風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制模型的建立畢業(yè)論文-wenkub.com

　 　

【正文】 在并網(wǎng)以前電壓的波形基本上是正弦形狀的，轉(zhuǎn)速基本上是穩(wěn)定的。變槳距控制系統(tǒng)的設(shè)計主要采用PI控制器，根據(jù)發(fā)電機有功功率輸出和風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速反饋來調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距。圖435 高于額定風(fēng)速時風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流模擬仿真結(jié)果 結(jié) 論本論文通過PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)模擬仿真軟件，建立了變槳距風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型，對加入控制系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電樣例系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析，驗證了控制系統(tǒng)模型的可用性?？刂破髯畛鯔z測到的轉(zhuǎn)速是一個負(fù)的偏差，風(fēng)葉最初的節(jié)距是3度左右。槳葉節(jié)距變化過程是迅速，所以風(fēng)力發(fā)電機組的起停機過程也是快速的，使風(fēng)力發(fā)電機組在這穩(wěn)定狀態(tài)時可以迅速進(jìn)行調(diào)節(jié)或停機，使風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的安全性提高。我們能夠通過使用PI比例積分和DAC干攏調(diào)節(jié)控制來改變槳葉節(jié)距角的方法來控制風(fēng)輪機的功率系數(shù)。在3s時受到的陣性風(fēng)和4s時受到漸變風(fēng)的影響, 風(fēng)輪機輸出的機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了明顯的突變，可見風(fēng)的變化對風(fēng)輪機轉(zhuǎn)矩的輸出是有直接影響的。發(fā)電機并網(wǎng)前由于風(fēng)輪機的機械轉(zhuǎn)矩在不斷升高，帶動發(fā)電機使其轉(zhuǎn)速達(dá)到并超過額定轉(zhuǎn)速。輸入的恒定轉(zhuǎn)速使發(fā)電機能夠正常安全地運行,使發(fā)電機輸出的功率只受風(fēng)速變化的影響。在這一運行區(qū)域，風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)主要是通過調(diào)節(jié)風(fēng)輪機的功率系數(shù)，將功率輸出限制在允許范圍之內(nèi)；同時使發(fā)電機轉(zhuǎn)速能隨功率的輸入作快速變化，這樣發(fā)電機就可以在允許的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)持續(xù)工作并保持傳動系統(tǒng)良好的柔性。而在欠功率狀態(tài)時，發(fā)電機在低于額定功率的狀態(tài)運行，可以采用OPTITIP技術(shù)對繞線式異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于我們仿真所用的發(fā)電機為鼠籠式異步發(fā)電機，所以在這里我不加以論述。槳葉節(jié)距變化過程是迅速，所以風(fēng)力發(fā)電機組的起停機過程也是快速的，使風(fēng)力發(fā)電機組在這穩(wěn)定狀態(tài)時可以迅速進(jìn)行調(diào)節(jié)或停機，使風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的安全性提高。圖426 低于額定風(fēng)速時風(fēng)輪機轉(zhuǎn)矩模擬仿真結(jié)果 變槳距控制模擬仿真結(jié)果分析風(fēng)力發(fā)電機組變槳距控制系統(tǒng)在發(fā)電機準(zhǔn)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(tài)；然后在起動風(fēng)速持續(xù)10秒時，槳距角再從45度逐漸變小。在并入電網(wǎng)以后，在3s時受到的陣性風(fēng)和4s時受到漸變風(fēng)的影響而出現(xiàn)了明顯的突變，可見風(fēng)的變化對風(fēng)輪機轉(zhuǎn)矩的輸出是有直接影響的。在3s時出現(xiàn)的陣性風(fēng)和4s時出現(xiàn)的漸變風(fēng)影響了發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了突然的升高，而后又下降到了略高于額定轉(zhuǎn)速的附近運行，最終將達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下運行。 低于額定風(fēng)速時控制的模擬仿真結(jié)果分析額定風(fēng)速以下是風(fēng)力發(fā)電機組的運行可以不受功率限制的風(fēng)速范圍。(3) 低壓母線相電流輸出及仿真結(jié)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(dá)到11KA，然后又開始上升，最后趨于穩(wěn)定,。圖415 異步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩輸出及參數(shù)設(shè)置異步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果圖416 異步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩模擬仿真結(jié)果 風(fēng)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(jié)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(shè)置圖418 異步發(fā)電機發(fā)電機三相電壓模擬仿真結(jié)果圖419 高壓母線電壓模擬仿真結(jié)果異步發(fā)電機三相電壓模擬仿真結(jié)果分析如圖418所示,在發(fā)電機并入電網(wǎng)前低壓側(cè)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。（5）發(fā)電機機械轉(zhuǎn)矩輸出及仿真結(jié)果分析異步發(fā)電機機械轉(zhuǎn)矩輸出及參數(shù)設(shè)置如圖413所示。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。在3s和4s分別受到陣行風(fēng)和漸變風(fēng)的影響，有功功率的曲線有很小的下降，然后又達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。（3）仿真結(jié)果分析如圖43和圖44曲線所示，風(fēng)輪機的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率都是標(biāo)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(zhuǎn)矩和功率輸出逐漸達(dá)到穩(wěn)定，由于又突然受到在3s與4s分別受到陣行風(fēng)與漸變風(fēng)的影響，從而使波形在這兩個時間有的突變，之后繼續(xù)達(dá)到穩(wěn)定。如圖42所示,在沒有外力風(fēng)速的情況下，由于受隨機噪聲風(fēng)的影響，風(fēng)速的曲線波動很大，在3s和4s時分別又受到陣行風(fēng)與漸變風(fēng)的影響，波形也出現(xiàn)了相應(yīng)的波動。因為在高于額定風(fēng)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(zhuǎn)速變化。圖315 選擇開關(guān)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(dāng)輸入時間值低于1秒時,輸出為低水平輸出值1；當(dāng)輸入時間值超過1秒時, 輸出為高水平輸出值0。由于異步發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)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(fēng)力發(fā)電機組中得到廣泛應(yīng)用。圖39 隨機噪聲風(fēng)輸入?yún)?shù)圖310 風(fēng)輪機模型 風(fēng)輪機模型及參數(shù)如圖311所示是風(fēng)輪機輸入?yún)?shù)。如圖37所示。 （35）式中 ——地表摩擦系數(shù)；——攏動范圍m2；——相對高度的平均風(fēng)速（m/s）。 風(fēng)速 風(fēng)速 表示在該時間段內(nèi)風(fēng)速變化具有余弦特性，其表達(dá)式為 （32）式中 ——陣行風(fēng)最大的風(fēng)速（m/s）；——時間（s）；——出現(xiàn)陣性風(fēng)的時間（起動時間s）；——陣性風(fēng)的持續(xù)時間。第三章 樣例系統(tǒng)模型的建立 風(fēng)速模型的建立 風(fēng)能的數(shù)學(xué)模型風(fēng)能作用于風(fēng)輪機的槳葉上，是風(fēng)力發(fā)電機的原動力，為了能較準(zhǔn)確的描述自然界的風(fēng)能變化的特點，在工程上一般采用簡化的四分量模型來模擬風(fēng)速隨時間變化的特征。圖222 濾波器模型及參數(shù)（5）槳距角調(diào)整限制環(huán)節(jié)模型圖223 槳距角調(diào)整限制環(huán)節(jié)模型由槳距角輸出反饋值和經(jīng)濾波器濾波后的輸入值進(jìn)行比較后，輸入微分限制和微分器環(huán)節(jié)進(jìn)行整合后輸出。() 圖216 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制的模型及參數(shù)（1） 槳距角控制輸入量模型根據(jù)控制選擇器來選擇異步發(fā)電機的有功功率反饋值或給定值為槳距角控制功率的輸入量。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到起動風(fēng)速時槳葉向0176。在軟件環(huán)境中輸入同步轉(zhuǎn)速314rad/s。圖214 系統(tǒng)控制選擇器模型 風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速控制模型的建立根據(jù)系統(tǒng)控制選擇器來實現(xiàn)在ω和1之間的選擇，利用乘法器乘以轉(zhuǎn)速的基準(zhǔn)值314rad/s得到風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速的值，對風(fēng)輪機進(jìn)行控制。式中只要不變，電磁轉(zhuǎn)矩就可以不變，發(fā)電機的功率可保持不變。在額定功率時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率能夠從1%到10%（1515到1650）變化，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子平均電阻從0到100%變化。內(nèi)環(huán)是一個功率伺服環(huán)，它通過轉(zhuǎn)子電流控制器（RCC）對發(fā)電機轉(zhuǎn)差率進(jìn)行控制，使發(fā)電機功率跟蹤功率給定值。 功率控制為了有效地控制高速變化的風(fēng)速引起的功率波動，新型的變槳距風(fēng)力發(fā)電機組采用了RCC（Rotor Current Control）技術(shù)，即發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流控制技術(shù)。如果風(fēng)速和功率輸出一直低于額定值，發(fā)電機轉(zhuǎn)差率將降低到2%，節(jié)距控制將根據(jù)風(fēng)速調(diào)整到最佳狀態(tài)，以優(yōu)化葉尖速比。 （4）速度控制器B 發(fā)電機切入電網(wǎng)后，速度控制系統(tǒng)B作用。風(fēng)輪在空轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速177。變距系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是液壓系統(tǒng)，節(jié)距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號控制比例閥（或電液伺服閥），驅(qū)動液壓缸活塞，推動變槳距機構(gòu)，使槳葉節(jié)距角變化。節(jié)距的給定參考值由控制器根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀態(tài)給出。因此，為了優(yōu)化功率曲線，最新設(shè)計的變槳風(fēng)力發(fā)電機組在進(jìn)行功率控制的過程中，其功率反饋信號不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。（3） 額定功率狀態(tài)當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機組進(jìn)入額定功率狀態(tài)。在發(fā)電機并入電網(wǎng)以前，變距系統(tǒng)的節(jié)距給定值由發(fā)電機的轉(zhuǎn)速信號控制。 變槳距風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)模型框圖[2] 變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀態(tài)變槳距風(fēng)力發(fā)電機組根據(jù)變距系統(tǒng)所起的作用可分為三種運行狀態(tài)，即風(fēng)力發(fā)電機組的起動狀態(tài)（轉(zhuǎn)速控制）、欠功率控制（不控制）和額定功率狀態(tài)（功率控制）。在實際應(yīng)用中，發(fā)電機轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的對應(yīng)關(guān)系不必完全覆蓋風(fēng)速的范圍，電機轉(zhuǎn)速范圍為1100~1700RPM，僅有部分超同步范圍。轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)的速度為，使得定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率。同樣，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的大小和相位(RCC)從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)追求最優(yōu)和無功功率的平衡。即仍然發(fā)揮葉片的失速效應(yīng)，在失速點之前進(jìn)行槳距調(diào)整，即便槳距調(diào)節(jié)機構(gòu)來不及動作通過葉片的失速效應(yīng)發(fā)揮作用也不會造成風(fēng)機的瞬時過載。在實際應(yīng)用中，由于功率與風(fēng)速的三次方成正比，風(fēng)速的較小變化將造成風(fēng)能較大變化，風(fēng)機輸出功率處于不斷變化中。速度控制和直接槳距控制常用于風(fēng)力發(fā)電機的起動、停止和緊急事故處理。變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的功率調(diào)節(jié)不完全依靠葉片的氣動特性，主要依靠與葉片相匹配的葉片攻角改變來進(jìn)行調(diào)節(jié)。風(fēng)機采用異步發(fā)電技術(shù)，存在功率流向的不確定性，發(fā)電機可能低于同步轉(zhuǎn)速運行，也可能工作在同步轉(zhuǎn)速之上。大功率高轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機工作于高風(fēng)速區(qū)，小功率低轉(zhuǎn)速的異步發(fā)電機則工作于低風(fēng)速區(qū)，由此來調(diào)整尖速比，實現(xiàn)追求最大下的整體運行控制。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，為了保持發(fā)電機輸出功率恒定，必須通過葉片失速效應(yīng)特性來降低值，以維持輸出功率的恒定。因而風(fēng)輪機的運行存在三個典型區(qū)：在低風(fēng)速段，按恒定途徑控制風(fēng)輪機直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限；然后按恒定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)輪機，直到功率最大；功率最大后，風(fēng)輪機按恒定功率控制。 由(22)式可知，風(fēng)機整體設(shè)計和相應(yīng)的運行控制策略應(yīng)在追求最大的情況下進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，便可增加其輸出功率。典型與和的關(guān)系可用圖23來表示。 風(fēng)輪機的氣動特性[8]風(fēng)輪機通過葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩?；钊奈灰品答佇盘栍晌灰苽鞲衅鳒y量，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入比較器。為了優(yōu)化功率曲線，在進(jìn)行功率控制的同時通過轉(zhuǎn)子電流控制器對電機轉(zhuǎn)差進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。風(fēng)輪從起運到額定轉(zhuǎn)速，其葉片的節(jié)距角隨轉(zhuǎn)速的升高是一個連續(xù)變化的過程。由于異步發(fā)電機的功率與轉(zhuǎn)速是嚴(yán)格對應(yīng)的，功率控制最終也是通過速度控制來實現(xiàn)的?，F(xiàn)在恢復(fù)為0176。 控制系統(tǒng)主要參數(shù)（1）主要技術(shù)參數(shù)主發(fā)電機輸出功率（額定） 發(fā)電機最大輸出功率 工作風(fēng)速范圍 額定風(fēng)速 切入風(fēng)速（1min平均值） 切出風(fēng)速（1min平均值） 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 發(fā)電機并網(wǎng)轉(zhuǎn)速 發(fā)電機輸出電壓 發(fā)電機發(fā)電頻率 并網(wǎng)最大沖擊電流（有效值） 電容補償后功率因數(shù) （2）控制指標(biāo)及效果方式 專用微控制器過載開關(guān) 自動對風(fēng)偏差范圍 風(fēng)力發(fā)電機組自動起、停機時間 系統(tǒng)測量精度 自動解纜時間 55min 手動操作響應(yīng)時間 (3)保護(hù)功能超電壓保護(hù)范圍 連續(xù)欠電流保護(hù)范圍 連續(xù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速極限 發(fā)電機轉(zhuǎn)速極限 發(fā)電機過功率保護(hù)值 連續(xù)發(fā)電機過電流保護(hù)值 連續(xù)大風(fēng)保護(hù)風(fēng)速 連續(xù) 系統(tǒng)接地電阻 防雷感應(yīng)電壓 控制系統(tǒng)工作原理[6]主開關(guān)合上后，風(fēng)力發(fā)電機組控制器準(zhǔn)備自動運作。如果正在運行時風(fēng)力發(fā)電機組遇到這種情況應(yīng)能自動脫網(wǎng)和抱閘剎車停機此時偏航機構(gòu)不會動作風(fēng)力發(fā)電機組的機械結(jié)構(gòu)部分應(yīng)能承受考驗。后機艙保持與風(fēng)向偏90176。風(fēng)力發(fā)電機組的液壓機械閘在并網(wǎng)運行、開機和待風(fēng)狀態(tài)下應(yīng)該松開機械閘其余狀態(tài)下（大風(fēng)停機、斷電和故障等）均應(yīng)抱閘。當(dāng)風(fēng)速小于停機風(fēng)速時為了避免風(fēng)力發(fā)電機組長期逆功率運行造成電網(wǎng)損耗應(yīng)自動脫網(wǎng)使風(fēng)力發(fā)電機組處于自由轉(zhuǎn)動的待風(fēng)狀態(tài)。主要完成下列自動控制功能：大風(fēng)情況下當(dāng)風(fēng)速達(dá)到停機風(fēng)速時風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)葉尖限速脫網(wǎng)抱液壓機械閘停機而且在脫網(wǎng)同時風(fēng)力發(fā)電機組偏航90176。（2）控制系統(tǒng)采用計算機控制技術(shù)對風(fēng)力發(fā)電機組的運行參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)控顯示及故障處理完成機組的最佳運行狀態(tài)管理和控制。過繼電保護(hù)：運行的所有輸出運轉(zhuǎn)機構(gòu)的過熱、過載保護(hù)控制裝置。軟切入控制：軟切入、軟脫網(wǎng)→限制導(dǎo)通角→→控制發(fā)電機端電壓。