定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制

目錄第1章緒論-----------------------------------------------------------------11.1研究背景與研究意義------------------------------------------------------11.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)研究的進(jìn)展--------------------------------------2第2章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)理論介紹---------------------------------------------42.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理--------------------------------------------------42.2風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性--------------------------------------------------62.3定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組----------------------------------------------------72.4定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程分析---------------------------------------10第3章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)分析-------------------------------------------133.1并網(wǎng)方式概述-----------------------------------------------------------133.2異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)方式---------------------------------------14第4章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制——軟切入裝置----------------------------174.1系統(tǒng)概述---------------------------------------------------------------174.2系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)-----------------------------------------------------------17軟切入裝置的系統(tǒng)框圖-----------------------------------------------17原理說明-----------------------------------------------------------194.3單元電路設(shè)計(jì)-----------------------------------------------------------20主電路設(shè)計(jì)---------------------------------------------------------20控制電路設(shè)計(jì)-------------------------------------------------------214.4系統(tǒng)性能測試-----------------------------------------------------------33第5章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)仿真-------------------------------------------355.1電力系統(tǒng)MATLAB/SIMULINK仿真軟件概述-----------------------------------355.2異步風(fēng)電機(jī)組直接并網(wǎng)過渡過程分析---------------------------------------375.3失速型異步發(fā)電機(jī)組大小電機(jī)仿真模型的建立-------------------------------385.4異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)過渡過程仿真分析-------------------------------405.5定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真分析-------------------------------475.6風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)性能要求-------------------------------------53第6章結(jié)論與展望-----------------------------------------------------------54致謝-------------------------------------------------------------------------55參考文獻(xiàn)---------------------------------------------------------------------56附圖-------------------------------------------------------------------------57摘要本次設(shè)計(jì)中定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)并不是直接并網(wǎng)而是通過軟切入裝置并網(wǎng)，這樣就會(huì)大大的減小了并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流，軟并網(wǎng)技術(shù)是風(fēng)電機(jī)組電氣控制中的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著大容量風(fēng)電機(jī)組的出現(xiàn)如何限制軟并網(wǎng)過渡過程中產(chǎn)生的沖擊電流，成為一個(gè)迫切需要解決的問題，本設(shè)計(jì)首先介紹了風(fēng)力發(fā)電的背景歷史和一些根本理論知識(shí)并對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的幾種主要并網(wǎng)方式進(jìn)行簡要說明，然后通過分析直接并網(wǎng)時(shí)的仿真圖得出了直接并網(wǎng)對電網(wǎng)的危害，再與軟并網(wǎng)控制技術(shù)進(jìn)行比較最終得出軟并網(wǎng)控制技術(shù)的優(yōu)越性，確定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)方式為軟并網(wǎng)。最后通過對軟并網(wǎng)裝置主電路和控制電路的設(shè)計(jì)較好的完成了此次的設(shè)計(jì)任務(wù)。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；定槳距；軟并網(wǎng)；晶閘管；觸發(fā)脈沖ABSTRACTThedesignoffixedpitchwindturbinegrid-connectedandnotdirectlybutthroughasoftstartingdeviceinterconnectedgrid,thiswillgreatlyreducethegridwhentheimpulsecurrent,softcut-inwindturbineelectriccontroltechnologyisoneofthekeytechniquesin.Withlargecapacitywindturbineappearhowtolimitthetransitionprocessofsoftcut-inofimpactcurrent,becomeanurgentneedtoaddresstheproblem,thedesignofthefirstwindpowergenerationisintroducedinthecontextofthehistoryandsomeofthebasictheoreticalknowledgeandthewindturbinemainnetworkareintroducedbriefly,andthenthroughtheanalysisofdirectparalleloperationsimulationofthedirectinterconnectionnetworkisobtainedontheharm,withsoftgrid-connectioncontroltechniqueswerecomparedfinallyobtainsthesoftcut-incontroltechnologysuperiority,determinethewindturbinegrid-connectedmodeofsoftcut-in.Bytheendofsoftcut-indevicemaincircuitandcontrolcircuitdesignbetterfinishthedesigntask.KEYWORDS:windpowergeneration;fixedpitch;softpower;thyristor;triggerpulse第1章緒論1.1研究背景與研究意義隨著經(jīng)濟(jì)的不斷開展，人類對能源的需求也越來越大，能源短缺已經(jīng)成為制約各國經(jīng)濟(jì)開展的一個(gè)重因素。人類正在努力尋找清潔高效的可再生能源來一次減輕對常規(guī)能源的依賴。風(fēng)能是一種無污染可再生能源，且其具有資源豐富的特點(diǎn)。風(fēng)能發(fā)電是目前最具大規(guī)模開發(fā)前景新能源之一。1973年世界發(fā)生石油危機(jī)以來，興旺國家為尋找石油的替代能源，在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究和開發(fā)方面投入相當(dāng)大的人力和資金，充分綜合空氣動(dòng)力學(xué)、新材料、新型電機(jī)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制及通信技術(shù)等方面的成果，開創(chuàng)了風(fēng)能利用的新時(shí)期。為促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的開展，各國對風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)和利用都提供相關(guān)的優(yōu)惠政策，比方德國、美國和丹麥等國開發(fā)建立了風(fēng)力新能源的測量及計(jì)算機(jī)模擬控制系統(tǒng)，開展了變槳距控制及失速控制的風(fēng)力機(jī)控制理論；西歐、美國和印度等風(fēng)力發(fā)電比較興旺的國家，為保持風(fēng)力發(fā)電快速和穩(wěn)定的開展，提供制定比較高的風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)、對購置風(fēng)電機(jī)組的用戶進(jìn)行補(bǔ)貼，以及減免賦稅等優(yōu)惠的政策。在這些優(yōu)惠條件的支持下，風(fēng)力發(fā)電得到了快速穩(wěn)定的開展。2004年全球裝機(jī)總量到達(dá)4761.6萬千瓦，風(fēng)力發(fā)電量已經(jīng)占到世界總量的0.05%。2004年底，歐盟國家風(fēng)電裝機(jī)達(dá)3420.5萬千瓦。德國是目前風(fēng)電裝機(jī)容量最大的國家，截至到2004年12月份，已裝機(jī)容量達(dá)1662.88萬千瓦，其發(fā)電量已到達(dá)全國總電力需求的0.62%，占全世界風(fēng)力發(fā)電總量的33%以上。印度2004年底累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量到達(dá)298.5萬千瓦，在風(fēng)能利用規(guī)模方面排世界第五位。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)的估測，到2023年風(fēng)力發(fā)電將占世界電力總量的12%，屆時(shí)世界風(fēng)電的裝機(jī)容量將到達(dá)1.231鈦瓦。在歐洲，因?yàn)轱L(fēng)能資源豐富的陸地面積十分有限，而海岸線附近的海域風(fēng)能資源豐富，面積遼闊，適合更大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電。歐洲各國從近幾年開始大規(guī)模建設(shè)海上風(fēng)電場，為風(fēng)力發(fā)電的開展開拓了更廣闊的空間。我國是世界上風(fēng)力資源較豐富的國家之一，據(jù)估計(jì)全國可供開發(fā)利用的風(fēng)能約為2.5億千瓦。由沿海〔山東、浙江、福建、廣東〕和東北至西北〔包括內(nèi)蒙古、新疆、甘肅〕兩大風(fēng)帶，風(fēng)的質(zhì)量很好，為開發(fā)風(fēng)力發(fā)電提供了根底環(huán)境和條件。但我國長期以火電為主，能源結(jié)構(gòu)單一。為緩解我國能源短缺的局面，以及改善我國能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)人口、資源、環(huán)境的可持續(xù)開展，風(fēng)力發(fā)電正在成為本世紀(jì)能源更新的先驅(qū)。為進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的開展，我國已與2006年1月1日開始實(shí)施《可再生能源法》，采納了有關(guān)風(fēng)力發(fā)電強(qiáng)制上網(wǎng)、全額收購、分類定價(jià)等原那么。這一法律的實(shí)施，必將有力的促進(jìn)風(fēng)能等可再生能源的開發(fā)。據(jù)2003年9月國家有關(guān)部門提出的風(fēng)電開展目標(biāo)，到2023除了國家提供的政策扶持，我國風(fēng)電開展另一個(gè)關(guān)鍵因素就是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電設(shè)備的國產(chǎn)化。我們看到，一邊是風(fēng)電需求大增，但另一邊卻是高昂的進(jìn)口設(shè)備和維修費(fèi)用，這大大阻礙了我國風(fēng)電的開發(fā)利用。目前風(fēng)電研發(fā)技術(shù)的落后成為我國風(fēng)電開展的主要障礙之一。過去我國對風(fēng)電設(shè)備的根底性研究重視不夠，大多依賴進(jìn)口國外技術(shù)、仿制國外成熟機(jī)組，沒有形成完全自主的設(shè)計(jì)體系。據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會(huì)提供的最新統(tǒng)計(jì)，截至2004年，我國風(fēng)電設(shè)備累計(jì)市場份額中，國產(chǎn)設(shè)備之占18%，進(jìn)口設(shè)備占82%，其中以丹麥NEGMicon的份額最大，占到了累計(jì)總裝機(jī)的30%。而風(fēng)電設(shè)備在我國風(fēng)電建設(shè)總本錢中占80%，同時(shí)進(jìn)口設(shè)備均價(jià)比國產(chǎn)化設(shè)備貴30%，是風(fēng)電本錢難有下降空間，提高我們自己的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)水平，促進(jìn)風(fēng)電設(shè)備的國產(chǎn)化，已經(jīng)成為開展風(fēng)力發(fā)電的迫切需求。1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)研究的進(jìn)展電氣控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的核心，是機(jī)組平安可靠運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)最正確運(yùn)行的保證。人們對他的研究也在不斷的深入。風(fēng)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)研究的進(jìn)展與電子線路、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及通訊技術(shù)的進(jìn)步密不可分。從20世紀(jì)70年代末風(fēng)電機(jī)組商品化以來，中心控制系統(tǒng)的電器實(shí)現(xiàn)經(jīng)歷了從模擬電子器件到微機(jī)控制兩個(gè)大的開展階段。從19世紀(jì)末第一臺(tái)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在丹麥誕生，到20世紀(jì)80年代初，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中心控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)都局限于采用模擬電子器件。到80年代中后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展及其在控制領(lǐng)域的應(yīng)用，基于微處理器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)開始逐漸興起。進(jìn)入90年代，由于微處理器在電力電子、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用，采用微處理器對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制以成為必然選擇。具體來說，早期的55KW級(jí)以下機(jī)組的控制系統(tǒng)是靠模擬電子器件來實(shí)現(xiàn)的；100—200KW級(jí)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)采用模擬電子器件或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)；20世紀(jì)90年代以來商品化的300KW、600KW以及兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)為基于單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器或可編程邏輯控制器的微機(jī)控制，機(jī)組運(yùn)行的可靠性及自動(dòng)化程度越來越高?，F(xiàn)在國外一些公司的600KW以上的機(jī)組以實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行的自動(dòng)監(jiān)控和無人值守，其控制的智能化程度很高，維護(hù)和操作十分簡便。第2章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)理論介紹風(fēng)力發(fā)電技術(shù)開展至今，其相關(guān)理論已根本成熟。了解風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)根底理論是其控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)以及具體控制策略制定的根底。本章將對風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行介紹，如風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，以及風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和功率特性以及風(fēng)電機(jī)組的并、脫網(wǎng)運(yùn)行過程。2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，存在這兩種物質(zhì)流：一種是能量流，另一種是信息流。兩者的相互作用，使機(jī)組完成發(fā)電功能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理圖如下：圖2-1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理框圖能量流當(dāng)風(fēng)以一定的速度吹向風(fēng)力機(jī)時(shí)，在風(fēng)輪上產(chǎn)生的力矩驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)的動(dòng)能變成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，兩者屬于機(jī)械能。風(fēng)輪的輸出功率為：P1=M1Ω1〔2-1〕其中：P1為風(fēng)輪的輸出功率，單位為W；M1為風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·M；Ω1為風(fēng)輪的角速度，單位為1/S。風(fēng)輪的輸出功率通過主傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞，主傳動(dòng)系統(tǒng)可能使轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，于是有：P2=M2Ω2=P1η=M1Ω1η1〔2-2〕其中：P2為主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出功率，單位為W；M2為主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N·M；Ω2為主傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出角速度，單位為1/S；η1為主傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率。主傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)把機(jī)械能變?yōu)殡娔?。發(fā)電機(jī)的輸出功率為：P3=3UNINcosφN=P2η2〔2-3〕其中：P3為發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，單位為W；UN定子三項(xiàng)繞組上的線電壓，單位為V；IN流過定子繞組的線電流，單位為A；cosφN為功率因數(shù)；η2為發(fā)電系統(tǒng)的總效率。對于并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組，發(fā)電系統(tǒng)輸出的電流經(jīng)過變壓器升壓之后，既可輸入電網(wǎng)。信息流信息流的傳遞是圍繞著控制系統(tǒng)進(jìn)行的，控制系統(tǒng)的功能是過程控制和平安保護(hù)，過程控制包括起動(dòng)、運(yùn)行、暫態(tài)、停止等。風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率等物理量通過傳感器變成電信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，它們是控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)隨時(shí)對輸入信息進(jìn)行加工和比較，及時(shí)的發(fā)出控制指令，這些指令是控制系統(tǒng)的輸出信息。實(shí)際上，在風(fēng)電機(jī)組中能量流和信息立組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要特點(diǎn)葉片固定安裝在輪轂上，角度不能改變，風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動(dòng)特性，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)利用葉片本身的空氣動(dòng)力特性減小旋轉(zhuǎn)力矩〔失速〕或通過偏航控制維持輸出功率相對穩(wěn)定。2.2風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性2.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，風(fēng)輪的作用是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。根據(jù)風(fēng)能計(jì)算公式〔2-4〕，風(fēng)能的大小與氣流密度ρ和氣流通過的面積S成正比，與氣流速度v的立方成正比。E=12ρSv3〔2-4風(fēng)力機(jī)的輸出功率由于流經(jīng)葉輪后的風(fēng)速不可能為零，所以通過葉輪的風(fēng)能只能局部被葉輪吸收，轉(zhuǎn)化為葉輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。貝茲〔Betz〕理論給出了理想葉輪的最大理論效率，及貝茲極限η=0.593，這說明風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)中所獲取得能量是有限的。風(fēng)力機(jī)實(shí)際所得的功率為：Pm=12ρCPSv3〔2-5式中：Pm為風(fēng)力機(jī)實(shí)際輸出機(jī)械功率，ρ是空氣密度，S為葉輪掃風(fēng)面積，v為風(fēng)力機(jī)上游風(fēng)速，CP為功率利用系數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)镃P隨風(fēng)速，葉輪轉(zhuǎn)速以及風(fēng)力機(jī)參數(shù)而變化，所以達(dá)不到理論最大值0.593.不同的葉輪有不同的風(fēng)能利用系數(shù)曲線，一般由葉片生產(chǎn)廠家提供。風(fēng)力機(jī)的特性系數(shù)為反映葉輪在不同風(fēng)速下的狀態(tài)，葉尖圓周線速度與風(fēng)速之比來衡量，稱為葉尖速比λ，如式〔2-6〕所示：λ=2ПRnv=式中：n和ω分別表示葉輪的轉(zhuǎn)速和角速度。葉尖速比λ是風(fēng)力機(jī)的重要參數(shù)之一，直接影響葉片捕獲的質(zhì)量，并影響功率利用系數(shù)CP。2.3定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組近些年來，風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、主動(dòng)失速調(diào)節(jié)與變速恒頻4種。各種機(jī)型的葉輪均采用水平軸、三葉片、上風(fēng)向布置；額定轉(zhuǎn)速約27r/min。艙內(nèi)機(jī)械采用沿軸線布置的結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)均使用微處理器，對前三種機(jī)組采用了晶閘管恒流軟切入技術(shù)，并且采用了雙速電機(jī)；對定槳距失速型機(jī)組，用葉尖擾流器作為氣動(dòng)剎車。液壓系統(tǒng)作為變距系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及葉尖氣動(dòng)剎車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。盡管在兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)中，已經(jīng)開始采用變槳距和變速恒頻技術(shù)，但由此增加了控制系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的復(fù)雜性，也對機(jī)組的本錢和可靠性提出了挑戰(zhàn)。而定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)是其它種類機(jī)組無法比較的，現(xiàn)今任然是廣泛采用的風(fēng)電機(jī)組。本章主要關(guān)注的問題既針對大容量定槳距風(fēng)電機(jī)組中異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)過程，故有必要對定槳距風(fēng)電機(jī)組相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組的典型代表是丹麥NEGMICON600/700/750KW機(jī)組。它有三種可供選擇的額定功率，分別是600KW、700KW、和750KW，其機(jī)艙內(nèi)的機(jī)械設(shè)計(jì)具有良好的互換性，可根據(jù)需要在同一機(jī)艙內(nèi)選派不同的發(fā)電機(jī)和增速器，并根據(jù)安裝點(diǎn)不同的年平均風(fēng)速，選擇不同長度的槳葉，構(gòu)成三種不同功率的機(jī)組。該機(jī)組也是我國目前裝機(jī)數(shù)量最多的機(jī)型之一。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，槳葉與輪轂的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉節(jié)距角不能隨之變化。這也使得當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)輪的設(shè)計(jì)點(diǎn)風(fēng)速——即額定風(fēng)速時(shí)，槳葉必須能夠自動(dòng)地將功率限制在額定值附近，槳葉的這一特性為自動(dòng)失速性能。運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在突失負(fù)載的情況下，槳葉自身必須具備制動(dòng)能力，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠在大風(fēng)情況下平安停機(jī)。20世紀(jì)70年代失速性能良好的槳葉的出現(xiàn)，解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主動(dòng)失速性能的要求，以及20世紀(jì)80年代以及葉尖擾流器的應(yīng)用，解決了在突失負(fù)載情況下的平安停機(jī)問題，這些使得定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組在過去20年的風(fēng)能開發(fā)利用中始終處于主導(dǎo)地位。最新推出的兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組仍有局部機(jī)型采用該項(xiàng)技術(shù)。定槳距風(fēng)電機(jī)組的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括液壓系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)是制動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要用來執(zhí)行風(fēng)力機(jī)的開關(guān)指令；偏航系統(tǒng)使風(fēng)輪軸線與風(fēng)向保持一致。定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組的最大優(yōu)點(diǎn)是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制造本錢低，可靠性高。但失速型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)低，葉片上有復(fù)雜的液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和擾流器，葉片質(zhì)量大，制造工藝難度大，當(dāng)風(fēng)速躍升時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，需要比較大的平安系數(shù)。定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組主要有以下幾局部組成：葉輪、增速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、偏航系統(tǒng)、塔架、機(jī)艙、加溫加壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等。其中水平軸、三葉片、上風(fēng)向的定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示：圖2-2世俗性風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)1.輪轂〔裝葉片〕2.主傳動(dòng)軸3.增速齒輪箱4.機(jī)械剎車5.發(fā)動(dòng)機(jī)6.剎車7.風(fēng)速風(fēng)向儀定槳距風(fēng)機(jī)功率特性風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率主要取決于風(fēng)速，同時(shí)也受氣壓、氣溫和氣流擾動(dòng)等因素的影響。定槳距風(fēng)機(jī)槳葉的失速性能那么只與風(fēng)速有關(guān)，直到到達(dá)葉片氣動(dòng)外形所決定的時(shí)速調(diào)節(jié)風(fēng)速，不管是否滿足輸出功率，槳葉的失速性能都要起作用定槳距風(fēng)機(jī)的主動(dòng)時(shí)速性能使得其輸出功率始終限定在額定值附近。同時(shí)，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組還存在低風(fēng)速運(yùn)行的效率問題。在整個(gè)運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)〔3m/s<v<25m/s〕由于氣流的速度是在不斷變化的如果風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速不能隨風(fēng)速的變化而調(diào)整，這就必然要使風(fēng)輪在低風(fēng)速時(shí)的效率降低〔而設(shè)計(jì)低風(fēng)速時(shí)效率過高，會(huì)使槳葉過早進(jìn)入失速狀態(tài)〕。同時(shí)發(fā)電機(jī)本身存在低負(fù)荷時(shí)效率問題，盡管目前用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)已能設(shè)計(jì)的非常理想，它們在P>30%額定功率范圍內(nèi)，均有高于90%的效率，但是當(dāng)功率P<25%額定功率時(shí)，效率任然會(huì)急劇下降為解決的問題，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用雙速發(fā)電機(jī)，極對數(shù)分別設(shè)計(jì)成2對極和3對極。另一方面改變槳葉節(jié)距角的設(shè)定也顯著影響額定功率的輸出，圖2-3為600KW定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組在不同節(jié)距角時(shí)的功率曲線。從定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組的功率曲線圖中，我門口看到，定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速到達(dá)額定值以前就開始失速，到額定點(diǎn)時(shí)的功率系數(shù)已經(jīng)非常小了。調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)距角，只是改變槳葉對氣流的時(shí)速點(diǎn)。節(jié)距角越大，氣流對槳葉的時(shí)速點(diǎn)越高，其最大輸出功率也越高。這就是定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同的空氣密度下槳葉安裝角的原因?！瞐〕節(jié)距角為0°時(shí)風(fēng)機(jī)功率輸出曲線〔b〕節(jié)距角為15°時(shí)風(fēng)機(jī)功率輸出曲線圖2-3定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組風(fēng)機(jī)輸出功率曲線定槳距風(fēng)電機(jī)組中異步發(fā)電機(jī)的選用雙速異步發(fā)電機(jī)指具有兩種不同的同步轉(zhuǎn)速的電機(jī)，異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與電機(jī)定子繞組的極對數(shù)和電網(wǎng)頻率的關(guān)系為：nN=60F/Np(2-7)式中：Np為極對數(shù)，nN為異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。只要改變異步電機(jī)定子繞組的極對數(shù)就能得到不同的同步轉(zhuǎn)速。改變電動(dòng)定子繞組極對數(shù)的方法有如下2種方式：〔1〕采用兩臺(tái)定子繞組極對數(shù)不同的異步電機(jī)；〔2〕在一臺(tái)電機(jī)的定子上放置兩組極對數(shù)不同且相互獨(dú)立的繞組，即雙繞組的雙速電機(jī)；雙速異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子皆為鼠籠型的，鼠籠型轉(zhuǎn)子能自動(dòng)適應(yīng)定子繞組極對數(shù)的變化。國內(nèi)外定槳距風(fēng)電機(jī)組中的雙速異步發(fā)電機(jī)皆采用4/6雙速異步發(fā)電機(jī)，其同步轉(zhuǎn)速分別為1500rpm和1000rpm，小電機(jī)的額定功率設(shè)定成大電機(jī)的1/5至1/4之間，低風(fēng)速時(shí)小電機(jī)工作，高風(fēng)速時(shí)大電機(jī)工作，這樣不僅槳葉具有較高的氣動(dòng)效率，發(fā)電機(jī)的效率也能保持在較高的水平。提高了定槳距風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用效率，也減小了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在進(jìn)入額定功率前功率曲線之間的差異。2.4定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程分析定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)主要有待機(jī)狀態(tài)、起動(dòng)狀態(tài)和大小電機(jī)并脫網(wǎng)、切換及停機(jī)狀態(tài)。待機(jī)狀態(tài)當(dāng)風(fēng)速高于3m/s，但缺乏以將風(fēng)電機(jī)組拖動(dòng)到切入的轉(zhuǎn)速，或者風(fēng)電機(jī)組從小功率〔逆功率〕狀態(tài)切出，沒有重新并入電網(wǎng)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，稱為待機(jī)狀態(tài)。待機(jī)狀態(tài)除了發(fā)電機(jī)沒有并入電網(wǎng)，機(jī)組實(shí)際上已經(jīng)處于工作狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)在此時(shí)也已做好切入電網(wǎng)的準(zhǔn)備。一旦風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速升高，發(fā)電機(jī)即可并入電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)升高。到達(dá)4m/s時(shí)，風(fēng)電機(jī)組起動(dòng)到某一設(shè)定轉(zhuǎn)速，此時(shí)發(fā)電機(jī)按控制程序被自動(dòng)地聯(lián)入電網(wǎng)。一般總是小發(fā)電機(jī)先并網(wǎng)，當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)上升到8~20m/s時(shí)，那么直接從大發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)過程，是通過三相主電路上的三組晶閘管完成的。當(dāng)發(fā)電機(jī)過渡到穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)后，與晶閘管電路平行的旁路接觸器閉合，機(jī)組完成并網(wǎng)過程，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。為了防止產(chǎn)生電火花，旁路接觸器的開與關(guān)，都是在晶閘管關(guān)斷之前進(jìn)行的。大小電機(jī)之間的切入當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)升高至7~8m/s時(shí)，切換到大電機(jī)運(yùn)行。小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)切換的控制，一般以平均功率或瞬時(shí)功率參數(shù)為預(yù)置切換點(diǎn)。如NEGMincon750KW機(jī)組以10分鐘平均功率到達(dá)某一預(yù)置值P2作為切換依據(jù)。執(zhí)行小發(fā)電機(jī)向大發(fā)電機(jī)切換時(shí)，先斷開小發(fā)電機(jī)接觸器，其次斷開旁路接觸器。此時(shí)，發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)風(fēng)力將帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升到大發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速附近。在大發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果風(fēng)速降低，執(zhí)行大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)切換。當(dāng)大發(fā)電機(jī)功率持續(xù)10分鐘內(nèi)低于預(yù)置值P3時(shí)，或10分鐘平均功率低于預(yù)置值P4時(shí)，作為大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)切換的依據(jù)。切換時(shí)，先斷開大發(fā)電機(jī)接觸器，其次斷開旁路接觸器。由于存在過速保護(hù)和計(jì)算機(jī)超速檢測，因此，應(yīng)迅速投入小發(fā)電機(jī)接觸器，執(zhí)行軟并網(wǎng)，由電網(wǎng)負(fù)荷將大電機(jī)轉(zhuǎn)速脫到小發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速附近。只要轉(zhuǎn)速不超過超速保護(hù)的設(shè)定值，就允許執(zhí)行小發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)?；蛘卟捎昧硪环N方式，即在大電機(jī)切除電網(wǎng)時(shí)釋放葉尖擾流器，使轉(zhuǎn)速降低到小電機(jī)并網(wǎng)預(yù)置點(diǎn)一下再收回?cái)_流器，小電機(jī)并入電網(wǎng)，如NEGMincon750KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就是采用這種切換方式。脫網(wǎng)停機(jī)在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果風(fēng)速進(jìn)一步升高，超過風(fēng)電機(jī)組平安運(yùn)行的風(fēng)速范圍時(shí)，那么大發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)，執(zhí)行停機(jī)動(dòng)作。由于風(fēng)速過高引起的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組退出電網(wǎng)有以下幾種情況：〔1〕風(fēng)速高于25m/s，持續(xù)10分鐘。一般來說，由于受葉片失速性能限制，在風(fēng)速超。出額定值時(shí)發(fā)電機(jī)不會(huì)因此上升。擔(dān)當(dāng)電網(wǎng)頻率上升時(shí)，發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速上升，要維持發(fā)電機(jī)處理根本不變，只有在原有轉(zhuǎn)速的根底上進(jìn)一步上升，可能超出預(yù)置值。這種情況通過轉(zhuǎn)速監(jiān)測和電網(wǎng)頻率檢測可以做出迅速反響。如果過轉(zhuǎn)速，釋放葉尖擾流器后還應(yīng)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組側(cè)風(fēng)90°，以便轉(zhuǎn)速迅速降下來。當(dāng)然，只要轉(zhuǎn)速?zèng)]有超出允許限額，只需執(zhí)行正常停機(jī)?！?〕風(fēng)速高于33m/s，持續(xù)2s，正常停機(jī)?！?〕風(fēng)速高于50m/s，持續(xù)1s,平安停機(jī)，側(cè)風(fēng)90°。雙速發(fā)電機(jī)功率曲線上述所介紹的雙速發(fā)電機(jī)的各個(gè)工作狀態(tài)可由圖2-4表示。由于風(fēng)速的隨機(jī)變化，大小電機(jī)的并網(wǎng)次數(shù)很高，頻率切換，主回路所產(chǎn)生的瞬時(shí)大電流會(huì)對電機(jī)以及主回路的元器件產(chǎn)生不同程度的沖擊，還會(huì)減小發(fā)電量。因此大小電機(jī)切換風(fēng)速設(shè)有一重復(fù)區(qū)段，即在功率曲線上有一回環(huán)，既可降低切換次數(shù)，減少器件損耗，還可以提高大小電機(jī)在不同風(fēng)速下的效率。第3章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)分析3.1并網(wǎng)方式概述隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增大，在并網(wǎng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊也越大。這種沖擊嚴(yán)重時(shí)不僅引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降，并且可能對發(fā)電機(jī)和機(jī)械部件〔塔架、槳葉、增速器等〕造成損壞。如果并網(wǎng)沖擊時(shí)間持續(xù)過長，還可能使系統(tǒng)瓦解或其它掛網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，采用合理的并網(wǎng)技術(shù)是一個(gè)不可無視的問題。同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中，由于它既能輸出有功功率，又能提供無功功率，周波穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，已被電力系統(tǒng)廣泛采用。然而，把它移植到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上使用卻不甚理想，這是由于風(fēng)速時(shí)大時(shí)小，隨機(jī)變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時(shí)期調(diào)速性能很難到達(dá)同步發(fā)電機(jī)所要求的精度。并網(wǎng)后假設(shè)不進(jìn)行有效的控制，常會(huì)發(fā)生無功震與失步等問題，在中在下尤為嚴(yán)重。這就是在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組很少采用同步發(fā)電機(jī)的原因。但近年來隨著電力電子技術(shù)的開展，通過在同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間沉思用變頻裝置，從技術(shù)上解決了這些問題，采用同步發(fā)電機(jī)的方案又引起了人們的重視。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)異步發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行時(shí)，由于靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負(fù)荷，因此對機(jī)組的調(diào)速精度要求不高，不需要同步設(shè)備和整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，就可并網(wǎng)。顯然，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配用異步發(fā)電機(jī)不僅控制裝置簡單，而且并網(wǎng)后也不會(huì)產(chǎn)生震蕩和失步，運(yùn)行非常穩(wěn)定。然而，異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)也存在一些特殊問題，如直接并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的過大沖擊電流造成電壓大幅度下降會(huì)對系統(tǒng)平安運(yùn)行構(gòu)成威脅；本身不發(fā)無功功率，需要無功補(bǔ)償；當(dāng)輸出功率超過其最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的功率會(huì)引起網(wǎng)上飛車；過高的系統(tǒng)電壓會(huì)使其磁路飽和，無功激磁電流大量增加，定子電流過載，功率因數(shù)大大下降；不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率過于上升，會(huì)因同步轉(zhuǎn)速上升而引起異步發(fā)電機(jī)從發(fā)電狀態(tài)變成電動(dòng)狀態(tài)；不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率的過大下降，又會(huì)使異步發(fā)電機(jī)電流劇增而過載等等。所以運(yùn)行時(shí)必須嚴(yán)格監(jiān)視并采取相應(yīng)的有效措施才能保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的平安運(yùn)行。3.2異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)方式直接并網(wǎng)方式這種方式只要求發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速〔即到達(dá)99%~100%同步轉(zhuǎn)速〕時(shí)，即可并網(wǎng)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行控制變得簡單，并網(wǎng)容易。但在并網(wǎng)瞬間存在三相短路現(xiàn)象，供電系統(tǒng)將受到4~5倍發(fā)電機(jī)額定電流的沖擊，系統(tǒng)電壓瞬時(shí)嚴(yán)重下降〔如國產(chǎn)FD-32-200型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在上海電機(jī)廠于同步轉(zhuǎn)速附近做并網(wǎng)試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)電壓由410V下降到230V左右〕，以至引起低電壓保護(hù)動(dòng)作，使并網(wǎng)失敗。所以這種并網(wǎng)方式只有在與大電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)才有可能。準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式與同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式相同，在轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，先用電容勵(lì)磁，建立額定電壓，然后對已勵(lì)磁建立的發(fā)電機(jī)電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率、相位與系統(tǒng)一致時(shí)，將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行。采用這種方式，假設(shè)按傳統(tǒng)的步驟經(jīng)整步到同步并網(wǎng)，責(zé)仍需要高進(jìn)度的調(diào)速器和整步、同期設(shè)備，不僅要增加機(jī)組的造價(jià)，而且從整步到達(dá)準(zhǔn)同步并網(wǎng)所花費(fèi)的時(shí)間很長，這是我們所不希望的。該并網(wǎng)方式合閘瞬間盡管沖擊電流很小，但必須控制在最大允許的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運(yùn)行，以免造成網(wǎng)上飛車。由于它對系統(tǒng)電壓影響極小，所以適合于電網(wǎng)容量比風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大不了幾倍的地方使用。降壓并網(wǎng)方式這種并網(wǎng)方式就是在發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間串接電抗器，以減少合閘瞬間沖擊電流的幅值與電網(wǎng)電壓下降的幅值。如比利時(shí)200KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)各項(xiàng)串接有大功率電阻。由于電抗器、電阻等串聯(lián)組件要消耗功率，并網(wǎng)后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將其電抗器、電阻退出運(yùn)行。顯然，這種并網(wǎng)方式要增大功率的電阻或電抗器組件，其投資隨著機(jī)組容量的增大而增大，經(jīng)濟(jì)性較差。它適用于小容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組〔采用異步發(fā)電機(jī)〕的并網(wǎng)。捕捉式準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)技術(shù)捕捉式準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)技術(shù)的工作原理是將常規(guī)的整步并網(wǎng)方式改為在頻率變化中捕捉同步點(diǎn)的方法進(jìn)行準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)。據(jù)說該技術(shù)可不喪失同期機(jī)，準(zhǔn)同步并網(wǎng)工作準(zhǔn)確、快速可靠，既能實(shí)現(xiàn)幾乎無沖擊準(zhǔn)同步并網(wǎng)，對機(jī)組的調(diào)速精度要求不高，又能很好地解決并網(wǎng)過程與降低造價(jià)的矛盾，非常適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的準(zhǔn)同步并網(wǎng)操作。采用雙向晶閘管的軟切入并網(wǎng)技術(shù)1.發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間通過雙向晶閘管直接連接：這種連接方式的工作過程為：當(dāng)風(fēng)輪帶動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，與電網(wǎng)直接相連的每一相的雙向晶閘管的控制角在180°與0°之間逐漸同步翻開；作為每相為無觸點(diǎn)開關(guān)的雙向晶閘管的導(dǎo)通角也同時(shí)由0°與180°之間逐漸同步增大。在雙向晶閘管導(dǎo)通階段開始〔即異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)階段〕，異步發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，隨著轉(zhuǎn)速的升高，其轉(zhuǎn)差率逐漸趨于零。當(dāng)轉(zhuǎn)差率為零時(shí)，雙向晶閘管已全部導(dǎo)通，并網(wǎng)過程到此結(jié)束。由于并網(wǎng)電流受晶閘管導(dǎo)通角限制，并網(wǎng)較平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)沖擊電流。但軟切入裝置必須采用能承受高反壓大電流的雙向晶閘管，價(jià)格較貴，其功率又不能做得太大，因此適用于中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。2.發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間軟并網(wǎng)過渡，零轉(zhuǎn)差自動(dòng)并網(wǎng)開關(guān)切換連接：這種連接方式工作如下：當(dāng)風(fēng)輪帶動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)起動(dòng)或轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，與電網(wǎng)相連的每一相雙向晶閘管〔晶閘管的兩端與自動(dòng)并網(wǎng)常開觸點(diǎn)相連接〕的控制角在180°與0°之間逐漸同步翻開；作為每相為無觸點(diǎn)開關(guān)的雙向晶閘管的導(dǎo)通角也同時(shí)由0°與180°之間逐漸同步增大。此時(shí)自動(dòng)并網(wǎng)開關(guān)尚未動(dòng)作，發(fā)電機(jī)通過雙向晶閘管平穩(wěn)的進(jìn)入電網(wǎng)。在雙向晶閘管導(dǎo)通階段開始〔即異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)階段〕，異步發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，隨著轉(zhuǎn)速的升高，其轉(zhuǎn)差率逐漸趨于零。當(dāng)轉(zhuǎn)差率為零時(shí)，雙向晶閘管已全部導(dǎo)通，這時(shí)自動(dòng)并網(wǎng)開關(guān)動(dòng)作，常開觸點(diǎn)閉合，于是短接了已全部開通的雙向晶閘管。發(fā)電機(jī)輸出功率后，雙向晶閘管的觸發(fā)脈沖自動(dòng)關(guān)閉，發(fā)電機(jī)輸出電流不再經(jīng)雙向晶閘管而是通過已閉合的自動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)流向電網(wǎng)。這兩種方法是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的普遍采用的并網(wǎng)方法，其共同特點(diǎn)是：可以得到一個(gè)平穩(wěn)的并網(wǎng)過渡過程而不會(huì)出現(xiàn)沖擊電流。不過第一種方式所選用高反壓雙向晶閘管的電流允許值比第二種方式的要大得多。這是因?yàn)榍罢叩墓ぷ麟娏饕紤]能通過發(fā)電機(jī)的額定值，而后者只要通過略高于發(fā)電機(jī)空載時(shí)的電流就可滿足要求。但需采用自動(dòng)并網(wǎng)開關(guān)，控制回路也略為復(fù)雜。本設(shè)計(jì)將主要介紹采用第二種方式的軟切入裝置。第4章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制——軟切入裝置4.1系統(tǒng)概述軟切入裝置〔SOFTCUT-INUNITT〕是目前聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的重要局部。它的主要作用是限制發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)和大小發(fā)電機(jī)切換時(shí)的瞬變電流，以免對電網(wǎng)造成過大的沖擊。一般當(dāng)電網(wǎng)的容量比發(fā)電機(jī)的容量大的多時(shí)〔≥25倍〕，發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)時(shí)的沖擊電流才可以不予考慮。但目前聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已開展到兆瓦級(jí)水平，與一般變電所的容量相比已經(jīng)相當(dāng)大。因此，軟切入裝置已成為控制系統(tǒng)必不可少的局部。本此設(shè)計(jì)所運(yùn)用的軟切入裝置適用于采用單電機(jī)雙繞組的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。該裝置允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在靜止時(shí)作電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，所限定的電流可以根據(jù)工作要求在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并設(shè)置了不同的電流反響信號(hào)放大電路通道，當(dāng)發(fā)電機(jī)作電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，自動(dòng)選擇限定電流較大的通道，一般設(shè)置為小發(fā)電機(jī)額定電流的三倍；而當(dāng)大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)切換時(shí)發(fā)電機(jī)處在超同步速的發(fā)電狀態(tài)、電流應(yīng)小于發(fā)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩下的電流，這時(shí)選擇限定電流較小的通道。裝置內(nèi)部具有發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)〔電動(dòng)狀態(tài)或發(fā)電狀態(tài)〕檢測，三相不平衡檢測等功能。當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)后，旁路接觸器自動(dòng)吸合，晶閘管退出工作狀態(tài)。4.2系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)軟切入裝置的系統(tǒng)框圖圖4-1軟切入裝置的系統(tǒng)框圖原理說明軟切入裝置的系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。晶閘管移相觸發(fā)電路的同步信號(hào)經(jīng)三相變壓器輸出〔AC110V〕，然后轉(zhuǎn)換成鋸齒波形的同步信號(hào)。變壓器還通過整流橋提供兩路直流電源〔+15V〕；另一路〔+20V〕提供應(yīng)穩(wěn)壓電源，為控制電路提供12V直流電源〔參見圖4-2〕。圖4-2三相同步信號(hào)及兩路直流電源控制信號(hào)通過三只分別與三相母線相連的電流互感器經(jīng)全橋整流、濾波后轉(zhuǎn)換成直流電平信號(hào)控制移相觸發(fā)角。三相電流信號(hào)經(jīng)全橋整流后的另一路經(jīng)帶通濾波器檢測三相負(fù)載不平衡信號(hào)，并輸入計(jì)算機(jī)。大小發(fā)電機(jī)的起動(dòng)、切換信號(hào)經(jīng)互鎖、放大，控制相應(yīng)的繼電接觸器的閉合，調(diào)整電流控制信號(hào)，并根據(jù)控制電流的大小決定晶閘管限流器切入與切出〔通過KA1的開閉實(shí)現(xiàn)，見圖4-1下方〕?？驁D左面是軟切入裝置的主電路。電網(wǎng)的三相線路通過三組雙向晶閘管與大小發(fā)電機(jī)相聯(lián)。KA2與KA3分別控制大小發(fā)電機(jī)的切入與切出。KA4由計(jì)算機(jī)指令直接控制。4.3單元電路設(shè)計(jì)主電路設(shè)計(jì)1.主電路設(shè)計(jì)原理圖2.原理說明本次設(shè)計(jì)中采用每相線路都串接一組反向晶閘管，共三組。正是這三組反向晶閘管將電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)聯(lián)系在了一起實(shí)現(xiàn)了軟并網(wǎng)的主電路設(shè)計(jì)，并采用了兩臺(tái)大小發(fā)電機(jī)，做切換使用，并設(shè)置了驅(qū)動(dòng)接觸器KA1、KA2、KA3。KA2和KA3分別做大小發(fā)電機(jī)的切入與切出控制，KA1做電流的大小決定晶閘管限流器切入與切出控制。控制電路設(shè)計(jì)〔1〕晶閘管移相觸發(fā)控制電路1.三相電流反響信號(hào)①原理圖設(shè)計(jì)圖4-3三相電流反響信號(hào)②原理說明晶閘管移相觸發(fā)控制電路直接取發(fā)電機(jī)三相電流信號(hào)作為反響控制信號(hào)〔圖4-3〕。三相電流經(jīng)電流互感器和全橋整流后，通過R8變成直流電壓信號(hào)。該信號(hào)一路經(jīng)放大后作為晶閘管導(dǎo)通角的控制電壓；另一路經(jīng)低通和帶通濾波器作為檢測三相電流平衡的信號(hào)。2.電流反響信號(hào)放大電路①原理圖設(shè)計(jì)圖4-4電流反響信號(hào)放大電路②原理說明圖4-4，是電流反響信號(hào)放大電路，a端為信號(hào)輸入。A1及R1~R5組成線性放大回路，放大倍數(shù)可供選擇。其中I1為大發(fā)電機(jī)切換至小發(fā)電機(jī)時(shí)限定的電流；I2為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)限定的電流。通過雙向開關(guān)SA1和SA2進(jìn)行選擇。雙向開關(guān)的切換由C端信號(hào)控制。電流的放大倍數(shù)通過可變電阻RP1和RP2可在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)這個(gè)放大倍數(shù)也就調(diào)定了所限制的電流。由于a端電位總是大于b端電位，所以A1的輸出電壓在0與6V之間。A3的基準(zhǔn)電位由穩(wěn)壓電源提供，Ud=5V，放大倍數(shù)約為5，線性放大區(qū)在4V<U14<6V。R11，VD1，C2等組成RC低通濾波器。其3dB衰減處的頻率=其中R11=100KΩ，C2=0.47uF。由上式可得f0=3.38Hz。因此，經(jīng)過濾波后，進(jìn)入A3的信號(hào)已接近直流電平信號(hào)。A2用來加速A3的翻轉(zhuǎn)。d端電壓經(jīng)分壓后，輸入A2的反相端為4V左右。當(dāng)同相端交流信號(hào)的峰值大于4V時(shí)，A2不起作用，這時(shí)A3處于線性工作狀態(tài)，當(dāng)U14峰值小于4V時(shí)，A2翻轉(zhuǎn)，VD2導(dǎo)通，C2通過R7迅速放電。使A3-3端的電位立刻被拉到0V，A3迅速翻轉(zhuǎn)，這時(shí)G2輸出端或e端將始終處于高電位，晶閘管導(dǎo)通角處于被迅速關(guān)小過程中。A4與G2組成矩形波發(fā)生器。當(dāng)A3-1端電位≤4V時(shí)，A4輸出端為低電平；當(dāng)A3-1端電位≥6V時(shí)，A4輸出端為高電平；當(dāng)4V≤A3-1端電位≤6V時(shí)為矩形波，且占空比隨A3-1端電壓的變化而變化。經(jīng)過調(diào)制的控制信號(hào)經(jīng)G2整形后，選擇一定的時(shí)間常數(shù)對電容進(jìn)行充、放電。從而得到控制觸發(fā)導(dǎo)通角的電平信號(hào)。3.PI調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)選擇和工作狀態(tài)控制①原理圖設(shè)計(jì)圖4-5PI調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)選擇和工作狀態(tài)控制②原理說明圖4-5為PI調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)選擇和工作狀態(tài)控制。A端為控制信號(hào)輸入端；c端為PI調(diào)節(jié)器開關(guān)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)〔電動(dòng)〕狀態(tài)時(shí)c端為1，這時(shí)a端信號(hào)有效；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入放電狀態(tài)時(shí)c端為0，這時(shí)a端信號(hào)無效，G1的輸出端為高電平，晶閘管導(dǎo)通角將開到最大〔全導(dǎo)通〕。兩路充放電阻的選擇也是由發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)決定。在PI調(diào)節(jié)器控制電流時(shí)，LR切入，時(shí)間常數(shù)可在4~40s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；放電狀態(tài)時(shí)，SR切入，時(shí)間常數(shù)可在0.4~4s內(nèi)調(diào)節(jié)。短時(shí)間常數(shù)可使導(dǎo)通角迅速翻開。b端控制發(fā)電機(jī)切換時(shí)導(dǎo)通角的復(fù)位。選擇R5信道，時(shí)間常數(shù)為0.4s。4.移相控制信號(hào)及旁路接觸器控制信號(hào)①原理圖設(shè)計(jì)圖4-6移相控制信號(hào)及旁路接觸器控制信號(hào)②原理說明圖4-6是移相控制信號(hào)形成環(huán)節(jié)。A4組成電壓跟隨器；R15與R16起分壓作用，將控制電壓調(diào)整在0~5V內(nèi)。A2與A3用來限定A1的輸出電平的上下限。A5用來實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)指令。A6的作用是當(dāng)導(dǎo)通角開到最大時(shí)，起動(dòng)旁路接觸器KA1。它們的基準(zhǔn)電位通過對12V直流電源的分壓獲得。當(dāng)A1的輸出電平下降，使A2的同向輸入端電位低于反向輸入端電位，其輸出端電位翻轉(zhuǎn)，VD4導(dǎo)通，使Ua降低，停止對C3充電，防止使A1進(jìn)入飽和狀態(tài)，同時(shí)限定了A1的輸出端電位的下限。當(dāng)A1的輸出端電位上升到高于A3的同向輸入端電位時(shí)，VD3導(dǎo)通，使Ua升高，重新對C3充電，從而限定了A1的輸出端電位的上限。當(dāng)脫網(wǎng)信號(hào)發(fā)出后，G3-5端為1，脫網(wǎng)許可〔參見圖4-15〕。這時(shí)Ua將保持高電位，A1的輸出端電位U7逐漸降低。當(dāng)U7降低到小于A5的同向輸入端電位U10時(shí)，A5的輸出端電位U8翻轉(zhuǎn)為1，G3輸出為0，電機(jī)脫網(wǎng)。從而保證電機(jī)在切換時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角總是從0開始。發(fā)電機(jī)在網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，b端為0〔參見圖4-15〕，G2-2端為1；當(dāng)A1的輸出端電位U7大于A6的反向輸入端電位U13時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角已完全翻開，這時(shí)A6的輸出端電位U14為1，G2輸出端翻轉(zhuǎn)為0，起動(dòng)旁路接觸器。該移相控制信號(hào)進(jìn)一步調(diào)整在0~4V。其中電壓調(diào)整局部電路可作如下變換〔見圖4-8〕：圖4-8等效電路上圖中R1’、R3’分壓；R2’、C濾波。調(diào)整后的信號(hào)通過A2校準(zhǔn)，A2的基準(zhǔn)為2V，放大倍數(shù)為1.然后輸入比較器A3〔2〕晶閘管開關(guān)控制信號(hào)形成1.晶閘管開關(guān)控制信號(hào)形成①原理圖設(shè)計(jì)圖4-7晶閘管開關(guān)控制信號(hào)形成②原理說明圖4-7為三相同步信號(hào)的形成。b、c、d端及n端分別與三相變壓器二次繞組輸出端d、e、f及n端相聯(lián)。正弦信號(hào)經(jīng)R9、R14、R19后，由兩個(gè)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓管的作用變成矩形波，在正半周和負(fù)半周，分別控制晶體管的導(dǎo)通和截止的切換，然后通過與反向器和RC電路，使異或非門G7、G8、G9在切換的瞬間輸出高電平，控制恒流源充放電路，從而形成鋸齒波形的同步信號(hào)。在鋸齒波與控制信號(hào)的相交點(diǎn)，比較器A3~A5翻轉(zhuǎn)，控制觸發(fā)脈沖的輸出。觸發(fā)脈沖由多謝振蕩器產(chǎn)生。2.外觸發(fā)多諧振蕩器〔觸發(fā)脈沖的形成〕①原理圖設(shè)計(jì)圖4-9外觸發(fā)多諧振蕩器②原理說明圖4-9是外觸發(fā)多諧振蕩器，脈沖列的占空比由R1、R2確定。a、b、c端分別與圖4-7中的e、f、g端的觸發(fā)信號(hào)相聯(lián)，作為控制多諧振器的脈沖列輸出的開關(guān)。脈沖列放大后，通過脈沖變壓器觸發(fā)晶閘管〔見圖4-10〕。圖4-10脈沖觸發(fā)電路〔3〕發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測1.簡要概述作為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組當(dāng)轉(zhuǎn)速到達(dá)同步轉(zhuǎn)速后，就進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。這時(shí)限流裝置可以停止工作，并將導(dǎo)通角開到最大，然后被旁路。否那么當(dāng)發(fā)電機(jī)的能量不能完全輸出給電網(wǎng)，就會(huì)發(fā)生飛車事故。因此，發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測是軟切入裝置中不可缺少的環(huán)節(jié)。發(fā)電機(jī)狀態(tài)的檢測是根據(jù)發(fā)電機(jī)在電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)電流對電壓的相位差不同的原理，通過對電流和電壓信號(hào)取樣，整形成矩形波，由異或門將兩個(gè)波形合成，通過平均值電路測量輸出的平均電壓的上下來實(shí)現(xiàn)的。2.發(fā)電機(jī)狀態(tài)檢測過程的框圖圖4-11發(fā)電機(jī)狀態(tài)檢測過程框圖3.電路介紹①發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測電路設(shè)計(jì)圖4-12發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測電路②原理說明電路左面上下兩個(gè)輸入端口分別為電壓和電流信號(hào)的輸入端，通過放大器轉(zhuǎn)變成開關(guān)信號(hào)，經(jīng)G1和G2兩個(gè)異或非門整形，成為兩組矩形波。如圖4-13所示，在電動(dòng)狀態(tài)，電流對電壓相位差＜90°，在異或門G3的輸入端“異〞的時(shí)間較短，“同〞的時(shí)間較長，其輸出端的電壓如圖4-13d所示。在發(fā)電狀態(tài)，電流與電網(wǎng)電壓的角度＞90°，異或門的輸出電壓如圖4-14所示。圖4-13電動(dòng)狀態(tài)信號(hào)圖4-14發(fā)電狀態(tài)信號(hào)電動(dòng)狀態(tài)的電流與電網(wǎng)的波形a〕發(fā)電狀態(tài)的電流與電網(wǎng)的波形b)整形后的電壓波形b)整形后的電壓波形c)整形后的電流波形c)整形后的電流波形d)異或門的輸出波形d)異或門的輸出波形從上兩圖可見，在電動(dòng)狀態(tài)，G3輸出的平均電壓較小，發(fā)電狀態(tài)輸出的平均電壓較大。如果在e端電位給定的條件下適中選擇R5、R6、C1、C2的參數(shù)，可使A2輸出端的電壓U14在電動(dòng)狀態(tài)處與高電位，發(fā)電狀態(tài)處于低電位。U14的信號(hào)經(jīng)f端去控制電流節(jié)調(diào)器的工作與否。圖4-12中g(shù)端在大發(fā)電機(jī)切換到小發(fā)電機(jī)時(shí)置1，以保證電流調(diào)節(jié)器及時(shí)投入工作狀態(tài)?！?〕大小發(fā)電機(jī)的切入〔并網(wǎng)〕，切出〔脫網(wǎng)〕和切換過程1.開關(guān)指令的執(zhí)行過程①發(fā)電機(jī)并網(wǎng)與脫網(wǎng)指令執(zhí)行過程原理圖設(shè)計(jì)圖4-15發(fā)電機(jī)并網(wǎng)與脫網(wǎng)指令執(zhí)行過程②原理說明如圖4-15，當(dāng)軟切入單元接到發(fā)電機(jī)起動(dòng)指令后，VL1或VL2導(dǎo)通，觸發(fā)器相應(yīng)的輸入端i(大發(fā)電機(jī))或j(小發(fā)電機(jī))置0.觸發(fā)器相應(yīng)的輸出端置0并自鎖；經(jīng)與非門使三極管導(dǎo)通，從而接通相應(yīng)的繼電器。發(fā)電機(jī)的脫網(wǎng)由來自圖4-6中的d端的信號(hào)〔圖中e端信號(hào)〕控制當(dāng)晶閘管導(dǎo)通角復(fù)位到0時(shí)，e端置0，發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)。VD6與VD7的作用是在脫網(wǎng)狀態(tài)時(shí)解除互鎖。2．PI調(diào)節(jié)器的控制開關(guān)機(jī)指令的另一路通過由G3和G4組成的觸發(fā)器從K端和I端輸出，其中K端用來選擇限流倍數(shù)〔參見圖4-4〕，I端用來參與發(fā)電機(jī)狀態(tài)檢測和PI調(diào)節(jié)器的控制〔參見圖4-12〕。由G3和G4組成的觸發(fā)器在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)前，G3的輸入端為0，G4的輸入端〔KA2開關(guān)信號(hào)〕為1.這時(shí)G＞的輸出端為1，G4的輸出端為0，K端輸出為高電平，I端輸出為0。當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后，G1的輸出端為高電平，G2的輸出端高電平，VD2截止。這時(shí)G3的輸入端電位取決于d端信號(hào)〔旁路繼電器是否投入，參見圖4-6〕。觸發(fā)器在大發(fā)電機(jī)投入前，即G4的輸入端保持1時(shí)，輸出狀態(tài)保持不變。當(dāng)發(fā)電機(jī)投入后，G4的輸入端為0，這時(shí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。但由于VD4的作用使I端仍為低電平，而h端在大發(fā)電機(jī)切入后呈高電平，使K端仍為高電平，輸出狀態(tài)不變。當(dāng)大發(fā)電機(jī)切換到小發(fā)電機(jī)時(shí)，G3的輸入端與G4的輸入端同為高電平，觸發(fā)器輸出保持不變，而這時(shí)G3的輸入端為低電平，h端也為低電平，因此K端變成低電平，而G4的輸入端此時(shí)為高電平，故I端為高電平。小發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)時(shí)，G3的輸入端為0，G3的輸出端為1，G4的輸出端為0，于是I為0，K為1.由R11、R12、VD1、C3組成的充放電路是為了在發(fā)電機(jī)切換的瞬間〔G1的輸出端為0的短時(shí)間內(nèi)〕保持異或門的輸出不變。圖中g(shù)端信號(hào)反映發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，控制旁路接觸器的啟動(dòng)和PI調(diào)節(jié)器的復(fù)位。當(dāng)g端置0時(shí)，表示有發(fā)電機(jī)運(yùn)行在網(wǎng)上，這時(shí)圖4-5中G4-9端置1，允許PI調(diào)節(jié)器工作；圖4-6中G2-2端置1，允許起動(dòng)旁路接觸器。當(dāng)g端置1時(shí)，表示發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)或切換指令已發(fā)出，但繼電器尚未閉合。這時(shí)，圖4-6中G2-2端置0，旁路接觸器脫開；圖4-5中G4-9端置1，使晶閘管導(dǎo)通角迅速復(fù)位，做好控制瞬變電流的準(zhǔn)備。4.4系統(tǒng)性能測試我們在FD23-200/40KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上對軟切入裝置進(jìn)行了起動(dòng)和大小發(fā)電機(jī)切換時(shí)的性能試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)的風(fēng)速為8~10m/s。試驗(yàn)結(jié)果見圖4-16和圖4-18。圖4-16是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動(dòng)時(shí)，用示波器記錄的圖4-3中a點(diǎn)相對b點(diǎn)的波形，反映了起動(dòng)電流的變化曲線。這時(shí)所測的線電流為280A，40KW發(fā)電機(jī)額定功率為90A，因發(fā)電機(jī)功率較小，起動(dòng)電流被限制在額定電流的3倍左右。從圖上可見，起動(dòng)過程約15s左右，電流根本平穩(wěn)。從小發(fā)電機(jī)切換到大發(fā)電機(jī)，切換過程約為8s左右，電流曲線見圖4-17。圖4-16小發(fā)電機(jī)起動(dòng)電流波形圖4-17大發(fā)電機(jī)起動(dòng)電流波形圖4-18是圖4-6中A1-7端的波形，是晶閘管的控制電平的變化曲線，也反映了晶閘管導(dǎo)通角的變化情況。從圖上可以看到，起動(dòng)開始，控制電平迅速從0V升到2V左右，變化不大，晶閘管處于工作狀態(tài)，起動(dòng)電流被限制在設(shè)定值以下。起動(dòng)過程結(jié)束后〔進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)〕控制電平立刻上升到7V左右，導(dǎo)通角被開到最大，旁路繼電器投入〔晶閘管被切出〕。圖4-18晶閘管觸發(fā)控制電平的變化曲線第5章定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)仿真5.1電力系統(tǒng)MATLAB/SIMULINK仿真軟件概述MATLAB/SIMULINK開展簡史1.MATLAB開展簡史20世紀(jì)70年代中期，CleveMoler和他的同事們在美國國家科學(xué)基金的資助下研發(fā)了稱為LINPCK和EISPACK的FORTRAN子程序庫。LINPCK是解決線性方程問題的FORTRAN子程序集合，F(xiàn)ORTRAN是對特征值問題進(jìn)行求解的子程序集合。它們一起代表了當(dāng)時(shí)最具影響力的矩陣計(jì)算軟件。20世紀(jì)70年代后期，當(dāng)時(shí)已經(jīng)成為新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系系主任Cleve，希望在他的線性代數(shù)授課課程中使用LINPCK和EISPACK軟件。但他并不想增加學(xué)生的編程負(fù)擔(dān)，因此，設(shè)計(jì)了一組調(diào)用LINPCK和EISPACK庫程序的“通俗易用〞的接口，并命名為MATLAB，其根本的數(shù)據(jù)單元是一個(gè)維數(shù)不加限制的矩陣。在MATLAB下，矩陣運(yùn)算變得非常容易。因此，一兩年后，MATLAB在應(yīng)用數(shù)學(xué)團(tuán)體中流行起來。1983年的春天，Cleve到斯坦福大學(xué)進(jìn)行訪問，MATLAB深深地吸引住了身為工程師的JohnLittle。JohnLittle敏銳的地覺察到MATLAB在工程領(lǐng)域的廣闊前景，于是同年，他和CleveMole，SteveBangert一起用C語言開發(fā)了第二代MATLAB專業(yè)版，由SteveBangert主持開發(fā)編譯解釋程序；SteveKleiman完成圖形功能的設(shè)計(jì)；JohnLittle和CleveMoler主持開發(fā)各類數(shù)學(xué)分析的子模塊，撰寫用戶指南和大局部的M文件。1984年，CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司，發(fā)行了MATLAB1.0〔基于DOS的版本〕正式把MATLAB推向市場。MATLAB的第一個(gè)商業(yè)化版本是同年推出的基于DOS的MATLAB3.0，該版本已經(jīng)具有數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)圖示化的功能。通過不斷的改良，MATLAB逐步開展成為一個(gè)集數(shù)值處理、圖形處理、圖像處理、符號(hào)計(jì)算、文字處理、數(shù)學(xué)建模、實(shí)時(shí)控制、動(dòng)態(tài)仿真、信號(hào)處理為一體的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件。2.SIMULINK開展簡史SIMULINK是MathWorks公司開發(fā)的又一個(gè)生產(chǎn)重大影響的軟件。為了準(zhǔn)確地分析控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型，1990年MathWorks公司為MATLAB提供了嶄新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并命名為SIMULAB,它以工具庫的形式掛接在MATLAB3.5版上。MATLAB包括仿真平臺(tái)和系統(tǒng)仿真模型庫兩局部，主要用于仿真以數(shù)學(xué)函數(shù)和傳遞函數(shù)表達(dá)的系統(tǒng)，它是20世紀(jì)70年代開發(fā)的連續(xù)系統(tǒng)仿真程序包括〔CCS〕的繼續(xù)。該軟件發(fā)布后很快就在控制領(lǐng)域得到了廣泛使用。但是，因?yàn)槠涿峙c著名的SIMULA類似，所以1992年改名為SIMULINK〔simulationlink〕,意思是仿真連接。3.SimPowerSystems庫開展簡史SimPowerSystems庫是SIMULINK下面的一個(gè)專用模塊庫，是在SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行電力、電子系統(tǒng)建模和仿真的先進(jìn)工具。它建立在加拿大的Hydro-Quebec電力系統(tǒng)測試和仿真實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)根底上，并由Hydro-Quebec和TECSIMInternational公司共同開發(fā)而成，功能非常強(qiáng)大。SimPowerSystems庫提供了一種類似電路建模的方式進(jìn)行建模繪制，在仿真前自動(dòng)將仿真系統(tǒng)圖變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在SIMULINK下進(jìn)行仿真分析。它為電路、電力電子系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電、輸變電系統(tǒng)和配電計(jì)算提供了強(qiáng)有力的解決方法，尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容涉及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)勢更為突出。MATLAB/SIMULINK的特點(diǎn)1．MATLAB的特點(diǎn)提供了便利的開發(fā)環(huán)境提供了強(qiáng)大的數(shù)學(xué)應(yīng)用功能編程語言簡易高效圖形功能強(qiáng)大提供了功能強(qiáng)的的工具箱應(yīng)用程序接口功能強(qiáng)大MATLAB的缺點(diǎn)。和其它高級(jí)程序相比，MATLAB程序執(zhí)行的速度較慢。2.SIMULINK的特點(diǎn)〔1〕建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的模型并進(jìn)行仿真〔2〕以直觀的方式建?！?〕增添定制模塊元件和用戶代碼〔4〕快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬〔5〕分層次地表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)〔6〕交互式的仿真分析3.SimPowerSystems庫的特點(diǎn)〔1〕使用標(biāo)準(zhǔn)電氣符號(hào)進(jìn)行電力系統(tǒng)的拓?fù)鋱D像建模和仿真〔2〕標(biāo)準(zhǔn)的AC和DA電機(jī)模型模塊、電壓器、輸電線路、信號(hào)和脈沖發(fā)生器、HVDC控制、IGBT模塊和大量設(shè)備模型〔3〕使用SIMULINK強(qiáng)有力的變步長積分器和零點(diǎn)穿越檢測功能，給出高度精確的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果〔4〕利用定步長梯形積分算法進(jìn)行離散仿真計(jì)算，為快速仿真和實(shí)時(shí)仿真提供模型離散化方法〔5〕利用Powergui交互式工具模塊可以修改模型的初始狀態(tài)，從任何初始條件進(jìn)行仿真分析，例如計(jì)算電路的狀態(tài)表達(dá)、計(jì)算電流和電路的穩(wěn)態(tài)解、設(shè)定和恢復(fù)初始電流/電壓狀態(tài)、電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算等〔6〕提供了擴(kuò)展的電力系統(tǒng)設(shè)備模塊，如電力機(jī)械、功率電子元件、控制測量模塊三相元器件〔7〕提供大量功能演示模塊，可直接運(yùn)行仿真或進(jìn)行方案例學(xué)習(xí)5.2異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)過渡過程分析假設(shè)電機(jī)在并網(wǎng)前沒有電壓、電流，也沒有剩磁，當(dāng)電機(jī)接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)直接并網(wǎng)，異步電時(shí)機(jī)經(jīng)歷一個(gè)瞬態(tài)過渡過程。產(chǎn)生的瞬態(tài)沖擊電流與電機(jī)參數(shù)、并網(wǎng)轉(zhuǎn)速、電機(jī)磁通飽和程度以及并網(wǎng)瞬間電壓相位角有關(guān)。直接并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的過渡過程電流：i=i0sin(ωt+θ-ψ)+iae-1/T1sin(ωt+θ-ψ)+ide-1/T2sin(θ-ψ)(5-1)式中，i0為穩(wěn)態(tài)交流分量，ia為暫態(tài)交流分量，ib為暫態(tài)直流分量，ψ為電機(jī)等效阻抗角，θ為電機(jī)并網(wǎng)瞬間合閘相位角，T1=x’d/(ωRr/s)為暫態(tài)交流分量衰減時(shí)間常數(shù)，與滑差和轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)；T2=x’d/ωRs為暫態(tài)直流分量衰減時(shí)間常數(shù)，與定子的電阻和電感有關(guān)。電機(jī)并入電網(wǎng)時(shí)，定子繞組中的穩(wěn)態(tài)交流分量i0sin(ωt+θ-ψ)開始產(chǎn)生，并進(jìn)而產(chǎn)生電磁力。由于此時(shí)轉(zhuǎn)速接近同步速，i0接近電機(jī)空載電流。并網(wǎng)瞬間，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍?，轉(zhuǎn)子短路繞組中產(chǎn)生一個(gè)衰減的直流分量，其產(chǎn)生的磁場切割定子繞組，并產(chǎn)生一個(gè)衰減的暫態(tài)交流分量iae-1/T1sin(ωt+θ-ψ)，x’d為電機(jī)暫態(tài)電抗，暫態(tài)電抗的值為x’d=xω+1(1/xm+1/xα)，ia與電網(wǎng)電壓成正比，與暫態(tài)電抗成反比。同時(shí)，并網(wǎng)瞬間，定子繞組礠鏈?zhǔn)睾?，定子繞組中產(chǎn)生一個(gè)衰減的直流分量ide-1/T2sin(θ-ψ)，以抑制電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的的磁通，id與電網(wǎng)電壓成正比，與暫態(tài)電抗成反比。另外異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬態(tài)沖擊電流的峰值還與并網(wǎng)瞬間電網(wǎng)電壓的相位角有關(guān)，在相位角θ=ψ±π/2時(shí)，沖擊電流最大，θ=ψ時(shí)，沖擊電流最小。從以上的分析可以知道，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)沖擊電流的大小，不僅與其自身的暫態(tài)電抗和電網(wǎng)電壓有關(guān)，還與并網(wǎng)時(shí)的滑差s有關(guān)?；顂越大，瞬態(tài)電流交流分量的衰減時(shí)間越長，產(chǎn)生的沖擊電流有效值越大，為減少并網(wǎng)沖擊電流，一般并網(wǎng)時(shí)選擇的s都比較小，并網(wǎng)過程中在受到?jīng)_擊電流影響的同時(shí)，還受到勵(lì)磁涌流的影響?；顂越小，沖擊電流有效值越小，但勵(lì)磁涌流越大。5.3失速型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大小電機(jī)仿真模型的建立進(jìn)行雙繞組異步電機(jī)的建模與仿真分析時(shí)，忽略雙繞組結(jié)構(gòu)給電機(jī)運(yùn)行特性帶來的影響，將雙速電機(jī)近似為大小兩個(gè)獨(dú)立的理想化電機(jī)來處理，作如下假設(shè)：〔1〕磁路是線性的，忽略電機(jī)鐵磁飽和、磁滯以及渦流的影響，不考慮鐵芯和導(dǎo)線的集膚作用；〔2〕轉(zhuǎn)子為圓柱體，氣息均勻，且認(rèn)為定轉(zhuǎn)子有光滑的的外表，忽略定轉(zhuǎn)子齒槽對氣息旋轉(zhuǎn)磁場分布的影響；〔3〕定子三相繞組結(jié)構(gòu)相同，且在空間的位置被此相差120°，并在氣隙中產(chǎn)生正弦分布的磁勢和旋轉(zhuǎn)磁場；〔4〕轉(zhuǎn)子每相繞組對稱，每兩個(gè)相鄰繞組在空間相差的角度均相同，且在氣隙中產(chǎn)生正弦分布的磁勢和旋轉(zhuǎn)磁場；異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)單相T型等效電路如圖5-1所示。從異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等效電路中，我們可以得出異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)負(fù)載阻抗角與轉(zhuǎn)速nr的關(guān)系。圖中，滑差s=〔nN-nr〕/nN，nN為異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。圖5-1異步電機(jī)等效電路圖異步電機(jī)單相等效阻抗：JM=Rs+jωLαs+(Rr/s+jωLσr)/jωLM(5-2)式中，Rs為定子電阻，Lαs為定子電抗，Rr為轉(zhuǎn)子電阻，Lσr為轉(zhuǎn)子電抗，LM為感抗。其負(fù)載阻抗角ψ隨滑差s的減小而減小，并在接近于零時(shí)，負(fù)載阻抗角最小，需要注意的是，在實(shí)際情況下，電機(jī)的相關(guān)參數(shù)是未知的，特別是轉(zhuǎn)子電阻，在運(yùn)行中是一個(gè)未知、時(shí)變的參數(shù)。故而對于異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)這樣一個(gè)多變量、參數(shù)未定、強(qiáng)非線性系統(tǒng)，很難建立精確的模型。這里根據(jù)理想化電機(jī)的假設(shè)建立d-q坐標(biāo)下的異步電機(jī)MatLab仿真模型，并在此根底上運(yùn)行失速型風(fēng)電機(jī)組直接并網(wǎng)與軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的仿真分析。5.4異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)過渡過程仿真分析金風(fēng)公司是我國風(fēng)電設(shè)備制造的著名公司，其下的主導(dǎo)產(chǎn)品為針對不同氣候類型的金風(fēng)600kw、金風(fēng)750kw系列機(jī)組。所以本文采用金風(fēng)公司S43/600kw機(jī)組作為仿真算例具有一定的代表性。600kw為其額定功率，切入風(fēng)速為3m/s，額定風(fēng)速為14m/s，切出風(fēng)速為25m/s〔10分鐘均值〕，采用的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為YJ50型600/125kw雙繞組異步發(fā)電機(jī)，雙速異步發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速分別為1500/1000〔rpm〕和1519/1013〔rpm〕。雙速異步發(fā)電機(jī)具體參數(shù)如表5-1所示.表5-1雙速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)具體參數(shù)nPIN(A)Rs(Ω)Lαs(H)Rr(Ω)Lσr(H)Lm(H)J(kg·m2)4p5400.01160.00010.02690.00010.0334726p1260.18930.00370.14020.00370.088648MatLab是當(dāng)今流行的科學(xué)計(jì)算與系統(tǒng)仿真軟件，Simulink是Matlab提供的控制系統(tǒng)模型可視化的仿真工具，在其內(nèi)部提供了許多控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)仿真模塊，系統(tǒng)建模簡便，并可在Simulink環(huán)境下直接進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真分析。SimPowerSystemsBlockset是在Simulink根底上開發(fā)的專門用于電力電子與電力傳動(dòng)仿真領(lǐng)域的模塊庫。在Simulink中的SimPowerSystems下可以找到風(fēng)力機(jī)的仿真模塊。依此模塊，風(fēng)力機(jī)的功率PM如式〔5-2〕計(jì)算得出。風(fēng)力機(jī)的仿真模型如圖5-2所示。圖5-2風(fēng)力機(jī)仿真模型圖5-2中，由于風(fēng)力機(jī)的計(jì)算使用的是標(biāo)幺值，故需要對輸入和輸出量進(jìn)行轉(zhuǎn)化。Wr為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其值wr_base為同步轉(zhuǎn)速時(shí)的角速度；Tm為風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，其基值風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩Tm_base等于風(fēng)力機(jī)輸出的額定功率除以發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。對于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，槳距角pitchangle為0o。風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速為14m/s時(shí)，其輸出的功率曲線如圖5-3所示。圖5-3風(fēng)力機(jī)輸出功率曲線由于本文主要關(guān)注的是電機(jī)的軟網(wǎng)控制，故可以不考慮大小電機(jī)的切換的問題，而采用兩個(gè)單獨(dú)的異步電機(jī)模型來代替，仿真時(shí)直接采用Simulink中已有的單機(jī)模型。在大電機(jī)向小電機(jī)切換時(shí)，采用釋放葉尖擾流器減速，然后并入小發(fā)電機(jī)的切換方式。圖5-4給出了直接并網(wǎng)過渡過程總體結(jié)構(gòu)仿真示意圖。其中的holdcircuit的功能判斷轉(zhuǎn)速是否到達(dá)可以并網(wǎng)的速度，如果到達(dá)，那么輸出合閘信號(hào)，使旁路器閉合，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-5所示。圖5-4直接并網(wǎng)過渡過程總體結(jié)構(gòu)仿真示意圖圖5-5holdcircuit模塊結(jié)構(gòu)小發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)過程仿真分析本文中分別對小電機(jī)在5m/s和8m/s風(fēng)速下直接并網(wǎng)過程進(jìn)行仿真，在電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)990rpm時(shí)將電機(jī)切入電網(wǎng)。仿真結(jié)果如圖5-6和5-7所示。圖5-6小發(fā)電機(jī)在風(fēng)速為5m/s時(shí)直接并入電網(wǎng)過渡狀態(tài)圖5-7小發(fā)電機(jī)在風(fēng)速為8m/s時(shí)直接并入電網(wǎng)過渡狀態(tài)從小電機(jī)直接并網(wǎng)仿真結(jié)果來看，小電機(jī)直接并網(wǎng)時(shí)，所產(chǎn)生的沖擊電流比較小，不會(huì)超過軟并網(wǎng)裝置中可控硅的限定值范圍。在小電機(jī)軟并網(wǎng)過程中，軟并網(wǎng)過程沖擊電流的限定值可以根據(jù)小電機(jī)額定電流來設(shè)計(jì)。5.4.2我們分別在風(fēng)速為10m/s和13m/s對電動(dòng)機(jī)直接并網(wǎng)過程進(jìn)行仿真分析，電機(jī)切入電網(wǎng)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1470rpm。得到的仿真結(jié)果如圖5-8和5-9所示。圖5-8大發(fā)電機(jī)在風(fēng)速為10m/s時(shí)直接并入電網(wǎng)過渡狀態(tài)圖5-9大發(fā)電機(jī)在風(fēng)速為13m/s時(shí)直接并入電網(wǎng)過渡狀態(tài)從圖5-8和5-9中可以看到，大電機(jī)直接并網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大得瞬間沖擊電流，可到達(dá)大電機(jī)額定電流的7至8倍以上，這將會(huì)對電網(wǎng)造成很大的沖擊。由圖還可發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速越高，轉(zhuǎn)子加速度越大，并網(wǎng)時(shí)間越短。所以為了保證軟并網(wǎng)裝置能有足夠的過渡時(shí)間，在風(fēng)速較高的情況下，需要將切入預(yù)置點(diǎn)下調(diào)；反之，將切入轉(zhuǎn)速預(yù)置點(diǎn)上調(diào)，以縮短軟切入過渡時(shí)間。大電機(jī)切入電網(wǎng)必須采用軟并網(wǎng)裝置以限制沖擊電流，軟切入過渡過程電流的限定值可以根據(jù)大電機(jī)額定電流進(jìn)行整定。本文所選用機(jī)組中大發(fā)電機(jī)額定電流為540A，一般軟并網(wǎng)時(shí)，沖擊電流應(yīng)小于大發(fā)電機(jī)額定電流，如果過渡過程沖擊電流超過大發(fā)電機(jī)額定電流，那么認(rèn)為軟并網(wǎng)失敗。5.5定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真分析為驗(yàn)證軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的有效性，需要對軟并網(wǎng)過渡過程進(jìn)行仿真分析，仿真模塊中風(fēng)機(jī)模塊、異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)模塊如前所述，初始的控制角為170°，仿真算法設(shè)為變步長ode23tb,相對誤差1*10-3，絕對誤差1*10-6，總體仿真示意圖如圖5-10所示圖5-10軟并網(wǎng)過渡過程仿真示意圖小電機(jī)軟切入過程仿真〔1〕小電機(jī)在風(fēng)速為5m/s時(shí)切入電網(wǎng)，切入預(yù)置點(diǎn)位s=0.02,