定桨距风力发电机组软并网控制

目录第1章绪论-----------------------------------------------------------------11.1研究背景与研究意义------------------------------------------------------11.2风力发电机组电气控制系统研究的进展--------------------------------------2第2章风力发电机组相关理论介绍---------------------------------------------42.1风力发电机组的工作原理--------------------------------------------------42.2风力机的空气动力学特性--------------------------------------------------62.3定桨距失速型风电机组----------------------------------------------------72.4定桨距失速型风电机组运行过程分析---------------------------------------10第3章定桨距风力发电机组并网分析-------------------------------------------133.1并网方式概述-----------------------------------------------------------133.2异步发电机的风力发电机组并网方式---------------------------------------14第4章定桨距风力发电机组并网控制——软切入装置----------------------------174.1系统概述---------------------------------------------------------------174.2系统框图设计-----------------------------------------------------------17软切入装置的系统框图-----------------------------------------------17原理说明-----------------------------------------------------------194.3单元电路设计-----------------------------------------------------------20主电路设计---------------------------------------------------------20控制电路设计-------------------------------------------------------214.4系统性能测试-----------------------------------------------------------33第5章定桨距风力发电机组并网仿真-------------------------------------------355.1电力系统MATLAB/SIMULINK仿真软件概述-----------------------------------355.2异步风电机组直接并网过渡过程分析---------------------------------------375.3失速型异步发电机组大小电机仿真模型的建立-------------------------------385.4异步风力发电机组直接并网过渡过程仿真分析-------------------------------405.5定桨距风力发电机组软并网控制系统仿真分析-------------------------------475.6风力发电机组软并网控制系统性能要求-------------------------------------53第6章结论与展望-----------------------------------------------------------54致谢-------------------------------------------------------------------------55参考文献---------------------------------------------------------------------56附图-------------------------------------------------------------------------57摘要本次设计中定桨距风力发电机组并网并不是直接并网而是通过软切入装置并网，这样就会大大的减小了并网时的冲击电流，软并网技术是风电机组电气控制中的关键技术之一。随着大容量风电机组的出现如何限制软并网过渡过程中产生的冲击电流，成为一个迫切需要解决的问题，本设计首先介绍了风力发电的背景历史和一些根本理论知识并对风力发电机组的几种主要并网方式进行简要说明，然后通过分析直接并网时的仿真图得出了直接并网对电网的危害，再与软并网控制技术进行比较最终得出软并网控制技术的优越性，确定了风力发电机组的并网方式为软并网。最后通过对软并网装置主电路和控制电路的设计较好的完成了此次的设计任务。关键词：风力发电；定桨距；软并网；晶闸管；触发脉冲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章绪论1.1研究背景与研究意义随着经济的不断开展，人类对能源的需求也越来越大，能源短缺已经成为制约各国经济开展的一个重因素。人类正在努力寻找清洁高效的可再生能源来一次减轻对常规能源的依赖。风能是一种无污染可再生能源，且其具有资源丰富的特点。风能发电是目前最具大规模开发前景新能源之一。1973年世界发生石油危机以来，兴旺国家为寻找石油的替代能源，在风力发电技术的研究和开发方面投入相当大的人力和资金，充分综合空气动力学、新材料、新型电机、电力电子技术、计算机、自动控制及通信技术等方面的成果，开创了风能利用的新时期。为促进风力发电的开展，各国对风力发电的开发和利用都提供相关的优惠政策，比方德国、美国和丹麦等国开发建立了风力新能源的测量及计算机模拟控制系统，开展了变桨距控制及失速控制的风力机控制理论；西欧、美国和印度等风力发电比较兴旺的国家，为保持风力发电快速和稳定的开展，提供制定比较高的风电上网电价、对购置风电机组的用户进行补贴，以及减免赋税等优惠的政策。在这些优惠条件的支持下，风力发电得到了快速稳定的开展。2004年全球装机总量到达4761.6万千瓦，风力发电量已经占到世界总量的0.05%。2004年底，欧盟国家风电装机达3420.5万千瓦。德国是目前风电装机容量最大的国家，截至到2004年12月份，已装机容量达1662.88万千瓦，其发电量已到达全国总电力需求的0.62%，占全世界风力发电总量的33%以上。印度2004年底累计风电装机容量到达298.5万千瓦，在风能利用规模方面排世界第五位。根据欧洲风能协会的估测，到2023年风力发电将占世界电力总量的12%，届时世界风电的装机容量将到达1.231钛瓦。在欧洲，因为风能资源丰富的陆地面积十分有限，而海岸线附近的海域风能资源丰富，面积辽阔，适合更大规模开发风电。欧洲各国从近几年开始大规模建设海上风电场，为风力发电的开展开拓了更广阔的空间。我国是世界上风力资源较丰富的国家之一，据估计全国可供开发利用的风能约为2.5亿千瓦。由沿海〔山东、浙江、福建、广东〕和东北至西北〔包括内蒙古、新疆、甘肃〕两大风带，风的质量很好，为开发风力发电提供了根底环境和条件。但我国长期以火电为主，能源结构单一。为缓解我国能源短缺的局面，以及改善我国能源结构，保护生态环境，促进人口、资源、环境的可持续开展，风力发电正在成为本世纪能源更新的先驱。为进一步促进风力发电的开展，我国已与2006年1月1日开始实施《可再生能源法》，采纳了有关风力发电强制上网、全额收购、分类定价等原那么。这一法律的实施，必将有力的促进风能等可再生能源的开发。据2003年9月国家有关部门提出的风电开展目标，到2023除了国家提供的政策扶持，我国风电开展另一个关键因素就是实现风电设备的国产化。我们看到，一边是风电需求大增，但另一边却是高昂的进口设备和维修费用，这大大阻碍了我国风电的开发利用。目前风电研发技术的落后成为我国风电开展的主要障碍之一。过去我国对风电设备的根底性研究重视不够，大多依赖进口国外技术、仿制国外成熟机组，没有形成完全自主的设计体系。据中国风能协会提供的最新统计，截至2004年，我国风电设备累计市场份额中，国产设备之占18%，进口设备占82%，其中以丹麦NEGMicon的份额最大，占到了累计总装机的30%。而风电设备在我国风电建设总本钱中占80%，同时进口设备均价比国产化设备贵30%，是风电本钱难有下降空间，提高我们自己的风力发电技术水平，促进风电设备的国产化，已经成为开展风力发电的迫切需求。1.2风力发电机组电气控制系统研究的进展电气控制系统是风力发电机组运行的核心，是机组平安可靠运行以及实现最正确运行的保证。人们对他的研究也在不断的深入。风电机组电气控制系统研究的进展与电子线路、计算机控制技术、传感器技术、信号处理技术以及通讯技术的进步密不可分。从20世纪70年代末风电机组商品化以来，中心控制系统的电器实现经历了从模拟电子器件到微机控制两个大的开展阶段。从19世纪末第一台现代风力发电机组在丹麦诞生，到20世纪80年代初，风力发电机组中心控制系统的实现都局限于采用模拟电子器件。到80年代中后期，随着计算机技术的开展及其在控制领域的应用，基于微处理器的风力发电机组控制系统开始逐渐兴起。进入90年代，由于微处理器在电力电子、数据采集、信号处理、工业控制等领域的应用，采用微处理器对风力发电机组进行控制以成为必然选择。具体来说，早期的55KW级以下机组的控制系统是靠模拟电子器件来实现的；100—200KW级风电机组控制系统采用模拟电子器件或单片机实现；20世纪90年代以来商品化的300KW、600KW以及兆瓦级风电机组电气控制系统为基于单片机、数字信号处理器或可编程逻辑控制器的微机控制，机组运行的可靠性及自动化程度越来越高。现在国外一些公司的600KW以上的机组以实现了运行的自动监控和无人值守，其控制的智能化程度很高，维护和操作十分简便。第2章风力发电机组相关理论介绍风力发电技术开展至今，其相关理论已根本成熟。了解风电机组的相关根底理论是其控制系统总体设计以及具体控制策略制定的根底。本章将对风电机组的相关知识进行介绍，如风力机的空气动力学特性，以及风电机组的结构和功率特性以及风电机组的并、脱网运行过程。2.1风力发电机组的工作原理在风力发电机组中，存在这两种物质流：一种是能量流，另一种是信息流。两者的相互作用，使机组完成发电功能。风力发电机组的工作原理图如下：图2-1风力发电机组工作原理框图能量流当风以一定的速度吹向风力机时，在风轮上产生的力矩驱动风轮转动，将风的动能变成风轮旋转的动能，两者属于机械能。风轮的输出功率为：P1=M1Ω1〔2-1〕其中：P1为风轮的输出功率，单位为W；M1为风轮的输出转矩，单位为N·M；Ω1为风轮的角速度，单位为1/S。风轮的输出功率通过主传动系统传递，主传动系统可能使转矩和转速发生变化，于是有：P2=M2Ω2=P1η=M1Ω1η1〔2-2〕其中：P2为主传动系统的输出功率，单位为W；M2为主传动系统的输出转矩，单位为N·M；Ω2为主传动系统的输出角速度，单位为1/S；η1为主传动系统的总效率。主传动系统将动力传递给发电系统，发电机把机械能变为电能。发电机的输出功率为：P3=3UNINcosφN=P2η2〔2-3〕其中：P3为发电系统的输出功率，单位为W；UN定子三项绕组上的线电压，单位为V；IN流过定子绕组的线电流，单位为A；cosφN为功率因数；η2为发电系统的总效率。对于并网型风电机组，发电系统输出的电流经过变压器升压之后，既可输入电网。信息流信息流的传递是围绕着控制系统进行的，控制系统的功能是过程控制和平安保护，过程控制包括起动、运行、暂态、停止等。风速、风向、风力发电机的转速、发电功率等物理量通过传感器变成电信号传给控制系统，它们是控制系统的输入信号。控制系统随时对输入信息进行加工和比较，及时的发出控制指令，这些指令是控制系统的输出信息。实际上，在风电机组中能量流和信息立组成了闭环控制系统。定桨距风力发电机的主要特点叶片固定安装在轮毂上，角度不能改变，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性，当风速超过额定风速时利用叶片本身的空气动力特性减小旋转力矩〔失速〕或通过偏航控制维持输出功率相对稳定。2.2风力机的空气动力学特性2.2.1风力发电机组中，风轮的作用是实现风能到机械能的转换。根据风能计算公式〔2-4〕，风能的大小与气流密度ρ和气流通过的面积S成正比，与气流速度v的立方成正比。E=12ρSv3〔2-4风力机的输出功率由于流经叶轮后的风速不可能为零，所以通过叶轮的风能只能局部被叶轮吸收，转化为叶轮旋转的机械能。贝兹〔Betz〕理论给出了理想叶轮的最大理论效率，及贝兹极限η=0.593，这说明风力机从自然风中所获取得能量是有限的。风力机实际所得的功率为：Pm=12ρCPSv3〔2-5式中：Pm为风力机实际输出机械功率，ρ是空气密度，S为叶轮扫风面积，v为风力机上游风速，CP为功率利用系数。实际应用中因为CP随风速，叶轮转速以及风力机参数而变化，所以达不到理论最大值0.593.不同的叶轮有不同的风能利用系数曲线，一般由叶片生产厂家提供。风力机的特性系数为反映叶轮在不同风速下的状态，叶尖圆周线速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λ，如式〔2-6〕所示：λ=2ПRnv=式中：n和ω分别表示叶轮的转速和角速度。叶尖速比λ是风力机的重要参数之一，直接影响叶片捕获的质量，并影响功率利用系数CP。2.3定桨距失速型风电机组近些年来，风力发电的主流机型主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节与变速恒频4种。各种机型的叶轮均采用水平轴、三叶片、上风向布置；额定转速约27r/min。舱内机械采用沿轴线布置的结构；控制系统均使用微处理器，对前三种机组采用了晶闸管恒流软切入技术，并且采用了双速电机；对定桨距失速型机组，用叶尖扰流器作为气动刹车。液压系统作为变距系统、制动系统及叶尖气动刹车的执行机构。尽管在兆瓦级风力发电机组的设计中，已经开始采用变桨距和变速恒频技术，但由此增加了控制系统与伺服系统的复杂性，也对机组的本钱和可靠性提出了挑战。而定桨距风力发电机组结构简单、性能可靠的优点是其它种类机组无法比较的，现今任然是广泛采用的风电机组。本章主要关注的问题既针对大容量定桨距风电机组中异步风力发电机的并网过程，故有必要对定桨距风电机组相关内容进行介绍。定桨距风力发电机组结构定桨距失速型风电机组的典型代表是丹麦NEGMICON600/700/750KW机组。它有三种可供选择的额定功率，分别是600KW、700KW、和750KW，其机舱内的机械设计具有良好的互换性，可根据需要在同一机舱内选派不同的发电机和增速器，并根据安装点不同的年平均风速，选择不同长度的桨叶，构成三种不同功率的机组。该机组也是我国目前装机数量最多的机型之一。定桨距风力发电机组的主要结构特点是，桨叶与轮毂的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶节距角不能随之变化。这也使得当风速高于风轮的设计点风速——即额定风速时，桨叶必须能够自动地将功率限制在额定值附近，桨叶的这一特性为自动失速性能。运行中的风力发电机组在突失负载的情况下，桨叶自身必须具备制动能力，使风力发电机组能够在大风情况下平安停机。20世纪70年代失速性能良好的桨叶的出现，解决了风力发电机组的主动失速性能的要求，以及20世纪80年代以及叶尖扰流器的应用，解决了在突失负载情况下的平安停机问题，这些使得定桨距失速型风电机组在过去20年的风能开发利用中始终处于主导地位。最新推出的兆瓦级风电机组仍有局部机型采用该项技术。定桨距风电机组的执行机构包括液压系统和偏航系统。液压系统是制动系统的驱动机构，主要用来执行风力机的开关指令；偏航系统使风轮轴线与风向保持一致。定桨距失速型风电机组的最大优点是控制系统结构简单，制造本钱低，可靠性高。但失速型风电机组的风能利用系数低，叶片上有复杂的液压传动机构和扰流器，叶片质量大，制造工艺难度大，当风速跃升时，会产生很大的机械应力，需要比较大的平安系数。定桨距失速型风电机组主要有以下几局部组成：叶轮、增速机构、制动机构、发电机、偏航系统、塔架、机舱、加温加压系统以及控制系统等。其中水平轴、三叶片、上风向的定桨距失速型风电机组的结构如图2-2所示：图2-2世俗性风力发电机组的结构1.轮毂〔装叶片〕2.主传动轴3.增速齿轮箱4.机械刹车5.发动机6.刹车7.风速风向仪定桨距风机功率特性风力发电机组的输出功率主要取决于风速，同时也受气压、气温和气流扰动等因素的影响。定桨距风机桨叶的失速性能那么只与风速有关，直到到达叶片气动外形所决定的时速调节风速，不管是否满足输出功率，桨叶的失速性能都要起作用定桨距风机的主动时速性能使得其输出功率始终限定在额定值附近。同时，定桨距风力发电机组还存在低风速运行的效率问题。在整个运行风速范围内〔3m/s<v<25m/s〕由于气流的速度是在不断变化的如果风力机的转速不能随风速的变化而调整，这就必然要使风轮在低风速时的效率降低〔而设计低风速时效率过高，会使桨叶过早进入失速状态〕。同时发电机本身存在低负荷时效率问题，尽管目前用于风力发电机组的发电机已能设计的非常理想，它们在P>30%额定功率范围内，均有高于90%的效率，但是当功率P<25%额定功率时，效率任然会急剧下降为解决的问题，定桨距风力发电机组普遍采用双速发电机，极对数分别设计成2对极和3对极。另一方面改变桨叶节距角的设定也显著影响额定功率的输出，图2-3为600KW定桨距失速型风电机组在不同节距角时的功率曲线。从定桨距失速型风电机组的功率曲线图中，我门口看到，定桨距风力发电机组在风速到达额定值以前就开始失速，到额定点时的功率系数已经非常小了。调节桨叶的节距角，只是改变桨叶对气流的时速点。节距角越大，气流对桨叶的时速点越高，其最大输出功率也越高。这就是定桨距风力发电机在不同的空气密度下桨叶安装角的原因。〔a〕节距角为0°时风机功率输出曲线〔b〕节距角为15°时风机功率输出曲线图2-3定桨距失速型风电机组风机输出功率曲线定桨距风电机组中异步发电机的选用双速异步发电机指具有两种不同的同步转速的电机，异步电机的同步转速与电机定子绕组的极对数和电网频率的关系为：nN=60F/Np(2-7)式中：Np为极对数，nN为异步电机的同步转速。只要改变异步电机定子绕组的极对数就能得到不同的同步转速。改变电动定子绕组极对数的方法有如下2种方式：〔1〕采用两台定子绕组极对数不同的异步电机；〔2〕在一台电机的定子上放置两组极对数不同且相互独立的绕组，即双绕组的双速电机；双速异步发电机的转子皆为鼠笼型的，鼠笼型转子能自动适应定子绕组极对数的变化。国内外定桨距风电机组中的双速异步发电机皆采用4/6双速异步发电机，其同步转速分别为1500rpm和1000rpm，小电机的额定功率设定成大电机的1/5至1/4之间，低风速时小电机工作，高风速时大电机工作，这样不仅桨叶具有较高的气动效率，发电机的效率也能保持在较高的水平。提高了定桨距风电机组的风能利用效率，也减小了定桨距风力发电机组与变桨距风力发电机组在进入额定功率前功率曲线之间的差异。2.4定桨距失速型风电机组运行过程分析定桨距失速型风电机组运行状态主要有待机状态、起动状态和大小电机并脱网、切换及停机状态。待机状态当风速高于3m/s，但缺乏以将风电机组拖动到切入的转速，或者风电机组从小功率〔逆功率〕状态切出，没有重新并入电网，此时风力机处于自由转动状态，称为待机状态。待机状态除了发电机没有并入电网，机组实际上已经处于工作状态。控制系统在此时也已做好切入电网的准备。一旦风速增大，转速升高，发电机即可并入电网。风力发电机组的并网当风速继续升高。到达4m/s时，风电机组起动到某一设定转速，此时发电机按控制程序被自动地联入电网。一般总是小发电机先并网，当风速继续上升到8~20m/s时，那么直接从大发电机并网。发电机的并网过程，是通过三相主电路上的三组晶闸管完成的。当发电机过渡到稳定的发电状态后，与晶闸管电路平行的旁路接触器闭合，机组完成并网过程，进入稳定运行状态。为了防止产生电火花，旁路接触器的开与关，都是在晶闸管关断之前进行的。大小电机之间的切入当风速继续升高至7~8m/s时，切换到大电机运行。小发电机向大发电机切换的控制，一般以平均功率或瞬时功率参数为预置切换点。如NEGMincon750KW机组以10分钟平均功率到达某一预置值P2作为切换依据。执行小发电机向大发电机切换时，先断开小发电机接触器，其次断开旁路接触器。此时，发电机脱网风力将带动发电机转速迅速上升到大发电机同步转速附近。在大发电机运行时，如果风速降低，执行大发电机向小发电机切换。当大发电机功率持续10分钟内低于预置值P3时，或10分钟平均功率低于预置值P4时，作为大发电机向小发电机切换的依据。切换时，先断开大发电机接触器，其次断开旁路接触器。由于存在过速保护和计算机超速检测，因此，应迅速投入小发电机接触器，执行软并网，由电网负荷将大电机转速脱到小发电机额定转速附近。只要转速不超过超速保护的设定值，就允许执行小发电机软并网。或者采用另一种方式，即在大电机切除电网时释放叶尖扰流器，使转速降低到小电机并网预置点一下再收回扰流器，小电机并入电网，如NEGMincon750KW风力发电机组就是采用这种切换方式。脱网停机在发电机运行时，如果风速进一步升高，超过风电机组平安运行的风速范围时，那么大发电机脱网，执行停机动作。由于风速过高引起的风力发电机组退出电网有以下几种情况：〔1〕风速高于25m/s，持续10分钟。一般来说，由于受叶片失速性能限制，在风速超。出额定值时发电机不会因此上升。担当电网频率上升时，发电机同步转速上升，要维持发电机处理根本不变，只有在原有转速的根底上进一步上升，可能超出预置值。这种情况通过转速监测和电网频率检测可以做出迅速反响。如果过转速，释放叶尖扰流器后还应使风力发电机组侧风90°，以便转速迅速降下来。当然，只要转速没有超出允许限额，只需执行正常停机。〔2〕风速高于33m/s，持续2s，正常停机。〔3〕风速高于50m/s，持续1s,平安停机，侧风90°。双速发电机功率曲线上述所介绍的双速发电机的各个工作状态可由图2-4表示。由于风速的随机变化，大小电机的并网次数很高，频率切换，主回路所产生的瞬时大电流会对电机以及主回路的元器件产生不同程度的冲击，还会减小发电量。因此大小电机切换风速设有一重复区段，即在功率曲线上有一回环，既可降低切换次数，减少器件损耗，还可以提高大小电机在不同风速下的效率。第3章风力发电机组并网分析3.1并网方式概述随着风力发电机组单机容量的增大，在并网时对电网的冲击也越大。这种冲击严重时不仅引起电力系统电压的大幅度下降，并且可能对发电机和机械部件〔塔架、桨叶、增速器等〕造成损坏。如果并网冲击时间持续过长，还可能使系统瓦解或其它挂网机组的正常运行。因此，采用合理的并网技术是一个不可无视的问题。同步风力发电机组的并网技术同步发电机在运行中，由于它既能输出有功功率，又能提供无功功率，周波稳定，电能质量高，已被电力系统广泛采用。然而，把它移植到风力发电机组上使用却不甚理想，这是由于风速时大时小，随机变化，作用在转子上的转矩极不稳定，并网时期调速性能很难到达同步发电机所要求的精度。并网后假设不进行有效的控制，常会发生无功震与失步等问题，在中在下尤为严重。这就是在相当长的时间内，国内外风力发电机组很少采用同步发电机的原因。但近年来随着电力电子技术的开展，通过在同步发电机与电网之间沉思用变频装置，从技术上解决了这些问题，采用同步发电机的方案又引起了人们的重视。异步风力发电机组的并网技术异步发电机投入运行时，由于靠转差率来调整负荷，因此对机组的调速精度要求不高，不需要同步设备和整步操作，只要转速接近同步转速时，就可并网。显然，风力发电机组配用异步发电机不仅控制装置简单，而且并网后也不会产生震荡和失步，运行非常稳定。然而，异步发电机并网也存在一些特殊问题，如直接并网时产生的过大冲击电流造成电压大幅度下降会对系统平安运行构成威胁；本身不发无功功率，需要无功补偿；当输出功率超过其最大转矩所对应的功率会引起网上飞车；过高的系统电压会使其磁路饱和，无功激磁电流大量增加，定子电流过载，功率因数大大下降；不稳定系统的频率过于上升，会因同步转速上升而引起异步发电机从发电状态变成电动状态；不稳定系统的频率的过大下降，又会使异步发电机电流剧增而过载等等。所以运行时必须严格监视并采取相应的有效措施才能保障风力发电机组的平安运行。3.2异步发电机的风力发电机组并网方式直接并网方式这种方式只要求发电机转速接近同步转速〔即到达99%~100%同步转速〕时，即可并网使风力发电机组运行控制变得简单，并网容易。但在并网瞬间存在三相短路现象，供电系统将受到4~5倍发电机额定电流的冲击，系统电压瞬时严重下降〔如国产FD-32-200型风力发电机在上海电机厂于同步转速附近做并网试验时，系统电压由410V下降到230V左右〕，以至引起低电压保护动作，使并网失败。所以这种并网方式只有在与大电网并网时才有可能。准同期并网方式与同步发电机准同期并网方式相同，在转速接近同步转速时，先用电容励磁，建立额定电压，然后对已励磁建立的发电机电压和频率进行调节和校正，使其与系统同步。当发电机的电压、频率、相位与系统一致时，将发电机投入电网运行。采用这种方式，假设按传统的步骤经整步到同步并网，责仍需要高进度的调速器和整步、同期设备，不仅要增加机组的造价，而且从整步到达准同步并网所花费的时间很长，这是我们所不希望的。该并网方式合闸瞬间尽管冲击电流很小，但必须控制在最大允许的转矩范围内运行，以免造成网上飞车。由于它对系统电压影响极小，所以适合于电网容量比风力发电机组大不了几倍的地方使用。降压并网方式这种并网方式就是在发电机与系统之间串接电抗器，以减少合闸瞬间冲击电流的幅值与电网电压下降的幅值。如比利时200KW风力发电机组并网时各项串接有大功率电阻。由于电抗器、电阻等串联组件要消耗功率，并网后进入稳定运行时，应将其电抗器、电阻退出运行。显然，这种并网方式要增大功率的电阻或电抗器组件，其投资随着机组容量的增大而增大，经济性较差。它适用于小容量风力发电机组〔采用异步发电机〕的并网。捕捉式准同步快速并网技术捕捉式准同步快速并网技术的工作原理是将常规的整步并网方式改为在频率变化中捕捉同步点的方法进行准同步快速并网。据说该技术可不丧失同期机，准同步并网工作准确、快速可靠，既能实现几乎无冲击准同步并网，对机组的调速精度要求不高，又能很好地解决并网过程与降低造价的矛盾，非常适合于风力发电机组的准同步并网操作。采用双向晶闸管的软切入并网技术1.发电机与系统之间通过双向晶闸管直接连接：这种连接方式的工作过程为：当风轮带动的异步发电机转速接近同步转速时，与电网直接相连的每一相的双向晶闸管的控制角在180°与0°之间逐渐同步翻开；作为每相为无触点开关的双向晶闸管的导通角也同时由0°与180°之间逐渐同步增大。在双向晶闸管导通阶段开始〔即异步发电机转速小于同步转阶段〕，异步发电机作为电动机运行，随着转速的升高，其转差率逐渐趋于零。当转差率为零时，双向晶闸管已全部导通，并网过程到此结束。由于并网电流受晶闸管导通角限制，并网较平稳，不会出现冲击电流。但软切入装置必须采用能承受高反压大电流的双向晶闸管，价格较贵，其功率又不能做得太大，因此适用于中型风力发电机组。2.发电机与系统之间软并网过渡，零转差自动并网开关切换连接：这种连接方式工作如下：当风轮带动的异步发电机起动或转速接近同步转速时，与电网相连的每一相双向晶闸管〔晶闸管的两端与自动并网常开触点相连接〕的控制角在180°与0°之间逐渐同步翻开；作为每相为无触点开关的双向晶闸管的导通角也同时由0°与180°之间逐渐同步增大。此时自动并网开关尚未动作，发电机通过双向晶闸管平稳的进入电网。在双向晶闸管导通阶段开始〔即异步发电机转速小于同步转阶段〕，异步发电机作为电动机运行，随着转速的升高，其转差率逐渐趋于零。当转差率为零时，双向晶闸管已全部导通，这时自动并网开关动作，常开触点闭合，于是短接了已全部开通的双向晶闸管。发电机输出功率后，双向晶闸管的触发脉冲自动关闭，发电机输出电流不再经双向晶闸管而是通过已闭合的自动开关触点流向电网。这两种方法是目前风力发电机组的普遍采用的并网方法，其共同特点是：可以得到一个平稳的并网过渡过程而不会出现冲击电流。不过第一种方式所选用高反压双向晶闸管的电流允许值比第二种方式的要大得多。这是因为前者的工作电流要考虑能通过发电机的额定值，而后者只要通过略高于发电机空载时的电流就可满足要求。但需采用自动并网开关，控制回路也略为复杂。本设计将主要介绍采用第二种方式的软切入装置。第4章定桨距风力发电机组并网控制——软切入装置4.1系统概述软切入装置〔SOFTCUT-INUNITT〕是目前联网运行的定桨距风力发电机组控制系统的重要局部。它的主要作用是限制发电机在并网和大小发电机切换时的瞬变电流，以免对电网造成过大的冲击。一般当电网的容量比发电机的容量大的多时〔≥25倍〕，发电机联网时的冲击电流才可以不予考虑。但目前联网运行的风力发电机组已开展到兆瓦级水平，与一般变电所的容量相比已经相当大。因此，软切入装置已成为控制系统必不可少的局部。本此设计所运用的软切入装置适用于采用单电机双绕组的定桨距风力发电机组。该装置允许风力发电机组在静止时作电动机起动，所限定的电流可以根据工作要求在较大范围内进行调节，并设置了不同的电流反响信号放大电路通道，当发电机作电动机起动时，自动选择限定电流较大的通道，一般设置为小发电机额定电流的三倍；而当大发电机向小发电机切换时发电机处在超同步速的发电状态、电流应小于发电机在最大转矩下的电流，这时选择限定电流较小的通道。装置内部具有发电机运行状态〔电动状态或发电状态〕检测，三相不平衡检测等功能。当发电机进入稳定的发电状态后，旁路接触器自动吸合，晶闸管退出工作状态。4.2系统框图设计软切入装置的系统框图图4-1软切入装置的系统框图原理说明软切入装置的系统框图如图4-1所示。晶闸管移相触发电路的同步信号经三相变压器输出〔AC110V〕，然后转换成锯齿波形的同步信号。变压器还通过整流桥提供两路直流电源〔+15V〕；另一路〔+20V〕提供应稳压电源，为控制电路提供12V直流电源〔参见图4-2〕。图4-2三相同步信号及两路直流电源控制信号通过三只分别与三相母线相连的电流互感器经全桥整流、滤波后转换成直流电平信号控制移相触发角。三相电流信号经全桥整流后的另一路经带通滤波器检测三相负载不平衡信号，并输入计算机。大小发电机的起动、切换信号经互锁、放大，控制相应的继电接触器的闭合，调整电流控制信号，并根据控制电流的大小决定晶闸管限流器切入与切出〔通过KA1的开闭实现，见图4-1下方〕。框图左面是软切入装置的主电路。电网的三相线路通过三组双向晶闸管与大小发电机相联。KA2与KA3分别控制大小发电机的切入与切出。KA4由计算机指令直接控制。4.3单元电路设计主电路设计1.主电路设计原理图2.原理说明本次设计中采用每相线路都串接一组反向晶闸管，共三组。正是这三组反向晶闸管将电网与发电机联系在了一起实现了软并网的主电路设计，并采用了两台大小发电机，做切换使用，并设置了驱动接触器KA1、KA2、KA3。KA2和KA3分别做大小发电机的切入与切出控制，KA1做电流的大小决定晶闸管限流器切入与切出控制。控制电路设计〔1〕晶闸管移相触发控制电路1.三相电流反响信号①原理图设计图4-3三相电流反响信号②原理说明晶闸管移相触发控制电路直接取发电机三相电流信号作为反响控制信号〔图4-3〕。三相电流经电流互感器和全桥整流后，通过R8变成直流电压信号。该信号一路经放大后作为晶闸管导通角的控制电压；另一路经低通和带通滤波器作为检测三相电流平衡的信号。2.电流反响信号放大电路①原理图设计图4-4电流反响信号放大电路②原理说明图4-4，是电流反响信号放大电路，a端为信号输入。A1及R1~R5组成线性放大回路，放大倍数可供选择。其中I1为大发电机切换至小发电机时限定的电流；I2为发动机起动时限定的电流。通过双向开关SA1和SA2进行选择。双向开关的切换由C端信号控制。电流的放大倍数通过可变电阻RP1和RP2可在较大范围内进行调节。调节这个放大倍数也就调定了所限制的电流。由于a端电位总是大于b端电位，所以A1的输出电压在0与6V之间。A3的基准电位由稳压电源提供，Ud=5V，放大倍数约为5，线性放大区在4V<U14<6V。R11，VD1，C2等组成RC低通滤波器。其3dB衰减处的频率=其中R11=100KΩ，C2=0.47uF。由上式可得f0=3.38Hz。因此，经过滤波后，进入A3的信号已接近直流电平信号。A2用来加速A3的翻转。d端电压经分压后，输入A2的反相端为4V左右。当同相端交流信号的峰值大于4V时，A2不起作用，这时A3处于线性工作状态，当U14峰值小于4V时，A2翻转，VD2导通，C2通过R7迅速放电。使A3-3端的电位立刻被拉到0V，A3迅速翻转，这时G2输出端或e端将始终处于高电位，晶闸管导通角处于被迅速关小过程中。A4与G2组成矩形波发生器。当A3-1端电位≤4V时，A4输出端为低电平；当A3-1端电位≥6V时，A4输出端为高电平；当4V≤A3-1端电位≤6V时为矩形波，且占空比随A3-1端电压的变化而变化。经过调制的控制信号经G2整形后，选择一定的时间常数对电容进行充、放电。从而得到控制触发导通角的电平信号。3.PI调节器的时间常数选择和工作状态控制①原理图设计图4-5PI调节器的时间常数选择和工作状态控制②原理说明图4-5为PI调节器的时间常数选择和工作状态控制。A端为控制信号输入端；c端为PI调节器开关。当发动机处于起动〔电动〕状态时c端为1，这时a端信号有效；当发动机进入放电状态时c端为0，这时a端信号无效，G1的输出端为高电平，晶闸管导通角将开到最大〔全导通〕。两路充放电阻的选择也是由发动机工作状态决定。在PI调节器控制电流时，LR切入，时间常数可在4~40s范围内调节；放电状态时，SR切入，时间常数可在0.4~4s内调节。短时间常数可使导通角迅速翻开。b端控制发电机切换时导通角的复位。选择R5信道，时间常数为0.4s。4.移相控制信号及旁路接触器控制信号①原理图设计图4-6移相控制信号及旁路接触器控制信号②原理说明图4-6是移相控制信号形成环节。A4组成电压跟随器；R15与R16起分压作用，将控制电压调整在0~5V内。A2与A3用来限定A1的输出电平的上下限。A5用来实现发电机脱网指令。A6的作用是当导通角开到最大时，起动旁路接触器KA1。它们的基准电位通过对12V直流电源的分压获得。当A1的输出电平下降，使A2的同向输入端电位低于反向输入端电位，其输出端电位翻转，VD4导通，使Ua降低，停止对C3充电，防止使A1进入饱和状态，同时限定了A1的输出端电位的下限。当A1的输出端电位上升到高于A3的同向输入端电位时，VD3导通，使Ua升高，重新对C3充电，从而限定了A1的输出端电位的上限。当脱网信号发出后，G3-5端为1，脱网许可〔参见图4-15〕。这时Ua将保持高电位，A1的输出端电位U7逐渐降低。当U7降低到小于A5的同向输入端电位U10时，A5的输出端电位U8翻转为1，G3输出为0，电机脱网。从而保证电机在切换时，晶闸管的导通角总是从0开始。发电机在网上运行时，b端为0〔参见图4-15〕，G2-2端为1；当A1的输出端电位U7大于A6的反向输入端电位U13时，晶闸管导通角已完全翻开，这时A6的输出端电位U14为1，G2输出端翻转为0，起动旁路接触器。该移相控制信号进一步调整在0~4V。其中电压调整局部电路可作如下变换〔见图4-8〕：图4-8等效电路上图中R1’、R3’分压；R2’、C滤波。调整后的信号通过A2校准，A2的基准为2V，放大倍数为1.然后输入比较器A3〔2〕晶闸管开关控制信号形成1.晶闸管开关控制信号形成①原理图设计图4-7晶闸管开关控制信号形成②原理说明图4-7为三相同步信号的形成。b、c、d端及n端分别与三相变压器二次绕组输出端d、e、f及n端相联。正弦信号经R9、R14、R19后，由两个反向串联的稳压管的作用变成矩形波，在正半周和负半周，分别控制晶体管的导通和截止的切换，然后通过与反向器和RC电路，使异或非门G7、G8、G9在切换的瞬间输出高电平，控制恒流源充放电路，从而形成锯齿波形的同步信号。在锯齿波与控制信号的相交点，比较器A3~A5翻转，控制触发脉冲的输出。触发脉冲由多谢振荡器产生。2.外触发多谐振荡器〔触发脉冲的形成〕①原理图设计图4-9外触发多谐振荡器②原理说明图4-9是外触发多谐振荡器，脉冲列的占空比由R1、R2确定。a、b、c端分别与图4-7中的e、f、g端的触发信号相联，作为控制多谐振器的脉冲列输出的开关。脉冲列放大后，通过脉冲变压器触发晶闸管〔见图4-10〕。图4-10脉冲触发电路〔3〕发电机运行状态检测1.简要概述作为电动机起动的风力发电机组当转速到达同步转速后，就进入发电状态。这时限流装置可以停止工作，并将导通角开到最大，然后被旁路。否那么当发电机的能量不能完全输出给电网，就会发生飞车事故。因此，发电机运行状态检测是软切入装置中不可缺少的环节。发电机状态的检测是根据发电机在电动和发电状态电流对电压的相位差不同的原理，通过对电流和电压信号取样，整形成矩形波，由异或门将两个波形合成，通过平均值电路测量输出的平均电压的上下来实现的。2.发电机状态检测过程的框图图4-11发电机状态检测过程框图3.电路介绍①发电机运行状态检测电路设计图4-12发电机运行状态检测电路②原理说明电路左面上下两个输入端口分别为电压和电流信号的输入端，通过放大器转变成开关信号，经G1和G2两个异或非门整形，成为两组矩形波。如图4-13所示，在电动状态，电流对电压相位差＜90°，在异或门G3的输入端“异〞的时间较短，“同〞的时间较长，其输出端的电压如图4-13d所示。在发电状态，电流与电网电压的角度＞90°，异或门的输出电压如图4-14所示。图4-13电动状态信号图4-14发电状态信号电动状态的电流与电网的波形a〕发电状态的电流与电网的波形b)整形后的电压波形b)整形后的电压波形c)整形后的电流波形c)整形后的电流波形d)异或门的输出波形d)异或门的输出波形从上两图可见，在电动状态，G3输出的平均电压较小，发电状态输出的平均电压较大。如果在e端电位给定的条件下适中选择R5、R6、C1、C2的参数，可使A2输出端的电压U14在电动状态处与高电位，发电状态处于低电位。U14的信号经f端去控制电流节调器的工作与否。图4-12中g端在大发电机切换到小发电机时置1，以保证电流调节器及时投入工作状态。〔4〕大小发电机的切入〔并网〕，切出〔脱网〕和切换过程1.开关指令的执行过程①发电机并网与脱网指令执行过程原理图设计图4-15发电机并网与脱网指令执行过程②原理说明如图4-15，当软切入单元接到发电机起动指令后，VL1或VL2导通，触发器相应的输入端i(大发电机)或j(小发电机)置0.触发器相应的输出端置0并自锁；经与非门使三极管导通，从而接通相应的继电器。发电机的脱网由来自图4-6中的d端的信号〔图中e端信号〕控制当晶闸管导通角复位到0时，e端置0，发电机脱网。VD6与VD7的作用是在脱网状态时解除互锁。2．PI调节器的控制开关机指令的另一路通过由G3和G4组成的触发器从K端和I端输出，其中K端用来选择限流倍数〔参见图4-4〕，I端用来参与发电机状态检测和PI调节器的控制〔参见图4-12〕。由G3和G4组成的触发器在发电机启动前，G3的输入端为0，G4的输入端〔KA2开关信号〕为1.这时G＞的输出端为1，G4的输出端为0，K端输出为高电平，I端输出为0。当发电机启动后，G1的输出端为高电平，G2的输出端高电平，VD2截止。这时G3的输入端电位取决于d端信号〔旁路继电器是否投入，参见图4-6〕。触发器在大发电机投入前，即G4的输入端保持1时，输出状态保持不变。当发电机投入后，G4的输入端为0，这时触发器翻转。但由于VD4的作用使I端仍为低电平，而h端在大发电机切入后呈高电平，使K端仍为高电平，输出状态不变。当大发电机切换到小发电机时，G3的输入端与G4的输入端同为高电平，触发器输出保持不变，而这时G3的输入端为低电平，h端也为低电平，因此K端变成低电平，而G4的输入端此时为高电平，故I端为高电平。小发电机脱网时，G3的输入端为0，G3的输出端为1，G4的输出端为0，于是I为0，K为1.由R11、R12、VD1、C3组成的充放电路是为了在发电机切换的瞬间〔G1的输出端为0的短时间内〕保持异或门的输出不变。图中g端信号反映发电机工作状态，控制旁路接触器的启动和PI调节器的复位。当g端置0时，表示有发电机运行在网上，这时图4-5中G4-9端置1，允许PI调节器工作；图4-6中G2-2端置1，允许起动旁路接触器。当g端置1时，表示发电机脱网或切换指令已发出，但继电器尚未闭合。这时，图4-6中G2-2端置0，旁路接触器脱开；图4-5中G4-9端置1，使晶闸管导通角迅速复位，做好控制瞬变电流的准备。4.4系统性能测试我们在FD23-200/40KW风力发电机组上对软切入装置进行了起动和大小发电机切换时的性能试验。试验时的风速为8~10m/s。试验结果见图4-16和图4-18。图4-16是在风力发电机组起动时，用示波器记录的图4-3中a点相对b点的波形，反映了起动电流的变化曲线。这时所测的线电流为280A，40KW发电机额定功率为90A，因发电机功率较小，起动电流被限制在额定电流的3倍左右。从图上可见，起动过程约15s左右，电流根本平稳。从小发电机切换到大发电机，切换过程约为8s左右，电流曲线见图4-17。图4-16小发电机起动电流波形图4-17大发电机起动电流波形图4-18是图4-6中A1-7端的波形，是晶闸管的控制电平的变化曲线，也反映了晶闸管导通角的变化情况。从图上可以看到，起动开始，控制电平迅速从0V升到2V左右，变化不大，晶闸管处于工作状态，起动电流被限制在设定值以下。起动过程结束后〔进入发电状态〕控制电平立刻上升到7V左右，导通角被开到最大，旁路继电器投入〔晶闸管被切出〕。图4-18晶闸管触发控制电平的变化曲线第5章定桨距风力发电机组并网仿真5.1电力系统MATLAB/SIMULINK仿真软件概述MATLAB/SIMULINK开展简史1.MATLAB开展简史20世纪70年代中期，CleveMoler和他的同事们在美国国家科学基金的资助下研发了称为LINPCK和EISPACK的FORTRAN子程序库。LINPCK是解决线性方程问题的FORTRAN子程序集合，FORTRAN是对特征值问题进行求解的子程序集合。它们一起代表了当时最具影响力的矩阵计算软件。20世纪70年代后期，当时已经成为新墨西哥大学计算机科学系系主任Cleve，希望在他的线性代数授课课程中使用LINPCK和EISPACK软件。但他并不想增加学生的编程负担，因此，设计了一组调用LINPCK和EISPACK库程序的“通俗易用〞的接口，并命名为MATLAB，其根本的数据单元是一个维数不加限制的矩阵。在MATLAB下，矩阵运算变得非常容易。因此，一两年后，MATLAB在应用数学团体中流行起来。1983年的春天，Cleve到斯坦福大学进行访问，MATLAB深深地吸引住了身为工程师的JohnLittle。JohnLittle敏锐的地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景，于是同年，他和CleveMole，SteveBangert一起用C语言开发了第二代MATLAB专业版，由SteveBangert主持开发编译解释程序；SteveKleiman完成图形功能的设计；JohnLittle和CleveMoler主持开发各类数学分析的子模块，撰写用户指南和大局部的M文件。1984年，CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司，发行了MATLAB1.0〔基于DOS的版本〕正式把MATLAB推向市场。MATLAB的第一个商业化版本是同年推出的基于DOS的MATLAB3.0，该版本已经具有数值计算和数据图示化的功能。通过不断的改良，MATLAB逐步开展成为一个集数值处理、图形处理、图像处理、符号计算、文字处理、数学建模、实时控制、动态仿真、信号处理为一体的数学应用软件。2.SIMULINK开展简史SIMULINK是MathWorks公司开发的又一个生产重大影响的软件。为了准确地分析控制系统的复杂模型，1990年MathWorks公司为MATLAB提供了崭新的控制系统模型图形输入与仿真工具，并命名为SIMULAB,它以工具库的形式挂接在MATLAB3.5版上。MATLAB包括仿真平台和系统仿真模型库两局部，主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统，它是20世纪70年代开发的连续系统仿真程序包括〔CCS〕的继续。该软件发布后很快就在控制领域得到了广泛使用。但是，因为其名字与著名的SIMULA类似，所以1992年改名为SIMULINK〔simulationlink〕,意思是仿真连接。3.SimPowerSystems库开展简史SimPowerSystems库是SIMULINK下面的一个专用模块库，是在SIMULINK环境下进行电力、电子系统建模和仿真的先进工具。它建立在加拿大的Hydro-Quebec电力系统测试和仿真实验室的实践经验根底上，并由Hydro-Quebec和TECSIMInternational公司共同开发而成，功能非常强大。SimPowerSystems库提供了一种类似电路建模的方式进行建模绘制，在仿真前自动将仿真系统图变化成状态方程描述的系统形式，然后在SIMULINK下进行仿真分析。它为电路、电力电子系统、电机系统、发电、输变电系统和配电计算提供了强有力的解决方法，尤其是当设计开发内容涉及控制系统设计时，优势更为突出。MATLAB/SIMULINK的特点1．MATLAB的特点提供了便利的开发环境提供了强大的数学应用功能编程语言简易高效图形功能强大提供了功能强的的工具箱应用程序接口功能强大MATLAB的缺点。和其它高级程序相比，MATLAB程序执行的速度较慢。2.SIMULINK的特点〔1〕建立动态系统的模型并进行仿真〔2〕以直观的方式建模〔3〕增添定制模块元件和用户代码〔4〕快速、准确地进行设计模拟〔5〕分层次地表达复杂系统〔6〕交互式的仿真分析3.SimPowerSystems库的特点〔1〕使用标准电气符号进行电力系统的拓扑图像建模和仿真〔2〕标准的AC和DA电机模型模块、电压器、输电线路、信号和脉冲发生器、HVDC控制、IGBT模块和大量设备模型〔3〕使用SIMULINK强有力的变步长积分器和零点穿越检测功能，给出高度精确的电力系统仿真计算结果〔4〕利用定步长梯形积分算法进行离散仿真计算，为快速仿真和实时仿真提供模型离散化方法〔5〕利用Powergui交互式工具模块可以修改模型的初始状态，从任何初始条件进行仿真分析，例如计算电路的状态表达、计算电流和电路的稳态解、设定和恢复初始电流/电压状态、电力系统的潮流计算等〔6〕提供了扩展的电力系统设备模块，如电力机械、功率电子元件、控制测量模块三相元器件〔7〕提供大量功能演示模块，可直接运行仿真或进行方案例学习5.2异步风力发电机组直接并网过渡过程分析假设电机在并网前没有电压、电流，也没有剩磁，当电机接近同步转速时直接并网，异步电时机经历一个瞬态过渡过程。产生的瞬态冲击电流与电机参数、并网转速、电机磁通饱和程度以及并网瞬间电压相位角有关。直接并网时产生的过渡过程电流：i=i0sin(ωt+θ-ψ)+iae-1/T1sin(ωt+θ-ψ)+ide-1/T2sin(θ-ψ)(5-1)式中，i0为稳态交流分量，ia为暂态交流分量，ib为暂态直流分量，ψ为电机等效阻抗角，θ为电机并网瞬间合闸相位角，T1=x’d/(ωRr/s)为暂态交流分量衰减时间常数，与滑差和转子电阻有关；T2=x’d/ωRs为暂态直流分量衰减时间常数，与定子的电阻和电感有关。电机并入电网时，定子绕组中的稳态交流分量i0sin(ωt+θ-ψ)开始产生，并进而产生电磁力。由于此时转速接近同步速，i0接近电机空载电流。并网瞬间，根据磁链守恒原理，转子短路绕组中产生一个衰减的直流分量，其产生的磁场切割定子绕组，并产生一个衰减的暂态交流分量iae-1/T1sin(ωt+θ-ψ)，x’d为电机暂态电抗，暂态电抗的值为x’d=xω+1(1/xm+1/xα)，ia与电网电压成正比，与暂态电抗成反比。同时，并网瞬间，定子绕组礠链守恒，定子绕组中产生一个衰减的直流分量ide-1/T2sin(θ-ψ)，以抑制电网电压产生的的磁通，id与电网电压成正比，与暂态电抗成反比。另外异步发电机并网瞬态冲击电流的峰值还与并网瞬间电网电压的相位角有关，在相位角θ=ψ±π/2时，冲击电流最大，θ=ψ时，冲击电流最小。从以上的分析可以知道，异步风力发电机并网冲击电流的大小，不仅与其自身的暂态电抗和电网电压有关，还与并网时的滑差s有关。滑差s越大，瞬态电流交流分量的衰减时间越长，产生的冲击电流有效值越大，为减少并网冲击电流，一般并网时选择的s都比较小，并网过程中在受到冲击电流影响的同时，还受到励磁涌流的影响。滑差s越小，冲击电流有效值越小，但励磁涌流越大。5.3失速型异步风力发电机组大小电机仿真模型的建立进行双绕组异步电机的建模与仿真分析时，忽略双绕组结构给电机运行特性带来的影响，将双速电机近似为大小两个独立的理想化电机来处理，作如下假设：〔1〕磁路是线性的，忽略电机铁磁饱和、磁滞以及涡流的影响，不考虑铁芯和导线的集肤作用；〔2〕转子为圆柱体，气息均匀，且认为定转子有光滑的的外表，忽略定转子齿槽对气息旋转磁场分布的影响；〔3〕定子三相绕组结构相同，且在空间的位置被此相差120°，并在气隙中产生正弦分布的磁势和旋转磁场；〔4〕转子每相绕组对称，每两个相邻绕组在空间相差的角度均相同，且在气隙中产生正弦分布的磁势和旋转磁场；异步风力发电机单相T型等效电路如图5-1所示。从异步风力发电机的等效电路中，我们可以得出异步风力发电机负载阻抗角与转速nr的关系。图中，滑差s=〔nN-nr〕/nN，nN为异步风力发电机同步转速。图5-1异步电机等效电路图异步电机单相等效阻抗：JM=Rs+jωLαs+(Rr/s+jωLσr)/jωLM(5-2)式中，Rs为定子电阻，Lαs为定子电抗，Rr为转子电阻，Lσr为转子电抗，LM为感抗。其负载阻抗角ψ随滑差s的减小而减小，并在接近于零时，负载阻抗角最小，需要注意的是，在实际情况下，电机的相关参数是未知的，特别是转子电阻，在运行中是一个未知、时变的参数。故而对于异步风力发电机这样一个多变量、参数未定、强非线性系统，很难建立精确的模型。这里根据理想化电机的假设建立d-q坐标下的异步电机MatLab仿真模型，并在此根底上运行失速型风电机组直接并网与软并网控制系统的仿真分析。5.4异步风力发电机组直接并网过渡过程仿真分析金风公司是我国风电设备制造的著名公司，其下的主导产品为针对不同气候类型的金风600kw、金风750kw系列机组。所以本文采用金风公司S43/600kw机组作为仿真算例具有一定的代表性。600kw为其额定功率，切入风速为3m/s，额定风速为14m/s，切出风速为25m/s〔10分钟均值〕，采用的异步风力发电机为YJ50型600/125kw双绕组异步发电机，双速异步发电机的同步转速和额定转速分别为1500/1000〔rpm〕和1519/1013〔rpm〕。双速异步发电机具体参数如表5-1所示.表5-1双速异步风力发电机具体参数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是当今流行的科学计算与系统仿真软件，Simulink是Matlab提供的控制系统模型可视化的仿真工具，在其内部提供了许多控制系统的标准仿真模块，系统建模简便，并可在Simulink环境下直接进行控制系统的仿真分析。SimPowerSystemsBlockset是在Simulink根底上开发的专门用于电力电子与电力传动仿真领域的模块库。在Simulink中的SimPowerSystems下可以找到风力机的仿真模块。依此模块，风力机的功率PM如式〔5-2〕计算得出。风力机的仿真模型如图5-2所示。图5-2风力机仿真模型图5-2中，由于风力机的计算使用的是标幺值，故需要对输入和输出量进行转化。Wr为发电机的转速，其值wr_base为同步转速时的角速度；Tm为风力机输出转矩，其基值风力机的额定转矩Tm_base等于风力机输出的额定功率除以发电机的额定转速。对于定桨距风力发电机组，桨距角pitchangle为0º。风力机额定风速为14m/s时，其输出的功率曲线如图5-3所示。图5-3风力机输出功率曲线由于本文主要关注的是电机的软网控制，故可以不考虑大小电机的切换的问题，而采用两个单独的异步电机模型来代替，仿真时直接采用Simulink中已有的单机模型。在大电机向小电机切换时，采用释放叶尖扰流器减速，然后并入小发电机的切换方式。图5-4给出了直接并网过渡过程总体结构仿真示意图。其中的holdcircuit的功能判断转速是否到达可以并网的速度，如果到达，那么输出合闸信号，使旁路器闭合，其内部结构如图5-5所示。图5-4直接并网过渡过程总体结构仿真示意图图5-5holdcircuit模块结构小发电机直接并网过程仿真分析本文中分别对小电机在5m/s和8m/s风速下直接并网过程进行仿真，在电机转速到达990rpm时将电机切入电网。仿真结果如图5-6和5-7所示。图5-6小发电机在风速为5m/s时直接并入电网过渡状态图5-7小发电机在风速为8m/s时直接并入电网过渡状态从小电机直接并网仿真结果来看，小电机直接并网时，所产生的冲击电流比较小，不会超过软并网装置中可控硅的限定值范围。在小电机软并网过程中，软并网过程冲击电流的限定值可以根据小电机额定电流来设计。5.4.2我们分别在风速为10m/s和13m/s对电动机直接并网过程进行仿真分析，电机切入电网转速设定为1470rpm。得到的仿真结果如图5-8和5-9所示。图5-8大发电机在风速为10m/s时直接并入电网过渡状态图5-9大发电机在风速为13m/s时直接并入电网过渡状态从图5-8和5-9中可以看到，大电机直接并网时会产生很大得瞬间冲击电流，可到达大电机额定电流的7至8倍以上，这将会对电网造成很大的冲击。由图还可发现，风速越高，转子加速度越大，并网时间越短。所以为了保证软并网装置能有足够的过渡时间，在风速较高的情况下，需要将切入预置点下调；反之，将切入转速预置点上调，以缩短软切入过渡时间。大电机切入电网必须采用软并网装置以限制冲击电流，软切入过渡过程电流的限定值可以根据大电机额定电流进行整定。本文所选用机组中大发电机额定电流为540A，一般软并网时，冲击电流应小于大发电机额定电流，如果过渡过程冲击电流超过大发电机额定电流，那么认为软并网失败。5.5定桨距风力发电机组软并网控制系统仿真分析为验证软并网控制系统的有效性，需要对软并网过渡过程进行仿真分析，仿真模块中风机模块、异步风力发电机模块如前所述，初始的控制角为170°，仿真算法设为变步长ode23tb,相对误差1*10-3，绝对误差1*10-6，总体仿真示意图如图5-10所示图5-10软并网过渡过程仿真示意图小电机软切入过程仿真〔1〕小电机在风速为5m/s时切入电网，切入预置点位s=0.02,