风力机功率控制

/双馈异步发电风力机功率控制设计摘要新能源的分类：（1）太阳能：新能源太阳能一般指太阳光的辐射能量。太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。(2)核能:核能是通过转化其质量从原子核释放的能量,符合阿尔伯特·爱因斯坦的方程e=ｍc＾2;，其中e=能量，ｍ=质量，c=光速常量。（3)海洋能：海洋能指蕴藏于海水中的各种新能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能等。(4）风能:风能是太阳辐射下流动所形成的新能源.风能与其他能源相比,具有明显的优势，它蕴藏量大，是水能的１0倍，分布广泛，永不枯竭，对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要。风力发电,是当代人利用风能最常见的形式,自19世纪末，丹麦研制成风力发电机以来，人们认识到石油等能源会枯竭，才重视风能的发展.（5）生物质能：生物质能来源于生物质，也是太阳能以化学能形式贮存于生物中的一种新能源,它直接或间接地来源于植物的光合作用。(６)地热能：地球内部热源可来自重力分异、潮汐摩擦、化学反应和放射性元素衰变释放的能量等。随着能源危机和环境问题的加剧，能源缺乏和环境污染是目前人类生存、发展必须解决的紧迫问题。常规能源不但资源有限,而且容易造成环境污染。风能是太阳能的一种转化形式,是一种不产生任何污染物的可再生能源.因此,风能的开发利用受到各国研究者的高度重视。风力发电机的主要类型有：笼型异步发电机，绕线式双馈异步发电机,永磁同步发电机,电励磁同步发电机等。双馈异步电机,所谓双馈，可以理解为定子、转子同时可以发出电能,发电机原理理论上说只要有动力带动电动机，在电动机的定子侧就能直接发出电能.现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩(即风轮转动惯量)，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网.如果超过发电机同步转速,转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。双馈异步发电机（DFIG）因其变频器容量小、安全可靠的优势,已成为变速恒频风力发电技术中的主流机型。长期以来矢量控制（vＣ)一直是商业化双馈风力发电系统的主要控制策略，但近年来直接功率控制策略(DＰＣ)因其良好的动态性能，控制结构简单，并能在电网电压不平衡的条件下都能保持有功功率和无功功率恒定的优点受到越来越多的关注。 ﻩﻩ ﻩ ﻩ ﻩﻩ ﻩ ﻩﻩ ﻩ ﻩ ﻩ ﻩ ﻩ ﻩ ﻩﻩﻩ ﻩ ﻩﻩ ﻩ ﻩﻩﻩﻩﻩﻩ ﻩ ﻩ ﻩ AｂｓtacｔCｌassifiｃationofnewenergyｓources:（1）soｌareｎerｇy：nｅｗenｅｒgysｏlareneｒｇｙｇｅnｅrallｙreｆerｓtosoｌarraｄiａtionenergy。Theｍａinuseｏfsolareｎergyintｈｅfoｒｍofaｐhotoｅlectrｉｃconvｅrsioｎoｆsolarenerｇｙphotothｅrmalｃonveｒｓion，ａndcoｎｖersｉｏnoftｈrｅekiｎdsｏfｍainwａysoｆphｏtｏchemisｔry。(2）:nuｃlearｅnergyisobtainｅｄbｙｔrａnsfｏrmiｎgitｓquａliｔyfroｍnucleiｒｅleａsｅeｎergy，toｃｏmplｙｗｉｔhtｈeAlbｅrtEinｓtｅｉｎｅ＝mc^2equaｔｉon;eｎergｙ，ｗhereｉｎｅ=，m=quaｌity，c=speeｄconｓtant.（3)theｏceanｅneｒgy:oｃeanｅｎｅrgyrefersｔｏvariousｎeｗenergyconｔainｅdinseawaｔｅr,includiｎgtidalenergy,waveenergy，ocｅａnｃuｒrenteｎeｒｇy，oceaｎｔhermaｌｅnergy,seａwatｅrｓalinｉｔygradienｔenerｇyｅｔc。。（4)ｔhewｉndeｎergy:wｉndｅnergｙisaneweｎｅrｇyｆlｏwthatfｏrmedｕｎdeｒｓolaｒradiａtｉon.Winｄｅnergycｏｍpareｄwithｏtｈerenｅrｇysources，hasobviousadｖantages，iｔshugereseｒvｅs，is10tｉmesoｆｗateｒ，wｉdelydistｒｉbuted，ｉnexｈaｕstibｌe，isparticuｌaｒlyｉmportａntforthｅinｃｏnvｅnienceoｆｔrafｆｉｃ,awaｙfromtｈeｍaiｎgridiｓlａndsandremｏteareａs。Wiｎｄpoweｒｇｅneｒａtｉon，isthｅcｏntemporarｙpeoｐｌeusｅｔhｅmosｔcommoｎforｍｏfwｉndｅnergy,sｉnceｔheeｎdofthenｉnｅteenthCｅnｔｕry,sincetheDanishｒesearｃｈintowindｐowｅrgeneratoｒ，peｏpleｒeａlizｅｔｈｅoｉlandｏthｅreneｒgywillbeexｈａｕsｔｅｄ,oｎlypａyａtｔenｔiｏntoｔhｅdevelｏpｍentofｗindenｅrgy。(5）ｂｉoｍaｓs：biｏmassenｅｒgyfｒombiomass，ｉsalsoafｏrｍofｓｏｌａrenergytochemicaｌenergystｏreｄinａｎeweｎergyinbｉｏlｏgｙ,ｉtdｉrecｔlyoｒindｉｒectlyfromtheｐｈotｏsynｔhesisｏfplants。（6)geｏtheｒmaleneｒgy：iｎtｅrnaｌhｅatsourcecａnbeｄｅｒiｖeｄfｒomtheearthｇravｉtyandtidalfrictiｏn，ｃhemicａlreactioｎandｒeleａｓeｏfenｅrgｙdｅcayｏfradｉoactｉｖeelｅmｅnts.Witｈtheeneｒgyｃrisｉsandｅnvironｍentalｐroｂｌemsintenｓified，ｔheｓhortageofｅneｒgｙaｎｄｅnｖｉronｍeｎtａｌpoｌlutionisａpｒessｉngpｒｏblｅｍtｈatmustbeｓoｌｖｅdａtpresentforhumansurｖivaｌａnｄｄevｅlｏpｍeｎｔ．Conｖeｎtiｏnａｌenergｙresourｃesnｏtｏnlyｌimitｅdｒesources,buｔalsoｅaｓｙtocaｕseenvｉronｍenｔalｐolluｔion．Ｗindｅnergyisaｔrａnｓfoｒmaｔionofsｏlarｅneｒｇy,isonｅkinｄdoesnothａｖeaｎypollutionｒenewableenergy。Tｈerefore，ｔhedｅvelopｍenｔanduｔiｌizａtiｏｎofｗindenergyｉsｈｉｇhｌｙregardedｂymａnｙrｅｓeａｒｃhｅｒｓ.Thｅmainｔｙpｅｏｆwinｄ:squirｒelcagｅｉnductiongeneｒａtor，doublyｆedｉndｕｃtioｎｇeｎeｒａtoｒwinding，permaneｎtmagnetｓynｃhrｏnousgeneratｏr,elｅctricalｅxcｉtationｓyｎｃhronousgeneｒaｔoｒ．Dｏｕｂlyfedinｄuｃtｉoｎmotoｒ，thｅso-cａｌleｄdｏublefｅｅd,cａnbeｕndｅrstoodasthestaｔorａnｄrotorｃanalsoproduceelecｔｒicｉtyenergyｇeｎeratｏｒpriｎｃｉplｅｔｈeoryasloｎgastｈepoｗｅrtｏｄrivethemotorｉntheｓｔatorsｉdeｃanmｏtoｒdirecteleｃｔｒiceｎergyｃａnbegeｎeratｅd．Tｈewｏrkｉngprincipleｏfｔhemoderｎｖariable-spｅeddoubｌyｆedwindpowergeneraｔoriｓthrouｇhtheiｍpellｅｒwｉlｌwindiｎtoｍｅchanicaｌｔｏrque（ｉ。e。ｗinｄwｈeelｍomeｎtｏｆｉｎｅrtiａ)，throughｔheｍａinｄｒivechａin,tｈrｏｕghｔhegeaｒgeaｒbｏｘｔotｈerotaｔionaｌspeedoftｈeｉndｕcｔiongeneｒaｔor,throuｇhtheexcｉtationconvｅrterexcｉtatｉｏnａｎｄthｅstatorpoｗｅｒintoｔｈegridｇenerａtor．Ifmｏrethaｎｔｈegenｅｒatｏrsyncｈronｏusｓpeed,tｈerｏtorｉsｉnthesｔatｅｏfｐower，feedtｏtｈegridｔhｒouｇhｔheconverｔeｒ.Ｄouｂlyfeｄiｎductiongenerａｔｏr（DFＩG）ｂｅcausｅofthｅinｖerｔerｃapacityｉssmalｌ,safeanｄreliableａdvantａges,hasｂｅcometｈeｍａiｎstreamｍodeｌofVＳCFwiｎdpｏwｅrｇenｅratiｏｎtechnologｙ.Longtｅｒmsinｃｅvecｔorcontroｌ（ｖＣ)haｓｂeenthemainbusinｅssｏfcontrolｓｔrａtegｙofdouｂlyｆedｗindpｏwergｅnerationｓystem，bｕtｉnｒecｅntyeａrs，tｈedirecｔpoｗercontrolstrategy（DPC）bｅcauseofitsgoｏddynamicｐerfoｒmaｎce，siｍpleｃｏnｔrolstｒｕcture,andcankeepｔheaｃtivepowerａndreactiｖｅpoｗｅrconstanthasbeenmｏreaｎdmoreunderｕnbalａnｃedgridvｏlｔａgeｕndeｒｔhｅconditionofａttentiｏｎ．TOC＼o”1－４”\ｈ＼ｕHYPEＲＬINK\ｌ_Toc1615４双馈异步发电风力机功率控制设计ﻩPAＧEREF_Toc１６１5４12393５摘要ﻩＰAＧEREF＿Tｏc23９351HYPEＲＬINK\l_Ｔoc21369１．绪论ﻩPAGEREF_Ｔoc2１3６95HYPERＬINK＼ｌ_Tｏc13０５71。1课题背景 ＰＡGEREF_Ｔoc130５7５HYPＥＲLＩＮK\l_Toc289801.1.1能源危机与环境危机 PAGEREＦ_Toc289805HYPERＬＩＮＫ＼ｌ_Tｏc３191２１．１.2可再生能利用与开发 PAＧERＥＦ_Toc319125ＨYPＥRLINK\l_Toc130１91。１．3国内外风力发电发展状况及展望 ＰＡGEREF＿Tｏc13０1９6ＨＹPＥRLＩＮＫ＼l_Toc18051１.1。４风力发电给电力系统带来影晌ﻩPAGＥREF_Toc1８0５17HYPERＬINK＼l_Ｔoc268６6１.2风电机组控制技术和双馈异步电机的功率控制ﻩＰAGEREF＿Ｔoc268668HＹＰERＬIＮK\ｌ＿Toc104５８１。2.１风力发电机组控制技术的发展ﻩＰAＧEREF＿Ｔoｃ1045８8HYPERLINK\l_Toｃ３00051。２．2双馈异步风力机的功率控制原理 PAGEREF＿Toｃ300058HYPERＬINＫ\l_Ｔoc99４92。双馈异步风力发电机原理与控制方法分析ﻩPAGＥREF＿Ｔｏc9９4９1１HＹＰEＲLINK\l_Tｏｃ2378４2.1双馈异步风力发电机的基本原理和数学模型 ＰAGEREＦ_Ｔoc2378411HＹPERLＩNK\l＿Ｔｏc２７698２。1。1双馈异步电机基本原理 PAGEREF＿Toc27６9８１1HYＰＥＲLINK\ｌ＿Toc１２99５2．1．２双馈异步发电机的数学模型ﻩPＡGEREＦ_Toc1299５１３HYPERLＩNＫ\ｌ_Ｔoc１0１5８2.2双馈异步风力发电机的数学模型 ＰＡＧEREＦ_Toｃ1０１5815ＨYPEＲＬIＮK\l_Ｔｏc１56852。3相关控制方法ﻩPＡGEREF＿Toｃ15６85１729９32２．3。1矢量控制方法ﻩPAGＥREF_Toc2９９3217ＨYPEＲＬIＮK\l＿Tｏc931４2.3．2开环解耦控制方法和有功－无功解耦控制方法ﻩPＡGEＲEF＿Toc931417HYPERLINＫ＼l＿Tｏc50392。3．3功率控制扰动法 PAGEREF_Tｏc5０3918HYPEＲLIＮＫ\ｌ_Tｏｃ２5４４3.风电场功率输出控制 ＰAGEＲEF_Tｏc254４18ＨＹPEＲＬIＮK\ｌ＿Toc253８３3.1风电场功率输出介绍 PＡＧERＥF_Toc25３83１8HYＰERLIＮK＼l＿Ｔoｃ１90123.２风电场的功率输出ﻩPAGＥＲEＦ＿Tｏc1901220HＹPＥＲLＩNK\l_Ｔｏｃ21９７3.2．1风电场接入电网ﻩPＡＧERＥF_Toc２19720HYPERLＩNＫ\l_Toｃ201823。2。2风电场功率输出特点 PAＧEＲEF_Ｔoｃ２0１8221ＨYＰERLＩＮK\l＿Toｃ91９13．2.3风电场功率输出的控制功能ﻩPAＧEREF＿Toc９19１２４HYPERLINK\l_Tｏc22868３.３风电场的功率综合控制系统ﻩPAＧEREF_Toc2286825HYPERＬIＮＫ＼ｌ＿Ｔoc59７03.4风电场内机组输出功率分配ﻩPＡGERＥF＿Toc597０２7ＨYPERLＩNK\l_Ｔoｃ32２43。４。1风电场输出有功功率控制分配 PＡGＥRＥF＿Toc３２２427HYＰERＬINＫ\ｌ_Ｔoc2136０3.4．2有功控制机组的分类 ＰAGERＥF_Ｔoｃ2１3602７ＨＹPＥRＬＩNK\ｌ＿Toｃ116793。４。３风电场的有功控制策略 PAGERＥF_Ｔｏc１16７928HYPERLINK\ｌ＿Toｃ２７36１３。4．4风电场输出无功功率控制分配 PAGEREF_Ｔoc２736１32ＨＹＰERLINK\l_Toc２００94.仿真与分析ﻩPAGEREＦ_Ｔoｃ200９36HYPＥRLIＮK\l_Toc1898１4。1仿真软件介绍 ＰAＧＥREF_Tｏc18９813６HYＰEＲＬIＮK＼l＿Toc126324．2算例及仿真 PAGEREF＿Toｃ12６3237ＨYＰＥRLIＮK\l_Tｏｃ175１１4．2．1simuliｎk仿真模型ﻩPAGＥREF_Toｃ1751１37HYPEＲLINK\ｌ_Toc３08３44.2.2各类机组之间有功功率分配仿真ﻩPAGEＲEＦ＿Ｔｏc３０8３4３9HYPERLIＮK\l_Ｔｏc325３74。2。3风电场无功分配控制仿真ﻩPAGERＥＦ_Toc3２５3７４０HYＰERLINK\l_Tｏc8935。小结与展望ﻩPＡGＥREF＿Toc89３４1ＨYPERLINＫ\l＿Toc２７４535.1小结 PAGEREF＿Ｔoc２7４５3４2HYＰERLＩNK\l_Toc２34０05.2展望ﻩＰＡGEＲEF_Toc２３4００42ＨYＰERＬINK\l_Toc1６9126．参考文献 PAＧEＲEF_Ｔoc1691２4３１．绪论1.１课题背景1．1.１能源危机与环境危机目前世界上消耗的能源主要是煤，石油，天然气等矿物质。据估计，按这些物质在地球上已探明的储能和目前的开采速度,它们分别还可以开采２０0年，４0年和60年左右，这些能源几代人之后将不复存在。我国已探明的能源储量，石油约(其中可开采量约四分之一)，天然气，煤炭。据报道,目前我国能源消费总量已位居世界第二位,但由于我国人口众多，人均能源的占有量和消费量均处于较低水平我国能源消耗以煤为主，约占能源消费总量的75%,且能源使用效率低,随着我国经济的迅速增长和大众文化生活水平的提高，能源消耗量将加剧增长，能源的需求和供应的矛盾更为突出，能源短缺的现象更为严重。能源的大量使用再给人类带来文明和繁荣的时候的同时,也给人类的生存环境带来灾难，酸雨，温室效应，臭氧层的破坏，城市热岛效应，土壤酸性化,生态平衡的破坏等对人类已不再陌生，这些又带来了海平面上升，暴雨和干旱增多等灾害，严重威胁着人类及各种生物的生存。能源危机和能源的利用对环境所造成的污染已成为人类共同关注的世界性问题。1。1。2可再生能利用与开发为了避免上述窘境，目前美国、加拿大、日本、欧盟等都在积极开发如太阳能、风能、海洋能(包括潮汐能和波浪能)等可再生新能源。部分可再生能源利用技术已经取得了长足的发展,并在世界各地形成了一定的规模。目前，太阳能、风能以及水力发电、地热能等的利用技术已经得到了应用。国际能源署IEＡ的研究认为，在未来30年内非水利的可再生能源发电将比其他任何燃料的发电都要增长得快，年增长速度近6％，在20０0—2030年间其总发电量将增加5倍,到2030年，它将提供世界总电力的4．4%.这些能源对于地球来讲是取之不尽、用之不竭的健康能源，他们必将成为今后替代能源主流。水能、太阳能、风能、海洋能(包括潮汐能、波浪能、海洋温差能、海流等)都是没有污染的可再生能源。这些可再生能源开发与利用过程中大多将被转化为电能的形式为社会各个行业所利用。电能是清洁的二次能源，使用方便受到广泛应用.因此,可再生能源发电技术就成为了可再生能源开发应用的最关键技术之一。作为一种清洁的可再生能源,风能不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。风力发电站基建周期短、装机规模灵活,发电成本也远远低于太阳能,潮汐能等可再生能源，并且其性价比正在形成与煤电、水电的竞争优势.因而，正在越来越多地受到世界各国的关注和重视。然而风力发电的核心技术一变流器还有待进一步的研究、发展以及改善,本文也将重点讨论.１．1.3国内外风力发电发展状况及展望风能蕴量巨大，全球的风能约为２.74X109MW，其中可利用的风能为２Ｘ107ＭW,比地球上可开发利用的水能总量还要大１0倍.随着世界经济的发展，风能市场也迅速发展起来。200９年全球风力发电新增31%,共增加3７50０兆瓦新装机容量，全球总装机容量达到157900兆瓦的新高峰，根据世界风能协会（WWEＡ）的统计数据,截至2010年6月.全球风力发电装机总容量达到1７5ＧW表1.1２010年6月世界各国风电总装机容量及新增装机容量国家总装机容量（MW）201０年新增装机容量(MW）美国36300１２00中国３3８007800德国264006６0西班牙19５０04０0印度1210０1200意大利5300450法国50005０0英国４600500葡萄牙３80０230丹麦3700190其他国家总计24５0028７0全球总计１75０0１6000我国是个风力资源丰富的国家，风能总储量为32。26亿千瓦，其中实际可开发的风能储量约为２。５３亿千瓦。2007年以来,中国风电产业规模延续暴发式增长态势。2008年中国新增风电装机容量达到７１90兆瓦，新增装机容量增长率达到10８％,累计装机容量跃过13０0０兆瓦大关。内蒙古、新疆、辽宁、山东、广东等地风能资源丰富，风电产业发展较快.２0０９年以来，为有力拉动内需，保持经济社会平稳较快发展，政府加大了对交通、能源领域的固定资产投资力度,支持和鼓励可再生能源发展.作为节能环保的新能源，风电产业赢得历史性发展机遇,在金融危机肆虐的不利环境中逆市上扬,发展势头迅猛,截至200９年底,全国累计风电装机容量达到２５８０0兆瓦。根据中国可再生能源学会风能专业委员会统计数据,2010年中国(不含台湾省)新增风电装机1２904台,容量１89２7.99ＭW累计安装风电机组３4485台，装机容量44７３3。2９MＷ，年同比增长73。3%。全国各省风电装机容量数据见表１．２0从国内外风力发电的现状与未来发展趋势看,风力发电技术必将得到相应的发展，以满足日益扩大的市场需求，减轻不断增大的环境压力表1.2201０年各省分电总装机容量及新增装机容量省份总装机容量（MW)201０年新增装机容量内蒙古91９６。164664。85甘肃1１87.953756河北２7８8。１２１33．４辽宁２42５。３116４1。55５吉林2０63.8687７山东１２１9.１1418．7黑龙江16５9。75710．３江苏１096．7５371新疆１０02。５636１宁夏6８2．2500。5其他省份总计2483.５6１1６6。1３全国总计2５８0。３18927.991．1．4风力发电给电力系统带来影晌由于风电的随机波动特性,它在为世界能源问题的解决带来契机的同时，也对电网产生了不容忽视的不利影响.概括起来,风力发电给电力系统带来的影响,主要有：(1）电能质量。风电并网带来两个方面的电能质量问题：①电压闪变［5］。风力发电机组大多采用软并网方式,但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时，风机会从额定出力状态自动退出运行。如果整个风电场所有风机几乎同时动作，这种冲击对配电网的影响十分明显。一种是风机本身配备的电力电子装置,可能带来谐波问题；另一种是风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振。（2)稳定性。在电力系统中,当风电场发生诸如发电机开断、线路开断、三相短路故障以及风速扰动等情况时，系统会出现稳定性问题，仿真结果表明系统的电压及频率都存在大幅度波动现象，有必要对风电并网以后的系统的稳定性进行认真评估。（3）发电计划与调度。传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测性,以这两点为基础，发电计划的制定和实施有可靠的保证。但是，如果系统内含有风电场,因为风电场出力的预测水平还达不到工程实用的程度，发电计划的制定变得困难起来。风力发电并网以后,如果电力系统的运行方式不相应地做出调整和优化，系统的动态响应能力将不足以跟踪风电功率的大幅度、高频率的波动，系统的电能质量和动态稳定性将受到显著影响，这些因素反过来会限制系统准入风电功率水平,因此有必要研究随机的发电计划和AＧC算法,以便正确考虑风电的随机性和间歇特性。旋转备用容量和类型的配置对系统的可靠性、安全性指标的影响都是至关重要的,以反应速度快的燃气轮机组和柴油机组作为旋转备用机组配合风电场的运行是可行的方案，但因这类机组燃料费用昂贵，因此系统的运行成本明显提高,会令风电的价值大打折扣.基于对风速和负荷的预测进行考虑风电的发电计划优化，是值得进一步探讨的算法。（4）容量可信度。发电容量的价值往往体现在负荷高峰期,由于风电场无法保证可靠的出力，一度被认为只能提供能源,不能提供有效的发电容量。1。2风电机组控制技术和双馈异步电机的功率控制１.２。１风力发电机组控制技术的发展通过控制，风力发电机可追踪风能的方向和强弱，实现风能的最大化利用.风力发电机控制技术主要分为三类：定桨距调节技术、变桨距调节技术和变速恒频技术等.(1)定桨距调节技术。传统概念的风力发电机一般都是上风向、三叶片的风力机通过齿轮箱增速驱动异步发电机,风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性，称之为定桨距风力发电机组。发电机工作于同步转速附近，风电机组的设计一般在额定功率时，风轮的转换效率在最佳区段.当风速超过额定风速时，气流攻角增大到失速条件,使叶片的表面产生涡流,降低转换效率,限制吸收功率，维持发电机输出功率恒定.定桨距风机的桨距角一般设定为0度。定桨距风力发机的功率调节由风轮叶片完成，控制简单,但叶片本身结构复杂，成型工艺难度较大，风机不易大型化。（2）变桨距调节技术。为了提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，在定桨距风力机的基础上加装桨距调节环节，便构成变桨距风力机组。在额定风速以下时，叶片桨距角处于0度附近.在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整叶片桨距角,保证发电机的输出功率在允许范围内。风力机的桨距控制系统,通常采用典型的转速、功率和桨距角三模态控制.速度控制和直接桨距控制系统，用于风力发电机的启动、停止和紧急事故处理。变桨距调节技术的主要优点是,提高发电效率，又可以在高风速段保持输出功率平稳，不至于引起异步发电机的过载。但是，这种系统的结构比较复杂,故障率相对较高，并且由于风的随机性和间歇性特点，使风力机的出力变化很大,机组的动态负荷增加，对电网的冲击增大。（3）变速恒频调节技术：变速恒频风力发电调节技术的特点是：风力机和发电机的转速可以在很大范围内变化,而不影响输出电能的频率。通过适当的控制,使风力机的叶尖速比处于或接近最佳值,从而可以最大限度地利用风能。变速恒频风力发电系统以风速信号作为控制系统的输入变量来进行转速和功率的控制:低于额定风速时，系统能跟踪最佳功率曲线，使风力发电系统具有最高的风能转换效率；高于额定风速时，增加了传动系统的柔性,使功率输出更加稳定。特别是解决了高次谐波与功率因数等问题后，达到高效率、高质量地向电网提供电力的目的。目前变速恒频是主流技术，为市场两大主力机型双馈和直驱式风力发电机组所采用，也是本文研究的关注焦点。1．２。2双馈异步风力机的功率控制原理如图1。１所示,典型的双馈风电机组的基本控制结构图。双馈发电机的定子和转子都与电网相连,其转子具有三相励磁绕组结构.该类发电机，可调节其励磁电流的幅值、频率和相位。通过控制发电机的电磁转矩来改变发电机的转速，以达到调速的目的;通过改变励磁电流的相位，来改变发电机的空载电势与电网电压矢量之间的相对位置,从而改变发电机的功率角。因此，通过调节励磁电流，不仅可以调节发电机输出的有功功率，也可以调节发电机输出的无功功率。目前，双馈机组的功率控制的研究主要集中在通过控制发电机的转速和桨距角的大小来控制风机输出的有功功率,通过控制励磁电流的无功分量来控制风机输出的无功功率。因此,双馈风电机组不但能够实现最大效率的利用风能,还能参与系统的无功调整,提高风电电能质量,从而为减小风电并网对电网造成的不利影响提供了条件。控制系统如图所示:图1.1双馈风力发电机的基本控制结构ωPｑQq电网UｒＩrβACAＣDCDＣ控制系统目前双馈机组功率控制的研究主要是在其数学模型的基础上进行的,其中风力机的数学模型比较一致。而发电机的数学模型较多，主要包括３阶、5阶和8阶动态仿真模型，3阶模型适合稳态计算，计算速度快，但对某些暂态过程不能详的描述发电机变化,8阶模型适在故障暂态分析中精度较高，但其计算量大，计算速度慢,相比较而言,5阶模型具有更好的适应性。双馈机组有功功率的控制在不参与电网调度的情况下主要集中在最大风能的追踪和输出额定功率的研究上。其中用对发电机有功功率的控制实现风电机组最大风能的追踪，利用对变频器逆变侧与电网间无功功率的控制来实现逆变侧母线的电压恒定。提出了一种基于电网电压定向的励磁控制策略,该控制策略仅需要定子侧电流、电网电压和转子位置角信号,避免了矢量控制系统中对定、转子量测精度、实时性和一致性的严格要求。文献提出了双馈风力发电机转速非线性PＩD控制策略,并对风速阶跃变化、系统参数突变下风力发电机转速控制进行了数字仿真,结果表明其具有较好的适应性和鲁棒性。对双馈风力发电机进行了有功、无功解藕控制，并分别设计了控制回路,仿真结果证明了控制方法的良好的性能。在双馈发电机变流器控制中引入模糊控制，改进了机组的动态响应性能.双馈机组有功功率的控制在参与电网调度的情况下主要通过控制发电机转速和桨距角来控制其输出的功率。利用大型变速恒频风机桨叶储存的动能，提供短时的有功支持,并做了详细的仿真，研究发现MＷ级风电机组在转速还未降低到最小转速的情况下可以利用桨叶储存的动能在lＯs内提供O．1ＭW额外的有功功率。调频控制的独立系统，文中控制双馈机组运行在亚负荷状态，即机组未运行在最佳工作状态，机组可以增加或减少有功功率的输出，研究发现该方法可以增强系统稳定性，减小系统频率波动。文中同时也指出该方法将减少风电机组吸收的风能。借助一个２.2kW试验平台研究了变速风力发电机参与系统调频控制，文中通过设定低于最大输出功率的功率参考值，利用发电机转矩控制实现对吸收风能的控制，同时利用一部分桨叶储存的动能来达到储备调频能量.动态实验结果证明了风力发电机在一定的风速条件下能够进行调频控制。首先分析了风力机的频率变化响应，指出为了增加风电的穿透功率,需要增加储能设备的思想,特别是对小电力系统。同时文中也指出通过附加控制回路提供类似于同步发电机的频率响应解决双馈机组的频率响应问题。同时也有很多学者对双馈机组的无功一电压控制进行了深入的研究,例如：考虑网侧变换器的无功产生能力，分析了双馈发电机无功极限的计算方法。对双馈电机风电场在强电网无功调节中的应用进行了探讨，并给出了无功功率分配控制策略。以风电场出口升压变压器高压侧为控制目标,提出一种基于双馈发电机的风电场电压控制策略。阐述了风电场高压侧电压控制原理,并考虑风电场无功功率极限,研究了无功功率控制、分配和故障情况下的紧急电压控制方案。以双馈发电机容量为约束条件,导出了双馈发电机在不同风速下的无功功率调控能力,构建了面向接入点电压运行要求的风电机组无功功率调控策略.文献[38}提出了一种不用安装辅助无功补偿设备只利用双馈机组无功调节能力的风电场偏远地区电压调节的控制方法。依据分段分层控制思想,提出了双馈机组并网控制策略，对某风电场及其接入系统中风电机组运行特性和关键结点电压特性进行了仿真分析，结果表明文中提出的控制策略不但可以实现风电机组的优化运行，而且能充分发挥双馈发电机无功调节能力，提高了风电机组并网后的电压稳定性.在双馈机组功率控制的基础上，人们也对风电场功率输出控制进行了相关研究.对各个国家电网风电场接入电力系统的控制方法进行了比较研究,比较发现各个国家对风电场的控制要求有很大的不同。这些不同主要取决于各自电力系统的运行经验和政策法规。文中同时指给整个风电行业设定一个整体的控制要求范围是非常必要的。是我国国家电网公司关于风电场接入电网的技术规定，规定要求风电场必须满足一定的电网要求才能够接入电力系统,为减少风电接入对电网的不利影响和规范风力发电的发展提供了保证。对由不同类型风力发电机组成的风电场的控制进行了讨论，并从硬件通信的角度研究了大型风电场的计算机监控系统。对风电场的集中功率控制进行了理论分析,设计了风电场控制系统,通过风电场集中控制系统控制风电场按照系统要求输出有功、无功功率,并对风电场的功率输出和特性进行了仿真分析和验证.仿真结果证明了风电场集中功率控制的可行性。在风电系统运行基础上，提出了基于馈线潮流分布的有功负荷分配方法,该方法以馈线终端控制单元，当系统频率出现偏差时,由馈线终端制定负荷分配方案。算例表明,该有功负荷分配方法具有一定实用性.提出了利用原始对偶预测校正内点法定义每个双馈发电机的有功功率、无功功率的输出参考值，使风电场内部线路损耗最小同时输出电网调度要求的输出功率,同时达到风电场参与电网调频控制的目标。以上是人们为了充分利用风能同时又尽力减小风力发电的波动性和随机性对电网产生的不利影响所做的研究。可见随着风电的快速发展,风电场功率输出控制也渐渐受到人们的重视.随着风力发电技术的发展,电网对风力发电的要求也在不断提高。如何既能满足电网要求又能充分的利用风能使风电场优化运行，将是以后的研究重点,本文正是在此基础上进行的工作。2．双馈异步风力发电机原理与控制方法分析2．1双馈异步风力发电机的基本原理和数学模型2．1。１双馈异步电机基本原理设双馈电机的定转子绕组均为对称绕组,电机的极对数为，根据旋转磁场理论,当定子对称三相绕组施以对称三相电压，有对称三相电流流过时，会在电机的气隙中形成一个旋转的磁场,这个旋转磁场的转速称为同步转速，它与电网频率及电机的极对数的关系如下:同样在转子三相对称绕组上通入频率为的三相对称电流,所产生旋转磁场相对于转子本身的旋转速度为： ﻩ。由式3—2可知，改变频率，即可改变,而且若改变通入转子三相电流的相序,还可以改变此转子旋转磁场的转向。因此,若设为对应于电网频率为50Ｈz时双馈发电机的同步转速，而为电机转子本身的旋转速度,则只要维持,见式３-3,则双馈电机定子绕组的感应电势，如同在同步发电机时一样，其频率将始终维持为不变。 双馈电机的转差率，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应为： 。公式表明,在异步电机转子以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称绕组中通入转差频率(即)的电流，则在双馈电机的定子绕组中就能产生50Ｈz的恒频电势。所以根据上述原理,只要控制好转子电流的频率就可以实现变速恒频发电了。根据双馈电机转子转速的变化,双馈发电机可有以下三种运行状态:亚同步运行状态：在此种状态下，由转差频率为的电流产生的旋转磁场转速与转子的转速方向相同，因此有.超同步运行状态：在此种状态下，改变通入转子绕组的频率为的电流相序，则其所产生的旋转磁场的转速与转子的转速方向相反,因此有.3。同步运行状态：在此种状态下，转差频率,这表明此时通转子绕组的电流频率为０,也即直流电流，与普通的同步电机一样。下面从等效电路的角度分析双馈电机的特性。首先，作如下假定:只考虑定转子的基波分量,忽略谐波分量;只考虑定转子空间磁势基波分量；忽略磁滞、涡流、铁耗;变频电源可为转子提供能满足幅值、频率、功率因数要求的电源，不计其阻抗和损耗。发电机定子侧电压电流的正方向按发电机惯例，转子侧电压电流的正方向按电动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率Ｓ按转子转速小于同步转速为正，参照异步电机的分析方法,可得双馈发电机的等效电路,如图所示:AR1X1R2’/ＳX２’。。Ｉ1I2.Ｕ1IｍU2’／S根据等效电路图，可得双馈发电机的基本方程式：ﻩ 式中：、分别为定子侧的电阻和漏抗、分别为转子折算到定子侧的电阻和漏抗为激磁电抗、、分别为定子侧电压、感应电势和电流、分别为转子侧感应电势，转子电流经过频率和绕组折算后折算到定子侧的值.转子励磁电压经过绕组折算后的值，为再经过频率折算后的值。2.1．２双馈异步发电机的数学模型电网VＴm风速风机机械双馈发电机传动Teβ桨距角控制转速控制风机功率控制风电场控制系统双馈风电机组的总体结构基于双馈机组的变速风电系统的总体结构可分为5部分模型：风速模型、风机气动模型、机械传动模型、双馈发电机模型和风机控制系统.各部分之间的变量传递及控制关系如上图所示。风机气动模型模拟桨叶将风能转化为机械能，忽略动态迟滞效应，将风力机机械转矩Ｚ’m表达为解析形式。机械部分是包括低速轴、齿轮箱、高速轴在内的传动环节,本文采用单质量块和理想齿轮箱,传动部分用一阶惯性环节描述。电网运行控制制定风电场的有功和无功基准功率分别为Pref和Ｑｒef.风电场控制系统根据制定的功率分配控制策略计算每台风力发电机的有功和无功基准功率PjrefQjref.风机功率控制系统根据发电有功功率Pjｒef风速对桨距角和风机转速进行调节,根据输出无功基准功率Ｑjref}发电机转子励磁电流进行调节.交流励磁双馈异步发电机是一个高阶非线性强耦合的多变量系统,在d－q坐标系下的双馈变速恒频异步发电机的数学模型表示如下：定子电压方程:转子电压方程：定子磁链方程：转子磁链方程:电磁转矩方程：忽略电机定子绕组电阻后，发电机定子磁链和定子端电压矢量之间的相位差正好为9０°。定子磁链定向示意图所示。β2β1QｄωΨ10ωf定子相电压矢量Um正好落在q轴的负半轴上,而ｄ轴分量为0。此时定子电压方程为：2.２双馈异步风力发电机的数学模型风力发电机机械功率与机械转矩的表达式为:式中:P，为风力机输出功率，kW；Ｔn为风轮机转矩；q为风机的风能利用系数,表明风轮从风中获得有用风能的比例;Ｃ:为风力机转矩系数；a为桨距角；又为叶尖速比λ=Ｒω/v；A为风轮扫掠面积，m2;P为空气密度，kｇ/m3；，为风速，ｍ／ｓ;R为风轮半径,当风速一定时,风力机机械功率的大小取决于Cp的大小。Cp与桨距角刀、叶尖速率比又的非线性关系为（其中又，为过程变量)：忽略增速齿轮的影响，风力机的运动方程为：ω为风力机的转速，rａd/ｓ;J为转动惯量,ｋgm2；Tｅ为风力发电机的电磁转矩,Ｎm。风力性能曲线上图所示为风能利用系数饰以Cｐ（λ，β）的曲线。由图可知，风能利用系数CP随着桨距角λ的增大而逐渐减小。风机在额定风速以上时，可通过增大桨距角λ以减小风能利用系数Cp,从而将系统输出功率稳定在额定值附近.同时，在桨距角λ一定的情况下，有且只有唯一叶尖速比对应于风能利用系数的最大值，该叶尖速比称为最优叶尖速比,如下图所示对应的λoｐ,。桨距角不变时风力机性能曲线在风速给定的情况下,风轮获得的功率将取决于功率系数。如果在任何风速下,风力机都能在马ｍａ:点运行,便可增加其输出功率。在任何风速下，只要使得风轮的叶尖速比护又opt，就可维持风力机在马ma：下运行.因此，风速变化时，只要调节风轮转速,使其叶尖速与风速之比保持不变，就可获得最佳的功率系数.这就是变速风力发电机组运行转速控制的基本目标.2。3相关控制方法2．3．1矢量控制方法矢量控制方法利用矢量控制技术综合改变变速恒频双馈异步风力发电机转子励磁电流的相位和幅值,可以实现变速恒频双馈异步风力发电机输出有功功率和无功功率的控制，矢量控制技术强调对控制量的解耦，需要经过多次坐标变换和反变换,因此控制精度较高，但是多次的坐标变换和反变换使系统变的非常复杂，计算量很大；同时,控制过程中电机参数变化对系统控制量的精度也有不可忽视的影响。因此在矢量控制方法的基础上，一些学者提出了关于功率的解耦控制方法。2。３.2开环解耦控制方法和有功—无功解耦控制方法开环解耦控制方法从双馈风力发电机的等效电路图出发，将变速恒频双馈异步风力发电机的数学模型进行3/2坐标变换和极坐标变换并将电网电压定向在ｄ-ｑ坐标下的q轴上，通过等效电路和坐标变换理论形成的这种控制方法,虽然简化了控制系统的复杂性但是由于在电路等效的过程中的一些近似处理,使得系统的控制精度有了明显的下降.有功—无功解耦控制方法，基于定子磁场定向双馈发电机矢量控制方案，提出了有功-无功双向功率调节的控制方案，此方案结合3/2坐标变换方法和解耦控制理论，实现了对有功-无功的独立解耦控制，但是因其加入解耦控制理论，使的整个过程比较复杂影响了此控制系统的反应速度。同步旋转坐标系下的d轴位于定子磁场空间矢量方向上，则有约束条件：忽略定子电阻的影响，且保持定子磁链梦，不变为常量，则由电压方程可得：则发电机定子侧有功功率、无功功率可分别表示为:式中,of为定子电压空间矢量。由上式可知,当发电机并入无穷大电网后，可以认为定子端电压是常量,只有定子电流是受控量.因此,对发电机输出功率的控制,在并网条件下,就可以认为是对定子电流的控制.双馈发电机的功率调节，最后都可以归结为对转子电压的调控.既可以通过控制转子电压直接控制定子电流，又可以通过控制转子电压控制转子电流，从而间接控制定子电流。由于以上两种解耦控制方法是在功率处于静态无扰动的情况下提出的，在存在功率扰动的情况下其控制精度下降，因此有的学者提出了功率控制扰动法.2。3.3功率控制扰动法功率控制扰动法其主导思想是离散迭代控制,风力机在某一特定风速下的功率特性曲线是凸函数，如下图所示。因此可在系统处于稳定时,给转差率一个微小扰动，这一扰动将引起输出功率的变化.若该变化量大于零则在系统趋于稳定时加上与前次同符号的扰动量，直到输出功率变化量开始小于零时才改变下一次扰动量的符号如此反复.风力机的工作点将沿着功率特性曲线移动到最大值附近,并保持一定的波动。固定风速风机特性风电场功率输出控制3。1风电场功率输出介绍风电场的输出功率是风电场内各机组输出功率之和,这就要求风电场的控制与风电机组的控制不同，与常规电厂的控制方式也不相同.常规电厂通过控制机组的进汽、进水量即可以控制其有功输出，通过控制其励磁电流即可控制无功输出.根据微增率准则可实现对电厂内全部机组出力控制的优化。风电场由几十到上百台不等的风机组成,其控制方式也就变得相对复杂。由于风能的随机特性,随着风电装机容量的不断增加，仅对最大风能进行追踪产生的随机变化的功率无法满足电力系统功率实时平衡的运行要求.风电场应与常规发电方式一样承担系统频率、电压等调节任务。风电场装机容量（MW）10min最大变化量（MW）１ｍin最大变化量（MW)〈302０６３０—150装机容量、1．5装机容量/5＞150100３0并且国家电网关于风电场接入电网技术规定(试行)中明确提出关于风电场输出有功、无功功率变化的要求.（一）风电场有功功率C1）基本要求:在下列特定情况下，风电场根据电力调度部门的指令来控制其输出的有功功率。①电网故障或特殊运行方式下要求降低风电场有功功率,以防止输电线路发生过载，确保电力系统稳定性；②当电网频率过高时，如果常规调频容量不足,可降低风电场有功功率。（２）最大功率变化率：最大功率变化率包括lmin功率变化率和lOｍin功率变化率，具体限值可参照表3.1，也可根据风电场所接入系统的电网状况、风力发电机组运行特性及其技术性能指标等，由电网运营企业与风电开发运营企业共同确定。在风电场并网以及风速增长过程中，风电场功率变化率应满足此要求。这也适用于风电场的正常停机，但可以接受因风速降低引起的超出最大变化率的情况。（3)事故解列:在紧急事故情况下，电力调度部门有权临时将风电场解列。一旦事故处理完毕，应立即恢复风电场的并网运行。（二）风电场的无功功率(1)当风电机组运行在不同的输出功率时，风电机组的可控功率因数变化范围应在一0．9５一＋0.9５之间。(2）风电场无功功率的调节范围和响应速度，应满足风电场并网点电压调节的要求。原则上风电场升压变电站高压侧功率因数按1.0配置,运行过程可按－0。980.98控制。（3)风电场的无功电源包括风力发电机组和风电场的无功补偿装置。首先应当充分利用风力发电机组的无功容量及其调节能力，如果仅靠风力发电机组的无功容量不能满足系统内电压调节需求,则需要考虑在风电场加装无功补偿装置。风电场无功补偿装置可采用分组投切的电容器或电抗器组,必要时采用可以连续调节的静止无功补偿器或其它更为先进的无功补偿装置。为实现风电场并网技术规定中提出的风电场功率和电压控制等方面的要求,研究开发风电场综合控制系统势在必行。另外,新型风电机组及控制系统的技术进步也为实现风电场综合控制功能提供了条件.本章在前一章基础上，研究设计风电场的综合控制系统及其控制策略。在必要情况下，调度中心根据电网的运行状况向风电场下达指令，对风电场的有功功率和无功功率提出要求。风电场根据风速、电压等信息确定风电场的功率输出，同时向各机组下达指令,实现对风电场运行调度控制。３。２风电场的功率输出3．２.１风电场接入电网风电机组发出的电量需输送到电力系统中去，为了减少线损应逐级升压送出。目前国际市场上的风电机组出口电压大部分是0。６９kV或0.4kV,因此要对风电机组配备升压变压器升压至１0ｋV或３5kV接入电网，升压变压器的容量根据风电机组的容量进行配置.升压变压器的接线方式可采用一个风电机组配备一台变压器，也可采用两台机组或以上配备一台变压器.一般情况下，一个风电机组配备一台变压器，简称一机一变。原因是风电机组之间的距离较远，若采用多机一变的连接方式，使用0.69kV或0.４kＶ低压电缆太长,增加电能损耗，也使得变压器保护控制更加困难。设风电场由ｎ台M行N列相同容量同类型的双馈风力发电组成。将风电场由左到右依次为1到N列，由上到下依次为1到Ｍ行，用矩阵Ａ表示风电场，矩阵中的元素Aij表示在第i行，第j列的风电机组,i＝[１,Ｍ］，j=［１,N]；分别为风电场内第i行、第J列机组A；输出的有功功率和无功功率，则风电场有功功率矩阵为:P=无功功率矩阵为:以行为单位,风电场内每行风电机组输出的总有功功率、无功功率为：以列为单位，风电场内每列风电机组输出的总有功功率、无功功率为:风电场接入电力系统接入点(ＰCC，PowerＣoｍｍonＣoupling）处输出的有功功率、无功功率分别为PＰCＣ，ＱPCC.则风电场输出功率的功率因数为:3。２.2风电场功率输出特点风电场在电网接入点（PCC)电网侧看，是一个整体.作为一个整体电源，其功率输出受很多因素的影响:（一）外部因素:风电场所在地风速的变化影响风电场总功率的输出，依赖于风速的变化，风电场的功率输出呈现出波动性和难以预测性；供电公司要求风电场不能随意输出功率，应对输出功率进行控制。（二)内部故障：风电场由若干台风力发电机和变压器及线路组成，不能保证所有设备任意时刻都能安全工作.风电场内各风力发电机对应的风速虽然是随机变化的，但各风机之间对应的风速并不是完全独立毫无关系的.如图所示,在同一行的风速几乎是相同的，而风速经过风力机后的变化也是有规律的。表示风速经过风力机Ｘ距离处的风速。式中vX表示距离风机在X处的风速,v。表示在经过风力机处的风速,力系数,k表示尾流延迟常数，一般为0。11,D为风机扫掠面的直径ＣT表示风机扫略面的直径。在相邻两排风机之间风速的延迟时间tＸ可表示为：式中ｖ为在X=0处的平均风速。为简化分析，本文采用了风速的工程化数学模型f161，如上式所示，该模型不仅能够反映风速平均值的变化,而且能够反映风速的随机性，同时该模型便于实施模拟运算。其中，Ｖ（t）是t时刻的风速。Ｖo是一段时间的平均风速，ωi是谐波频率，A;是谐波幅值，与谐波频率有如下关系：其中，σ表示噪声的强度，Ｌu为缀流长度,其大小与地表光滑程度有关。利用上述工程方案对风速模拟结果如图3。2所示。图3。3为正对风向首行某容量为2MW双馈风电机组输出功率曲线，图3。4为第一行风机输出的总有功功率.第二行较第一行风速变小,但风速变化具有相似性。考虑到尾流效应和风力发电机之间距离引起的风速减小和时间延迟的影响,图3.５和3。６分别为各行风电机组对应的风速和输出的有功功率.图3．7为风电场输出的总有功功率，由该图对比图３．2可见风电场的输出功率与容量比，较单台风力发机输出功率波动变化平缓，随着风电场风机数量的增多，风电场输出功率变化波动变得越小。可见风电场的功率输出较单台风力发电机具有自己功率输出特点。所以应根据风电场的功率输出特点对风电场功率输出进行控制.3。2。3风电场功率输出的控制功能由于风电场的输出功率受风速和机组性能的限制,因此风电场功率输出的控制功能有限。若不考虑最大风能的利用，风电场可实现的输出功率控制功能主要有以下几种，如图3。8所示。平衡控制和△控制主要是在用来控制风电场减小和增加输出功率。两种控制的区别是平衡控制用来在系统频率升高,需要降低有功输出的时段，△控制可以在需要增加有功输出时增加一定的输出。两种控制在频率控制中发挥作用。功率增率限制限制风速突然增大，风电场输出功率突然增加的情况.功率限制主要用来控制风电场输出功率在一定范围内，减小功率输出波动。从图3。8中可以看出，风电场的功率控制是通过减小吸收风能为代价的。当然若该方法能够减小风电波动对电网的冲击和影响,所付出的代价也是值得的。考虑以上控制功能图3．７风电场输出的功率变化波动将会减小,甚至在必要情况下可以参与电网的调频和调压，如图３.9所示。风电场控制功能可以在风电场控制系统中增加控制回路来实现如图3.10所示。可以根据实际需要对各控制环节的参数进行设置。ΔＰ增率限制限幅环节风速pｒef功率分配风电场控制P3。3风电场的功率综合控制系统风电场功率控制的目标是控制整个风电场输出的有功和无功功率，使风电场可以像常规发电厂一样承担频率、电压调节任务，减小对接入电网的影响.风电场控制系统的整体控制框图如图3．11所示。风电场控制系统是一个单独的控制单元，它负责接收系统调度指令，测量接入点ＰＣC的电气量及风力发电机可以输出的功率,同时计算生成每个风力发电机组的控制信号。系统调度有功控制:平衡控制，增减率限员制Δ控制，自动频率控制控制函数主控系统分配功能无功控制：电压控制接入点测量风电场控制系统在图3。11中，风电场控制系统包括两个控制回路：有功功率控制和无功功率控制回路.有功功率控制回路基于风电场有功功率控制器(WFAＰC)和一个辅助频率控制回路,如图3．１2(a）所示。无功控制回路基于风电场无功控制器(WFRPＣ）和一个辅助电压控制回路,如图3。1２（b)所示.有功、无功功率控制回路的控制参考信号(Prｅf，Ｑreｆ)分别由功能控制模块根据控制功能函数和系统调度的要求计算给出。该参考信号在必要的情况下可以由辅助控制回路（频率和电压）给出校正信号Δｐref和ΔQrｅf，保证ＰCC节点频率和电压不越限。但是，风电场ＰCＣ节点的频率控制受到风电场储备功率的限制,电压控制受到风力发电机最大输出无功功率的限制.PrｅfPIPｏｕtΔＰrefFpcｃ频率控制Pｃc风电场有功功率控制QｒefQIＱｏuｔΔQreｆＱpcｃ频率控制Qcc风电场无功功率控制每个控制回路包含一个带有限制范围的P}控制器保证风电场输出正确的功率.控制系统计算功率偏差,并为风电场设定功率参考值（pout，Ｑout)。这些功率参考信号传送给如图3。11中功率分配功能模块,功率分配模块为每个机组分配一个功率输出参考信号。具体分配方案见下节。3。4风电场内机组输出功率分配在风电场控制系统中，功率分配控制的一般方法是根据风电场内每台发电机可以输出的有功功率Ｐa、无功功率qi,和系统调度要求风电场输出的有功功率preｆ,无功功率Qreｆ,按照公式（3—1１)计算每台风力发电机有功功率、无功功率输出的参考值，分别对风电机组输出有功功率、无功功率进行分配，实现对风电场的功率控制.风电场中所有发电机均参与系统的调度分配。这种控制分配方法没有考虑风电机组的实际运行情况，仅仅依靠各发电机组可输出功率进行功率调整,虽然能够在不切机的情况下完成调度任务,但不能够根据各机组实际运行状况进行优化控制。本文在进行风电场功率分配时,考虑到风电场内风电机组的实际运行情况，首先选择能够完成调度任务的控制机组，利用控制机组完成调控任务,而其它机组在非功率控制运行状态下工作。选择调控机组考虑的因素包括机组运行参数和运行状态。其中运行参数包括:风速、风向、风轮或发电机转速、电气参数(频率、电压、电流、功率、功率因数、发电量等）和温度(发电机绕组温度、轴承温度、齿轮箱油温、控制柜温度、外部环境温度);运行状态包括：振动、电缆扭曲、电网失效、发电机短路、制动闸块的磨损、控制系统和偏航系统的运作情况以及机械零部件的故障和传感器的状态等.此外,双馈机组的无功功率输出还受有功功率输出的限制。３。4.１风电场输出有功功率控制分配3．4．2有功控制机组的分类假设风电场内风电机组的个数为n，其集合为Ω,风电场内机组组成矩阵A,Ａｉj表示风电场内第i行，第J列的风电机组。风电场内风电机组运行状况以矩阵X表示,X;}表示风电场内风电机组Aij的运行状况。如前所述,因为，在风电场若干台风电机组当中,有些机组需要退出运行进行检修；有些机组需要降低功率运行；有些机组动作迅速，响应时间短；有些机组动作响应时间长，不适合频繁动作。为实现对风电场的有功控制的优化，提高风电场参与调度的响应速度和风力发电机的利用率，本文对组成风电场的双馈风力发电机组根据其实际运行情况将风电场内所有风电机组分为四类。第一类:临界机组。临界机组达到临界安全运行范围需要退出运行:发电机温度过高或机组振动超出安全范围等,详见附录１.在运行维护状况良好的风电场，该类机组数量相对较少。设该类发电机组个数为n1，其集合为Ω，该类机组按照在风电场内相应的位置组成矩阵Ａ1，机组状态组成矩阵X1。第二类:降功率输出机组。该类机组具有如下特点之一：(1)风电机组温度较高但尚未超过极限值，需要减小输出功率，降低风力发电机温度；(2）风速预测下一时间段风速将要减小，被迫降低功率输出;(3)输出功率超过过载功率。该类风电机组不必退出运行，可在降低功率输出的同时,满足了机组自身运行的要求。设该类发电机组个数为n2，其集合为Ω２，该类机组按照在风电场内相应的位置组成矩阵A2,机组状态组成矩阵X2。第三类：低风速区机组。该类风电机组运行在ＣP恒定区或转速恒定区，这类风电机组可以通过控制电磁转矩降低风机转速，减小风机吸收的风能。相比于第四类风电机组，该类机组具有动作快，惯性时间常数小的特点,可以快速响应系统要求。设该类发电机组个数为ｎ3，其集合为Ω3,该类机组按照在风电场内相应的位置组成矩阵A３，机组状态组成矩阵X3。第四类：高风速区机组。该类风电机组在高风速下,运行在恒功率区,输出额定功率。由于是机械控制桨距角,该类机组惯性时间常数较大，一般为０.1s,所以将这些风电机组定为第四类机组。然而这类机组在风速突然超过切出风速情况下，有可能成为第一类机组，也需要控制系统及时调整.设该类发电机组个数为n4，其集合为}4，该类机组按照在风电场内相应的位置组成矩阵A4,机组状态组成矩阵X４。各类机组矩阵之间的关系为:A１＋Ａ2+Ａ3+A4=A及组装台举证质检的关系为：X１＋X2+Ｘ3+X4=X经过以上分析，本文根据风电场控制系统测量的风电场内各个电机组的实际运行状况数据将所有风电机分为四类.这四类分电机组并不是固定的，在下一个调控周期，根据实际测量的数据,又会有不同的变换。依据上述分析,本文对有功功率控制进行优化。3。4．３风电场的有功控制策略根据上一节中对风电场内机组进行的分类,本节我们设计风电场运行的优化控制方案，完善风电场的优化运行。电力系统的调频需要对系统有功功率平衡进行控制，调压需要对系统无功功率平衡进行控制。当系统频率降低时,需要增加系统内发电机组的有功输出或降低负荷需求;当系统电压降低时，需要增加系统内无功源（无功补偿设备）的无功输出或降低负荷需求。而风电场作为供电电源,具有特殊的一面。首先，风力作为可再生能源,具有节约能源、保护环境的优势,在正常运行时，我们希望能够尽可能的利用风能发电。然而风电场的功率输出依赖于风电场风速的变化，这就使风电场在系统要求增加出力的时候,达不到要求;或在正常运行时输出功率突然降低。这给系统调度和稳定运行带来不利影响.随着国家大力倡导发展可再生能源，风电装机容量不断增加,作为电力系统要接纳大容量的风电，需要付出更多的代价（如更多的备用电源，更多的系统网损）.在国外,对大型风电场的功率控制已经在实际风电场中得到了应用.本节正是在此基础上，设计了风电场的实时控制方案,力求控制风电场在满足一定系统要求的同时使风电场优化运行。当系统频率低于额定频率,调度要求增加有功功率输出时，风电场由于受风速影响可能不能够增加输出，相反可能会因为风速降低而减小功率输出,但这些应该在可以接受范围内（随着储能技术的发展,风电场引入储能装置可能会满足该要求,目前已有有关研究）。然而，当系统频率升高，需要减小有功功率输出时，调度在保证常规机组满足一定出力的同时,要求风电场减小出力时，这是风电场应该能够完成的。本文主要针对后一种情况进行研究。风电场控制系统的有功功率控制系统框图如图3。13所示。在没有接收系统调度命令的情况下,风电场内机组低风速时追踪最大风能，高风速时额定功率下运行。风机在某时刻输出有功功率为Pi,风电场输出有功功率为Ptotal。则:根据上一节，控制系统对风电场内风电机组的分类。第一类风电机组个数为ｎ１，其集合为Ω1，则第一类机组总的输出有功功率为：第二类风电机组个数为n２,其集合为Ω2,则第二类机组总的输出有功功率为:第三类风电机组个数为n３，其集合为Ω3,则第三类机组总的输出有功功率为:第四类风电机组个数为n４，其集合为Ω4，则第四类机组总的输出有功功率为：系统调度员根据电力系统运行情况给风电场下达的有功输出参考值为Prｅf现通过以下方案对风电场运行进行优化。(１）当Ｐref≥Ｐtoｔａｌ,风电场所能发出的有功功率小于系统要求时，风电场内各机组在安全控制范围内最大限度的利用风能发电,尽量为系统做贡献。(2)当Ｐｒef≤Ptoｔat，风电场所能发出的有功功率大于系统要求时，该要求主要在系统频率偏高时下达，需要风电场降低有功输出配合系统调频。风电场需要降低的有功输出为ΔP：四类风电机组按顺序依次参与有功输出控制，直到满足系统要求。首先第一类双馈机组优先参与控制，并按安全控制要求和系统控制要求依次对第一类机组进行控制,若ΔP≤P1则满足系统要求，其它机组继续正常运行。但实际情况该类机组数量较少,一般不能完全满足要求，若第一类机组不满足要求则第二类机组参与控制，第二类机组需要降低的输出有功为ΔP1：将第二类机组进行细分:经风速预测下一时段风速减小的机组数量为n21，根据风速预测将会减少的输出功率设为ΔP21;输出功率超过过载功率的机组需要减少的输出功率为ΔＰ２２；风电机组温度需要降速运行,减少的输出功率为ΔP23（降速运行后保证风电机组在线运行,至少最小转速下输出功率）。其中ΔP21具有波动性，ΔP23可具有一定的变化范围，第二类机组减少的输出有功ΔP2tｏtａｌ：第一类和第二类机组能满足系统调度要求是最理想的情况,因为这既满足了系统调度控制的要求，又有利于风电机组的安全稳定运行。但若第二类机组不能满足要求即：ΔP2toｔal≤ΔP１。则第三类机组参与系统调度控制，需要调度控制的功率为ΔP3:第三类机组通过控制电磁转矩降低风机转速，减小吸收的风能,同时又可以在完成调度控制任务后能迅速提高转速追踪最大风能,是参与调度控制的理想机组。设第三类风力发电机组在最小转速下（机组参与调度控制的同时保证并网运行）输出的最小功率为Pjmｉn（j∈Ω3）:，则第三类机组可调控的最大功率为ΔＰtoｔaｌ:若第三类机组能完成调控任务即：ΔP３≤ΔＰ３ｔoｔal,则第三类机组按如下功率分配方案分配:Pjｒef神第三类机组完成调度任务的基准功