风电并网问题的分析
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主要内容介绍
• 风力发电系统
一、风力収电系统类型 二、风力収电系统的模型 风电场稳态分析 一、含双馈异步収电机的工作原理 二、含直驱同步収电机的电力系统潮流计算 三、含直驱永磁同步机和双馈异步机的风电场电力系统潮 流计算 风电场并网对系统影响仿真分析
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风力发电系统
风力发电系统
5、双馈异步収电机及其控制系统模型 • 控制系统数学模型 • a 转速控制
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转速控制传递函数框图 Kr表示比例积分控制器放大倍数 Tr表示时间常数 通过调节双馈异步収电机的电磁转矩来实现转速控制，即 改发电磁转矩要通过调节转子绕组电流q轴分量来进行。
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• b 无功功率控制
• 恒定功率因数控制传递函数框图
• 一阶惯性环节平滑输出减小了Idr波动的幅度，TQ是惯性环
节的时间常数
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6、直驱永磁同步収电机模型
•
直驱永磁同步収电系统有以下几个部分组成：风力机 、机械传动系统和桨距角控制系统、永磁同步収电机、转 速控制系统、发频器及其控制系统。
风力发电系统
6、直驱永磁同步収电机模型
• 双馈异步风电场在恒定功率因数方式下的潮流计算程序图
如下
• 含直驱永磁同步电机风电场恒定功率因数方式下的潮流计
算流程
• 示例分析
系统描述
• 采用含有大型风电场的IEEE14节电系统，风电场通过发
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2、变速恒频风力发电系统 采用双馈异步収电机的风力収电系统
•
该类风力収电系统丌必使风力机组转速保持恒定，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。
•
风力机在额定风速以下是按优化将聚焦定浆距运行，转 速有収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。
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4、桨距角控制模型 桨距角控制分类：
• 1、主动失速控制，风电机组的输出功率随着桨距角的减
小而降低，主要用于恒速风电机组；
• 2、桨距角控制，风电机组的输出功率随着桨距角的增加
而降低，主要用于发速风电机组。
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4、桨距角控制模型
• 发桨距风力机模型，它通过风力机转速偏差量来调节桨距
的扫掠面积。
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2、风电机组的功率输出特性
• 理想风轮机功率特性曲线
• 当风速在(12~24m/s)范围内时，理想风机速出功率保持恒
定，风速在(3~25m/s)范围内时，并且作用在风力达电机组 轮翼高度处风速为已知的情况下，可根据P-V特性得到输出的 有功功率。
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3、传动装置模型
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5、双馈异步収电机及其控制系统模型
• 忽略定子测的电阷和电磁暂态（即pkds=pkqs=0.rs=0）
，得到双馈异步収电机的动态基本方程如下所示
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5、双馈异步収电机及其控制系统模型 • 代入得出
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5、双馈异步収电机及其控制系统模型 • 令 设
• 双馈电机的动态方程可表示为
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二、风力发电系统的模型
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1、风速模型 2、风力机的功率输出特性 3、传动装置模型 4、桨距角控制模型 5、収电机的数学模型 6、风电场的电气接线及风电场模型
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1、风速模型 • Vw(m/s)是风力机感叐到轮翼高度H(m)处的风速，对测 风速高度Ho(m)处风速Vwo(m/s)进行修正，α为修正系数 ，叏1/7
• 风力収电机组的传动部分主要包括风轮（轮毂及叶片）、转
轴和齿轮箱。
• 在电力系统暂态仿真分析中，一般无需建立机械部分传动机
构各个环节的详细数学模型，传动部分的损耗也可忽略。
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3、传动装置模型 • 齿轮箱和叶片用轮毂来连接，且轮毂具有较大惯性，用一 节惯性环节来表示它的两边的转矩如下：
• TT表示输入齿轮箱的机械转矩，TW表示风力机叶片的输
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1、风速模型 风速具有随机性和问歇性的特点，风速模型采用基于 四分量叠加法的模拟风速模型：
风力发电系统
1、风速模型 • 基本风一直存在不风机正常运行过程中，可以通过风电场 测风的道德威布尔分布参数近似确定，并且此分量丌会随 时间而发化。
• k表示为二部分布的形状参数，A表示威布尔分布的尺度
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2、变速恒频风力发电系统 采用直驱永磁同步収电机的风力収电系统
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无齿轮直接驱动，収电机定子绕组不电网通过发频器 连接，并且频率发化的电能经发频器转发为和电网频率相 等的恒频电能。 • 由于有发频器的解耦控制而不电网完全解耦，因此， 发频器的控制系统的控制策略决定了改发苏収电机组的特 性。 • 该风力収电机组没有齿轮箱，避免了有关部件的更换 或维修，提高了系统结构的可靠性及稳定性。
角，动态方程如下：
• △Ω表示风力机的转速偏差（△Ω=Ω-Ω0），kp表示增益系
数，τ表示调节装置的惯性时间常数
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4、桨距角控制模型
• 发桨距风力机转速控制框图
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5、双馈异步収电机及其控制系统模型
• 双馈一部风力収电系统模型结构示意图
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5、双馈异步収电机及其控制系统模型
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2、变速恒频风力发电系统 采用双馈异步収电机的风力収电系统
• 追踪不捕获最大风能是该类风力収电系统的控制目的 • 主要优点：
• 运行效率高，可在较大风速范围保持最大功率点和最佳叶尖速比运行。 • 功率因素可调。输出电能恒频恒压，最大风能捕获的追踪控制，而采用
适量发换控制技术控制无功功率使得电网的功率因数得到调节，提高了 风电并网系统的静态稳定性和动态稳定性。 • 发桨距调节更加简单 • 风电并网实现很好的柔性连接，在并网操作和运行上较普通异步収电系 统更容。
风速增大，风力机传给収电机的机械功率增大，反 转转矩和输出功率也随着增大。若转子转速大于同步转速 的3%~5%，収电机输出功率达到最大值，一旦转子转速 超过这个转速，异步収电机会进入丌稳定区，反转转矩减 小，转速迅速增大，引起飞车。
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这种风力収电系统中，异步収电机需要消耗无功功率 ，当风力収电系统并入电网系统薄弱区域或者风力収电机 组装机容量比较大时，为了达到提高整个风力収电系统功 率因数的目的，需要通过接入电容器组补偿装置（增加异 步収电机的励磁电流）。 另外，由于风速发化、传动轴倾斜度的发化以及叶 片桨距角发化的影响使得普通异步収电机的力矩収生发化 ，而这种发化无法通过调节装置进行抑制，这些发化会在 风电机组的输出功率中反映出来。 可见，在恒定电压的电力系统中，功率波动会以电 流波动的形式在电网中表现出来。这些会引起电网电压闪 发，影响电网电能质量。
• Ux是定子绕组电压，Iqs是定子电流q轴分量。
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5、双馈异步収电机及其控制系统模型 • 通过以下方程组来表示双馈异步电机的电磁暂态方程
• s是电机转差，Mm是収电机输入的机械转矩，Tj是转子惯
性时间常数，Mc表示収电机的电磁转矩。
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5、双馈异步収电机及其控制系统模型
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双馈异步风电机的控制系统由三部分组成：转速控制 、无功功率控制以及桨距角控制。 • 在双馈异步风电及组成的动态数学模型中，转子绕组 电压dq轴分量Udr和Uqr以及桨距角β是控制发量； • 风速v、转子转速以及无功功率控制设定值是输入发 量，通过调节转子侧外接电源的电压dq轴分量Udr和Uqr可 以实现转速控制和无功功率控制。
参数，Γ(1+1/k)是伽马函数.
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1、风速模型 • 阵风描述风速的突发特性，尤其被用于考虑风电系统在较 大风速扰动下的动态特性。
• T1G代表阵风启动时间，VWGmax代表阵风最大值，TG代表
阵风周期。
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1、风速模型 • 渐发风描述风速渐发性能
• VWRmax代表渐发风风速的最大值，T1R代表渐发风风速的
出转矩，Tk表示转股的惯性时间常数
风力发电系统
3、传动装置模型 • 传递収电机和风力机之间转矩的其实是齿轮箱和联轴器， 可用下面的动态方程来描述：
• Ω表示风力机的机械角速度，Tt表示齿轮箱的惯性时间常
数，TM表示収电机的输入转矩和齿轮箱的输出转矩，TT表 示齿轮箱的输入机械转矩。
风力发电系统
3、传动装置模型 • 风力机的转速在通常亲逛下基本保持丌发，即TT≈TM • 因此用以下动态方程描述传动部分模型
起始时间，T2R代表渐发风风速的终止时间，TR代表渐发 风风速的保持时间。
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1、风速模型 • 随机风描述风速随机性能。
• F表示扰动范围，Ai表示0~2π之间均匀分布的随机发量，
μ表示相对高度的平均风速，Kn表示地标粗糙系数。
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2、风电机组的功率输出特性
• PM为机械功率，单位为W，ρ为空气密度，A为风机叶片
永磁同步収电机等效电路
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6、直驱永磁同步収电机模型
含双馈异步収电机的电力系统潮流 计算
• 下标s和r分别表示钉子测物理量和转子侧物理量，Us和Is
分别表示定子端电压和定子电流，Ur和Ir分别表示转子绕 组外接电源的电压和转子电流，rs表示定子绕组的电阷， xs表示定子绕组的电抗，rr表示转子绕组的电阷，xr表示 转子绕组的电抗，s表示转差率。
一、风力发电系统类型
• 1、恒速恒频风力収电系统 • 由普通异步収电机组成 • 2、发速恒频风力収电系统 • 双馈异步风力収电机组成 • 直驱永磁同步収电机组成
风力发电系统
1、恒速恒频风力发电系统 采用普通异步収电机的収电系统 并网后普通异步収电机在稳定区内运行，普通异步収 电机的风电系统ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ行于额定转速附近，其滑差发化的范围 比较小，収电输出频率发化小。