風力發電系統控制模型的建立畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 狀態；，則發電機的轉速開始上升，并超過發電機轉速標玄值1，異步電機此時運行在發電機狀態，之后轉速繼續上升，并逐漸趨于穩定。在3s和4s分別受到陣行風和漸變風的影響，轉速曲線有很小的變化，然后又達到穩定狀態。（5）發電機機械轉矩輸出及仿真結果分析異步發電機機械轉矩輸出及參數設置如圖413所示。圖413 異步發電機機械轉矩輸出及參數設置異步發電機機械轉矩仿真結果圖414 異步發電機機械轉矩模擬仿真結果異步發電機轉速仿真結果分析在0~，發電機由轉速控制，因此這段時間它的輸出機械轉矩為零，，再繼續達到穩定，由于異步電機各參量正方向在PSCAD軟件是按電動機定義的，因此在發電機狀態時它的輸出機械轉矩為負值。(6) 發電機電磁轉矩輸出及仿真結果分析電磁轉矩Te是反映發電機由機械能轉換成電能的一個重要參數，電磁轉矩Te等于機械功率Pm除以轉軸的角速度，即.發電機電磁轉矩模擬仿真結果分析在1s時發電機并網，因此發電機電磁轉矩在0～1s時為零，在并網后電磁轉矩開始下降，之后又開始上升，并逐漸達到穩定。在3s和4s時分別受到陣行風和漸變風的影響，電磁轉距曲線有明顯的下降，之后又達到穩定。圖415 異步發電機電磁轉矩輸出及參數設置異步發電機電磁轉矩仿真結果圖416 異步發電機電磁轉矩模擬仿真結果 風力發電機系統并網模擬仿真分析 (1) 發電機三相電壓輸出及仿真結果分析 圖417 異步發電機發電機三相電壓輸出及參數設置圖418 異步發電機發電機三相電壓模擬仿真結果圖419 高壓母線電壓模擬仿真結果異步發電機三相電壓模擬仿真結果分析如圖418所示,在發電機并入電網前低壓側電壓為0,在1S時發電機并入電網,電壓突然上升到接近于額定電壓,發電機向電網輸送功率。并網后的功率輸出逐漸趨于穩定，這時的電壓曲線呈正弦曲線形狀變化，向電網輸送額定功率。(2)低壓母線和高壓母線的線電壓輸出及仿真結果分析圖420 低壓母線和高壓母線的線電壓輸出及仿真結果低壓母線和高壓母線的線電壓仿真結果分析在正常運行時,低壓母線和高壓母線電壓均從0迅速上升并均達到各自的額定值，然后一直保持穩定。，高壓母線電壓穩定在121KV左右。(3) 低壓母線相電流輸出及仿真結果分析并網前電流為0,在1s時斷路器合閘并網，出現很大的沖擊電流，其沖擊電流值達到11KA，然后又開始上升，最后趨于穩定,。 圖421 低壓電流輸出及參數設置圖422 低壓母線相電流輸出及仿真結果 變槳距控制系統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功率的多少，槳距角的調節可以使發電機輸出功率平穩。圖423 變槳距控制系統模擬仿真結果變槳距控制系統模仿真結果分析 風輪機啟動時風力發電機組開始自動運行于風輪葉尖本來值90176。，即槳矩角初始值為90度，在機組起動的過程中逐漸變小，這樣葉片吸收風能逐漸增大，葉片的轉速也逐漸加快，且保持不變，此時葉片吸收風能達到了最大。 低于額定風速時控制的模擬仿真結果分析額定風速以下是風力發電機組的運行可以不受功率限制的風速范圍。在這一運行區域，風力發電機組控制系統的主要任務是通過對轉速的控制來跟蹤最佳曲線以獲得最大能量。通常對轉速的控制是通過對發電機轉矩的控制來實現。 發電機轉速控制模擬仿真結果分析發電機轉速控制器是一個六階的動態模型，發電機制轉速輸入值是根據發電機的機械轉矩和電磁轉矩在模塊中進行計算而得到的，其輸出總是保持發電機轉速在恒定轉速。轉速的恒定使發電機能夠正常起動，并能安全地并入到電網，并網后在額定轉速下運行。圖424 低于額定風速時異步發電機轉速控制模擬仿真結果發電機也可以在起動前給定一個起動轉速，使發電機在并網前正常起動。然后使用時間控制選擇器來選擇發電機使用轉速控制和轉矩控制的狀態，在發電機并入電網后，發電機的控制轉換為轉矩控制，從而帶動發電機轉子運動在略高于額定轉速的轉速附近運行。圖425 低于額定風速時發電機起動時轉速控制模擬仿真結果發電機在準備起動時轉速為0，發電機并網前由于風輪機的機械轉矩在不斷升高，帶動發電機使其轉速達到并超過額定轉速。在3s時出現的陣性風和4s時出現的漸變風影響了發電機的轉速，使發電機的轉速出現了突然的升高，而后又下降到了略高于額定轉速的附近運行，最終將達到穩定狀態。 風輪機轉速控制模擬仿真結果分析風輪機轉速控制是根據發電機的轉速反饋值和給定值進行選擇，然后利用乘法器乘以轉速的基準值314rad/s得到風輪機轉速的值，輸入到風輪機并對風輪機的轉速進行控制的。在并網前,風輪機的轉速為給定值,由于有風模型的輸入,使得風輪機輸出機械轉矩，但是由于風模型的輸入的風速有波動，所以風輪機的輸出轉矩受到了影響。但在并網時風輪機的轉矩沒有太大的變化，曲線在不斷的上升。在并入電網以后，在3s時受到的陣性風和4s時受到漸變風的影響而出現了明顯的突變，可見風的變化對風輪機轉矩的輸出是有直接影響的。風輪機的機械功率是低風速時風輪產生的氣動功率，與風速和瞬時值有關，功率極限取作恒定的話，功率輸出如圖426所示。電功率的輸出曲線同機械功率的輸出曲線完全一致，這樣電功率輸出的變化可從起點跟蹤，在起動區電功率是負值，說明是作電動機起動的區域。如果根據實際的原理分析的話，當風輪加速時電功率應該大于機械功率，但由于實際中存在一定的誤差，所以沒有太大的變化。圖426 低于額定風速時風輪機轉矩模擬仿真結果 變槳距控制模擬仿真結果分析風力發電機組變槳距控制系統在發電機準備起動時，槳矩角從初始的90度先減小到45度，處于待起動狀態；然后在起動風速持續10秒時，槳距角再從45度逐漸變小。在槳距變小的過程中，葉片吸收風功率在逐漸的增加，同樣葉片的轉速也逐漸圖427 并網后風輪機轉矩受風影響的模擬仿真結果加快，則風輪機的輸出功率在不斷增大，帶動異步發電機轉動，從而發出電來。根據圖45所示我們可知風輪機在并網前，槳距角已經變到8度左右，風輪機吸收的功圖428 變槳距控制模擬仿真結果率已接近額定功率。在發電機并入電網后，這時葉片吸收的風能達到了最大，風力發電系統處于正常運轉狀態。槳葉節距變化過程是迅速，所以風力發電機組的起停機過程也是快速的，使風力發電機組在這穩定狀態時可以迅速進行調節或停機，使風力發電機系統的安全性提高。在低于額定風速時，風力發電機組經歷了從起動到并網或在正常運行時進行轉速調節等的控制過程，所以風力發電對控制系統的要求很高。在起動狀態時，發電機電壓和低壓側電流均為0，這時變槳距系統的節距給定值由發電機的轉速信號控制，轉速控制器按一定的速度上升率給出速度參考值，變距系統對槳葉節距進行調節。由圖46的模擬仿真結果可知，風力發電機在并網時電壓和電流均出現了沖擊，為了確保并網平穩，對電網產生盡可能小的沖擊，變槳距系統可以在一定時間內，保持發電機的轉速在同步轉速附近，尋找最佳時機并網。而在欠功率狀態時，發電機在低于額定功率的狀態運行，可以采用OPTITIP技術對繞線式異步發電機的轉差率進行調節，由于我們仿真所用的發電機為鼠籠式異步發電機，所以在這里我不加以論述。 高于額定風速時控制的模擬仿真結果分析風力發電機組的變速運行可以使機組在風速大范圍內變化時增加能量的獲得,但在高風速狀態下,能量的獲取將受到機組物理性能的限制。風輪機的風輪轉速和能量轉換必須低于某個極限值，否則各部件的機械和疲勞強度就受到挑戰。因此在高風速下，當風速作大幅度變化時，保持發電機組恒定的功率輸出，并使風力發電機組的傳動系統具有良好的柔性，是高于額定風速時控制系統的基本目標。在這一運行區域，風力發電機組的控制系統主要是通過調節風輪機的功率系數，將功率輸出限制在允許范圍之內；同時使發電機轉速能隨功率的輸入作快速變化，這樣發電機就可以在允許的轉速范圍內持續工作并保持傳動系統良好的柔性。通常采用兩個方法控制風輪的功率系數，一是控制發電機的反力矩，通過改變發電機的轉速來改變風輪的葉尖速比；二是改變槳葉節距角以改變空氣動力轉矩。本節主要介紹使用比例積分（PI）和干攏調節控制調節（DAC），通過改變槳葉節距角來控制風輪的功率系數，以滿足風力發電機組運行時對各種物理量進行限制的要求。 發電機轉速控制模擬仿真結果分析 發電機轉速控制器是一個六階的動態模型，發電機制轉速輸入值是根據發電機的機械轉矩和電磁轉矩在模塊中進行計算而得到的，同樣在發電機并入電網后進入額定運行狀態時,其輸出的轉速還是保持在恒定轉速。輸入的恒定轉速使發電機能夠正常安全地運行,使發電機輸出的功率只受風速變化的影響。在高于額定風速時，風力發電機達到轉速有限或功率極限，因此必須在小的下運行，但必須控制發電機的轉速在略高于額定轉速附近運行，這樣才能保證風力發電系統的安全性。圖429 風力發電系統電壓、電流模擬仿真結果發電機如果在起動前給定了一個起動轉速的話，發電機正常地并入電網后在高于額定風速時，發電機由轉速的控制轉換為轉矩的控制，則由完全由風輪機帶動發電機的轉子在略高于額定轉速的轉速附近運行。這樣,發電機的轉速(轉速標玄值)―，發電機的轉速變化是很微小的，對發電機輸出功率的影響也是微乎其微的，同樣對電力系統的影響也是很小的。發電機并網前由于風輪機的機械轉矩在不斷升高，帶動發電機使其轉速達到并超過額定轉速。發電機并入電網后，在3s時出現的陣性風和4s時出現的漸變風影響了發電機的轉速，使發電機的轉速出現了一定的突然的升高，而后又下降到了略高于額定轉速的附近運行，最終達到穩定運行狀態。圖430 高于額定風速時異步發電機轉速控制模擬仿真結果圖431 發電機并網后高于額定風速時轉速控制模擬仿真結果 風輪機轉速控制模擬仿真結果分析高于額定風速時,風輪機的轉速是根據發電機的轉速反饋值乘以轉速的基準值314rad/s得到的，然后輸入到風輪機并對其轉速進行相應控制的。由于風模型的輸入具有一定的波動性,使得受到一定的影響。在3s時受到的陣性風和4s時受到漸變風的影響, 風輪機輸出的機械轉矩和電磁轉矩出現了明顯的突變，可見風的變化對風輪機轉矩的輸出是有直接影響的。風輪機的機械功率是低風速時風輪產生的氣動功率，與風速和瞬時值有關，功率極限取作恒定的話，電磁功率輸出如圖433所示。電磁功率的輸出曲線大于機械功率的輸出曲線，這樣電功率輸出的變化可從起點跟蹤，在起動區電功率是負值，說明是作電動機起動的區域。圖432 高于額定風速時風輪機轉矩模擬仿真結果圖433 高于額定風速時風輪機功率模擬仿真結果 變槳距控制模擬仿真結果分析高于額定風速的變槳控制系統受到發電機轉速和風速的雙重控制，當風速大幅度變化時在保持風力發電機恒定的功率輸出，通過調節風輪機的功率系數，將功率輸出限制在允許的范圍內，同時也使發電機的轉速能隨功率的輸出作快速的變化。我們能夠通過使用PI比例積分和DAC干攏調節控制來改變槳葉節距角的方法來控制風輪機的功率系數。功率反饋信號與給定值進行比較，當功率超過額定功率時，槳葉節距就圖434 高于額定風速時的變槳距控制模擬仿真結果向迎風面積減小的方向轉動一個小的角度。風速高于額定值時，發電機轉速通過改變節距來跟蹤相應的速度給定值，而節距控制對瞬變風速并不響應。，這時葉片吸收的風能達到了最大，風力發電系統處于正常運轉狀態。槳葉節距變化過程是迅速，所以風力發電機組的起停機過程也是快速的，使風力發電機組在這穩定狀態時可以迅速進行調節或停機，使風力發電機系統的安全性提高。在高于額定風速時，對轉速調節的控制過程要求比較高。在高于風速的運行狀態時，發電機電壓和低壓側電流均呈正弦規律變化，這時變槳距系統的節距給定值由發電機的有功功率信號來控制，根據功率反饋值的跟蹤來使變距系統對槳葉節距進行相應的調節。通過觀察風輪機的響應，可對控制器的性能作出定性的分析。控制器最初檢測到的轉速是一個負的偏差，風葉最初的節距是3度左右。當風輪機的轉速達到給定值時，葉片的節距就會增加以抵御風速增加的作用，則風速的增加會使葉尖速比降低，使風輪機的轉速提升，這時控制器增大了節距角，則減小了槳葉的攻角，使得氣流沒有在槳葉表面產生分離。控制器會在狂風時將節距角增加，這樣將迅速減少轉矩系數，造成空氣動力轉矩的下降，從而使風輪減速。如果風速繼續增大，則風輪的節距角會繼續增大，直到風力發電機不能承受的風速出現時，槳距角變為90度后自動停機。圖435 高于額定風速時風力發電系統電壓、電流模擬仿真結果 結 論本論文通過PSCAD/EMTDC電力系統模擬仿真軟件，建立了變槳距風力發電機組控制系統模型，對加入控制系統的風力發電樣例系統進行模擬仿真分析，驗證了控制系統模型的可用性。由于風能的不規則特性，對風力發電系統輸出功率的穩定有很大的影響，也使功率曲線的優化產生了一定的困難。我們通過利用變槳距控制系統，根據風速的大小來調整槳葉節距，使系統輸出功率穩定，并使輸出功率曲線得到了優化，提高了風力發電系統運行的可靠性。風力發電系統控制策略是以風速的變化為依據，風能的最大利用效率為目的，為優化風力發電系統運行特性提出的控制方案。變槳距控制系統的設計主要采用PI控制器，根據發電機有功功率輸出和風輪機轉速反饋來調節槳葉節距。通過風輪機槳距角控制系統對葉片槳距角進行控制，使風力發電機組的機械部分與發電機的電氣部分配合，達到提高風能利用效率及改善供電質量的目的。利用風力發電樣例系統來驗證控制系統的可用性，并對各種仿真曲線進行分析，從而得出結論。 根據風速模型的仿真曲線，分析風輪機和發電機各部分曲線的變化情況和整個系統的仿真曲線圖。在并網以前電壓的波形基本上是正弦形狀的，轉速基本上是穩定的。并網以后雖然受到了電網的干擾，但轉速上升到額定轉速后再沒有多大變化；電流的波形雖然是正弦的，但整體的趨向也發生了相應的波動。變槳距