畢業(yè)論文風力發(fā)電系統(tǒng)控制模型的建立和仿真分析-資料下載頁

　　

【正文】 風速 風速 表示在該時間區(qū)段內(nèi)風速線性變化表達式　　　　　 （33）所以當時 = 0 當時 = vmax 風速 風速圖33漸變風隨時間變化曲線圖（4）隨機噪聲風用以描述在指定的高度的風速變化的隨機風的特性，由許多諧波分量構成，其表達式為　　　　　　（34）式中 ——隨機分布的離散間距；——第I個分量的角頻率，；——第I個分量的初相角為0~2Pi之間分布的隨機量；——第I個分量的振幅。 （35）式中 ——地表摩擦系數(shù)；——攏動范圍m2；——相對高度的平均風速（m/s）。（5）綜合風速表達式綜合風速表達式即是對前面的四個分量風速表達式的求和，其表達式如下 　 　　　　　　　　　（36） 風速模型的建立圖34 綜合風速模型（1）外部風速輸入控制模型參數(shù)外部風速輸入控制模型（如圖35所示）是調(diào)節(jié)外加風速的模型，它可以隨意調(diào)節(jié)切入風速的大小。(2)四種風分量的參數(shù)基本風輸入?yún)?shù)在實際或仿真時基本風被認為是一個常數(shù)，并且一般取平均值，9m/s ，如圖36所示。 圖35　外部風速輸入控制模型及參數(shù)圖36 基本風輸入?yún)?shù) 陣行風輸入?yún)?shù)陣行風用于描述風速的突然變化，根據(jù)實際數(shù)據(jù)可以給出其最大值2m/s，起始時間3s，持續(xù)周期為1s，陣性風數(shù)量為1個。如圖37所示。漸變風輸入?yún)?shù)漸變風用于描述風速的逐漸變化，根據(jù)實際數(shù)據(jù)可以給出其最大值2m/s，起始時間為4s，持續(xù)周期為1s，如圖38所示。隨機噪聲風vwN輸入?yún)?shù)圖37 陣行風輸入?yún)?shù)圖38 漸變風輸入?yún)?shù)用于描述在指定高度風速變化的隨機噪聲風的特性是由許多諧波組成的，根據(jù)實際數(shù)據(jù)可以給出其噪聲分量數(shù)為50個，如圖39所示。 風輪機模型的建立風輪機是風力發(fā)電機組的原動機，也是主要區(qū)別于其他類型發(fā)電廠的關鍵地方，它是把風能轉化成機械能的裝置，通過吸收風能，然后轉化成機械能，最后把機械能傳輸給發(fā)電機，如圖310所示。圖39 隨機噪聲風輸入?yún)?shù)圖310 風輪機模型 風輪機模型及參數(shù)如圖311所示是風輪機輸入?yún)?shù)。圖311 風輪機輸入?yún)?shù) 齒輪箱速比控制模型齒輪箱的功能是把風輪機輸入的低轉速變成高轉速輸出給發(fā)電機，其轉速比也是指齒輪的變比，即低速齒輪與高速齒輪的齒數(shù)比。如圖312所示為齒輪箱速比控制模型。 圖312 齒輪箱速比控制模型圖313 齒輪箱速比控制模型輸入?yún)?shù) 異步發(fā)電機模型的建立異步電機一般稱為感應電機，既可作為發(fā)電機使用也可作為電動機使用。由于異步發(fā)電機具有結構簡單、價格便宜、堅固耐用、維修方便、啟動容易、并網(wǎng)簡單等特點，在大中型風力發(fā)電機組中得到廣泛應用。 發(fā)電機控制選擇器參數(shù)(1)轉子轉速控制參數(shù)輸入同步轉速（標幺值）的99%。(2)選擇開關StoT控制模型及參數(shù)圖314 異步發(fā)電機模型選擇開關StoT控制是用于發(fā)電機轉速控制和轉矩控制選擇的控制器，選擇開關模型是當選擇1時，異步發(fā)電機由轉子轉速控制，當選擇0時，異步發(fā)電機由輸入機械轉矩控制。它是由一個時間信號模型與一個單信號比較儀來控制。圖315 選擇開關StoT控制模型,輸出為低水平輸出值1；, 輸出為高水平輸出值0. 輸入為自然數(shù),則輸出整數(shù) 圖316 StoT控制模型及參數(shù) 異步發(fā)電機參數(shù)圖317 異步發(fā)電機參數(shù) 無窮大系統(tǒng)模型的建立圖318 無窮大系統(tǒng)模型 補償電容的參數(shù)圖319 補償電容的參數(shù) 斷路器模型及參數(shù)(1)普通三相斷路器 圖320 普通三相斷路器模型及參數(shù)(2)有同步監(jiān)視的斷路器 圖321 有同步監(jiān)視的三相斷路器模型及參數(shù)(3)斷路器分合控制選擇器模型圖322 斷路器分合控制選擇器模型當輸入時間值低于1秒時,輸出為低水平輸出值1；當輸入時間值超過1秒時, 輸出為高水平輸出值0。圖323 斷路器分合控制選擇器模型輸入?yún)?shù)(4)斷路器并網(wǎng)前的參數(shù)圖324 斷路器在并入電網(wǎng)前的參數(shù)(5)斷路器并網(wǎng)后的參數(shù)圖325 斷路器在并入電網(wǎng)后的參數(shù) 升壓變壓器模型及參數(shù)(1)1主變壓器模型及參數(shù) 圖326 1主變壓器模型及參數(shù)(2)2主變壓器模型及參數(shù) 圖327 2主變壓器模型及參數(shù) 無窮大系統(tǒng)模型及參數(shù) 圖328 電網(wǎng)（三相電壓源）模型及參數(shù)第四章 風力發(fā)電控制系統(tǒng)的模擬仿真結果分析在低于額定風速的條件下,風力發(fā)電機組的基本控制目標是跟蹤曲線，以獲得最佳葉尖速比。在高于額定風速時，主要通過變槳距系統(tǒng)改變槳葉節(jié)距來限制風輪機獲取能量，使風力發(fā)電機保持在額定功率下發(fā)電，并使系統(tǒng)失速負荷最小化。加入變槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，顯著提高了傳動系統(tǒng)的柔性及輸出的穩(wěn)定性。因為在高于額定風速時是追求穩(wěn)定的功率輸出，采用變槳距調(diào)節(jié)可以限制轉速變化。采用轉速與變距的雙重調(diào)節(jié)，雖然增加了額外的變槳距機構和相應的控制系統(tǒng)的復雜性，但由于改善了控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，仍然被普遍認為是風力發(fā)電機組理想的控制方式。 控制系統(tǒng)在樣例模型中的模擬仿真 風速模擬仿真分析（1）風速模型輸出及參數(shù)設置圖41 風速模型輸出及參數(shù)設置(2)綜合風速模型的仿真綜合風速是由基本風、陣行風、漸變風以及隨機噪聲風四種分量的風速疊加而成的,此仿真結果是在沒有外加切入風速時的結果,如圖42所示。(3)仿真結果分析在前面我們已經(jīng)討論過，風是近似的服從威布爾分布，也就是說，近似的服從正態(tài)分布。如圖42所示,在沒有外力風速的情況下，由于受隨機噪聲風的影響，風速的曲線波動很大，在3s和4s時分別又受到陣行風與漸變風的影響，波形也出現(xiàn)了相應的波動。所示說，用以上的四個風的分量在一定的程度上是可以大體的描述風的波形，但在一些細節(jié)上還需要進一步修正，所以它的使用范圍是有限的，只是可以用在一些要求的精確程度不高的模型的仿真。圖42 綜合風速模型模擬仿真結果 風輪機模擬仿真分析圖43 風輪機機械轉矩輸出及參數(shù)設置圖44 風輪機機械轉矩模擬仿真結果（1）機械轉矩輸出及仿真結果如圖43和圖44所示。（2）機械功率輸出及仿真結果如圖45和圖46所示。（3）仿真結果分析如圖43和圖44曲線所示，風輪機的輸出轉矩和輸出功率都是標幺值，則它們的曲線是完全一致的，在03s時變槳距控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距使轉矩和功率輸出逐漸達到穩(wěn)定，由于又突然受到在3s與4s分別受到陣行風與漸變風的影響，從而使波形在這兩個時間有的突變，之后繼續(xù)達到穩(wěn)定。圖45 風輪機機械功率輸出及參數(shù)設置圖46 風輪機機械功率模擬仿真結果 異步發(fā)電機模擬仿真分析（1）異步發(fā)電機的輸出量有有功功率、無功功率、機械轉矩、電磁轉矩和發(fā)電機的轉速，異步發(fā)電機的輸出參數(shù)如圖47所示。 （2）發(fā)電機有功功率輸出及仿真結果分析異步發(fā)電機有功功率輸出及參數(shù)設置如圖48，由于異步發(fā)電機只能輸出有功功率，根據(jù)電力系統(tǒng)對異步機作為電動機狀態(tài)的有關規(guī)定，它的基本參量的正方向是按電動機狀態(tài)定義的，則有功功率輸出為負值。異步發(fā)電機有功功率仿真結果分析在1s時異步發(fā)電機并網(wǎng)，由于采用的是直接并網(wǎng)，在并網(wǎng)時出現(xiàn)了很大的沖擊電流，導致有功功率1s時發(fā)生突變，然后有功功率下降并逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。在3s和4s分別受到陣行風和漸變風的影響，有功功率的曲線有很小的下降，然后又達到穩(wěn)定狀態(tài)。圖47 異步發(fā)電機輸出參數(shù)圖48 異步發(fā)電機有功功率輸出及參數(shù)設置 異步發(fā)電機有功功率仿真結果圖49 異步發(fā)電機有功功率模擬仿真結果（3）發(fā)電機無功功率輸出及仿真結果分析異步發(fā)電機無功功率輸出及參數(shù)設置如圖49，由于作為異步發(fā)電機勵磁的無功功率只能從電網(wǎng)吸收，根據(jù)電力系統(tǒng)對異步機作為電動機狀態(tài)的有關規(guī)定，它的基本參量的正方向是按電動機狀態(tài)定義的，則無功功率輸出為正值。圖410 異步發(fā)電機無功功率輸出及參數(shù)設置圖411 異步發(fā)電機無功功率模擬仿真結果異步發(fā)電機無功功率仿真結果分析在1s時異步發(fā)電機并網(wǎng)，由于采用的是直接并網(wǎng)，在并網(wǎng)時出現(xiàn)了很大的沖擊電流，導致無功功率在1s時發(fā)生突變，然后無功功率下降并逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。在3s和4s分別受到陣行風和漸變風的影響，無功功率的曲線有很小的上升，然后又達到穩(wěn)定狀態(tài)。在0～1s時無功功率為零，主要原因是雖然發(fā)電機端加了電容給發(fā)電機補償無功，但此時發(fā)電機端沒有電壓，則電容兩端也沒有電壓，因此這段時間發(fā)電機并未得到無功補償，即此時無功功率曲線為零。（4）發(fā)電機轉速輸出及仿真結果分析異步發(fā)電機轉速輸出及參數(shù)設置如圖340所示，異步發(fā)電機的轉速是一個很重要參數(shù)，發(fā)電機在正常運行時其轉速略大于同步轉速，則滑差。圖412 異步發(fā)電機轉速模擬仿真結果異步發(fā)電機轉速仿真結果分析，此時異步電機運行在電動機狀態(tài)；，則發(fā)電機的轉速開始上升，并超過發(fā)電機轉速標玄值1，異步電機此時運行在發(fā)電機狀態(tài)，之后轉速繼續(xù)上升，并逐漸趨于穩(wěn)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(wěn)定狀態(tài)。（5）發(fā)電機機械轉矩輸出及仿真結果分析異步發(fā)電機機械轉矩輸出及參數(shù)設置如圖413所示。圖413 異步發(fā)電機機械轉矩輸出及參數(shù)設置異步發(fā)電機機械轉矩仿真結果圖414 異步發(fā)電機機械轉矩模擬仿真結果異步發(fā)電機轉速仿真結果分析在0~，發(fā)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(xù)達到穩(wěn)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(fā)電機狀態(tài)時它的輸出機械轉矩為負值。(6) 發(fā)電機電磁轉矩輸出及仿真結果分析電磁轉矩Te是反映發(fā)電機由機械能轉換成電能的一個重要參數(shù)，電磁轉矩Te等于機械功率Pm除以轉軸的角速度，即.發(fā)電機電磁轉矩模擬仿真結果分析在1s時發(fā)電機并網(wǎng)，因此發(fā)電機電磁轉矩在0～1s時為零，在并網(wǎng)后電磁轉矩開始下降，之后又開始上升，并逐漸達到穩(wěn)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(wěn)定。圖415 異步發(fā)電機電磁轉矩輸出及參數(shù)設置異步發(fā)電機電磁轉矩仿真結果圖416 異步發(fā)電機電磁轉矩模擬仿真結果 風力發(fā)電機系統(tǒng)并網(wǎng)模擬仿真分析 (1) 發(fā)電機三相電壓輸出及仿真結果分析 圖417 異步發(fā)電機發(fā)電機三相電壓輸出及參數(shù)設置圖418 異步發(fā)電機發(fā)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(fā)電機三相電壓模擬仿真結果分析如圖418所示,在發(fā)電機并入電網(wǎng)前低壓側電壓為0,在1S時發(fā)電機并入電網(wǎng),電壓突然上升到接近于額定電壓,發(fā)電機向電網(wǎng)輸送功率。并網(wǎng)后的功率輸出逐漸趨于穩(wěn)定，這時的電壓曲線呈正弦曲線形狀變化，向電網(wǎng)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(wěn)定。，高壓母線電壓穩(wěn)定在121KV左右。(3) 低壓母線相電流輸出及仿真結果分析并網(wǎng)前電流為0,在1s時斷路器合閘并網(wǎng)，出現(xiàn)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(wěn)定,。 圖421 低壓電流輸出及參數(shù)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(tǒng)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(diào)節(jié)可以使發(fā)電機輸出功率平穩(wěn)。圖423 變槳距控制系統(tǒng)模擬仿真結果變槳距控制系統(tǒng)模仿真結果分析 風輪機啟動時風力發(fā)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(fā)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(qū)域，風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)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(fā)電機轉矩的控制來實現(xiàn)。 發(fā)電機轉速控制模擬仿真結果分析發(fā)電機轉速控制器是一個六階的動態(tài)模型，發(fā)電機制轉速輸入值是根據(jù)發(fā)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(fā)電機轉速在恒定轉速。轉速的恒定使發(fā)電機能夠正常起動，并能安全地并入到電網(wǎng)，并網(wǎng)后在額定轉速下運行。圖424 低于額定風速時異步發(fā)電機轉速控制模擬仿真結果發(fā)電機也可以在起動前給定一個起動轉速，使發(fā)電機在并網(wǎng)前正常起動。然后使用時間控制選擇器來選擇發(fā)電機使用轉速控制和轉矩控制的狀態(tài)，在發(fā)電機并入電網(wǎng)后，發(fā)電機的控制轉換為轉矩控制，從而帶動發(fā)電機轉子運動在略