普通晶 闸管和旁路并网开关组成,并基于 PSCAD/EMTDC 软件建立软并网系统仿真模型。

5.1.1 双相晶闸管模型的建立
利用 PSCAD/EMTDC 软件模块库建立晶闸管仿真模型,双相晶闸管可由两只反并联 的普通晶闸管组成,如图 5-1 所示。为了降低并网过程中产生的高次谐波和低次谐波 给软并网装置带来的危害, 在每组双相晶闸管中需另外增设吸收装置, 入图 5-2 所示。

2

图 5-1 双相晶闸管仿真模型

2

2

5.1.2 软启动仿真模型的建立
图 5-1 与图 5-2 中的仿真模型是串在异步发电机定子与电网的一相之间的, 由于 仿真的是三相异步发电机,故在每相之间都需串入如图 5-2 所示的双相晶闸管,仿真 模型如图 5-3 所示。 这种软并网连接方式中,双相晶闸管既在并网过程中起到控制冲击电流的作用, 同时又作为又作为无触头自动开关,在并网后继续存在于主回路中,这种比软并网连 接方式可以省去一个并网自动开关,因而控制回路也较为简单些,并且避免了有触头 自动开关触头粘着、弹跳及磨损等现象,可以保证较高的开关频率,这是其优点。但 这种并网方式需要选用电流允许值大的高反压双相晶闸管, 这是因为在这种连续方式 下,双相晶闸管中通过的电流需满足能通过异步发电机的额定电流值,为了避免这种 情况,选择在双相晶闸管上并联旁路并网自动开关。在并网过程中当异步发电机的转

1

图 5-2 带有吸收装置的双相晶闸管仿真模型

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速达到同步转速时旁路自动并网开关闭合,将双相晶闸管短接,并网过程结束。设有 旁路并网自动开关的仿真模型图如图 5-4 所示。
2 1 1.0 1.0 2 2 2 3 1.0 1.0 2 4 2 5 1.0 1.0 2 6

图 5-3 异步发电机软启动装置仿真模型图
BRK1 A B C 2 1.0 1 2 2 1.0 4 2 2 1.0 6 5 1.0 3 1.0 2 1.0

图 5-4 具有旁路并网自动开关的仿真模型图

2

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当并网过程结束后,异步发电机的输出电流将不再经双相晶闸管,而是通过已闭 合的自动开关触头流入电网。但这种并网方式的不利之处,是自动并网开关的软并网 连接方式中的高反压双相晶闸管只要能通过较发电机空载电流略高的电流就可以满 足要求。

5.2 晶闸管控制电路仿真模型的建立
双相晶闸管的控制电路是异步发电机软并网系统的重要部分, 软并网能否成功直 接取决于晶闸管的控制水平。

5.2.1 晶闸管单相控制电路仿真模型的建立
如图 5-5 是晶闸管控制电路仿真模型图。

TIME

PLL Cntrl GpPLL
100

Va

GiPLL
1000

Vna Vb Vnb Vc PLL theta Dblck H L 2

0

0

Vnc

order

50
Alph... Alpha Order
180

500

Alpha D + Alpha Order

order F

0

30

图 5-5 晶闸管控制电路仿真模型图

图中由电网取得同步电压型号,经锯齿波发生器将电网的正弦波转化为锯齿拨 波,再通过脉冲发生器形成晶闸管门极出发脉冲,从而控制晶闸管的导通。上图是单 相晶闸管控制电路仿真模型, 在异步发电机进行软并网仿真时, 三相均需晶闸管控制。

180.0

deg

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5.2.2 晶闸管三相控制电路仿真模型的建立
如图5-6是晶闸管三相控制电路仿真模型图。图中从电网中取得同步电压信号, 经锯齿波发生器将取自电网的正弦波电压信号转化为锯齿波电压信号, 再通过脉冲发 生器形成晶闸管门极出发脉冲信号,从而控制晶闸管的导通。在并网过程中,双相晶 闸管从晶闸管控制电路中获得信号,晶闸管的控制角由180°~0°逐渐同步打开;与 此同时,双相晶闸管的导通角则同时由0°~180°逐渐增大,此时并网自动开关未动 作,动合触头未闭合,异步发电机即通过晶闸管平稳地并入电网;随着发电机转速继 续升高,电机的转差率逐渐趋于零,当转差率为零时,并网自动开关动作,动合触头 闭合,双相晶闸管被短接,并网过程结束。

TIME

3 2 1 6 5 4

GpPLL

GiPLL

1 2 3 4 5 6

Dblck 2 (1) (2) 6 6 order H (3) L (4) (5) 2 2 2 2 2

Va VNa

PLL Cntrl GpPLL
100

Vb

GiPLL
1000

VNb Vc VNc

PLL thetaY Six 6 the Pulse

0

0

50

500
1 2 3 4 Alpha D + Alpha Order 5 6 F

(6)

Alpha C... Alpha Order
180

order

0

30

图 5-6

晶闸管三相控制电路仿真模型图

180.0

deg

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第六章 异步风力发电机的软并网仿真
风力发电的运行方式主要有两种类。一类是独立运行供电系统,即在电网未通达 的偏远地区,用小型风力发电机组为蓄电池充电,再通过逆变器转换成为交流电向终 端电器供电。另一类是作为常规电网的电源,与电网并联运行,联网风力发电是大规 模利用风能的最经济方式[11]。 风力发电不同于火力发电,风力发电所用能源是自然界的风能。而风速的大小、 方向并不恒定,并且没有一定的规律可循。发电机也经常起、停机,也经常并网、解 列, 所以要求应用在风力发电机组的发电机具有快速并网且对电网和电机的冲击都最 小。

6.1 风力发电机直接并网仿真
为了与软并网过程进行比较,首先进行风力发电机组直接并网的仿真分析。

6.1.1 直接并网仿真模型的建立
直接并网仿真系统由风模型、 风力机模型、 风力机控制器模型、 异步发电机模型、 变压器模型等组成。如图 6-1 是风力发电机直接并网仿真模型图。 这种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同,当风力机驱动的异 步发电机转速接近同步转速时即可并入电网;自动并网的信号由测速装置给出,而后 通过自动空气开关合闸完成并网过程。

6.1.2 风速为 7m/s 时,发电机直接并网仿真
风力发电机直接并网仿真结果如图 6-2 到图 6-10 所示 通过一系列的仿真,得出风速仿真波形、风力机输出功率仿真波形、风力机输出机械 转矩仿真波形、发电机输出机械转矩仿真波形、发电机输出电磁转矩仿真波形、发电 机机械转速等仿真波形。

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2 0 0 0 .0 C

2 0 0 0 .0 B

2 0 0 0 .0 1 .5 1 e - 0 0 6 [M W ] 0 .3 5 9 9 [M V A R ] BRK A 0.5282 [MW] 0.06086 [MVAR] A B B Ic C C 0.69 10.5 C C 10.5 110.0 C C 100.0 [MVA] #1 #2 A A B B 100.0 [MVA] #1 #2 A B 2.0 A B Ia BRK A Ib

0.98

W S 1 StoT 0 T

A Ea B Eb C Ec

Wind Source Mean ES Gust Ramp ES Noise A Ctrl = 1 B Ctrl CNT

Vw Vw

Vw W

Wind Turbine MOD 2 Type

Tm P PT

w 1.0

* 314.0

Beta Beta Beta Wind Turbine Governor MOD 2 Type Pg

A P Ctrl = 1 -0.6 B Ctrl CNT

图 6-1 风力发电机直接并网仿真模型图

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Main : Graphs 15.0 14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 y 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Vw(m/s)

图 6-2 风速输出仿真波形
Main : Graphs 0.10 0.00 -0.10 -0.20 -0.30 -0.40 -0.50 -0.60 -0.70 -0.80 -0.90 -1.00 0.0 PT(pu)

y

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

... ... ...

图 6-3 发电机直接并网风力机的输出功率仿真波形

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Main : Graphs 0.10 0.00 -0.10 -0.20 -0.30 -0.40 -0.50 -0.60 -0.70 -0.80 -0.90 -1.00 0.0 Tm(pu)

y

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

... ... ...

图 6-4 发电机直接并网风力机的输出转矩仿真波形

Main : Graphs 0.10 0.00 -0.10 -0.20 -0.30 -0.40 -0.50 -0.60 -0.70 -0.80 -0.90 -1.00 0.0 Tmech(pu)

y

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

... ... ...

图 6-5 发电机直接并网发电机的机械转矩输出仿真波形

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Main : Graphs 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 -0.10 -0.20 -0.30 -0.40 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... y Te(pu)

图 6-6 发电机直接并网发电机的电磁转矩输出仿真波形
Main : Graphs 12.0 10.0 8.0 6.0 y 4.0 2.0 0.0 -2.0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Beta

图 6-7 发电机直接并网风轮机叶片节矩角输出仿真波形

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发发发发发发发发发

7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 -4.0 -5.0 0.0

I

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

... ... ...

图 6-8 发电机直接并网发电机的定子电流输出仿真波形

6.2 风力发电机组直接并网仿真分析
6.2.1 直接并网仿真波形的分析 .2.1
(1)风力发电机组并入电网后第一个公频周期内冲击电流达到峰值,并持续 2~3 个周期。 (2)异步发电机在接近同步转速时并入电网,冲击电流持续时间最短。

6.2.2 异步 .2.2 异步发电机启动的相关理论的验证
(1)发电机直接并入电网时冲击电流峰值由电网电压及发电机本身参数决定,与并 网风速、发电机转速无关,这是因为冲击电流主要由过度过程的直流分量和暂态交流 分量合成产生,而二者的幅值与电网电压成反比,与发电机过度过程的暂态电抗成反 比。 (2)当发电机参数一定时,交流暂态衰减时间与滑差成正比。当滑差趋于零时,冲 击电流也由峰值随之衰减到最小值。 (3) 当发电机参数一定时, 交流暂态分量衰减时间与并网风速有关。 并网风速越高, 叶轮输出的机械转矩越大,电机转速很快达到同步转速,冲击电流随之衰减到最低值 [10]。

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6.3 风力发电机组软并网仿真
6.3.1 软并网仿真模型的建力
基于 PSCAD/EMTDC 仿真软件建立风力发电机软并网装置的仿真模型如图 6-9 所 示。该模型主要由电网模型、发电机模型、风力机模型、风模型、三对反并联的晶闸 管及其 RC 吸收模块、旁路自动并网开关模块和相应的控制模块等组成。晶闸管及其 吸收模块串接于发电机与电网之间; 触发脉冲的形成与分配模块从电网取得同步信号 后产生晶闸管触发信号并按顺序发给相应的晶闸管;当晶闸管完全导通后,旁路自动 并网开关模块短接晶闸管支路,并网过程结束。
0.451 [MW] 0.1096 [MVAR] BRK1 A B C FP1 2 00 0 .0 C 2 00 0 .0 B 2 00 0 .0 A 2 1

1 .7 97 e -0 0 5 [M W ] 0 .4 0 9 8 [M VAR ] BR K1 Ia Ib B Ic

10.0

1.0

2 FP4 2

0.4894 [MW] 0.1096 [MVAR] BRK A

4 FP2 2 NA VNa NB VNb NC VNc FP3 2 0.1 A 1.0 B C A A B B C C A B C A B C

0.98

W S 1 StoT 0 T

A Ea B Eb C Ec

100.0 [MVA] #1 0.69 #2 10.5

100.0 [MVA] #1 10.5 #2 110.0

10.0

FP5 3

10.0

2

C

5 1.0

TIME 6

4

2

1 2 3 4 5 6 Dblck 2 (1) (2) 6 6 order H (3) L (4) (5) (6) 2 FP2 2 FP3 2 FP4 2 FP5 2 FP6

6

FP6

GpPLL Va VNa Vb

GiPLL

5

ES ES

Wind Source Mean Gust Ramp Noise A Ctrl = 1

Vw Vw

Vw W

Wind Turbine MOD 2 Type

VNb Tm VNc P PT Vc

PLL thetaY Six 6 the Pulse

w 1.0 B

* Ctrl CNT 314.0

Beta Beta Beta Wind Turbine Governor MOD 2 Type Pg

3

2

1

FP1

1 2 3 4 Alpha D + Alpha Order 5 6 F

A P -0.6 B

Ctrl = 1

order

CNT

图 6-9 风力发电机软并网仿真模型图

3 60 .0

Ctrl

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晶闸管触发脉冲的形成与分配模块是软并网仿真模块的关键环节。这里同步信 号取自电网电压的正相过零点,晶闸管触发脉冲的形成与分配仿真波形如图 6-16 和 图 6-17 中所示。

6.3.2 风速为 7m/s,软并网仿真
通过一系列的仿真,得出风速仿真波形、风力机输出功率仿真波形、风力机输出 机械转矩仿真波形、发电机输出机械转矩仿真波形、发电机输出电磁转矩仿真波形、 得出晶闸管移相规律、转速曲线以及电流的仿真波形如图 6-18 所示:

M : Graphs ain 15.0 Vw(m /s)

12.5

y

10.0

7.5

5.0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ...

图 6-10 风速输出仿真波形
M : Graphs ain 1.00 P T(pu)

0.50

y

0.00

-0.50

-1.00 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ...

图 6-11 发电机软并网风力机的输出功率仿真波形

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Main : Graphs 1.00 Tm

0.50

0.00 y -0.50 -1.00 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ...

图 6-12 发电机软并网风力机的输出机械转矩仿真波形
Main : Graphs 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 y -0.50 -1.00 -1.50 -2.00 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Te(pu)

图 6-13 发电机软并网发电机的机械转矩输出仿真波形

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Main : Graphs 1.00 Tmech(pu)

0.50

0.00 y -0.50 -1.00 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ...

图 6-14 发电机软并网发电机的电磁转矩输出仿真波形
Main : Graphs 12.0 10.0 8.0 6.0 y 4.0 2.0 0.0 -2.0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Beta

图 6-15 发电机软并网风轮机叶片节矩角输出仿真波形

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Main : Graphs 360 330 300 270 240 210 180 150 120 90 60 30 0 0.000 the

y

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

0.120

0.140

... ... ...

图 6-16 取自电网同步电压形成的锯齿波波形图
Main : Graphs 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 -0.50 -1.00 -1.50 -2.00 0.00 FP1

y

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

... ... ...

Main : Graphs 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 -0.50 -1.00 -1.50 -2.00 0.00 FP2

y

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

... ... ...

图 6-17 晶闸管门极触发信号波形

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第二组晶闸管和第三组晶闸管的门极触发型号与图 5-18 的触发型号波形类似, 这里不再一一列出。
可可可可发可可可发可可(deg)

Alpha 180 150 120 y 90 60 30 0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ...

发发发发发发发发发发发
3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 -0.50 -1.00 -1.50 -2.00 -2.50 -3.00 0.0 I

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

... ... ...

发发发发发发发

1.050 1.040 1.030 1.020 1.010 1.000 0.990 0.980 0.0

w(rad/m in)

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

... ... ...

图 6-18 风速为 7m/s 时发电机软并网过程的仿真波形

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6.3.3 风速为 10m/s 时,软并网仿真
通过一系列的仿真,得出风速仿真波形、风力机输出功率仿真波形、风力机输出机械 转矩仿真波形、发电机输出机械转矩仿真波形、发电机输出电磁转矩仿真波形、发电 机机械转速等仿真波形。晶闸管移相规律、转速曲线以及电流的仿真波形如图 6-19 到 6-27 所示:
Main : Graphs 20.0 17.5 15.0 12.5 y 10.0 7.5 5.0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Vw(m/s)

图 6-19 风速输出仿真波形
Main : Graphs 1.00 0.50 0.00 y -0.50 -1.00 -1.50 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... PT(pu)

图 6-20 发电机软并网风力机的输出功率仿真波形

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Main : Graphs 1.00 0.50 0.00 y -0.50 -1.00 -1.50 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Tm

图 6-21 发电机软并网风力机的输出机械转矩仿真波形

Main : Graphs 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 y -0.50 -1.00 -1.50 -2.00 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Te(pu)

图 6-22 发电机软并网发电机的机械转矩输出仿真波形

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Main : Graphs 1.00 0.50 0.00 -0.50 y -1.00 -1.50 -2.00 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Tmech(pu)

图 6-23 发电机软并网发电机的电磁转矩输出仿真波形

Main : Graphs 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 y -0.25 -0.50 -0.75 -1.00 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Ea

图 6-24 发电机软并网 A 相电压输出仿真波形

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Main : Graphs 100 80 60 40 20 0 y -20 -40 -60 -80 -100 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 ... ... ... VNa(KV)

图 6-25 发电机软并网取自 A 相的同步电压
Main : Graphs 12.0 10.0 8.0 6.0 y 4.0 2.0 0.0 -2.0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Beta

图 6-26 发电机软并网风轮机叶片节矩角输出仿真波形

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可可可可发可可可发可可(deg)
Alpha 180 150 120 y 90 60 30 0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ...

发发发发发发发发发发发

2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 -0.50 -1.00 -1.50 -2.00 0.0

I

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

... ... ...

发发发发发发发
1.050 1.040 1.030 1.020 y 1.010 1.000 0.990 0.980 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... w(rad/m in)

图 6-27 风速为 10m/s 时发电机软并网过程的仿真波形

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6.3.4 风速为 12m/s,软并网仿真
在晶闸管触发电路的移相规律与发电机转速不配合时,得出电流波形和发电机 转速仿真波形入图 6-28 所示。
可可可可发可可可发可可(deg)

Alpha 180 150 120 y 90 60 30 0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ...

发发发发发发发发发发发

3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 -0.50 -1.00 -1.50 -2.00 -2.50 -3.00 0.0

I

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

... ... ...

发发发发发发发
1.080 1.070 1.060 1.050 1.040 1.030 1.020 1.010 1.000 0.990 0.980 0.970 0.960 0.0 w(rad/m in)

y

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

... ... ...

图 6-28 风速为 12m/s 是软并网过程的仿真波形

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6.3.5 风速为 20m/s 时,软并网仿真
当风速增到较大值时,通过对发电机组进行软并网仿真得出的风速波形、风力 机输出功率波形与输出转矩波形、发电机转速波形、定子电流波形等输出仿真波形如 图 6-29 到图 6-36 所示。
Main : Graphs 25.0 Vw(m/s)

22.5

y 20.0 17.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ...

图 6-29 风速输出仿真波形
Main : Graphs 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 y 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... PT(pu)

图 6-30

发电机软并网风力机的输出功率仿真波形

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Main : Graphs 12.0 10.0 8.0 6.0 y 4.0 2.0 0.0 -2.0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Tm

图 6-31 发电机软并网风力机的输出机械转矩仿真波形
Main : Graphs 0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 y 0.050 0.000 -0.050 -0.100 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Te(pu)

图 6-32 发电机软并网发电机的机械转矩输出仿真波形

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Main : Graphs 12.0 10.0 8.0 6.0 y 4.0 2.0 0.0 -2.0 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... Tmech(pu)

图 6-33 发电机软并网时发电机的电磁转矩输出仿真波形

发发发发发发发发发发发
2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 -0.50 -1.00 -1.50 -2.00 -2.50 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 ... ... ... A

图 6-34 发电机 A 相电压输出仿真波形

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发发发发发发发

1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40

w(rad/min)

0.0

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

... ... ...

图 6-35 风速为 20m/s 时发电机转速仿真波形

Main : Graphs 0.50 0.40 0.30 R eal Pow er 0.20 0.10 0.00 -0.10 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 ... ... ... P(MW)

图 6-36 发电机有功功率输出仿真波形

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6.4 风力发电机组软并网仿真分析
6.4.1 仿真波形的分析
通过上述软并网仿真结果可以看出, 在发电机与电网之间装设软并网装置可将并 网瞬间的冲击电流限制在较低的范围内。在直接并网仿真中,电网的冲击电流最高达 到 6.8KA,是额定电流的 7 倍,这么高的冲击电流对发电机和电网的正常运行将造成 严重的危害。而通过软并网装置后的,在并网瞬间电网的冲击电流是 1.8KA 之间,是 额定电流的 1.7 倍。 通过软并网仿真可以看出, 风力机与发电机的转矩和输出功率在并网瞬间的波动 要比直接并网的波动要小,有利于风力机和发电机及电网的正常运行。 通过适当调整晶闸管移相规律和机组并网转速,可使软并网电流变化平稳些。仿 真结果表明当风速为 7m/s 时,并网转速为 1504rad/min,即花差率为-0.003 左右; 当风速为 10m/s 时,并网转速为 1515rad/min,即花差率为-0.01 左右。 作为对比,图 6-28 是晶闸管移相规律与软并网转速不适当时的发电机定子电流 衰减波形与发电机转速曲线。 从图可以看出在风速较大时晶闸管并网控制与发电机转 速不太协调时会造成并网电流上升到 2.6KA,发电机转速上升到 1590rad/min,这是 不允许的。 当发电机的转诉接近同步转速时,为减少软并网的持续时间,使晶闸管完全导通 的时刻与发电机到达同步转速的时刻尽可能接近,可大大加快晶闸管的导通速度,而 不会引起电网电流大幅上升。

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通过对上述仿真结果的分析可得出以下结论: (1)发电机转速等于或超过同步转速时机组才发电。 (2)异步风力发电机组直接并网会产生很大的冲击电流,对发电机和电网的影响 也比较严。 (3)异步风力发电机组通过晶闸管软并网可把冲击电流限制在比较小的范围内, 保护了发电机自身设备的安全和电网的正常运行。 (4)风力发电机组直接并网和软并网发电机的转速与风速有关。 (5)机组容量越大,在不断变化的风速下其稳定性越好。 (6)在发电机旁路开关闭合至同步转速之前,晶闸管导通角的增大会引起并网电 流幅值的上升跃变。此时,如果晶闸管导通速度过快会产生较大的冲击电流,所以在 此期间晶闸管的导通角应缓慢增大,即晶闸管导通角增大的步长小一些,而且每个步 长的持续时间比较长,只有这样才可把比并网冲击电流限制在较低值内。 (7) 为减少软并网持续的时间与冲击电流的峰值,机组的并网转速应随风速调 节。 软并网控制技术是风力发电机组控制系统的关键技术之一, 也是风力发电机组控 制系统中故障率较高的一个子系统,而且软并网控制系统的故障较难发现和处理。本 设计着重叙述分析了风力发电机组软并网控制系统的必要性、原理、结构以及具体的 控制过程,这有助于理解软并网控制系统的工作原理及其故障的顺利排除。 由于现有知识有限,通过仿真实验,有些结果还是和已有结果有一定的距离,晶 闸管的触发电路还是有一些问题需要解决,另外,在风力机和发电机之间的一些参数 配合上也存在一些问题。 相信在今后的工作中通过不断的学习和实践一定会在这方面 有新的更大的突破。

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参考文献
[1]盛双文.大型风力发电机组中央控制系统的研制.中国科学院硕士学位论文, 2000.6C27 [2]赵 47 [3]邵丙衡.电力电子技术.北京:中国铁道出版社.1997.8,ll2~ l23 [4]孙 浩.风力发电机组并网冲击电流产生的原因及其控制方法的初步探讨.风力 斌,许洪华.大型风力发电机组的软并网控制系统.新能源.2000(12):45~

发电. 2001(3):6~8 [5]马金路.BONUS 150KW风力发电机软启动的特点及原理.风力发电 .1994(4) :5~7 [6]吴 烽.风力发电机并网技术综述.风力发电,1992(1):5~8

[7] PSASP使用手册[K].北京:中国电力科学研究院 [8]Svensson T ,Briozzo C .Grid connecting using thyristors [A ].Fourth International Syposium on Wind Energy Systems [C ].Sweden ,1982(9):31~35 [9]Gzotnm Nalh and Gunnar J.Berg.Transient Analysis of Three-phase SCR connlied induction motors. IEEE Transac tions on Industry Applications,

VOL.IA-218,NO.2,March/Apcil, 1981.133~142 [10]Gape P. Wind Energy Comes of Age New York: John Wiley & Sons ,Inc, 1995.20~ 21 [11]Brune CS, SppeR, Wallaee A. K. Expersmental Evaluation of A Variable-speed, Double-fed Wind Power Generation System. IEEE Trans on Industry Application, 1994,30(3)

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本文从拟定题目到定稿,历时数月。在本论文完成之际,首先要向我的指导老师 栗文义老师致以诚挚的谢意。栗文义老师平日里工作繁多,但在论文的写作过程中, 栗文义老师给了我许许多多的帮助和关怀。栗文义老师学识渊博、治学严谨,待人平 易近人,在栗文义老师的悉心指导中,我不仅学到了扎实的专业知识,也在怎样处人 处事等方面收益很多;同时他对工作的积极热情、认真负责、有条不紊、实事求是的 态度,给我留下了深刻的印象,使我受益非浅。在此我谨向栗文义老师表示衷心的感 谢和深深的敬意。 同时,我要感谢彭伟老师,在论文设计过程中,彭伟老师放弃自己的休息时间帮 我修改论文,在此向彭伟老师表示衷心的感谢。感谢给我们授课的各位老师,正是由 于他们的传道、授业、解惑,让我学到了专业知识,并从他们身上学到了如何求知治 学、如何为人处事。 另外,衷心感谢和我一起做作毕业设计的同学们,在我毕业论文写作中,与他们 的探讨交流使我受益颇多;同时,他们也给了我很多无私的帮助和支持,我在次深表 谢意。 路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。我愿在未来的学习和工作中,以更加丰厚的 成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有老师、同学和朋友。

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目 录
引 言 ................................................................. 1 第一章 绪论 ............................................................ 3 1.1 风能开发与风力发电 ............................................... 3 1.2 风力发电的基本原理 ............................................... 3 1.2.1 现代风力发电机简介 ........................................... 3 1.3 风力发电的特点 ................................................... 4 1.4 中国风力发电的现状与趋势 ......................................... 4 1.4.1 中国风能资源的分布 ........................................... 5 1.4.2 中国风力发电的规划 ........................................... 5 第二章 PSCAD/EMTDC 软件简介 ............................................. 7 2.1 2.2 PSCAD/EMTDC 的程序结构和功能特点 ................................. 7 PSCAD 软件模块的构成 ............................................. 7

2.2.1 文件管理系统 ................................................. 7 2.2.2 建模 DRAFT 模块 ............................................... 7 2.2.3 架空线 T-LINE 和电缆 CABLE 模块 ................................ 8 2.2.4 运行 RUN TIME 模块 ............................................ 8 2.2.5 单曲线绘图 UNIPLOT 和多曲线绘图 MULTIPLOT 模块 ................. 8 2.3 EMTDC 模块 ....................................................... 9

2.3.1 利用 EMTDC 可进行的模似研究范围 ............................... 9 2.4 第三章 3.1 PSCAD/EMTDC 的应用 .............................................. 9 风能数学模型的建立和仿真 ...................................... 10 风能的数学模型 ................................................. 10

3.1.1 基本风 ...................................................... 10 3.1.2 阵行风 ...................................................... 10 3.1.3 渐变风 ...................................................... 11 3.1.4 随机噪声风 .................................................. 11 3.1.5 综合风速表达式 .............................................. 12 3.2 风能的仿真 ..................................................... 12

3.2.1 基本风的仿真 ................................................ 12

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3.2.2

阵形风的仿真 ............................................... 13

3.2.3 渐变风的仿真 ................................................ 14 3.2.4 随机噪声风的仿真 ............................................ 14 3.2.5 综合风的仿真 ................................................ 15 第四章 异步风力发电机的并网 ........................................... 16 4.1 异步发电机的基本原理 ............................................ 16 4.1.1 异步发电机的基本原理简介 .................................... 16 4.1.2 发电机的启动 ................................................ 16 4.2 异步风力发电机的并网方法 ........................................ 16 4.2.1 直接并网 .................................................... 17 4.2.2 降压并网 .................................................... 17 4.2.3 通过晶闸管软并网 ............................................ 17 4.3 软并网系统 ...................................................... 18 4.3.1 软并网控制系统的必要性 ...................................... 18 4.3.2 软并网系统的结构组成 ........................................ 18 4.3.3 软并网系统的基本工作原理 .................................... 19 4.3.4 软并网的步骤 ................................................ 19 4.3.5 晶闸管用于风力发电机组软并网装置的优点 ...................... 20 4.3.6 晶闸管软并网存在的问题 ...................................... 20 第五章 软并网系统模型的建立 .......................................... 21

5.1 软启动器模型的建立 ............................................... 21 5.1.1 双相晶闸管模型的建立 ........................................ 21 5.1.2 软启动仿真模型的建立 ........................................ 21 5.2 晶闸管控制电路仿真模型的建立 .................................... 23 5.2.1 晶闸管单相控制电路仿真模型的建立 ............................ 23 5.2.2 晶闸管三相控制电路仿真模型的建立 ............................. 24 第六章 异步风力发电机的软并网仿真 ..................................... 25 6.1 风力发电机直接并网仿真 .......................................... 25 6.1.1 直接并网仿真模型的建立 ...................................... 25 6.1.2 风速为 7m/s 时,发电机直接并网仿真 ........................... 25 6.2 风力发电机组直接并网仿真分析 .................................... 30

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6.2.1 直接并网仿真波形的分析 ....................................... 30 6.2.2 异步发电机启动的相关理论的验证 ............................... 30 6.3 风力发电机组软并网仿真 .......................................... 31 6.3.1 软并网仿真模型的建力 ........................................ 31 6.3.2 风速为 7m/s,软并网仿真 ...................................... 32 6.3.3 风速为 10m/s 时,软并网仿真 .................................. 37 6.3.4 风速为 12m/s,软并网仿真 .................................... 42 6.3.5 风速为 20m/s 时,软并网仿真 ................................... 43 6.4 风力发电机组软并网仿真分析 ...................................... 47 6.4.1 仿真波形的分析 .............................................. 47 结 论 ................................................................ 48

参考文献 .............................................................. 49 谢 辞 ................................................................ 50


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