《恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與仿真探究》8500字（論文）

恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與仿真研究摘要人類社會從第一次工業(yè)革命開始，依靠煤、石油等不可再生能源逐漸發(fā)展。得益于能源使用的便利，社會飛速發(fā)展，但同時也出現(xiàn)了能源短缺、環(huán)境污染等日益嚴(yán)重的社會問題。為了緩解能源短缺，改善能源結(jié)構(gòu)，可再生清潔能源成為了重點開發(fā)的目標(biāo)。由于風(fēng)能資源可謂取之不盡，在清潔能源中具有更大的發(fā)展?jié)摿Γ虼孙L(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，各種各樣的風(fēng)電系統(tǒng)被不斷研究和創(chuàng)新。風(fēng)能的應(yīng)用研究趨于成熟，將成為21世紀(jì)最主要的能源。本文以基于PSCAD軟件的恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為分析對象，在介紹了PSCAD軟件后，將詳細(xì)分析組成系統(tǒng)各部分的數(shù)學(xué)模型及其作用，并在仿真后對風(fēng)機響應(yīng)特性的仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)說明。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；恒頻恒速；PSCAD/EMTDC；仿真；響應(yīng)特性1引言選題背景及意義選題背景隨著時代發(fā)展，不可再生能源，如煤炭、石油，面臨著嚴(yán)重的短缺和環(huán)境污染問題，也使中國的資源發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化。中國的風(fēng)能資源豐富，但風(fēng)電產(chǎn)業(yè)較其他國家起步較晚。但是，中國科技近年來高速發(fā)展，尤其在風(fēng)力發(fā)電方面也有了長足的進(jìn)步：截至2019年，全國風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機2.1億千瓦；根據(jù)全國風(fēng)力發(fā)電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020上半年，我國風(fēng)力發(fā)電量2379億千瓦時，同比增長10.9%；2020年1-11月，我國風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機容量達(dá)到2462萬千瓦。相比于其他大規(guī)模利用的清潔能源，風(fēng)力發(fā)電具有裝機規(guī)模易于增減、環(huán)境效益高的優(yōu)勢。電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD，全稱為PowerSystemComputerAidedDesign，是電力系統(tǒng)仿真的得力助手；EMTDC（Electro-magneticTransientsincludingDC）為其仿真計算核心。PSCAD提供專業(yè)的電磁暫態(tài)研究、咨詢服務(wù)、個性化訓(xùn)練，可以幫助我們輕松地建模、仿真所需要的系統(tǒng)，為電力系統(tǒng)模擬提供了無限的可能性。1.1.2選題意義風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展在能源結(jié)構(gòu)性改革的未來中是勢不可擋的，其有別于傳統(tǒng)能源和其它清潔能源的優(yōu)勢也吸引了越來越多科技人員的目光，不斷改進(jìn)和創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用使風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率和電能質(zhì)量都有所提高，發(fā)電成本有所降低，清潔能源得以在能源結(jié)構(gòu)中有更大的比重，對環(huán)境保護、能源利用和生態(tài)保護都有重要的現(xiàn)實意義。PSCAD作為專業(yè)的電磁暫態(tài)仿真軟件，在世界范圍內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。要進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究試驗，一般是將風(fēng)輪機和發(fā)電機相連，在實地做試驗，成本較高，容錯率較低；而使用PSCAD進(jìn)行仿真，不受現(xiàn)場條件的限制，對于結(jié)果的呈現(xiàn)準(zhǔn)確、直觀，且見效快，是研究各種電力系統(tǒng)的不二選擇。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀隨著能源短缺和環(huán)境污染等社會問題的惡化，清潔能源的利用越來越被重視，特別是風(fēng)電這一有著特殊優(yōu)勢的能源形式，可大規(guī)模開發(fā)，有著積極的發(fā)展前景。我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展是從20世紀(jì)80年代開始的，在40年間風(fēng)能的開發(fā)成果卓著，發(fā)展速度極快，到2010年，中國風(fēng)電裝機新增1892.7萬千瓦，成為世界第一。恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電機組一般由風(fēng)輪機和發(fā)電機組成，在恒頻恒速機組中，一般采用鼠籠型異步發(fā)電機。所謂“恒頻恒速”，是指無論風(fēng)速變化與否，風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速始終維持在某個恒定值或限定值之下，其有著結(jié)構(gòu)簡單、便于維護、易于控制、土建成本低等優(yōu)點，是目前我國應(yīng)用得較為廣泛的系統(tǒng)。在相關(guān)學(xué)術(shù)研究方面，鄭同偉利用EMPT/ATP平臺建立了恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)整體模型，研究了不同情況下的恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)REF_Ref4259\r\h[1]；楊威通過仿真恒頻恒速風(fēng)電系統(tǒng)，分析了其運行特性和暫態(tài)穩(wěn)定性REF_Ref4487\r\h[2]；田海峰通過仿真，從兩類擾動出發(fā)驗證了恒頻恒速風(fēng)電系統(tǒng)的可行性REF_Ref4510\r\h[3]；荊龍針對失速型風(fēng)電機組進(jìn)行了仿真，優(yōu)化了機組停機過程時可能發(fā)生的沖擊及轉(zhuǎn)矩震蕩REF_Ref4533\r\h[4]。風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展壯大預(yù)示著新能源在未來必然有著茁壯的生命力，再加上國家出臺的關(guān)于新能源的政策，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將會不斷推陳出新，綻放出活力。1.2.2國外研究現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電的歷史可以追溯至20世紀(jì)初，丹麥初次研制出小型風(fēng)力發(fā)電機組。接下來瑞典、蘇聯(lián)和美國也制造了小型的風(fēng)電裝置；據(jù)全球風(fēng)能理事會（GWEC）發(fā)布的全球風(fēng)電市場裝機數(shù)據(jù)顯示，2011年新增風(fēng)電裝機容量達(dá)41000兆瓦。截至2010年，世界風(fēng)電的年利用率從50%左右提高至90%以上，這說明風(fēng)力發(fā)電成為了一種可靠性很高的發(fā)電方式；同時，計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的運用使風(fēng)電機組運行自動化臻于成熟，也改善了風(fēng)機運行的狀態(tài)。文獻(xiàn)REF_Ref22229\r\h[5]利用PSCAD/EMTDC進(jìn)行了基于真實天氣條件的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬；文獻(xiàn)REF_Ref19086\r\h[6]綜述了風(fēng)力發(fā)電資源的發(fā)展歷程，從湍流效應(yīng)和陣風(fēng)等方面對風(fēng)能勢能進(jìn)行了詳細(xì)討論；文獻(xiàn)REF_Ref9539\r\h[7]總結(jié)了世界各國對于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)前景的設(shè)想。近幾年來，全球的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正迅速擴張，技術(shù)的成熟和經(jīng)濟的發(fā)展在風(fēng)電成為世界主要電力能源的過程中添磚加瓦。全面掌握世界各國風(fēng)電發(fā)展的趨勢，對我國風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展和革新有著參考性的作用。1.3論文的主要工作本論文所研究的基于PSCAD的恒頻恒速風(fēng)電系統(tǒng)是一個頻率為50Hz的低壓交流系統(tǒng)，由風(fēng)源元件、籠型感應(yīng)電動機與模擬風(fēng)力機及包含風(fēng)力調(diào)速器元件的機組構(gòu)成。本文主要完成的工作如下：介紹構(gòu)成系統(tǒng)的各個部分的基本原理。本文預(yù)備在第二章中對風(fēng)力發(fā)電機組所需要用到的原理，如貝茨定理、槳距角控制、傳動系統(tǒng)及異步感應(yīng)電機的原理等，為接下來的建模和仿真打下理論的基礎(chǔ)。分析各主要元件的連接關(guān)系，對相應(yīng)模型的參數(shù)設(shè)置和輸出輸入端口進(jìn)行詳細(xì)說明。第三章將展示恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)，把系統(tǒng)分為詳細(xì)的組成部件介紹后，再進(jìn)行整體系統(tǒng)的連接。進(jìn)行仿真，并分析風(fēng)速波動情況下的響應(yīng)特性。本文會于第四章將仿真中所展示的各個參數(shù)的響應(yīng)特性作相應(yīng)的解析，進(jìn)而概括風(fēng)力發(fā)電機組的特點，得出此次仿真的結(jié)論。2恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理概述2.1風(fēng)源2.1.1風(fēng)速模型REF_Ref9044\r\h[9]REF_Ref7832\r\h[10]REF_Ref9413\r\h[11]REF_Ref9723\r\h[12] 根據(jù)文獻(xiàn)把風(fēng)速分為4個分量，分別是基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)與隨機風(fēng)REF_Ref13225\r\h[8]。作用于葉片的風(fēng)速就由這四個分量疊加而成。1）基本風(fēng)取決于當(dāng)?shù)氐钠骄L(fēng)速，通常為穩(wěn)定值，作用于整個風(fēng)力發(fā)電的過程，所以仿真時取一常數(shù)，即（2-1）2）陣風(fēng)在該模型里呈正弦變化，但在PSCAD中沒有給出具體的算法，文獻(xiàn)[9]所給的數(shù)學(xué)表達(dá)式為（2-2）式中的為陣風(fēng)的最大值，Tgs為陣風(fēng)開始時間，Tge3）漸變風(fēng)的波形為一斜率大于0的上升的有起始時間的線段，根據(jù)文獻(xiàn)REF_Ref7832\r\h[10]和REF_Ref9413\r\h[11]給出的數(shù)學(xué)表達(dá)式：（2-3）4）根據(jù)文獻(xiàn)REF_Ref9723\r\h[12]給出的風(fēng)速隨機分量表達(dá)式為（2-4）其中（2-5） （2-6）其中，K為表面阻力系數(shù)；N為0-50的整數(shù)，表示概率密度函數(shù)計數(shù)器限值；為0-2π之內(nèi)的隨機變量；DW為噪聲幅值控制參數(shù)，一般取0.5-2.0；U為相對高度的平均風(fēng)速；F為紊流度。2.1.2風(fēng)能及風(fēng)能密度風(fēng)能產(chǎn)生的根本起因，是太陽輻射產(chǎn)生的熱能導(dǎo)致大氣受熱不均而產(chǎn)生水平氣壓梯度，從而驅(qū)動大氣運動。作為清潔能源之一，我國擁有極為豐富的風(fēng)能資源。風(fēng)能一般用風(fēng)能密度和可利用的風(fēng)能年累積小時數(shù)來衡量。風(fēng)能密度即空氣在單位時間內(nèi)以速度v流過單位面積所產(chǎn)生的動能。即：（2-7）風(fēng)能密度是衡量風(fēng)輪機做功的重要參數(shù)，由上式可以看出，風(fēng)速v越大，風(fēng)輪機捕捉到的風(fēng)能越大。2.2風(fēng)力機2.2.1貝茨定理REF_Ref16372\r\h[13]眾所周知，風(fēng)在通過葉片后不會失去其速度，這就意味著風(fēng)力機并不能將風(fēng)能百分百轉(zhuǎn)化為機械能。由此引出一個概念：貝茨定理（也稱為風(fēng)輪動量定理）。貝茨定理描述了風(fēng)作用在葉片上的力和來風(fēng)速度的關(guān)系，并由風(fēng)能利用系數(shù)來表示風(fēng)輪能夠?qū)娘L(fēng)里獲得的動能轉(zhuǎn)換多少機械能。在該定理中，假設(shè)有一理想風(fēng)力機，是沒有輪轂、有無窮多葉片的平面槳盤，氣流通過風(fēng)力機時不損耗，且氣流均勻流經(jīng)風(fēng)機掃掠面、風(fēng)機前后的氣流速度方向均沿著風(fēng)機軸線。圖2-1理想風(fēng)機氣動模型如圖2-1所示，設(shè)v1為通過風(fēng)機前方的風(fēng)速，v為通過風(fēng)輪的速度，v2為風(fēng)輪后面的速度，為風(fēng)輪機前的截面，S為風(fēng)輪截面積，為風(fēng)輪后的截面?？梢钥闯?，風(fēng)輪機吸收的動能應(yīng)為流經(jīng)風(fēng)輪機前到風(fēng)輪機后氣流動能的變化量。即（2-8）式中的m為單位時間內(nèi)流過風(fēng)輪截面的空氣質(zhì)量。（2-9）風(fēng)輪機單位時間獲得的動能同樣可以用風(fēng)作用在葉片上的力和風(fēng)輪截面處的風(fēng)速之積表示（2-10）將式（2-8）與式（2-10）合并，得到（2-11）根據(jù)流體動量定理，風(fēng)作用在葉片上的力相當(dāng)于單位時間內(nèi)通過風(fēng)輪機截面的氣流動量的變化（2-12）將式（2-11）和式（2-12）合并，得到（2-13）將式（2-13）代入式（2-8），得到（2-14）通常將v1看作已知值，則可以把W看成v2的函數(shù)。對v2（2-15）將式（2-15）代入式（2-14），可得風(fēng)輪機所能吸收的最大風(fēng)能（2-16）只有理想風(fēng)力機能獲得最大風(fēng)能。令單位時間內(nèi)風(fēng)輪機所獲得的風(fēng)能W與流經(jīng)風(fēng)輪機旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能Wm的比值為風(fēng)能利用系數(shù)（2-17）式中，Wm=1（2-18）2.2.2風(fēng)能利用系數(shù)C如圖2-2所示，風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比和槳距角有關(guān)。葉尖速比用以下公式描述：（2-19）圖2-2風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系風(fēng)速恒定時，葉片獲得的功率取決于風(fēng)能利用系數(shù)。若風(fēng)力機能在任意風(fēng)速下都運行于Cpmax上，則其輸出功率將有最大值。因此，當(dāng)風(fēng)機的葉尖速比等于最大風(fēng)能利用系數(shù)對應(yīng)的最佳葉尖速比，就可以使風(fēng)機在最大風(fēng)能利用系數(shù)下工作。此時，（2-20）2.2.3水平軸風(fēng)力機隨著風(fēng)電機組的發(fā)展，本著提高風(fēng)能利用規(guī)模和降低風(fēng)力發(fā)電成本的目標(biāo)，許多類型的風(fēng)電機組不斷被研發(fā)。因認(rèn)識逐漸深入、技術(shù)逐年成熟，目前風(fēng)電機組更趨于某幾種結(jié)構(gòu)。本文所要分析的就是現(xiàn)今大型風(fēng)力發(fā)電機組多采用的三槳葉水平軸風(fēng)力發(fā)電機組。大型三槳葉水平軸風(fēng)力機的外觀如圖2-3所示。風(fēng)輪能將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，風(fēng)作用在葉片上，驅(qū)動風(fēng)輪主軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)風(fēng)能與機械能的轉(zhuǎn)換。而旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪主軸經(jīng)由傳動系統(tǒng)帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，則將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能以供電能系統(tǒng)使用REF_Ref9994\r\h[14]。圖2-3風(fēng)力機外觀2.3風(fēng)力調(diào)速器風(fēng)力機的葉片分為定槳距和變槳距葉片兩種。定槳距葉片風(fēng)力機的槳葉槳距角不會隨著風(fēng)速變化而變化。定槳距調(diào)節(jié)需要滿足兩個要求：一是當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，葉片須能通過限速裝置將輸出功率限制在額定風(fēng)速附近；二是當(dāng)運行中的風(fēng)電機組甩負(fù)荷時，葉片必須能夠自行制動以安全停機。在額定風(fēng)速及以下范圍內(nèi)，風(fēng)能利用系數(shù)會偏離最大值，輸出功率有所下降。變槳距葉片風(fēng)力機的葉片槳距角可調(diào)節(jié)，并使風(fēng)能利用系數(shù)在額定風(fēng)速下也能保持較高的數(shù)值；由于恒速控制需要調(diào)速裝置來實現(xiàn)，風(fēng)力機一般會采用三類裝置REF_Ref10207\r\h[15]：一種是讓風(fēng)輪偏離風(fēng)向的偏航式，第二種是利用氣動阻力限速，第三種是采用變槳距角控制。除了可以控制轉(zhuǎn)速外，變槳距角調(diào)節(jié)還能減小各部件所承受的壓力，因而利用得更多的方法是第三種。變槳距角調(diào)節(jié)可以在風(fēng)速增大到超過額定風(fēng)速時，驅(qū)動葉片向迎風(fēng)面積減小的方向轉(zhuǎn)動一個角度，從而增大槳距角以限制功率。2.4傳動系統(tǒng)（齒輪箱）一般來說，風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)速滿足不了發(fā)電的要求:因為風(fēng)力發(fā)電機不希望重量太重，而且極對數(shù)應(yīng)盡量少，所以發(fā)電機的轉(zhuǎn)速較高（1500~3000r/min),由此必須由齒輪箱的增速作用實現(xiàn)升速以達(dá)到發(fā)電系統(tǒng)的需要。傳動系統(tǒng)是連接風(fēng)力機與發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，包括風(fēng)輪主軸、增速齒輪箱、齒輪箱輸出軸等，這些部件能傳遞風(fēng)力機產(chǎn)生的機械轉(zhuǎn)矩，同時變化轉(zhuǎn)速。其中，齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機組的重要部件，需要承受傳動過程中產(chǎn)生的載荷。設(shè)n、z分別為轉(zhuǎn)速、和齒數(shù)，下標(biāo)1、2分別表示主、從動齒輪，則有傳動比定義為（2-21）對于增速齒輪，有n1>n2。由于增速比數(shù)值通常較大，所以風(fēng)電齒輪箱多采用多級齒輪和行星齒輪增速箱。2.5異步交流發(fā)電機異步發(fā)電機，即異步電動機工作在發(fā)電機狀態(tài)。感應(yīng)籠形異步發(fā)電機是基于轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流和氣隙旋轉(zhuǎn)磁場互相作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換的一種交流發(fā)電機。發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、便于維護，應(yīng)用廣泛。根據(jù)異步電動機理論,三相對稱定子繞組中通入三相對稱交流電流，將會在發(fā)電機氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場，而旋轉(zhuǎn)磁場是使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原因。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速由頻率和極對數(shù)決定，即（2-22）為同步轉(zhuǎn)速。連接轉(zhuǎn)子和風(fēng)機，通過齒輪箱升速，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速，則電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子電流會改變方向，與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向反向。此時的轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，異步電動機處于發(fā)電狀態(tài)。由此可知，只有當(dāng)異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時，才能工作在發(fā)電機狀態(tài)。異步電機的不同運行狀態(tài)可以用轉(zhuǎn)差率s表示，發(fā)電功率隨轉(zhuǎn)差率的絕對值增大而增大，一般將絕對值控制在2%~5%間。通常使籠形異步交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)速處于1~1.052.4.2異步電動機的數(shù)學(xué)模型為了方便研究，建立異步電機模型時傾向于作如下假設(shè)：（1）忽略空間諧波，三相繞組在空間上的電角度互差120°；（2）忽略磁飽和及鐵芯損耗；（3）無需考慮頻率及溫度改變對繞組電阻的影響。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢（2-23）異步電機轉(zhuǎn)子的頻率、阻抗、電流和功率因數(shù)（2-24）（2-25）（2-26）（2-27）異步電機的機械特性可近似地表示為：（2-28）3恒頻恒速風(fēng)電系統(tǒng)的模型整個仿真模型按照以下思路建立：感應(yīng)發(fā)電機處于穩(wěn)態(tài)后將切換成“轉(zhuǎn)矩控制”模式；風(fēng)力機接收風(fēng)速信號vw、輪轂角速度ωH以及槳距角β，然后輸出轉(zhuǎn)矩T至發(fā)電機處，其中ωH由感應(yīng)發(fā)電機電氣角速度ω轉(zhuǎn)換為機械角速度，再由齒輪箱變比升速后得到；調(diào)速器接收感應(yīng)發(fā)電機給出的有功信號P，經(jīng)過計算后輸出相應(yīng)的槳距角圖3-1仿真模型連接關(guān)系3.1風(fēng)源模型3.1.1外部風(fēng)速輸入外部風(fēng)速Es實際為一滑塊,設(shè)定初始值為5m/s，在運行過程中可以調(diào)節(jié)風(fēng)速，以模擬風(fēng)速波動。圖3-2外部風(fēng)速輸入3.1.2風(fēng)源模型（WindSource）圖3-3風(fēng)源模型PSCAD的風(fēng)源模型如圖3-3所示?？梢钥闯觯四Ｐ桶凑账姆至糠▽︼L(fēng)速進(jìn)行分類。以下圖片將展示不同類型的風(fēng)作用時的風(fēng)速波形。當(dāng)只輸入風(fēng)速為10m/s的基本風(fēng)時，輸出的曲線為一直線，如圖3-4所示：圖3-4風(fēng)速輸出波形加入數(shù)量為1個的陣風(fēng)，參數(shù)設(shè)置為如圖3-5所示，在第3秒開始，發(fā)生時間為兩秒，風(fēng)速為1m/s。此時風(fēng)速輸出曲線會出現(xiàn)兩個相應(yīng)的正弦波形風(fēng)，如圖3-6所示。圖3-5陣風(fēng)參數(shù)設(shè)置圖3-6陣風(fēng)輸出波形添加漸變風(fēng)，參數(shù)設(shè)置如圖3-7所示。漸變風(fēng)于仿真第6秒開始，持續(xù)時間1秒，風(fēng)速為1m/s。加入漸變風(fēng)后，可以看到輸出上有一斜坡形狀的波形。圖3-7漸變風(fēng)參數(shù)設(shè)置圖3-8漸變風(fēng)輸出波形添加隨機風(fēng)，參數(shù)頁面如圖3-9所示。噪聲幅值控制參數(shù)取1.0；（表面阻力系數(shù)(SurfaceDragCoefficient)設(shè)置為0.0192；隨機數(shù)產(chǎn)生的時間間隔(TimeIntervalforRandomGeneration)即經(jīng)過該段時間后又會產(chǎn)生一組N個隨機數(shù)，設(shè)置為0.35s。圖3-9隨機風(fēng)參數(shù)設(shè)置圖3-10隨機風(fēng)輸出波形3.2風(fēng)力機模型（WindTurbine）REF_Ref4487\r\h[2]REF_Ref9723\r\h[12]REF_Ref17704\r\h[16]圖3-11風(fēng)力機模型本文所采用的模型為PSCAD中的風(fēng)力機MOD2模型，即三槳葉水平軸風(fēng)力機。該模型不考慮軸的動力學(xué)模型，可以和風(fēng)速調(diào)節(jié)器模型一起使用。風(fēng)力機在風(fēng)力發(fā)電機組中發(fā)揮著極其重要的作用，涉及到空氣動力學(xué)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)等多個學(xué)科。風(fēng)力機模型的輸入量分別為風(fēng)速Vw、發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)速ω和風(fēng)力機葉片槳距角β；輸出有風(fēng)力機轉(zhuǎn)矩Tm和功率P。風(fēng)力機的輪轂角速度需經(jīng)過齒輪箱升速為滿足發(fā)電機要求的機械角速度，因此有表達(dá)式：（3-1）式中，ω為發(fā)電機機械角速度；p為發(fā)電機極對數(shù)，在本模型中p為3；GR為齒輪箱增速比，在本模型中設(shè)定值為55。根據(jù)PSCAD給出的公式，風(fēng)力機的輸出功率（MW）為：（3-2）為風(fēng)速，為空氣密度，A為槳葉掃掠面積，為齒輪箱效率系數(shù)。根據(jù)前述理論，已知風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比和槳距角有關(guān)，本文采用文獻(xiàn)REF_Ref9723\r\h[12]所總結(jié)的表達(dá)式計算該模型的風(fēng)能利用系數(shù)，式中的β為槳距角：（3-3）式中的葉尖速比采用PSCAD相關(guān)幫助提供的表達(dá)式：（3-4）恒頻恒速風(fēng)力機的輸出轉(zhuǎn)矩采用以下公式：（3-5）3.3風(fēng)機調(diào)速器模型（WindTurbineGovernor)圖3-12風(fēng)機調(diào)速器元件顧名思義，風(fēng)機調(diào)速器的作用即控制風(fēng)力機的速度，不管在恒速還是變速風(fēng)力系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用。在恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)額定風(fēng)速小于現(xiàn)場風(fēng)速時，調(diào)速器會通過控制槳距角來調(diào)整葉片攻角以完成對輸出功率的限制，與此同時實現(xiàn)對速度的控制。在PSCAD中，選擇MOD2以適用于三槳葉水平軸風(fēng)力機的計算情況。為了可以更清楚地看到槳距角的變化，本模型在仿真開始后5s時采用變槳距角控制，在這之前使用定槳距角控制?，F(xiàn)采用一個單輸入比較器來傳遞允許系統(tǒng)變槳距控制的CNT時間信號。單輸入比較器將比較輸入信號與元件設(shè)定閾值的大小，并根據(jù)設(shè)定選擇輸出Highoutputlevel或Lowoutputlevel其中一個的值。圖3-14中，ThresholdInputValue設(shè)定閾值為5；輸出規(guī)則是若輸入值大于5，將輸出Highoutputlevel的設(shè)置值，反之則輸出Lowoutputlevel的值。當(dāng)時間TIME大于5s時，比較器將會輸出Highoutputlevel的值。圖3-13單輸入比較器部分圖3-14單輸入比較器參數(shù)設(shè)置從比較器輸出的CNT信號將作為雙輸入選擇器的Ctrl信號，此時該信號等于1。當(dāng)控制信號和ChannelASelectionValue的設(shè)定值相等時，通道A會連接至輸出；在這個模型里，ChannelASelectionValue設(shè)置為1。因此，當(dāng)時間到達(dá)5s秒后，單輸入比較器輸出1至雙輸入選擇器，此時選擇器的Ctrl信號與通道A設(shè)定值相等，-P將經(jīng)由通道A，作為風(fēng)力機的輸出功率Pg傳給調(diào)速器。圖3-15展示了調(diào)速器部分的模型搭建。圖3-15風(fēng)力機調(diào)速器模型調(diào)速器會根據(jù)傳遞函數(shù)把初始功率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的槳距角，圖3-8是MOD2對應(yīng)的控制框圖。在此控制框圖中，額定功率為1.44MW，計算得到相應(yīng)槳距角為16.35°。圖3-16調(diào)速器控制框圖傳遞函數(shù)中用到的參數(shù)及其數(shù)值有：比例增益Kp=6.2；積分增益Ki=6.2；調(diào)節(jié)器積分增益K4=0.1；Ratelimiter=10°。3.4風(fēng)力發(fā)電機模型（SquirrelCageInductionMachine） 恒頻恒速系統(tǒng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)速不隨風(fēng)速的變化而變化，而是維持在某個滿足輸出頻率達(dá)到電網(wǎng)要求的轉(zhuǎn)速上運行[3]。風(fēng)速變化時，維持轉(zhuǎn)速恒定的功能主要通過風(fēng)力機環(huán)節(jié)完成，采用籠型感應(yīng)電機以稍高于同步速的速度運行?？梢钥吹交\形感應(yīng)電機模型有三個輸入端口：在速度控制模式下，發(fā)電機將把W口輸入的數(shù)據(jù)作為轉(zhuǎn)速運行；S端口用于切換發(fā)電機的控制輸入，1為“速度控制”模式，0為“轉(zhuǎn)矩控制”模式；T端口則傳遞風(fēng)力發(fā)電機處產(chǎn)生的機械轉(zhuǎn)矩。電機模型的輸出實則為定子A、B、C三相電氣連接點，連接至電力系統(tǒng)處。圖3-17籠形感應(yīng)電機模型建模時，給予W口一個常數(shù)：1.01308，這個常數(shù)是額定功率為1.44MW下的電機轉(zhuǎn)速。通常發(fā)電機以“速度控制”模式起動，S口的時間信號設(shè)定為1s，即1s過后，單輸入比較器輸出“0”將“速度控制”切換成“轉(zhuǎn)矩控制”模式。圖3-10是電機的通用參數(shù)設(shè)置，其中電機的額定電壓有效值和額定電流有效值設(shè)置為230V和2.9kA。圖3-18發(fā)電機參數(shù)設(shè)置4仿真結(jié)果響應(yīng)特性的分析為了簡潔畫面且便于查看和分析信號的連接，本模型把風(fēng)力機及調(diào)速器整合到一自定義模塊處。建立好的恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型如圖4-1和圖4-2所示。圖4-1整體系統(tǒng)連接圖圖4-2自定義模塊風(fēng)力機部分4.1槳距角圖4-3是槳距角的響應(yīng)曲線?？梢钥吹綇牡?秒開始，在變槳距調(diào)節(jié)方式下，槳距角從初始值16.35°開始變化，直到減小到0°；由于運行過程中沒有出現(xiàn)輸出功率大于額定功率的情況，所以槳距角保持在0°不變，以保持最佳輸出功率；否則槳距角會增大以維持功率輸出在一個水平REF_Ref28271\r\h[17]。圖4-3槳距角響應(yīng)曲線4.2功率圖4-4發(fā)電機有功及無功響應(yīng)曲線如圖4-4所示，感應(yīng)發(fā)電機穩(wěn)定后向系統(tǒng)發(fā)出有功功率，從系統(tǒng)吸收無功功率，與實際情況相符；圖4-5是風(fēng)機輸出功率Pm的響應(yīng)曲線。圖4-5風(fēng)力機輸出有功功率4.3轉(zhuǎn)矩圖4-6為機械轉(zhuǎn)矩、電氣轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩。Tm為風(fēng)力機輸出的機械轉(zhuǎn)矩，由于輸出機械轉(zhuǎn)矩和風(fēng)速成圖4-6轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性4.4角速度如圖4-7所示，仿真出來的角速度標(biāo)幺值為定值。圖4-7角速度響應(yīng)特性5結(jié)束語恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電機在小容量、單機發(fā)電系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，其以系統(tǒng)簡單、可靠性高以及成本低的優(yōu)點使恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電率先發(fā)展，成為促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)興起的開端。本文對恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其基于PSCAD的仿真展開了一系列研究，主要完成的工作有：查閱并學(xué)習(xí)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)的基本理論，建立系統(tǒng)各個部分的數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)的連接關(guān)系。根據(jù)恒頻恒速風(fēng)電系統(tǒng)的基本原理建立仿真模型，利用PSCAD/EMTDC中的元件、模塊實現(xiàn)模型的搭建。模型由風(fēng)源、風(fēng)力機、風(fēng)機調(diào)速器、異步感應(yīng)發(fā)電機等元件構(gòu)成，其中風(fēng)力機和風(fēng)機調(diào)速器作為一個整體的自定義模塊，更利于觀察、分析。進(jìn)行仿真，展示系統(tǒng)運行后得到的重要變量的響應(yīng)特性。通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對恒頻恒速風(fēng)電系統(tǒng)有了初步的了解。由于時間的不充分以及筆者專業(yè)知識水平的限制，本文依然有值得深入研究和比較的地方等待被挖掘，比如討論在故障狀況下恒頻恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的表現(xiàn)，以及涉及更多類型的風(fēng)力發(fā)電機的對比，如當(dāng)下主流的變頻恒