風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)特性研究

圖2-1可知，Cp是一個(gè)變量，是隨著風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化的，通常表示為風(fēng)力機(jī)葉尖線速度和風(fēng)速的比值－“尖速比（TSR）”的函數(shù)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp只有在一個(gè)特定的最優(yōu)尖速比λopt下才達(dá)到最大值Cpmax，而由式知，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仍然保持某一固定的轉(zhuǎn)速，那么必將偏離其最優(yōu)值λopt，從而使Cp降低，即降低了風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率。所以，為了提高風(fēng)能利用效率，必須使得風(fēng)速變化時(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速也隨之變化從而保持最優(yōu)尖速比和最大風(fēng)能利用系數(shù)，這就是變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)誕生和發(fā)展的一個(gè)主要原因。圖2-SEQ圖2-\*ARABIC1典型風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)與尖速比特性曲線額定值為50MVA、10.5kV的2對(duì)極隱極同步發(fā)電機(jī)與10.5kV無窮大系統(tǒng)相連。隱極機(jī)的電阻R=0.005p.u，電感L=0.9p.u，發(fā)電機(jī)供給的電磁功率Pe=0.8p.u。圖2-2電路仿真模型圖2-3簡化同步電機(jī)SSM圖2-4電機(jī)測(cè)量信號(hào)分離器DemuxFourier分析模塊FFT基頻為50Hz。常數(shù)模塊Pm為0.805VLLrms為1.04仿真時(shí)間為2s。圖2-5仿真波形電磁功率Pe由0開始變大，機(jī)械功率大于電磁功率。發(fā)電機(jī)有過剩的功率，轉(zhuǎn)速變大，隨著功角變大，發(fā)電機(jī)的電磁功率Pe也變大，使得過剩功率變小。當(dāng)t=0.18s是，在阻尼的作用下，，過剩功率成為減速性功率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速開始下降，但轉(zhuǎn)速仍大于1500r/min，因此功角繼續(xù)增大，直到轉(zhuǎn)速n小于1500r/min后（t=0.5s），功角開始減少，電磁功率Pe也變少。t=1.5s后，在電機(jī)的阻尼作用下，n穩(wěn)定在1500r/min，功率穩(wěn)定在0.8p.u.，為44°。2.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的類型及基本運(yùn)行特性2.3.1鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)異步電機(jī)理論，異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)由定子三相繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于電網(wǎng)的頻率及電機(jī)繞組的極對(duì)數(shù)[16]，即nN=60f式中:nN為同步轉(zhuǎn)速；f為電網(wǎng)頻率；p當(dāng)異步電機(jī)由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速時(shí)(n>nN)，異步電機(jī)將處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，異步電機(jī)的不同運(yùn)行狀態(tài)可用滑差率S來區(qū)別表示。異步電機(jī)的滑差率定義為:s=ns為了能夠讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的頻率穩(wěn)定輸出，人們發(fā)明了恒速風(fēng)機(jī)，與之相關(guān)的，鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就得到了非常廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如REF_Ref123634760\h圖2-所示。其發(fā)電機(jī)采用籠型轉(zhuǎn)子，通過齒輪箱與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子相連。圖2-6鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這種發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子不需要外加勵(lì)磁，沒有滑環(huán)和電刷，因而其結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，基本上無需維護(hù)。但它也有幾個(gè)明顯的缺點(diǎn)，首先，鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要吸收大量的無功，而且有功功率輸出越多所需要吸收的無功功率也越多，這是對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行很不利的，為此，發(fā)電機(jī)定子側(cè)往往需要裝設(shè)無功功率補(bǔ)償裝置，如REF_Ref123634760\h圖2-所示的并聯(lián)電容器，但這仍不能滿足動(dòng)態(tài)運(yùn)行的需要；其次，這種發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速變化較小，但根據(jù)前述的風(fēng)力機(jī)工作原理，恒速風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用效率較低[17]。2.3.2交－直－交變頻并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電中，電能變換裝置起到了非常重要的作用。為了有效提高對(duì)風(fēng)能的利用效率，發(fā)電機(jī)組必須實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)電壓、頻率的變換，要使用電力電子變流裝置，因此，在發(fā)電機(jī)變速運(yùn)行過程中，無論其發(fā)出的電能具有怎樣的電壓和頻率，都可以用電力電子變流裝置進(jìn)行變換，然后并入電網(wǎng)[18]。REF_Ref123708827\h圖2-所示是近年來發(fā)展迅速的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理圖。它使用的是同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)相連接時(shí)，變速裝置就變得可有可無了圖2-7交－直－交變頻并網(wǎng)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這種型式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)于風(fēng)能的利用效率較高，并且實(shí)現(xiàn)了變速運(yùn)行，經(jīng)過電力電子變流裝置并網(wǎng)，使得機(jī)電系統(tǒng)解耦，常見的同步電機(jī)存在功角穩(wěn)定性問題，而它不存在此問題，變流裝置本身是具有無功功率控制能力的，有效的緩解電壓問題[19]。但這種發(fā)電機(jī)組的變流裝置容量應(yīng)該至少與發(fā)電機(jī)額定容量相等，使得成本較高且運(yùn)行損耗較大。2.3.3雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這種發(fā)電機(jī)組采用了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，它是一種繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)，它與籠型感應(yīng)電機(jī)不同的地方是，通過滑環(huán)和電刷其轉(zhuǎn)子繞組與一個(gè)雙向變流器相連接，如REF_Ref123708327\h圖2-所示。圖2-8雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子變流器能夠改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的電壓、頻率和相位，并且能夠在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)雙向能量交換，實(shí)際上具有提供勵(lì)磁電流的功能。因此，這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)了真正意義上的變速運(yùn)行，提高對(duì)風(fēng)能的利用效率；最主要的是，它具有控制無功功率的能力，可以吸收或發(fā)出無功功率，所以獲得了較好的電網(wǎng)連接特性；同時(shí)，該轉(zhuǎn)子變流器的容量一般為發(fā)電機(jī)額定容量的30%，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行損耗和成本[20]。3風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響及其調(diào)整策略小規(guī)模的風(fēng)電電源會(huì)引起電能質(zhì)量、電壓的問題，大規(guī)模的風(fēng)電電源會(huì)引起電網(wǎng)穩(wěn)定性等問題。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)電壓也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，其影響程度與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入方式，無功補(bǔ)償容量，機(jī)組有功功率等方面影響。3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)對(duì)電壓的影響普通異步發(fā)電機(jī)不能發(fā)出無功，需要從系統(tǒng)吸收無功，因而風(fēng)電場無功補(bǔ)償對(duì)系統(tǒng)電壓影響甚重。在進(jìn)行無功補(bǔ)償前，雖然風(fēng)電場的接入能夠提供有功功率，但是由于風(fēng)電場需要從系統(tǒng)吸收大量無功以建立旋轉(zhuǎn)磁場，因此會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無功損耗增大，從而系統(tǒng)電壓降低。而隨著風(fēng)場有功出力的增加，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差進(jìn)一步增大，需要的無功也增加，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓持續(xù)降低，當(dāng)風(fēng)電場端電壓降到一定限值還會(huì)影響風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。接在電網(wǎng)上的負(fù)載，一般來說，其功率因數(shù)都是落后的，亦即需要落后的無功功率，而接在電網(wǎng)上的感應(yīng)發(fā)電機(jī)也需從電網(wǎng)吸取落后的無功功率，這無疑加重了電網(wǎng)上其他同步發(fā)電機(jī)提供無功功率的負(fù)擔(dān)，造成不利的影響。所以對(duì)配置感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通常要采用電容器等無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償。無功補(bǔ)償裝置的存在，補(bǔ)償了風(fēng)電場的無功需要，使得風(fēng)電場出力在一定范圍內(nèi)時(shí)線路損耗減小，使得風(fēng)電場出線電壓較風(fēng)電場接入前有所提高；當(dāng)風(fēng)電場出力繼續(xù)增大，功率開始倒倒送，電壓抬高現(xiàn)象更為嚴(yán)重，此時(shí)容易引起電壓波動(dòng)、閃變等問題，影響風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理補(bǔ)償無功。由于風(fēng)電場的不穩(wěn)定性和不可控性，普通異步發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中所需要的無功也要隨之做相應(yīng)的調(diào)整。雙饋發(fā)電機(jī)定子三相繞組直接與電網(wǎng)相聯(lián)，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)交—交循環(huán)變流器聯(lián)入電網(wǎng)。這種系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流的頻率、幅值和相位都是可調(diào)的，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率，保證發(fā)電機(jī)在變速運(yùn)行的情況下發(fā)出恒定頻率的電力;通過改變勵(lì)磁電流的幅值和相位，可達(dá)到調(diào)節(jié)輸出無功功率的目的，從而調(diào)靈活調(diào)整電網(wǎng)電壓。同發(fā)風(fēng)電場并網(wǎng)及其出力大小對(duì)電網(wǎng)電壓影響十分明顯，隨著風(fēng)電場出力的增加，變電站母線電壓先升后降，如圖3-1所示。圖3-1電場并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電壓影響需要指出的是，風(fēng)電場設(shè)備平均利用小時(shí)數(shù)不超2000h，按同發(fā)風(fēng)電場規(guī)劃裝機(jī)400～450MW，其出力多數(shù)時(shí)間在100MW左右，電網(wǎng)極有可能長期運(yùn)行在電壓最惡劣狀態(tài)。因此，需要在同發(fā)風(fēng)電場變壓器低壓側(cè)加裝電抗器，可以解決當(dāng)前電壓過高問題。3.2電網(wǎng)電壓的調(diào)整有些風(fēng)電場處于電網(wǎng)末端，電壓較低，在進(jìn)行風(fēng)電場設(shè)計(jì)時(shí)有一項(xiàng)很重要的工作就是變壓器電壓分接頭設(shè)計(jì)。既要保證風(fēng)機(jī)的出口電壓，又要確保線路上其它用戶的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真調(diào)查不同季節(jié)、不同時(shí)間(白天與晚上的負(fù)荷)距離風(fēng)電場最近的線路末端節(jié)點(diǎn)電壓的變化值，并根據(jù)該電壓值來設(shè)計(jì)電壓分接頭，風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為電源，其電壓允許的偏差值為額定電壓的+10%至-5%，如果電壓低于額定值，則輸送同樣功率時(shí)電流值就會(huì)增加，從而引起線路損耗的增加。另一方面，低電壓還會(huì)引起軟啟動(dòng)電流值的增加。在風(fēng)電場接入電網(wǎng)調(diào)試期間，應(yīng)反復(fù)測(cè)量變電站低壓側(cè)電壓，合理選擇分接開關(guān)位置，以確保風(fēng)機(jī)出口電壓在規(guī)定的范圍之內(nèi)。3.3風(fēng)電場對(duì)保護(hù)裝置的影響為了減少風(fēng)電機(jī)組的頻繁投切對(duì)接觸器的損害，在有風(fēng)期間風(fēng)電機(jī)組都保持與電網(wǎng)相連，當(dāng)風(fēng)速在起動(dòng)風(fēng)速附近變化時(shí)，允許風(fēng)電機(jī)組短時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，因此風(fēng)電場與電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線的功率流向有時(shí)是雙向的。因此，風(fēng)電場繼電保護(hù)裝置的配置和整定應(yīng)充分考慮到這種運(yùn)行方式。異步發(fā)電機(jī)在發(fā)生近距離三相短路故障時(shí)不能提供持續(xù)的故障電流，在不對(duì)稱故障時(shí)提供的短路電流也非常有限。因此風(fēng)電場保護(hù)的技術(shù)困難是如何根據(jù)有限的故障電流來檢測(cè)故障的發(fā)生，使保護(hù)裝置準(zhǔn)確而快速的動(dòng)作。另一方面，盡管風(fēng)力發(fā)電提供的故障電流非常有限，但也有可能會(huì)影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)保護(hù)裝置的正確運(yùn)行，這在最初的電網(wǎng)保護(hù)配置和整定時(shí)是沒有考慮到的。當(dāng)線路輸送的有功功率變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)隨無功損耗的變化而變化；而風(fēng)電場內(nèi)部存在無功損耗(集電系統(tǒng)線路、變壓器和風(fēng)場到電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的送出線路)。這意味著如果不對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)風(fēng)電場的有功功率隨著風(fēng)速的變化而變化時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓也會(huì)隨之變化，變化的幅度由系統(tǒng)強(qiáng)度、無功功率和有功功率決定。對(duì)于弱電網(wǎng)或接入風(fēng)電比例較高時(shí)，如果不采取措施，會(huì)引起風(fēng)場和電網(wǎng)的跳閘，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在風(fēng)資源豐富的地區(qū)，會(huì)有許多風(fēng)場接入同一輸電系統(tǒng)。而常見的電網(wǎng)故障會(huì)導(dǎo)致風(fēng)場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落，從而導(dǎo)致常規(guī)的風(fēng)機(jī)跳機(jī)。當(dāng)風(fēng)電比例較高時(shí)或者某地區(qū)風(fēng)電特別集中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在故障(緊急)條件下失去大量有功功率和無功功率，由單一故障發(fā)展為多重故障(線路跳閘，電廠跳閘)，給電網(wǎng)的調(diào)度和運(yùn)行帶來困難，極大地影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.4發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)故障不脫網(wǎng)運(yùn)行能力隨著風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占比例的不斷升高，很多國家的并網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)風(fēng)力發(fā)電的要求也越來越高，要求風(fēng)電機(jī)組具有一定的故障不脫網(wǎng)運(yùn)行能力和電壓支持能力。3.4.1低電壓穿越低電壓穿越是指在系統(tǒng)電壓跌落時(shí)風(fēng)電機(jī)組保持與電網(wǎng)并網(wǎng)的能力。電網(wǎng)在運(yùn)行中的擾動(dòng)(雷擊，設(shè)備故障等)時(shí)有發(fā)生。此時(shí)，電源保持與電網(wǎng)的連接對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。英國電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的電壓大于50％的地區(qū)電壓低于80％額定電壓，這意味著風(fēng)電機(jī)組如果沒有低電壓穿越能力，這些地區(qū)接入的風(fēng)電場在系統(tǒng)故障時(shí)會(huì)與系統(tǒng)解列。電網(wǎng)在運(yùn)行中的擾動(dòng)(雷擊，設(shè)備故障等)時(shí)有發(fā)生。此時(shí)，電源保持與電網(wǎng)的連接對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。我國當(dāng)前在運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組尚不具備低電壓穿越能力，在其電壓低于最低運(yùn)行電壓時(shí)會(huì)因保護(hù)而切機(jī)。在風(fēng)電比例較高的地區(qū)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，大量的風(fēng)電機(jī)組會(huì)因電壓跌落而跳機(jī)，引起系統(tǒng)所需的有功功率和無功功率不足，從而導(dǎo)致擾動(dòng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定性更差，可能使單一故障發(fā)展為多重故障，并有導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。因而，在電網(wǎng)故障時(shí)保持風(fēng)電場的并網(wǎng)能力對(duì)于維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性具有重要意義。這已經(jīng)被越來越普遍地認(rèn)識(shí)和接受。許多國家如德國，丹麥、英國、美國、加拿大等，已經(jīng)實(shí)施或正在修定的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了風(fēng)電場在電網(wǎng)故障時(shí)應(yīng)具備保持并網(wǎng)的能力。3.4.2電網(wǎng)故障運(yùn)行模式時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)增加Crowbar電路來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的LVRT是目前最常用的方法，如圖3-2所示。圖3-2雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)該電路中電阻的選取至關(guān)重要，既不能太大以防變流器端電壓過高，也不能太小致使不能有效限制電流。短路發(fā)生時(shí)接入Crowbar電路進(jìn)行限流。如果電壓跌落時(shí)間較長，超過0.11s，則斷開Crowbar并使系統(tǒng)運(yùn)行在正常工作模式，電機(jī)即可在故障期間為電網(wǎng)提供無功。但應(yīng)注意，如果在切換時(shí)不采取特殊的控制則會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的暫態(tài)過程。由于在此過程中電機(jī)始終沒有與電網(wǎng)解列，因而電機(jī)仍能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩以抵消風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，故電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)上升過高。故障消除后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，但如不采取特殊控制策略，在電壓恢復(fù)造成的暫態(tài)過程中，各PI環(huán)節(jié)的給定與實(shí)際返回值之間的不匹配會(huì)導(dǎo)致積分飽和，這將產(chǎn)生嚴(yán)重的暫態(tài)響應(yīng)。因此，為得到平滑的切換過程，須將各參考值設(shè)定為此過程中的實(shí)際值，這才能較緩慢地過渡到正常狀態(tài)。該方法簡單有效，且成本較低，便于實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際效果嚴(yán)重依賴于內(nèi)部運(yùn)行條件和故障特征，對(duì)于非對(duì)稱故障能起到的作用有限;并且Crowbar在不同運(yùn)行狀態(tài)間切換會(huì)不可避免地產(chǎn)生暫態(tài)響應(yīng)，尤其是在電壓恢復(fù)過程中，電網(wǎng)電壓從故障狀態(tài)恢復(fù)到正常會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)過程，若此時(shí)Crowbar退出還將加劇該暫態(tài)過渡過程。另外，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化不僅是由風(fēng)速的變化引起的，同時(shí)也是由電磁轉(zhuǎn)矩的減小引起的。也就是說，在電網(wǎng)故障時(shí)，有功功率的給定值需要進(jìn)行不同的設(shè)置。在電網(wǎng)故障運(yùn)行模式下，由一個(gè)機(jī)械振蕩阻尼控制器給出。這個(gè)控制器的目的就是減弱電網(wǎng)故障時(shí)驅(qū)動(dòng)鏈的扭曲振蕩，它是一個(gè)帶有限幅的PI控制器，輸出信號(hào)為，輸入信號(hào)為發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值的差值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值是由風(fēng)速的優(yōu)化曲線得到的。該振蕩阻尼控制器可以在電網(wǎng)故障時(shí)有效地減弱驅(qū)動(dòng)鏈的扭曲振蕩，沒有該控制器或者控制器整定不夠充分都有可能引起驅(qū)動(dòng)鏈的自激振蕩，有導(dǎo)致發(fā)電機(jī)反復(fù)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的可能和機(jī)械構(gòu)件的損壞。因此，振蕩阻尼控制器的引入可以盡可能減少電網(wǎng)故障時(shí)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電氣和機(jī)械兩方面的影響，與前面提到的Crowbar電路一起可以大大增強(qiáng)雙饋發(fā)電系統(tǒng)的故障不脫網(wǎng)運(yùn)行能力。另外，前面提到的槳矩角控制不能阻礙這種扭曲振動(dòng)，這是由于在槳矩角控制中引入了多個(gè)延遲機(jī)構(gòu)。因此，槳矩角控制可減弱振蕩頻率較低的振蕩，而阻尼控制器是抑制頻率較高的振蕩。在電網(wǎng)故障時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器的作用會(huì)有所改變，這取決于轉(zhuǎn)子過流保護(hù)系統(tǒng)是否被觸發(fā)激活。在不是很嚴(yán)重的電網(wǎng)故障時(shí)，轉(zhuǎn)子過流保護(hù)系統(tǒng)不必觸發(fā)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器未被阻斷，此時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器的作用不變。在嚴(yán)重的電網(wǎng)故障時(shí)，轉(zhuǎn)子過流保護(hù)系統(tǒng)被觸發(fā)，此時(shí)可以引入一個(gè)電壓支持控制器，來進(jìn)一步提高雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的故障不脫網(wǎng)運(yùn)行能力，這也是一些國家的風(fēng)電場并網(wǎng)導(dǎo)則提出的要求。3.4.3電網(wǎng)故障運(yùn)行模式時(shí)同步發(fā)電機(jī)有論文提出，在直流側(cè)增加卸荷負(fù)載可以極大地提高永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力，使其可以在電網(wǎng)電壓跌落較嚴(yán)重的情況下仍能保持并網(wǎng)和正常運(yùn)行，說明永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)可以適應(yīng)新的電網(wǎng)規(guī)則對(duì)低電壓穿越功能的要求。通過網(wǎng)側(cè)變換器能夠方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率因數(shù)的調(diào)整，永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)既可以向電網(wǎng)輸送無功，也可以從電網(wǎng)吸收無功，從而為電力系統(tǒng)的總體調(diào)度作出貢獻(xiàn)。在不同功率因數(shù)下，當(dāng)發(fā)生跌落故障時(shí)，系統(tǒng)仍能保持良好的工作狀態(tài)。隨著風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增大，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短時(shí)故障時(shí)，風(fēng)電系統(tǒng)應(yīng)該參與對(duì)電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)，起到穩(wěn)定電網(wǎng)的作用。永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)能在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)快速為電網(wǎng)提供無功支持?？傊?，永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的低電壓穿越能力，可以安全運(yùn)行在不同功率因數(shù)下，同時(shí)能在電網(wǎng)電壓故障期間對(duì)系統(tǒng)提供一定的無功支持，隨著其單機(jī)容量的不斷提高和應(yīng)用的日益廣泛，將通過與傳統(tǒng)發(fā)電方式的功率配合，更多地參與到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高和整體調(diào)度中。4風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能研究4.1引言當(dāng)風(fēng)力發(fā)電并入電網(wǎng)，會(huì)和電力系統(tǒng)產(chǎn)生相互影響，我們之前討論了對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的影響，接下來我們要研究的是風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。并網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能包括并網(wǎng)過程動(dòng)態(tài)、風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動(dòng)和閃變、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)諧波研究、風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)故障等暫態(tài)過程中的特性及其穩(wěn)定與控制和風(fēng)力發(fā)電對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)的影響等[20]。本章將著重研究這些內(nèi)容。4.2風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能研究眾所周知，只有在發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓的頻率、相序、相位和幅值分別相等時(shí)，才能把發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，當(dāng)然風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)也是一樣的。滿足這些條件是為了降低電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)本身工作是產(chǎn)生的影響，從另一點(diǎn)來說，理想條件下，當(dāng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間滿足這些條件時(shí)它們是沒有功率交換的，可實(shí)現(xiàn)空載并網(wǎng)[21]。由于這種限制的存在或某些特殊需要，風(fēng)機(jī)不可能總是空載并網(wǎng)，鼠籠式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子是不能建立電壓的，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定程度影響，這些都是并網(wǎng)型風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)過程，使用各種各樣的微分方程模型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用時(shí)域仿真方法研究了不同類型機(jī)組的同步過程的各種條件。2風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型及仿真

4.2.1風(fēng)力機(jī)

風(fēng)能利用系數(shù)（功率系數(shù)）Cp是指單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)力機(jī)所獲得的能量與風(fēng)能之比。它是評(píng)定風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性優(yōu)劣的主要參數(shù)，其定義式：

Cp=P12ρSV3式中：

P為風(fēng)力機(jī)的功率，單位是W；ρ為空氣密度，單位是kg/m3；S為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積，單位是m2；V為來流風(fēng)速，單位是m/s風(fēng)力機(jī)通過葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能，將吸收的葉片轉(zhuǎn)矩為作用在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。風(fēng)力機(jī)吸收功率可以表示為風(fēng)速的函數(shù)，其模型表示為：P=12ρCpAV根據(jù)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行Simulink仿真。輸入為風(fēng)速V，空氣密度ρ和發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T；葉尖速比λ和風(fēng)力機(jī)受風(fēng)面積A為常數(shù)。輸出為風(fēng)力機(jī)輸出功率P，輸出轉(zhuǎn)矩Te，輸出轉(zhuǎn)速ω和發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速ω。圖4-1風(fēng)力機(jī)仿真模型圖4-2風(fēng)力機(jī)封裝界面設(shè)定輸入風(fēng)速為15m/s，空氣密度為1.29kg/m3，仿真時(shí)間為10秒，得輸出曲線如圖4-3。橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)分別為功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速。圖4-3風(fēng)力機(jī)仿真輸出曲線4.2.2鼠籠式發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)動(dòng)態(tài)過程研究鼠籠式發(fā)電機(jī)定子繞組與電源直接相連，因此定子繞組電勢(shì)和電流的頻率決定了系統(tǒng)頻率，而電流的頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也影響著轉(zhuǎn)子繞組電勢(shì)大小，它取決于空氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度。它的等值電路如圖4-4所示圖4-4鼠籠異步電機(jī)等值電路當(dāng)風(fēng)速滿足并網(wǎng)條件時(shí)，風(fēng)力機(jī)會(huì)帶動(dòng)鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)準(zhǔn)備并網(wǎng)；鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)本身是不具備勵(lì)磁系統(tǒng)，它的勵(lì)磁都是由定子提供，在并網(wǎng)之前，其定子無法建立電壓，并網(wǎng)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊。4.2.3雙饋感應(yīng)電機(jī)組并網(wǎng)動(dòng)態(tài)過程研究由于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子勵(lì)磁功能，其定子可以在并網(wǎng)前建立起由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁可以進(jìn)行快速靈活控制的電壓，該電壓可以達(dá)到幅值、頻率和相位的完全一致。圖4-5所示是一臺(tái)1MW雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組理想并網(wǎng)過程的仿真曲線。并網(wǎng)時(shí)，發(fā)電機(jī)有功為零，而與電網(wǎng)具有100kVar無功功率交換。由可知，0.5秒時(shí)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，隨后發(fā)電機(jī)定子電流產(chǎn)生響應(yīng)，并迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，曲線的仿真采用的步長僅為0.5ms，但我們還是無法從圖形上觀察到過渡過程的存在，經(jīng)過多次仿真，這種現(xiàn)象與并網(wǎng)合閘時(shí)刻無關(guān)。同時(shí)，發(fā)電機(jī)有功功率一直保持接近為零，機(jī)端電壓曲線平緩且變化幅度很小，這說明并網(wǎng)過程中電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)存在的無功功率交換產(chǎn)生的沖擊不是很大。圖4-5只存在無功功率交換時(shí)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程曲線在實(shí)際中，由于作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)的風(fēng)力機(jī)功率調(diào)節(jié)過程緩慢，而風(fēng)速卻是市不斷變化的，所以在并網(wǎng)過程中，很難保證發(fā)電機(jī)有功功率為零[22]。圖4-5給出了同時(shí)具有150kW有功功率和100kVar無功功率交換的并網(wǎng)過程的仿真曲線。從曲線上我們可以看出，發(fā)電機(jī)定子電流出現(xiàn)了非常明顯的由于有功功率交換而產(chǎn)生的過渡過程和沖擊過程。圖4-5存在有功功率和無功功率交換時(shí)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程曲線實(shí)際上，風(fēng)力發(fā)電廠中有很多的機(jī)組，各臺(tái)機(jī)組很可能同時(shí)達(dá)到并網(wǎng)的風(fēng)速條件，當(dāng)多臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)并網(wǎng)時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊；而當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，調(diào)整各臺(tái)機(jī)組狀況是它們分別并網(wǎng)，則又會(huì)花費(fèi)很長的時(shí)間[23]。因此，需要采取一定措施，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率時(shí)刻處在不斷變化之中，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)并網(wǎng)。由圖4-5曲線可知，在并網(wǎng)過程中因?yàn)橛泄β实慕粨Q所產(chǎn)生的沖擊幅度大、時(shí)間長，這是因?yàn)橛泄β实钠胶馐且粋€(gè)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)規(guī)律有關(guān)的機(jī)電暫態(tài)過程，在并網(wǎng)前，當(dāng)有功功率剩余時(shí)，發(fā)電機(jī)將加速旋轉(zhuǎn)，因此發(fā)電機(jī)有功功率的狀況可以從轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化來體現(xiàn)。5總結(jié)與展望風(fēng)力發(fā)電是一種可再生的清潔能源，風(fēng)電能夠帶來顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益。合理有效地利用能源對(duì)我國實(shí)現(xiàn)高速持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)有極其重大的意義。風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速、技術(shù)成熟、可靠性高、成本低互規(guī)模效益顯著，是發(fā)展最快的新型能源。但大型風(fēng)電場并網(wǎng)會(huì)改變系統(tǒng)原有的潮流及網(wǎng)損的分布，對(duì)電網(wǎng)的規(guī)劃提出了新的要求：可能給配電網(wǎng)帶來電能質(zhì)量問題，如諧波污染、電壓波動(dòng)及閃變：對(duì)系統(tǒng)的功角、頻率以及電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響；風(fēng)電具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，需要研究能夠考慮風(fēng)電特點(diǎn)的發(fā)電和運(yùn)行計(jì)劃方法；重新評(píng)估系統(tǒng)的發(fā)電可靠性，分析風(fēng)電的客量可信度；研究新的無功調(diào)度及電壓控制策略等。采用雙饋發(fā)電機(jī)組是大勢(shì)所趨，風(fēng)電場可以像常規(guī)機(jī)組一樣，承擔(dān)電壓及無功控制的任務(wù)。風(fēng)力發(fā)電作為電力系統(tǒng)中一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，正吸引越來越多的研究機(jī)構(gòu)和人員從事風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的研究和咨詢工作。參考文獻(xiàn)[1]吳捷,楊俊華.綠色能源與生態(tài)環(huán)境控制[J].控制理論與應(yīng)用.2004,21(6):864一869[2]何柞麻,王亦楠.風(fēng)力發(fā)電—我國能源和電力可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的最現(xiàn)實(shí)選擇[R].2005科學(xué)發(fā)展報(bào)告.2005[3]葉運(yùn)驟.并網(wǎng)型變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)與策略.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào).2002.12[4]戴慧珠,陳默子,王偉勝,王曉蓉.中國風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及有關(guān)技術(shù)服務(wù)[J].中國電力.2005,38(l):80一84[5]吳運(yùn)東.世界并網(wǎng)型風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì).風(fēng)力發(fā)電.2001,17(1):1-4[6]馬洪飛,苗立杰.幾種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制方案的對(duì)比分析.電工技術(shù)雜志，2000,(10):1-4[7]梁靜.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制研究.天津大學(xué)，2009.[8]計(jì)崔，大型風(fēng)力發(fā)電場并網(wǎng)接入運(yùn)行問題綜述.上海電力.2008年第1期[9]SunT,Chenz，BlaabjergF.Voltagerecoveryofgridconnectedwindturbinesafterashort一circuitfault.The29thAnnualConferenceoftheIEEEIndus一trialElectronicsSociety(IECON2003)，Roanoke，Virginia,USA,2003[10]能源領(lǐng)域組.能源領(lǐng)域.科技發(fā)展“十五規(guī)劃”和2015年遠(yuǎn)景研究.1999.[11]Seung-Hosong,Shin-ilkang,Nyeon-KunHahm,Implementationandcontrolofgridconnectedac-dc-acpowerconverterforvariablespeedwindenergyconversionsystem.Ap