《电网故障时直驱风力发电机组动态特性研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电网故障时直驱风力发电机组动态特性研究（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 电网故障时直驱风力发电机组动态特性研究摘要 风力发电机的特性不仅包括静态特性，还包括动态特性，而其运行的可靠性、风能利用效率和输出功率曲线是风力发电机组工作中最主要的几个方面，风力发电机组的动态特性对于保证风能利用效率和最佳输出具有重要作用。在建立完整的直驱式永磁同步风力发电机组的模型的基础上，在电网电压降落、风电场邻近的母线单相短路接地、三相短路接地故障时，对直驱风力发电机组在不同风速时的运行情况进行仿真，仿真结果表明电网故障时直驱风力发电机组的调节对电网电压恢复的积极性。仿真结果的分析对于直驱风力发电有着更为实际的意义，为进一步研究发规模风电场的电力系统稳定性分析奠定基础。关键词：直驱式
2、风力发电机组；电网故障；动态特性； ABSTRACT Characteristics of wind generator includes not only static characteristics, including dynamic characteristics, and the reliability of its operation, wind energy utilization efficiency and output power curve is the main work of the wind turbine, the dynamic characteristic o
3、f wind generator for wind energy plays an important role in efficiency and optimal output. On the basis of direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine model is built on the complete, landing, the voltage bus single-phase short circuit wind farm near the ground, the three-phase short circu
4、it grounding fault, simulation of the operation of direct-driven wind turbine under different wind speeds, positive regulation of the simulation results show that the power grid failure of direct-drive wind turbine on the recovery of the grid voltage. The simulation results of the analysis have more
5、 practical significance for direct-drive wind power generation, to lay the foundation for further research on the stability of the power system and the scale of wind farm analysis.Keyword：Direct-drive wind turbine；Power grid fault；dynamic characteristis 1 绪论1.1 选题的背景及意义我国的能源结构的现状是以煤炭、石油等化石能源为主要能源产业，
6、在全球化石能源资源逐渐枯竭与节能减排的各类政策推出，清洁可再生能源的发展将会成为国家能源长期发展方向。风能作为一种清洁可再生能源，从20世纪70年代中期开始受世界各国的重视，相对于其他可再生能源的利用，风力发电在经济上更具有竞争优势，因而发展迅速。1981年全世界风力发电装机总量不超过1.5万瓦，到了1998年底已经达到了956万千瓦，目前，风力发电在全球能源消耗量中的比重已经占到1.5%。1.2 国内外风电的发展状况根据相关数据统计，2008年全球风能发电装机容量增长29%，新增风电装机容量逾2700万千瓦，其中美国风电装机容量达2517万千瓦，约占全球总量的21%，超过了德国，成为世界第一
7、风能发电的国家。在亚洲地区，中国新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点，我国风电自20世纪90年代开始起步，2000年后进入高速发展期，特别是2006 年可再生能源法颁布实施以来，并网风电装机容量已连续4 年实现翻倍增长。2010年底我国并网风电装机容量达3017万kW，占全国发电装机容量的3.2%，是2000 年34.4万kW的88倍，风电装机容量世界排名第2位，是全世界风电发展最快的国家，按照国家规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦。由于更多国家致力于风能的开发利用，预计这种世界范围的快速增长将持续下去，为了加快推进新能源产业的发展，目前国家能源局正在制
8、定有关新能源产业振兴的规划，在众多新能源产业的各子行业中，风电将会是未来的发展重点。1.3 风力发电机发展现状现阶段国内外主流的风力发电机组有两种：双馈感应风力发电机组和直驱永磁同步风电机组，国内外对基于双馈式风力发电机组的并网控制及故障时控制策略研究了很多，发展相当成熟，相对于直驱式永磁风力发电机，双馈式风力发电机存在容易过载和过早损坏率高的齿轮箱，而且系统成本高，可靠性差，维护量大，且噪声污染严重，当其低负荷运行时，效率较低，特别是随着单机容量的增大，问题更加突出。直驱和无刷化越来越受人们的关注，因此基于变速运行、变桨距调节、低转速、高效率、高功率因素的直驱永磁同步风力发电机已成为研究开发
9、的热点之一，在风力发电领域受到了越来越多的重视。1.4 研究的目的与主要工作风电入网对系统的影响及电网故障对风电运行特性的影响，风电调度等都需要研究风电运行特性及风电的控制技术，鉴于以上原因，本文为分析直驱式永磁同步风力发电机组在电网故障下的动态特性，建立了风轮机、永磁同步发电机的数学模型，在电网电压降落、三相短路接地故障时的动态特性进行仿真分析，验证了所建模型的正确性及控制方法的有效性，研究结果对直驱式永磁风力发电有更为实际的意义。2 直驱式风力发电机组结构直驱式风力发电机组包括以下几个模块：风轮机，永磁同步发电机，全功率变流器，变流器控制系统，桨距角控制系统，直流电容位于发电机侧变流器与电
10、网侧变流器之间。图1 直驱风力发电机结构示意图3 直驱永磁同步风力发电机组的数学模型3.1 风速模型一般情况下为了精确地模拟风速的间歇性和随机性的特点，可采用风速的组合模型，即风速的四分量模型，包括基本风速、阵风、阶跃风和背景噪声。实际风速为 （1）为基本风，描述风电场平均风速的变化，在风力机正常运行中一直存在。为阵风，描述风速突然变化的特性，通常用来分析风电系统对电网电压波动的影响。为阶跃风，描述风速的渐进性。为背景噪声，反映在特定高度上风速变化的随即性。3.2 风轮机模型风轮机从风中捕获的机械功率为： （2）其中为机械功率；为空气密度，单位是；为桨距角；为叶尖速比，即风轮叶尖线速度与风速之
11、比，为风轮扫掠面积，单位为；为风能转换系数，其表达式为： （3）其中： （4）取，。可得桨距角时风能利用系数随叶尖速比变化的曲线图如图2所示： 图2 风能利用示数随叶尖速比变化3.3 永磁同步发电机数学模型 取永磁体转子极中心线为d 轴，沿转子旋转方向超前d 轴90电角度为q 轴，dq 坐标系随转子同步旋转。定子遵循发电机惯例，经过坐标变换后得到dq 坐标系下的电机定子电压方程和机械运动方程在文献已给出： （5） 转子运动方程： （6） 电磁转矩计算公式： （7）矢量控制角： （8） 、分别为定子电压d轴和q轴基波分量；、分别为定子d轴和q轴电流基波分量；为定子电阻；为定子电感；为电角速度；为
12、永磁体磁链；为转子的转动惯量；为永磁同步发电机的极对数；为发电机的电磁转矩；为风力机输入到永磁同步发电机转子的机械转矩。 永磁同步发电机在dp同步旋转坐标下的等值电路如下图所示： 图3 PMSG的等值电路2.3 变流器数学模型电机侧变流器与发电机定子直接相连，电压方程为永磁同步发电机定子电压方程。 功率方程： （9） （10）电网侧变流器通过直流电容与电机侧变流器相连，网侧变换器在坐标系下的电压、功率方程为： （11） (12) (13) (14) 式中：和分别为网侧变换器与电网之间等值电阻和连接电感；、分别为网侧变换器输出电压的、轴基波分量；、分别为电网电压和电流的轴分量；为电网同步角速度。3 直驱式风力发电机组的控制系统直驱永磁风力发电机的控制策略主要分两个阶段：在切入风速和额定风速之间时，风力机工作在最大风能捕捉模式下，叶片采用最大桨距，调节风轮转速以使在风速变化的情况下保持最佳叶尖速比，从而获得最大功率系数，由风轮机从风能中获得机械功率的公式中可知这时可从风中获得更多功率；高风速时，调节桨距角，限制风力机的气动效率，降低功率系数，减少风能捕获，保持风力机
