院 海, 等 基于 PSCAD 的并网型风机建模及仿真 械功率 PT 保持最大值不变, 叶片转速 ω也保持 最大转速不变。由式( 1) , ( 2) , ( 7) 可知, 为保证风 电机组恒功率运行, 必须随风况的变化调整桨距 角。图 3 所示为一个典型的风速—桨距角调整曲 线。桨距角控制结构设计详见文献[3]。 / ° 角 距 桨 30 25 20 15 10 5 0 5 10 15 20 25 30 风速/m·s- 1 图 3 风速- 桨距角调整曲线 Fig.3 Wind speed- pitch control curve 1.2.4 发电机部分模型 传统的电力系统仿真软件一般采用等效恒定 电势与恒定电抗组成的发电机模型, 近年来, 随着 计算机技术的发展, 发电机较详细动态模型的应 用日趋广泛。一般地, 对于以任意速度旋转的坐标 系统 d- q- 0, 在三相对称条件下, 发电机模型采用 电动机惯例, 并以定子磁场旋转坐标系( dc, qc, 0) 为参考[5],[6]。在忽略定子电磁暂态过程的假设下, 由电机电压、磁链标幺值形式的方程得到发电机 电磁部分模型: d dt Ed′ = Eq! "′ - Xm/Xrr 0 Xm/Xrr! Eq! "′ Ed′ = 1 T0′ S Vrd 1/T0′ - S 1/T0 "0 ! "0 ! Vrq! "- "′ Isq! "Ed′ "Isd Eq! "′ Isq! " Rs X′ - X′Rs Isd ( 8) + Vsd Vsq! "- X′- Xss! 0 X′- Xss 式 中: Xss 为 发 电 机 同 步 电 抗, p.u., 且 Xss=X1+Xm ( X1 为 定 子 漏 抗 , Xm 为 激 磁 电 抗 ) ; X 为 发 电 机 的 暂 态 电 抗 , p.u., 且 X′=X1+X2 X /(X2+Xm)( X2 为 转 子 漏 抗) ; Rs 为 发 电 机 定 子 绕 组 的 电 阻,p.u.; S 为 转 差 率 ; Ed′, Eq′为 发 电 机 暂 态 电 势 分 量 ; Vsd, Vsq 为 发 电 机 出 口 母 线 电 压 双 轴 分 量 ; Isd, Isq 为 发 电 机 定 子 电 流 双 轴 分 量 ; Vrd, Vrq 为 己 归 算 到 同 步 转 速 下 的 发 电 机 转 子 励 磁 电 压 双 轴 分 量; T0′为 转 子 回 路 短 路 时 间 常 数, T0′= 2πfs。 另有电机转子运动方程: ds dt =- 1 TJ Tm- Te- D( 1- S ! ") ( 9) 式 中: Tm 为 发 电 机 输 入 的 机 械 转 矩 , p.u.; Te 为 发 电机电磁转矩 p.u.; D 为阻尼系数; TJ 为转子惯性 时间常数, s; S 为转差率, 其中 Tm 由式( 4) 计算得 到。根据式( 10) 可得发电机电磁转矩 Te: Pe=Re UsIs# $* # Te=- Pe/!e ( 10) 2 变速恒频风电机组并网运行特性仿真 2.1 简化网络图 对于并网运行的风电机组, 可能的扰动来自 两方面: 一种是风扰动, 另一种是系统侧扰动[7]。本 文以渐变风扰动和系统侧某节点处发生的短路故 障, 选择以较为严重的三相短路为例, 对风电机组 的运行特性和整个系统中关键节点进行了仿真分 析, 其中, 风电机组与同步电机的额定功率均为 2 MW, 经过一条长度为 20 km 的架空线路接入无 穷大系统[8]。设定该风力发电机组与接入系统连 接的简化等值线路如图 4 所示。 风电机组 B1 B2 架空线 L=20 km B4 B3 电网 图 4 某风电场与地区电网简化系统接线图 Fig.4 Simplified circuit diagram of a wind farm and its regional network 2.2 风电系统仿真过程及仿真分析 本文的仿真模型是在 PSCAD 上实现的, 根据 上述简化网络图, 设计了风电系统模型图。算例系 统以新疆达坂城风电场某风力发电机及其接入系 统为例, 不考虑风电场各台风电机组地理位置对 风速的影响, 认为该风电机组吸收的风能只与机 型有关[9]。仿真过程如下: 不加任何扰动仿真运行 一段时间, 确定系统处于稳定状态; 运行仿真到 10 s, 系统风速出现扰动, 扰动形式为逐步增大的 渐变风, 风速由最初的 14 m/s 经过约 5 s 的短暂 波动后稳定于 16 m/s; 运行仿真到 30 s, 在某系统 母线上施加一三相接地故障, 持续 200 ms 后清 除故障; 运行仿真到 60 s 停止, 风 机 系 统 达 到 新 的稳定运行点。 图 5 和图 6 为变速恒频风力发电机在上述仿 真过程中的有功功率及无功功率( 功率基准为 100 MVA) 波动曲线。 ·17· 

可再生能源 2008, 26( 2) 动机机械转矩会降低。相比于其他类型同步风电 机组而言, 其加速面积减少、减速面积增大, 暂态 稳 定 特 性 好 于 其 它 类 型 同 步 风 电 机 组 和 异 步 风 力发电机组[8]。 图 8 为该并网运行的风力发电机电磁转矩— 转速特性。 当第 30 s 发生故障的瞬间, 短路故障引起发 电机输出功率短暂波动, 故障清除后, 发电机向系 统提供大量无功功率, 使发电机很快恢复正常水 平, 发电机进入新的稳定运行状态。此类型机组在 故障切除后能够向系统提供大量无功功率帮助系 统恢复正常运行, 这是变速恒频发电机与其他类 型风力发电机的显著区别之一。 图 7 分别为风力机转矩与同步发电机转矩故 障前后的运动轨迹( 标幺值) 。 从仿真曲线可以看出, 当风机并网后正常运 行 时, 不 管 电 磁 转 矩 如 何 变 化 , 发 电 机 的 转 速 基 本维持同步转速不变, 只是在故障瞬间和风速波 动时有轻微的变化( 故障瞬间最大值约为1.003 5 p.u) 。这是由于发电机的电磁转矩对风力机来讲 是制动转矩, 能够维持发电机的频率与电网的频 率相同, 否则发电机将与电网解列[10]。由图 8 也可 以看出, 风速波动相对于短路故障而言影响非常 小。由变速恒频风力发电机电磁转矩的运动轨迹 ( 图 8 上) 可见, 由于惯性相差比较大, 发电机电磁 转矩的振荡轨迹表现为依从于风机轴系的运动轨 迹( 标幺值) 。在扰动足够大时, 发电机电磁转矩将 表现为增幅的失稳振荡, 从仿真轨迹可以看到, 短 路故障和风速的波动都将对风机的电磁转矩产生 较大的影响[11]。 由 于 基 于 变 速 恒 频 的 风 电 机 组 采 用 了 交 流 励 磁 控 制, 运 行 过 程 中 具 有 可 变 速 特 性 , 功 角 与 转 子 转 速 并 不 严 格 相 关 , 而 是 由 其 控 制 特 性 决 定, 因此与电网之间是柔性耦合。特有的转速— 原 动 机 机 械 转 矩 特 性 决 定 了 在 电 网 故 障 期 间 原 ·18· 图 9 为 变 速 恒 频 风 力 发 电 机 桨 矩 角 的 运 动 

院 海, 等 基于 PSCAD 的并网型风机建模及仿真 轨 迹 。由 于 采 用 变 速 恒 频 型 风 机, 仿 真 起 始 风 速 为14 m/s, 高 于 额 定 风 速 12 m/s, 初 始 阶 段 桨 距 角 为11.5°, 运 行 中 风 机 控 制 系 统 将 及 时 根 据 风 速 调 整 桨 距 角 , 使 风 机 按 照 最 大 功 率 运 行 。从 曲 线 可 以 看 到 , 在 前 50 s, 风 速 在 额 定 风 速 以 上 , 风 电 机 组 的 桨 距 角 控 制 系 统 将 发 生 作 用 , 以 维 持 风 电 机 组 输 出 总 有 功 为 额 定 功 率 , 从 而 保 证 安 全 而 最 大 限 度 地 利 用 风 能 ; 运 行 一 段 时 间 后 , 桨 距 角 调 整 为10.96°, 此 时 风 机 处 于 额 定 功 率 稳 定 运 行 状 态 。 3 结语 常 见 的 短 路 故 障 对 风 机 涡 轮 的 稳 定 运 行 影 响 较 小, 而 作 为 动 力 源 的 风 速 , 它 的 波 动 将 对 风 机 涡 轮 稳 定 运 行 产 生 极 大 的 影 响 。 由 此 不 难 看 出, 建立可靠完善的控制系统是风机稳定运行的 关键。 作为较为常见的变速恒频型风力发电机, 良 好精确的调速机构是其实现变速恒频的关键。在 风速变化时, 能使发电机输出频率不变, 实现风能 最大功率输出的控制目标, 充分显示了变速恒频 型风机的优点。 为研究常见的风速干扰对风机的影响, 在 50 s 时加入渐变风干扰, 风速增大到 16 m/s, 风机控制 系统为保持风机在额定风速、额定功率运行, 随风 速加大而增大桨距角, 体现了系统最大功率跟踪 的特性和控制系统的良好性能。 参考文献: [1] 李晶, 王伟胜, 宋家骅.变 速 恒 频 风 力 发 电 机 组 建 模 与 仿真[J].电网技术, 2003, 27( 9) : 14- 17. [2] 雷亚洲, GORDONLIGHTBODY. 国外风力发电导则及 动态模型简介[J].电网技术, 2005, 25( 12) : 27- 32. [3] 李晶, 宋家骅, 王伟胜.大 型 变 速 恒 频 风 力 发 电 机 组 建 模 与 仿 真 [J]. 中 国 电 机 工 程 学 报 , 2004, 24 ( 6) : 100- 105. [4] 郑 康 , 潘 再 平.变 速 恒 频 风 力 发 电 系 统 中 的 风 力 机 模 拟[J].机电工程, 2003, 20( 6) : 40- 43. [5] 吴 学 光 , 张 学 成 , 印 永 华 , 等.异 步 风 力 发 电 系 统 动 态 稳定性分析的数学模型及其应用[J].电网技术, [6] 王锋, 姜建国, 颜天佑.基于 Matlab 的异步电动机建模 方 法 的 研 究 [J]. 系 统 仿 真 学 报 , 2006, 18 ( 7) : 1733- 1736. [7] SAI MANK, ANITAI J.Windmill modeling consideration and factors influencing the stability of a grid- connected wind power- based embedded generator[J].IEEE Tr anson Power Systems, 2003, 18( 2) : 793- 802. [8] 迟 永 宁 , 王 伟 胜 , 刘 燕 华 , 等.大 型 风 电 场 对 电 力 系 统 暂 态 稳 定 性 的 影 响 [J]. 电 力 系 统 自 动 化 , 2006, 30 ( 11) : 10- 14. SENJYU T, SUEYOSHI N.Stability analysis of wind power generating system[A]. Pr oceedings of the Power Conver sion Confer ence [C].Osaka Japan: 2002.1441- 1446. [9] [10] TAMURA J, UENO M.Transient stability simulation of power system including wind generator by PSCAD/ EMTDC[J].IEEE Por to Power , 2001, l4: 10- 13. [11] 汤 宏 , 吴 俊 玲 , 周 双 喜.包 含 风 电 场 电 力 系 统 的 小 干 扰 稳 定 分 析 建 模 和 仿 真[J].电 网 技 术 , 2004, 28( 1) : 38- 41. 风轮、机头、机尾、回转体和塔架组成。 风力机是把风能变成机械能的能量转化装置, 它由 简 说 风 力 机 风力机的风轮叶片具有比较合理的形状, 其断面呈流 线型, 前缘有很好的圆角, 尾部有相当尖锐的后缘, 表面光 滑, 风吹来时能产生向上的合力, 驱动风轮转动。 对 于 功 率 较 大 的 风 力 机, 风 轮 的 转 速 是 很 低 的, 因 此 根据风轮叶片的数目, 风力发动机分为少叶式和多叶 式 2 种。少叶式风力机有 2～4 个叶片, 转速高, 单位功率 的平均质量小, 结构紧凑, 常用在年平均风速较高的地区, 主要用作风力发电机的原动机。多叶式风力机一般有 4 ～ 24 个 叶 片, 启 动 容 易, 风 能 利 用 率 较 高, 常 用 于 年 平 均 风 速低于 3～4 m/ s 的地区, 多用其直接驱动农牧业机械。 " !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" 风力机是多种工作机械的原动机。风力机带动水泵和 水 车 , 就 是 风 力 提 水 机 ; 带 动 碾 米 设 备 , 就 是 风 力 碾 米 机 ……; 此类机械统称为风能的直接利用装置。风力机带动 发电机就叫风力发电机, 它们均由 2 大部分组成。一部分 是风能转化为机械能的风力机本体和附件; 另一部分是包 必须通过变速箱把风轮转速提高到工作机械的工作转速。 只有当风垂直地吹向风力机风轮转动面时, 才能发出 最大 功 率 来, 因 此 为 适 应 风 向 的 多 变 特 点, 使 之 自 动 对 准 风向, 机尾就起到这个作用。 括发电机及电气装置的电气部分。风力机与发电机的连接 有变速连接和直接连接。 在 风 能 的 利 用 中 , 蓄 能 是 一 个 重 要 的 问 题, 风 力 发 电 机的生命力, 在很大程度上取决于蓄能装置( 如蓄电池) 的 可靠 程 度 。 蓄 能 装 置 能 在 有 风 的 时 候 把 多 余 的 能 量 储 存 起来, 在无风时输出应用。 ( 郭继往) ·19·