设计-基于异步电机风力发电系统并网控制.docx

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1、基于异步电机风力发电系统并网控制摘要由于风力发电事业的不断发展，风电场的并网也变得越来越重要。而目前风电场的并网大多采用异步风力发电机。异步电机风力发电的并网运行会使电网的电能质量和稳定性降低。因此，研究风电场的并网运行对电力系统的影响成为了目前迫切需要解决的问题。本文以异步电机风力发电系统为主要研究对象，通过运用MATLAB软件对一个实例进行仿真，并对风电场与电网并网时对电力系统的影响进行分析，尤其对电力系统稳定性和电能质量的影响做了更深入的研究。首先建立了异步电机风力发电系统的动态数学模型，给后面的仿真分析建立了理论基础。其次，运用MATLAB软件对异步电机风力发电并网运行进行了动态仿真分

2、析，并提出如何提高系统稳定性和电能质量的措施。关键词:异步电机风力发电系统，并网，电能质量，电压稳定性，MATLAB软件，动态仿真THECONTROLOFGRID-CONNECTEDASYNCHRONOUSWINDPOWERSYSTEMAbstractWiththeexpansionofthewindpowerbusiness,thegridinterconnectionofwindfarmhasbecomeincreasinglyimportant.Now,theinterconnectionofwindfarmisusedmostlyasynchronouswindpowergenerat

3、or.Asynchronousmotorofwindgenerationinpowersystemmakesthepowerqualityandstabilityofpowergridisreduced.Therefore,studytheeffectofwindfarmofparalleloperationofpowersystemhasbecomethecurrenturgenttosolvetheproblem.Thispaperisbasedonasynchronousmotorwindpowersystem,combiningwithaninstanceofwindfarmswith

4、powergridinterconnectionstudyoftheinfluenceoftheelectricpowersystem,especiallyforpowersystemstabilityandtheinfluenceofpowerqualitymadeamorein-depthstudybyusingMATLAB.Firstly,setuptheasynchronousmotordynamicmathematicalmodelofwindpowersystem,thislaidatheoreticalfoundationtothebackofthesimulation.Seco

5、ndly,theMATLABsoftwareisappliedtoimplementtheasynchronousmotoroperationofgrid-connectedwindfarmsisadynamicsimulationprogramandtheareanalyzed,andputsforwardsomemeasuresabouthowtoimprovethesystemstabilityandpowerquality.KeyWords：asynchronouswindpowersystem,synchronizeandclose,powerquality,voltagestabi

6、lity,MATLAB；dynamicsimulation1绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外风力发电的研究现况11.2.1 世界风力发电的研究现况11.2.2 国内风力发电的研究现况21.3 论文构成及研究内容22风力发电系统的基础理论32.1 并网型风力发电概述42.2 异步电机发电系统62.2.1 并联结构形式62.2.2 串联结构形式72.3 异步风电机组并网简介72.4 异步风电并网面临的问题82.4.1 电压和频率稳定性问题82.4.2 引起的谐波问题83异步风力发电系统基本模块与仿真103.1 前言103.2 风速的模型103.3 风力机模型143.3.1 风轮的

7、模型143.3.2 传动系统的模型153.3.3 桨距角模型163.4 异步电机模型173.5 风电场的等值建模194异步电机风电系统并网仿真前有关计算214.1 常规元件的数学模型214.2 系统设计及有关计算224.3 相关节点的处理264.3.1 同步电机节点处理264.3.2 异步电机节点处理275异步电机风电系统并网运行仿真分析295.1 MATLAB仿真软件简介295.2 仿真实现方法305.3 仿真结果及分析305.3.1 在风速扰动的情况下的仿真结果315.3.2 当风电场与系统解列情况下的仿真345.3.3 风电场出口处发生短路故障时的仿真366结论41致谢421绪论.课题研

8、究的背景和意义众所周知，能源是我们国民经济建设和发展最为基础性的产业。而随着科学和经济的迅速发展，那些受人类依赖的化石能源(如天然气，煤炭，石油等不可再生能源)正在逐渐变少，最终会走向枯竭。人们大量使用这些化石能源而产生的大量的废气，废渣以及废水，已经不断地造成环境污染，也影响着人类日常的生活。目前，阻碍人类跟社会健康发展的两个最大难题就是：能源危机和环境污染。在环境污染和化石能源短缺日益严重的今天，充分利用和开发可再生能源是解决环境问题和能源问题最好的选择。风能是一种可以持续的,没有污染的清洁型能源UL跟其他可再生能源相比，风力发电技术最成熟而且规模最大。因此，风能日益受到人类的关注，而风力

9、发电也成为了目前发展速度最快的能源利用方式。研究关于风力发电的问题具有很重要的意义和价值。在过去的二十年里，大规模风电控制技术也取得了令人惊叹的成就。尤其是从兆瓦级大型风电机组的投入运行以来，建设大规模风电场成为了可能。目前，风力发电在电网中已经占据了很大的重量，它的运行状况会直接影响电网的可靠性和安全性。除此以外，风能还有间歇性和随机性，这些特性使得它与常规发电机组有很大的差异。因此，为更加充分有效的利用风能，深入研究风力发电并网运行的相关问题是我们迫切需要的。1.2 国内外风力发电的研究现况1.2.1 世界风力发电的研究现况2(X)5年年底，全球风力发电装机容量已经达到6000兆瓦。而自2

10、005年以来，全球累计的装机容量持续每年的平均增长率是27.3%,新增装机容量的增长率是36.1%,是世界增长率最高的能源。2010年全球的装机容量高达196630兆瓦，而新增装机容量就有37642兆瓦，跟去年相比同期增长了23.6%。目前在欧洲，西班牙、德国和意大利这三个国家的风电装机容量大概占了近65%。而英、法国、丹麦、奥地利、荷兰、葡萄牙、爱尔兰和瑞典等欧洲国家也在大力的发展风力发电产业。除了欧洲之外，还有其它州的国家也在发展风电，如美国、日本、中国、加拿大和印度等。世界上大约共有82个国家在积极开发并运用着风能。海上的风力资源条件比陆地上的要优越。在欧洲，把风电场从陆地搬到海上或近海

11、的地方已经成为了一种新的发展趋势。风电的发展可以总结为三个步骤：一是目前的技术，陆地上的风电技术；二是正在研发的技术，近海的风电技术；三是未来的趋势，海上的风电技术。到2010年，美国的装机容量有明显的下降，使得美国年度装机容量第一次输给中国。很多东欧国家的风电发展都处于上升阶段，但是一些西欧国家却处于饱和状态。而在非洲，风电技术发展较好的主要集中在北非地区。1.2.2 国内风力发电的研究现况自2003年以来，中国风电装机容量的年平均增长率已经达到70%以上。2009年年底，中国总的风电装机容量达2268万千瓦，已经并网运行的容量达到1767万千瓦，吊装容量的总量为2412万千瓦。在2010年

12、，我国风力发电新增的装机容量超过2(MM)万千瓦，而到2010年年底，已经超过美国，总装机容量高于4500万千瓦，跃居世界第一的位子。我国的风电产业有广阔的发展前景，主要有以下两个原因：一是由于中国的风力资源丰富，所以具有开发风电的潜力;二是因为我国政府的优惠政策和鼓励。根据国家气象局勘测，我国风能资源储存的总量约2.53亿千瓦，居世界第三位，前两名分别为美国和俄罗斯。中国的风能资源主要分布在两个地带：一是内蒙古北部、新疆北部、甘肃以及松花江地带。二是山东、东南沿海地区以及辽宁沿海地区。1.3 论文构成及研究内容本文主要内容安排如下：第一章：介绍了课题研究的背景和意义，并介绍了国内外风力发电的

13、研究现况。第二章：主要介绍了并网型风力发电的相关知识和异步电机发电系统的类型。还阐述了异步风电机组并网的基本内容并对其面临的问题进行了分析。第三章：建立了风速，风力机以及异步电机的动态模型并对其进行仿真。还讨论了风电机组的等值问题。第四章：对异步电机以外常规用的元件动态数学模型做了详细的介绍，其中包括同步发电，转速控制器以及励磁系统。还介绍动态仿真过程中每一环节的处理方法,比如对系统初值的计算方法以及网络方程的求解方法。第五章：简单的介绍了MATLAB仿真软件以及SimUIink基础模块库。再对一个实例进行了仿真。第六章：总结了课题的各项工作，得出本课题的结论。2风力发电系统的基础理论2.1并

14、网型风力发电概述风力发电机按是否与电网连接，可以分成并网型和离网型两大类。并网型发电机组跟电网连接，发电频率必须与电网频率一致。风电机组与电网并网时，能得到电网的补偿和支撑，这对开发风能资源有很大的帮助。并网型风力发电机组有以下优点：（1）占地面积小；（2）建设工期短；（3）可以做到无人值守。其不足之处为：（1）风力机效率低；（2）不能大量存储风能。并网型风力发电机组的能量转换过程为：风能一机械能一电能。最后将把电能注入到电网中利用。可把它分成两个步骤。第一步，把风能转换成机械能，风力机吸收风能并将其转换成机械能。第二步，发电机将机械能转换成电能。除此之外传动轴、齿轮箱以及偏航装置和制动系统等

15、也有很重要的作用。并网型发电机组可以采用恒速恒频和变速恒频两种。恒速恒频发电机组（如图2.1）一般都采用异步发电机组跟电网直接连接，发电频率跟电网频率一致，控制起来简单方便，不过转速不能调节，所以叶速比没法控制在风能最佳捕获点。图2.1恒速恒频风力发电系统恒速恒频风力发电机组又可分为变桨距调节和定桨距失速调节两类。变桨距是为了更有效的利用风能，通过桨距调节，改变桨距角来调整输出功率。工作原理为：当风速小于额定值时，桨距角在零度附近，随着风速的变化发电机输出功率也会变化；当风速超过额定值时，变桨距通过调节桨距角使发电机输出功率保持在允许范围之内。主要优点是桨叶受力小，能捕获更多的风能，可有效的提高发电量。其主要不足之处是故障率高，结构复杂。定桨距是指轮毂与叶片连接在一起，其桨距角不变。失速性是指当风速超过额定值时，气流的攻角会达失速条件，产生涡流，从而控制输出功率和转速。其主要优点为调节控制简单。其不足之处是因叶片较重，使得机组整体效率下降。变速恒频是指随着风速的变化，发电机的转速也变化，再将其发出的电能转变为与电网相同频率的电能输送给电网。与恒速恒频风电机组相比，由于使用了电力电子装置连接电网与发电机，大大降低了对电网和传动链的冲击。因为转速和桨距角均可调节，所以把冲击限制到最小的程度。在运行时，如果控制方式不同会对转矩冲击有非常大的影响。而且叶片没有失速