毕业论文-基于异步电机风力发电系统并网控制

湖南大学毕业设计(论文)第页HUNANUNIVERSITY毕业设计(论文)设计论文题目：基于异步电机风力发电系统并网控制学生姓名：学生学号：专业班级：学院名称：电气与信息工程学院指导老师：学院院长：2015年05月20日摘要由于风力发电事业的不断发展，风电场的并网也变得越来越重要。而目前风电场的并网大多采用异步风力发电机。异步电机风力发电的并网运行会使电网的电能质量和稳定性降低。因此，研究风电场的并网运行对电力系统的影响成为了目前迫切需要解决的问题。本文以异步电机风力发电系统为主要研究对象，通过运用MATLAB软件对一个实例进行仿真，并对风电场与电网并网时对电力系统的影响进行分析，尤其对电力系统稳定性和电能质量的影响做了更深入的研究。首先建立了异步电机风力发电系统的动态数学模型，给后面的仿真分析建立了理论基础。其次，运用MATLAB软件对异步电机风力发电并网运行进行了动态仿真分析，并提出如何提高系统稳定性和电能质量的措施。关键词:异步电机风力发电系统，并网，电能质量，电压稳定性，MATLAB软件，动态仿真THECONTROLOFGRID-CONNECTEDASYNCHRONOUSWINDPOWERSYSTEMAbstractWiththeexpansionofthewindpowerbusiness,thegridinterconnectionofwindfarmhasbecomeincreasinglyimportant.Now,theinterconnectionofwindfarmisusedmostlyasynchronouswindpowergenerator.Asynchronousmotorofwindgenerationinpowersystemmakesthepowerqualityandstabilityofpowergridisreduced.Therefore,studytheeffectofwindfarmofparalleloperationofpowersystemhasbecomethecurrenturgenttosolvetheproblem.Thispaperisbasedonasynchronousmotorwindpowersystem,combiningwithaninstanceofwindfarmswithpowergridinterconnectionstudyoftheinfluenceoftheelectricpowersystem,especiallyforpowersystemstabilityandtheinfluenceofpowerqualitymadeamorein-depthstudybyusingMATLAB.Firstly,setuptheasynchronousmotordynamicmathematicalmodelofwindpowersystem,thislaidatheoreticalfoundationtothebackofthesimulation.Secondly,theMATLABsoftwareisappliedtoimplementtheasynchronousmotoroperationofgrid-connectedwindfarmsisadynamicsimulationprogramandtheareanalyzed,andputsforwardsomemeasuresabouthowtoimprovethesystemstabilityandpowerquality.KeyWords：asynchronouswindpowersystem，synchronizeandclose，powerquality，voltagestability，MATLAB；dynamicsimulation目录1绪论 11.1课题研究的背景和意义 11.2国内外风力发电的研究现况 11.2.1世界风力发电的研究现况 11.2.2国内风力发电的研究现况 21.3论文构成及研究内容 22风力发电系统的基础理论 42.1并网型风力发电概述 42.2异步电机发电系统 62.2.1并联结构形式 72.2.2串联结构形式 72.3异步风电机组并网简介 72.4异步风电并网面临的问题 82.4.1电压和频率稳定性问题 82.4.2引起的谐波问题 83异步风力发电系统基本模块与仿真 103.1前言 103.2风速的模型 103.3风力机模型 143.3.1风轮的模型 143.3.2传动系统的模型 153.3.3桨距角模型 163.4异步电机模型 173.5风电场的等值建模 194异步电机风电系统并网仿真前有关计算 214.1常规元件的数学模型 214.2系统设计及有关计算 224.3相关节点的处理 264.3.1同步电机节点处理 264.3.2异步电机节点处理 275异步电机风电系统并网运行仿真分析 295.1MATLAB仿真软件简介 295.2仿真实现方法 305.3仿真结果及分析 305.3.1在风速扰动的情况下的仿真结果 315.3.2当风电场与系统解列情况下的仿真 355.3.3风电场出口处发生短路故障时的仿真 376结论 42致谢 43参考文献 441绪论1.1课题研究的背景和意义众所周知，能源是我们国民经济建设和发展最为基础性的产业。而随着科学和经济的迅速发展，那些受人类依赖的化石能源（如天然气，煤炭，石油等不可再生能源）正在逐渐变少，最终会走向枯竭。人们大量使用这些化石能源而产生的大量的废气，废渣以及废水，已经不断地造成环境污染，也影响着人类日常的生活。目前，阻碍人类跟社会健康发展的两个最大难题就是：能源危机和环境污染。在环境污染和化石能源短缺日益严重的今天，充分利用和开发可再生能源是解决环境问题和能源问题最好的选择。风能是一种可以持续的,没有污染的清洁型能源[1]。跟其他可再生能源相比，风力发电技术最成熟而且规模最大。因此，风能日益受到人类的关注，而风力发电也成为了目前发展速度最快的能源利用方式。研究关于风力发电的问题具有很重要的意义和价值。在过去的二十年里，大规模风电控制技术也取得了令人惊叹的成就。尤其是从兆瓦级大型风电机组的投入运行以来，建设大规模风电场成为了可能。目前，风力发电在电网中已经占据了很大的重量，它的运行状况会直接影响电网的可靠性和安全性。除此以外，风能还有间歇性和随机性，这些特性使得它与常规发电机组有很大的差异。因此，为更加充分有效的利用风能，深入研究风力发电并网运行的相关问题是我们迫切需要的。1.2国内外风力发电的研究现况1.2.1世界风力发电的研究现况2005年年底，全球风力发电装机容量已经达到6000兆瓦。而自2005年以来，全球累计的装机容量持续每年的平均增长率是27.3%，新增装机容量的增长率是36.1%，是世界增长率最高的能源。2010年全球的装机容量高达196630兆瓦，而新增装机容量就有37642兆瓦，跟去年相比同期增长了23.6%[2]。目前在欧洲，西班牙、德国和意大利这三个国家的风电装机容量大概占了近65%。而英、法国、丹麦、奥地利、荷兰、葡萄牙、爱尔兰和瑞典等欧洲国家也在大力的发展风力发电产业。除了欧洲之外，还有其它州的国家也在发展风电，如美国、日本、中国、加拿大和印度等。世界上大约共有82个国家在积极开发并运用着风能。海上的风力资源条件比陆地上的要优越。在欧洲，把风电场从陆地搬到海上或近海的地方已经成为了一种新的发展趋势。风电的发展可以总结为三个步骤：一是目前的技术，陆地上的风电技术；二是正在研发的技术，近海的风电技术；三是未来的趋势，海上的风电技术。到2010年，美国的装机容量有明显的下降，使得美国年度装机容量第一次输给中国。很多东欧国家的风电发展都处于上升阶段，但是一些西欧国家却处于饱和状态。而在非洲，风电技术发展较好的主要集中在北非地区。1.2.2国内风力发电的研究现况自2003年以来，中国风电装机容量的年平均增长率已经达到70%以上。2009年年底，中国总的风电装机容量达2268万千瓦，已经并网运行的容量达到1767万千瓦，吊装容量的总量为2412万千瓦。在2010年，我国风力发电新增的装机容量超过2000万千瓦，而到2010年年底，已经超过美国，总装机容量高于4500万千瓦，跃居世界第一的位子。我国的风电产业有广阔的发展前景，主要有以下两个原因：一是由于中国的风力资源丰富，所以具有开发风电的潜力;二是因为我国政府的优惠政策和鼓励。根据国家气象局勘测，我国风能资源储存的总量约2.53亿千瓦，居世界第三位，前两名分别为美国和俄罗斯[3][4]。中国的风能资源主要分布在两个地带：一是内蒙古北部、新疆北部、甘肃以及松花江地带。二是山东、东南沿海地区以及辽宁沿海地区。1.3论文构成及研究内容本文主要内容安排如下：：介绍了课题研究的背景和意义，并介绍了国内外风力发电的研究现况。：主要介绍了并网型风力发电的相关知识和异步电机发电系统的类型。还阐述了异步风电机组并网的基本内容并对其面临的问题进行了分析。：建立了风速，风力机以及异步电机的动态模型并对其进行仿真。还讨论了风电机组的等值问题。第四章：对异步电机以外常规用的元件动态数学模型做了详细的介绍，其中包括同步发电，转速控制器以及励磁系统。还介绍动态仿真过程中每一环节的处理方法,比如对系统初值的计算方法以及网络方程的求解方法。第五章：简单的介绍了MATLAB仿真软件以及Simulink基础模块库。再对一个实例进行了仿真。第六章：总结了课题的各项工作，得出本课题的结论。2风力发电系统的基础理论2.1并网型风力发电概述风力发电机按是否与电网连接，可以分成并网型和离网型两大类。并网型发电机组跟电网连接，发电频率必须与电网频率一致。风电机组与电网并网时，能得到电网的补偿和支撑，这对开发风能资源有很大的帮助。并网型风力发电机组有以下优点：（1）占地面积小；（2）建设工期短；（3）可以做到无人值守。其不足之处为：（1）风力机效率低；（2）不能大量存储风能。并网型风力发电机组的能量转换过程为：风能→机械能→电能[5]。最后将把电能注入到电网中利用。可把它分成两个步骤。第一步，把风能转换成机械能，风力机吸收风能并将其转换成机械能。第二步，发电机将机械能转换成电能。除此之外传动轴、齿轮箱以及偏航装置和制动系统等也有很重要的作用。并网型发电机组可以采用恒速恒频和变速恒频两种。恒速恒频发电机组（如图2.1）一般都采用异步发电机组跟电网直接连接，发电频率跟电网频率一致，控制起来简单方便，不过转速不能调节，所以叶速比没法控制在风能最佳捕获点。图2.1恒速恒频风力发电系统恒速恒频风力发电机组又可分为变桨距调节和定桨距失速调节两类[6][7]。变桨距是为了更有效的利用风能，通过桨距调节，改变桨距角来调整输出功率。工作原理为：当风速小于额定值时，桨距角在零度附近，随着风速的变化发电机输出功率也会变化；当风速超过额定值时，变桨距通过调节桨距角使发电机输出功率保持在允许范围之内。主要优点是桨叶受力小，能捕获更多的风能，可有效的提高发电量。其主要不足之处是故障率高，结构复杂。定桨距是指轮毂与叶片连接在一起，其桨距角不变。失速性是指当风速超过额定值时，气流的攻角会达失速条件，产生涡流，从而控制输出功率和转速。其主要优点为调节控制简单。其不足之处是因叶片较重，使得机组整体效率下降。变速恒频是指随着风速的变化，发电机的转速也变化，再将其发出的电能转变为与电网相同频率的电能输送给电网。与恒速恒频风电机组相比，由于使用了电力电子装置连接电网与发电机，大大降低了对电网和传动链的冲击。因为转速和桨距角均可调节，所以把冲击限制到最小的程度。在运行时，如果控制方式不同会对转矩冲击有非常大的影响。而且叶片没有失速特性，浆距角跟转速不能同时控制，当遇到恶劣天气时，可能因控制不理想而导致传动链上产生很大的冲击。图2.2双馈感应发电机系统双馈感应发电系统（如图2.2）是目前发展最好的风力发电系统[8]。用变桨距调节其桨叶，定子直接与电网相连，而转子通过双向变频器与电网连接，从而实现功率双向的特性。变频器的成本较低，索取的容量较小。其主要缺点是控制系统复杂，可靠性低。2.2异步电机发电系统图2.3笼型异步电机发电系统笼型异步电机结构简单，可靠性强，因此得到了广泛的应用。它是一种可逆电机，这种电机成本低，实现起来方便。图2.3是笼型异步电机发电系统原理图。由风轮机、鼠笼型异步发电机、变压器、齿轮箱以及变流器等组成。此系统采用了笼型异步发电机。因为风速一直在变化，为使风能利用率最大，在额定风速左右，发电机进行调整。发电机控制方式有三种：转矩控制，功率控制和转速控制。一般采用转速控制的方法，通过检测转速和风速控制发电机的转速，从而改变风力机的输出功率。发电机输出的电能频率和电压都不是恒定值，因为随着风速的变化发电机转速在不断变化，所以不能直接并入电网中。因此需要用交-直-交变流系统改变电能的频率，使之与电网同频后可并网。控制原理如下：并网逆变器使直流侧电压保持恒定，并且控制有功功率的传输和功率因数。发电侧的变流器把直流电压转变成三相交流电，再与发电机定子绕组侧相连，能量传递方向是：交流侧→直流侧。根据发电机，变换器和负载之间的连接方式，将异步电机风电系统分为两大类：并联结构和串联结构。2.2.1并联结构形式图2.4并联型异步电机发电系统如图2.4所示，变换器在三相线上并联，交流负载与异步发电机出线端连接。这种发电系统的输出电压的偏移应满足三相负载频率的要求，所以原动机转速变化范围并不宽。当转速变化较大时，虽可以恒压输出，因频率变化比较大，所以没什么实际意义。2.2.2串联结构形式图2.5串联型异步电机发电系统串联结构是将变换器接在负载与异步发电机之间，变换器可以同时对有功功率和无功功率进行控制。在宽转速范围内，不管电机输出的电压频率怎么变化，PWM变换器负载侧是稳定的直流电。2.3异步风电机组并网简介异步风电机组的负荷是用转差率来调整，所以对调速精度的需求并不高，只需让转速接近同步转速就可以并网。异步风电机组控制装置比较简单，过载能力很强，成本也比较低，并网运行时非常稳定不会发生振荡和失步等现象。但它也有不足之处，主要表现为：风电机组直接与电网并网时，会产生很大的冲击电流，使得电压明显下降并对电网的安全造成危险；发电设备是异步发电机，本身不发出无功功率，它的运行需无功补偿，这使电网的无功负担明显加重；系统的电压过高时导致磁路饱和，并使得无功励磁电流和定子电流会大幅增加，从而无功功率因数会明显下降。不稳定系统的频率大幅上升使异步电机从发电机状态转变成电动机状态，相反如果不稳定系统的频率下降过大时，电流上升最终会导致过载。因此，异步风电系统并网必须严格按要求规划，设计和运行并采取有效措施保证安全运行。2.4异步风力发电系统并网面临的问题[9-12]2.4.1电压稳定性问题由于风电场输出功率会随着风速的变化而随机变化，因此大规模风电场并网时会引起系统稳定性的一系列问题。异步风电机组在运行时需要从电网吸收大量无功功率，这会引起电压波动而促使薄弱地区的电压不稳定，而这种连续的电压波动就会导致电能质量问题[13]。异步风力发电系统并网时一般采用直接并网的方式，测速装置给出并网信号，再合上自动空气开关完成并网。在极端装了无功功率补偿器，给系统提供并网时需要的激磁无功。电压稳定性问题主要包括静态稳定和动态稳定两大类。风力发电会降低动态稳定性而提高静态稳定性。当风电机组开始运行时，会吸收大量的无功，如果无功补偿不足，就会引起电压跌落，从而导致电压波动。如果机组的容量超过太多，引起的电压波动就会更大，因而会超出电网的允许范围。当风电机组停机后，需要的无功功率就会减少，容易导致电压水平偏高的问题。总之，风电场的并网对于电网的电压稳定性有很大的影响。2.4.2引起的谐波问题由于受到风能的随机性和间歇性的影响，风电机组的有功输出也不断变化，在电网中，频率的稳定问题也很明显。其主要表现有以下两个方面：有功功率的波动会引起频率变动；改变风电系统惯性时间常数会使频率波动速度明显增加。在电网中，谐波是指电流或电压的频率大于基波频率的整数倍。风力发电系统中谐波的产生取决于大功率变换器或非线性负载。其中各种电力电子装置中蒸馏装置是最主要的谐波源之一，它会产生严重的谐波污染并消耗大量的无功功率。风力发电系统并网中谐波问题会造成电能质量的问题。风电机组机身产生的谐波是可以忽略不计的，而不管风电机组的类型如何，其中的电力电子元件就是产生谐波电流的真正来源。在发电机断开，三相短路故障以及风速扰动下，系统会产生大幅度频率波动。而对于大型电网，由于它有足够的备用容量和较好的调节能力，所以一般不考虑频率稳定性的问题。3异步风力发电系统基本模块与仿真3.1前言分析一个风电系统动态特性必需要建立一个严格的数学模型。由于风力发电系统涉及了多种复杂的学科，所以对它进行准确的描述非常艰难，可根据侧重点的不同，可对相对次的地方做简化处理。通过动态模型反映风电系统随风速，风向和各种扰动引起的动态过程。因此，分析大规模风电场的并网时，建立一个严格并合理的动态模型是至关重要的[14]。大规模直接并网的异步风电系统的组成又以下四种[15]：1.风速因空气的流动而带动风力机叶片而产生的能量叫做风能。风速作为风电系统的原动力具有间歇性和随机性。风轮风力机是捕获风能并将其转换成机械能的装置。主要由叶片，齿轮箱，轮毂和联轴器等部分组成。跟异步发电机连接，转动惯量很大。它是并网型异步风电机用来能量转换的最重要的部分之一。异步发电机异步发电机常用在直接并网的风电系统中。异步发电机的作用是把机械能转换成电能。要实现从风能到电能的转变，风力机跟异步发电机一个都不能少。补偿电容器组通常，异步发电机机端必须装有补偿电容器组。其作用是随着风功率的变化而自动投切，为异步电机提供激磁无功，使它的功率因数升高。3.2风速的模型由于风速是随机的而且不可控制，所以风力发电机组一直遭受大扰动，这对电力系统以及机组本身都有不小的影响。所以，需要建立风速模型，对风速的变化进行模拟，并研究系统的性能。风速模型一般采用四个分量模型，分别为基本风，阵风，阶跃风跟随机风。可以用下面公式表达：(3.1)1.是基本风分量基本风在风力机运行过程中会一直存在，表示风速模型的平均值，由威布尔分布的数学期望值可以得到以下公式：(3.2)其中，是基本风速；A是威布尔尺度参数；K是尺度参数。2.为阵风分量阵风用来表示风速突然变化的特性，其数学模型为如下：(3.3)其中，表示阵风的峰值风速；和分别表示阵风起始时间和持续时间。3.为阶跃风分量表示风速的渐变特性。其数学模型为：（3.4）其中:—阶跃风的启动时间；—终止时间；—保持时间；—阶跃风的峰值。4.为随机风分量风速的随机性通常都用随机噪声风分量表示。根据以上公式可以建立风速的仿真模型，如下图所示：图3.1风速的仿真图5.典型风速的仿真a.基本风+阶跃风基本风的风速=10m/s,阶跃风的=6m/s，=2s，=5s,仿真时间为10s。仿真结果如图3.2所示。图3.2基本风+阶跃风仿真图b.基本风+阵风基本风的风速=10m/s，阵风的=6m/s，=2s,=3s。仿真运行时间10s，仿真图如图3.3所示。图3.3基本风+阵风仿真图c.基本风+随机风基本风的风速=10m/s,运行时间为10s。仿真图如图3.4所示。图3.4基本风+随机风仿真图d.基本风+阵风+阶跃风+随机风仿真图如图3.5所示。图3.5风速仿真结果图3.3风力机模型3.3.1风轮的模型[16]风轮是用来吸收风能，并把风能转换成机械能的装置，它作为空气动力学系统是很复杂的，一般有三个叶片。在从风能转换成机械能的过程中，风力机的作用不能小觑，它决定了风电机组的转换效率。要建立风轮模型需运用叶素—动量理论。不过这种模型要知道三个叶片上风速的具体分布和叶片叶型的主要参数，其计算非常复杂。如果把风力发电系统的发电表现作为重点，可以得到风力机的风功率方程式。(3.5）式中:—风力机的机械转矩；—风轮半径；—空气密度；—来流风速；—风轮旋转角速度。关于计算风力机转换效率系数的公式通常采用:（3.6)式中，是风轮叶尖速比，，其中是风力机转速，R是叶片半径；是桨距角。根据以上建立风轮仿真模型如下图3.6所示。图3.6风轮机仿真模型3.3.2传动系统的模型一般不是直驱式的风力发电机的传动系统都由齿轮箱，低速轴，高速轴和风轮转子以及发电机转子构成，也可以说由传动轴、齿轮箱和轮毂组成。轮毂的作用是连接齿轮箱和叶片，它具有很大的惯性，将其两边的转矩用一阶惯性环节模拟，则风轮的运动方程为（3.7）其中：—轮毂惯性时间常数；—齿轮箱输入侧转矩；—风力机叶片输出侧转矩。异步发电机和风力机之间的转矩是通过联轴器和齿轮箱来传递，其运动方程为（3.8）其中：—齿轮箱输入侧转矩；—齿轮箱输出侧转矩；—风力机机械角速度；—齿轮箱惯性时间常数。一般我们认为风力机转速是恒定不变的，所以有。传动系统的动作方程为(3.9)其中：—风力机惯性时间常数；—异步发电机输入侧转矩；—风力机叶片输出转矩。3.3.3桨距角模型[16]风能转换效率系数是叶尖速比跟桨距角的函数，而风轮机运行点会随着风速的变化而不断变化。因此要对风轮机进行调整，才能保证风轮机的平稳输出，风速的转换效率也得到改善。风轮机主要有变桨距和定桨距两种调节方式。定桨距是指叶片跟轮毂固定安装在一起，因此桨距角也固定不变。而变桨距是根据风速的变化，风能控制系统会通过调节并改变桨距角的大小调节输出电功率，这样会明显提高风能的利用率。采用定桨距调节方法，当风速为额定值时，风能利用系数的值不是最大值，就是说风速在到达额定值之前风能利用系数就已经达最大值，而风速继续升高到额定值时，风能利用系数就会下降，导致与最大值有很大的偏差。所以，定桨距风力发电机的运行效率比较低。变桨距调节方式却不同，它通过调整桨距角从而提高风能利用率，在风速低于额定值时风力机会跟踪风能利用系数的最大值，而风速高于额定值时输出功率会恒定不变，因此，发电量也会有明显的提高。下面介绍一种变桨距是用转速来控制的模型。它的原理是通过风力转速的偏差来调节。其运动方程为：（3.10）其中:—增益系数；—调节装置惯性时间常数；—风力机转速偏差，。3.4异步电机模型[17]本文建立的异步发电机数学模型是用三阶暂态模型表示的。异步发电机暂态方程只考虑转子绕组的暂态，而定子绕组暂态是直接可以忽略的。电压方程为：（3.11）其中，d、q表示定子方程，D、Q表示转子方程；表示定子的电阻表幺值，表示转子的电阻表幺值；D、d表示直轴量，Q、q表示交轴量，Q轴超前D轴；是微分算子。磁链方程为：(3.12）式中，是激磁电抗标幺值；是定子漏抗标幺值；是转子漏抗标幺值。异步发电机暂态方程为：（3.13）而在同步速坐标系下异步电机暂态方程为：（3.14）其中，s表示异步发电机滑差。发电机转子运动方程为：（3.15）其中：—电磁转矩；—机械转矩；—发电机转子惯性时间常数。异步电机电磁转矩方程如下：（3.16）式中，—定子电流的共轭；—输入到异步电机机械转矩；—输出电磁转矩。3.7电容补偿器如上图所示为异步发电机的电容补偿器的模型，这种电容器与异步发电机极端并联，为异步电机提供部分的激磁无功功率，并使功率因数提高。由上图可知其功率关系为：(3.17)其中：—异步电机自身吸收的无功；—异步电机实际吸收无功的；—电容器补偿的无功。安装补偿电容器后，异步发电机从电网吸收的无功功率明显减小。从而可知，补偿电容器有助于提高异步发电机的功率因数。由于机端与补偿电容器相连，所以异步风电系统注入到电网的电流为。3.5风电场的等值建模[18]风电场的迅速发展对电力系统的稳定性有非常显著的影响。风电场一般包括很多台风电机组，容量非常大，如果对每一台风电机组都进行建模，会导致仿真计算量太大，时间也较长，会严重影响仿真效率。所以研究风电机组对电网动态特性的影响时，不需要对单台机组进行仿真，通常将由多台风电机组组合成一整体进行等值建模。目前，有以下几种等值方法：（1）按优化算法等值一般情况下，风电场等值模型能反映风力发电机组并网时的稳定和电网的功率损耗。而风力发电场的一些等值参数不能完全表示出风电场的输入和输出之间的关系。所以采用优化算法来等值计算。（2）按容量加权等值这是相对简单的等值方法。假如忽略了电网中风电场的功率损耗，可以把所有风电机组看作是接在同一个母线上。因此可以根据容量加权法，把所有发电机组看作是一台风电机组。等值前要保证所有的发电机组要连接在同一条母线上，并且还要忽略电网中所有的风速缝补和功率损耗。但实际情况下，因风力机所受到的风速的强度不同，从而会造成误差。（3）采用摄动法进行等值这种等值方法是通过对风力机组进行降阶的等值方法。指的是把整个风电机组的变化分为慢变化和快变化，快变化的状态变量可以忽略，从而得到用慢变化的状态变量来表示风力发电机的模型。这种方法仿真时间较长，精度不高。（4）采用在线测量法等值这种方法是通过对风电场的等值参数进行辨别从而得到理想的等值参数。根据风电场中异步电机的模型，可以完成发电机阻抗，惯性时间常数以及滑差的动态等值模型。不过这种方法因只考虑了风电场的机械特性，导致风电场等值模型的精度不够。不同类型的风电场所用的等值方法都不同，而风电场的动态等值模型能都能准确无误的表示出风电场在扰动和稳定情况下的行为。本文重点研究风电场与电网连接在一起后所引起的电压稳定性以及电能质量等方面的影响。所以仿真时应忽略机组之间的相互作用，并将风电场看作是电网中的一个独立的元件。建立风电机组等值模型的条件是假定它们在同样风速下运行，并且被等值的风电机组要有相同的型号。因此，把整个风电场中所有相同型号的风电机划分为一个机群，再将每个机群等值为一台风电机。如果一个等值风电机包含有n台风电机，那么各等值参数的计算公式如下：(3.17)其中，和分别表示异步发电机转子的暂态时间常数和惯性时间常数，标有（n）的是等值机组的参数。4异步电机风电系统并网仿真前有关计算4.1常规元件的数学模型在电力系统中，风电场的动态仿真程序都包含以下四种：异步电机风电机组、同步发电机、转速控制器和励磁系统。（1）同步电机模型假设为转子q轴跟参考轴间的电角度；是同步电机惯性时间常数；是同步电机输入的机械转矩；为同步电机输出的电磁转矩；为d轴开路暂态时间常数；是发电机转子角速度；是发电机的同步转速；是发电机直轴同步电抗；为暂态电抗；是历次电势；是q轴暂态电势；是定子电流直轴分量；而D则是转子的阻尼系数。因此其三阶暂态模型[19]为：（4.1）而它的定子电压方程为：（4.2）式中，、分别是定子电压直轴，交轴的分量；是定子电流交轴分量；表示交轴同步电抗；是定子电阻。（2）转速控制器假设发电机转子角速度为；同步转速为=1；比例环节增益和积分换届增益分别为和；是失灵区；而一阶惯性环节系数表示为。则转速控制器的简单模型如下图4.1所示。图4.1转速控制器框图（3）励磁系统模型励磁系统的作用是给发电机提供励磁功率，调节电压，并使发电机端电压保持恒定不变[19]。如图4.2所示。图4.2静止励磁系统图中的，和表示超前和之后环节系数；是励磁系统的参考电压；而是发电机端电压；是励磁电压限制幅值；和是惯性放大环节的有关系数。4.2系统设计及有关计算[20]同步发电机，负荷以及异步发电机的初值计算是在做动态仿真之前必须要做的。下面分别对其进行计算。（1）同步发电机初值的计算同步发电机注入电流系统的电流为如下：(4.3）其中，下标为x和y表示的是同步速坐标下的值。表示极端电压的共轭，而各机端电压为。各发电机注入系统中的功率为，则表示发电机注入功率。从而可以求出：(4.4)式中，表示虚构电势；表示发电机定子电流；表示交轴同步电抗。从上式可以求出转子攻角的初值：（4.5）如果系统运行在稳态时，即发电机的转速是以同步速旋转。发电子定子的电压d、q分量的表达式为：（4.6）而定子电流的d、q分量的表达式为：(4.7)暂态电势q轴分量的值为：（4.8）而励磁电压的初值可求出：（4.9）假设表示的是极端电压初值的幅值，则参考电压为：(4.10)发电机电磁功率的公式如下：（4.11）式中，表示原动机机械功率，系统运行于稳态时原动机机械功率与发电机机械功率相等。（2）负荷的初值计算负荷等值导纳的表达式为：(4.12)式中，表示负荷节点电压；是负荷吸收的功率；则表示负荷吸收功率的共轭。此等值导纳在整个仿真过程中保持不变，属于恒定的阻抗模拟负荷。（3）异步发电机初值计算如图4.3所示，异步发电机运行后会发出无功而会吸收大量无功，因此在仿真过程中可看作是动态负荷，其有功是负值。图4.3异步发电机与电力系统连接其中，是暂态电抗；是暂态电势；表示钉子电阻；表示极端补偿电容器；表示的是阻抗归算系数；Q是吸收的无功。可得下面的公式：(4.13)式中，；；是有名值。稳态运行时，。因此可得：(4.14)（4.15）式中，表示等值暂态电流；则表示等值暂态电势；是稳态时的端电压。从以上两个式子解得：(4.16)其中：（4.17）再由公式：（4.18）可得：（4.19）因此可得求解的公式：（4.20）电磁转矩初值为：（4.21）（4）风电机组动态仿真如图4.4所示：图4.4动态仿真程序图4.3相关节点的处理假设和是个节电的电压和电流；是状态变量；是网络节点导纳矩阵。则可得网络方程：(4.22)此方程是用导纳矩阵表示的，表示节点电流，它由异步电机定子电压方程、负荷功率方程和同步定子电压方程等决定。处理系统各个元件的节点的问题是求解网络方程最为关键的过程。4.3.1同步电机节点处理可写出同步发电机定子的电压方程的矩阵形式为：（4.23）将d、q轴分量转换成x、y轴分量，可得：（4.24）有上式解出：（4.25）式中：（4.26）经过一系列移项合并解得发电机节点注入电流：（4.27）式中，应该提前解出和的值；下标有和的典雅和电流会随着时间的变化而变化。4.3.2异步电机节点处理异步发电机的定子电压方程式的矩阵形式为：（4.28）其中，。解得：（4.29）将上式中导纳矩阵元素修正为自导钠元素，并需提前解出和及的值，则可得其注入电流的表达式：（4.30）因用恒定的阻抗来替代负荷，其注入电流的方程为：（4.31）5异步电机风电系统并网运行仿真分析5.1MATLAB仿真软件简介MATLAB是矩阵实验室的简称，它有很强的数学计算，文字处理，专业的符号计算，建模仿真和实时控制等诸多能力。它基本的数据单位是矩阵，而它指令的表达式与工程和数学上经常用到的形式极其相似，所以用MATLAB来解决一些问题非常简单方便。MATLAB的适用范围也十分广泛，主要包括通讯，测量和测试，信号或图像处理器，控制系统设计以及计算生物学等领域。MATLAB主要特点有以下：（1）用起来简单方便，语言简洁，库函数非常丰富（2）运算符也很丰富，语法限制不是很严格。（3）图形功能很强大，工具箱的功能也很强劲。（4）与其他高级程序相比，MATLAB执行程序的速度比较慢等。图5.1Simulink浏览器Simulink基本模块库是MATLAB的一个附加组件，它的功能是对动态系统进行建模，仿真并对其分析，它还提供了很多仿真模块。Simulink仿真和分析的主要步骤为如下：先从模块库中选出需要的进本模块，再把模块连接起来建立成为结构图，并设置器仿真的参数，最后进行仿真并分析其仿真结果。Simulink的基本模块库浏览器如图5.1所示为。5.2仿真实现方法基于异步发电机风力发电系统的并网仿真须以下几个步骤来完成：（1）首先通过M文件录入原始数据。主要包括同步发电机的参数，异步发电机的系数，励磁系统的参数，转速控制器的参数，风力机参数，风速模型的参数以及系统各节点的电压信息和支路信息等。（2）对风电场进行潮流计算，这个也通过M文件来完成。（3）对系统各元件进行初值计算，其中包括对风速，同步发电机，风力机，异步发电机，励磁系统等进行计算。（4）最后是对其计算动态仿真计算。图5.2单一仿真步长内各元件变量传递关系图5.2中，同步发电机模块用S函数来实现其三阶模型；Simulink模块库主要是用来实现励磁系统、传动装置和转速控制器的模块；异步发电机模块同样用S函数来实现其三阶模型。S函数还用来实现风速模型以及求解整个网络代数方程。5.3仿真结果及分析下面列举一个实例并对其进行仿真与分析。如图5.3所示。风电场接于电网的末端，选用的异步电机容量为600千瓦。图5.3典型风电机并网接线图5.3.1在风速扰动的情况下的仿真结果（1）风速为阵风时的仿真分析如果阵风启动时间为为1s,持续时间为5s,阵风的峰值风速为6m/s，仿真时间为10s时的仿真结果如下：图5.4.1风速仿真图图5.4.1风速仿真图图5.4.1阵风风速仿真图图5.4.2阵风电压仿真图图5.4.1阵风风速仿真图图5.4.2阵风电压仿真图图5.4.3阵风有功功率仿真图图5.4.4阵风无功功率仿真图由上图可知，阵风的情况下没有导致风电机组停机，风速初始值保持在风速额定值附近。还可看出，随着风速的增加有功功率会增加，而风速下降时也会跟着下降，他们之间有时间上的滞后。如果有功功率上升时，无功功率也会上升，从而导致电压的下降。图5.4.3阵风有功功率仿真图图5.4.4阵风无功功率仿真图而同步电机的有功和无功的仿真图如下所示：图5.4.5同步电机有功功率图5.4.6同步电机无功功率图5.4.5同步电机有功功率图5.4.6同步电机无功功率由图可知，同步电机的有功功率和无功功率的变化与风电场是正好相反的，这正好满足功率平衡。假设阵风的峰值风速为10m/s时的仿真如为：图5.5.1阵风风速仿真图图5.5.2阵风电压仿真图图5.5.1阵风风速仿真图图5.5.2阵风电压仿真图图5.5.3阵风有功功率仿真图图5.5.4阵风无功功率仿真图图5.5.3阵风有功功率仿真图图5.5.4阵风无功功率仿真图分析可知，在3s左右的时候风速已经超过了切机风速，因此风力机需要停机。在这之前，随着风速的增加有功功率和无功功率都会增加，从而电压会减小。而停机之后有功和无功都会下降，电压就会上升。（2）风速为阶跃风是的仿真假设阶跃风的启动、终止、保持时间分别为1s、6s、4s，峰值为6m/s时仿真图为：图5.6.1阶跃风风速仿真图图5.6.2阶跃风电压仿真图图5.6.1阶跃风风速仿真图图5.6.2阶跃风电压仿真图图5.6.3阶跃风有功功率仿真图图5.6.3阶跃风无功功率仿真图图5.6.3阶跃风有功功率仿真图图5.6.3阶跃风无功功率仿真图从上图可看出，随着风速的增加有功和无功功率都会上升，而电压就会下降。当峰值为10m/s是仿真图如下图：图5.7.1阶跃风风速仿真图图5.7.2阶跃风电压仿真图图5.7.1阶跃风风速仿真图图5.7.2阶跃风电压仿真图图5.7.3阶跃风有功功率仿真图图5.7.4阶跃风无功功率仿真图从风速曲线可看出，在5.5s左右风速的值超过了切机风速，从而导致风力机停机。在这之前，风速