風(fēng)能發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電論文

XX本科畢業(yè)設(shè)計說明書引言作為可再生能源的風(fēng)力資源以其蘊(yùn)量巨大；可以再生；分布廣泛；沒有污染等優(yōu)勢而在各國發(fā)展迅速。雖然風(fēng)能資源還有密度低，不穩(wěn)定，地區(qū)差異大等缺點，但是仍然不能阻擋它快速發(fā)展的強(qiáng)勁勢頭。大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)發(fā)電是當(dāng)前世界范圍內(nèi)風(fēng)能利用的主要形式。目前風(fēng)力發(fā)電已成為技術(shù)最成熟、最具商業(yè)化前景的新型發(fā)電方式之一，而且商品化的兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已成為新建風(fēng)電場的主力機(jī)型。由于異步發(fā)電機(jī)對并網(wǎng)要求低，控制和保護(hù)比較簡單，并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，因此采用異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是國內(nèi)外商品化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所采取的主要技術(shù)方案。但異步發(fā)電機(jī)直接并入電網(wǎng)時，其沖擊電流會達(dá)到其額定電流的6～8倍，甚至10倍以上，該沖擊電流會對電網(wǎng)、葉輪以及發(fā)電機(jī)本身造成嚴(yán)重的沖擊，甚至?xí)绊懫渌?lián)網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行。另外，并網(wǎng)沖擊電流也會對電機(jī)接觸器、主空氣開關(guān)等開關(guān)設(shè)備造成較強(qiáng)的沖擊。因此，限制發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時引起的沖擊電流成為風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組普遍采用軟并網(wǎng)技術(shù)，用于限制異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時的瞬態(tài)沖擊電流。軟并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)用大功率晶閘管進(jìn)行限流，在機(jī)組電動啟動或并網(wǎng)過程中控制系統(tǒng)根據(jù)收到命令情況和相應(yīng)傳感器的信號對并網(wǎng)過程進(jìn)行控制，并網(wǎng)結(jié)束后旁路晶閘管支路短接，并網(wǎng)過程結(jié)束。前人在軟并網(wǎng)這方面作了大量的工作，探討了利用何種并網(wǎng)方式能有效的解決并網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電流對發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的影響的問題，研究了利用軟并網(wǎng)來限制沖擊電流幅值的效果如何以及分析了用晶閘管進(jìn)行軟并網(wǎng)時晶閘管如何控制等問題。但由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)過程是一個非常復(fù)雜的非線性過程，另外，軟并網(wǎng)裝置對晶閘管的要求非常嚴(yán)格，這在技術(shù)上是一個很大的難題。目前仍待解決的問題是用何種并網(wǎng)方式可既簡單又方便地把并網(wǎng)時的沖擊電流限制在允許的限度內(nèi)，另外，若利用晶閘管進(jìn)行軟并網(wǎng)，怎樣才能做到每只晶閘管的特性完全一致以及在并網(wǎng)過程中如何控制晶閘管才能更好地達(dá)到限制沖擊電流的目的。本論文針對上述問題，首先對風(fēng)力發(fā)電的一般原理進(jìn)行了解，建立了軟啟動數(shù)學(xué)模型、軟并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型及相應(yīng)的控制系統(tǒng)仿真模型，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)和軟并網(wǎng)過程進(jìn)行了仿真模擬實驗，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析和研究。本論文所建立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)仿真模型和軟并網(wǎng)仿真仿真模型，可直觀的分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)和軟并網(wǎng)過程并進(jìn)行比較，通過對仿真結(jié)果的分析和研究得出通過利用晶閘管進(jìn)行軟并網(wǎng)可把并網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電流限制在允許的范圍內(nèi)，確保了發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)的正常運(yùn)行。另外，通過對發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)裝置中晶閘管控制電路的觸發(fā)規(guī)律與發(fā)電機(jī)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系進(jìn)行仿真和分析，可得出晶閘管控制電路的好壞也直接關(guān)系著沖擊電流的幅值大小。以上這些結(jié)論為限制并網(wǎng)時的沖擊電流對電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的影響提供了一些參考。第一章緒論1.1風(fēng)能開發(fā)與風(fēng)力發(fā)電人類利用風(fēng)能已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機(jī)發(fā)明以前風(fēng)能曾經(jīng)作為重要的動力，用于船舶的航行、提水飲用和灌溉、排水造田、磨面和鋸木等。到了19世紀(jì)末，開始利用風(fēng)力發(fā)電，這在解決農(nóng)村電氣化方面顯示了重要的作用，特別是20世紀(jì)70年代以后利用風(fēng)力發(fā)電更進(jìn)入一個蓬勃發(fā)展的階段。1.2風(fēng)力發(fā)電的基本原理1.2.1現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)簡介先前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電時有時無，電壓和頻率不穩(wěn)定，是沒有實際應(yīng)用價值的。一陣狂風(fēng)吹來，風(fēng)輪越轉(zhuǎn)越快，系統(tǒng)就會被吹跨。為了解決這些問題，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)增加了齒輪箱、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的示意如圖TOC\o"1-3"\p""\u1-2所示。、圖1-2.現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)示意圖齒輪箱可以將很低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（600千瓦的風(fēng)機(jī)通常為27轉(zhuǎn)/分）變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（通常為1500轉(zhuǎn)/分）。同時也使得發(fā)電機(jī)易于控制，實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。偏航系統(tǒng)可以使風(fēng)輪掃掠面積總是垂直于主風(fēng)向。要知道，600千瓦的風(fēng)機(jī)機(jī)艙總重20多噸，使這樣一個系統(tǒng)隨時對準(zhǔn)主風(fēng)向也有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。風(fēng)機(jī)是有許多轉(zhuǎn)動部件的。業(yè)已說明，機(jī)艙在水平面旋轉(zhuǎn)，隨時跟風(fēng)。風(fēng)輪沿水平軸旋轉(zhuǎn)，以便產(chǎn)生動力。在變槳矩風(fēng)機(jī)，組成風(fēng)輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn)，以便適應(yīng)不同的風(fēng)況。在停機(jī)時，葉片尖部要甩出，以便形成阻尼。液壓系統(tǒng)就是用于調(diào)節(jié)葉片槳矩、阻尼、停機(jī)、剎車等狀態(tài)下使用?？刂葡到y(tǒng)是現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的神經(jīng)中樞?，F(xiàn)代風(fēng)機(jī)是無人值守的。就600千瓦風(fēng)機(jī)而言，一般在4米/秒左右的風(fēng)速自動啟動，在14米/秒左右發(fā)出額定功率。然后，隨著風(fēng)速的增加，一直控制在額定功率附近發(fā)電，直到風(fēng)速達(dá)到25米/秒時自動停機(jī)?，F(xiàn)代風(fēng)機(jī)的存活風(fēng)速為60-70米/秒，也就是說在這么大的風(fēng)速下風(fēng)機(jī)也不會被吹壞。要知道，通常所說的12級颶風(fēng)，其風(fēng)速范圍也僅為32.7-36.9米/秒。風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)，要在這樣惡劣的條件下，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ο到y(tǒng)加以控制，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運(yùn)行，自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng)。并監(jiān)視齒輪箱、發(fā)電機(jī)的運(yùn)行溫度，液壓系統(tǒng)的油壓，對出現(xiàn)的任何異常進(jìn)行報警，必要時自動停機(jī)。1.3風(fēng)力發(fā)電的特點風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。在理論上，最好的風(fēng)輪約60%的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪效率可達(dá)40%。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出達(dá)到額定功率之前，其功率與風(fēng)速的立方成正比。風(fēng)力發(fā)電的突出優(yōu)點是[1]：環(huán)境效益好，不排放任何有害氣體和廢氣物。風(fēng)電場雖然占了大片土地，但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)使用面積很小，不影響農(nóng)田和牧場的正常生產(chǎn)。到風(fēng)的地方往往是荒灘或山地，建設(shè)風(fēng)力發(fā)電場的同時也開發(fā)了旅游資源。1.4中國風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢風(fēng)電起源于20世紀(jì)70年代，風(fēng)電技術(shù)成熟于八十年代。自90年代以來，風(fēng)電進(jìn)入大發(fā)展階段，單機(jī)容量兆瓦級風(fēng)電機(jī)設(shè)備已投入商業(yè)化運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電是近年來世界各國普遍關(guān)注的可再生能源開發(fā)項目，發(fā)展速度非常快。1997-2004年，全球風(fēng)電裝機(jī)年平均增長率達(dá)26.1%。目前全球風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)到5000萬千瓦左右，相當(dāng)于47座標(biāo)準(zhǔn)核電站。1.4.1中國風(fēng)能資源的分布中國風(fēng)能資源豐富，根據(jù)全國900多個氣象站的觀測資料估計，我國陸地風(fēng)能資源總儲量約32.26億千瓦，其中可開發(fā)利用的風(fēng)能資源總量為2.53億千瓦，居世界首位；中國近海（水深小于15米）風(fēng)能資源，估計為陸上的三倍，即近海的風(fēng)能儲量約為7.5億千瓦。這樣，陸上和近海10米高處技術(shù)可開發(fā)風(fēng)能資源總量，總計約為10億千瓦。現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高度已超過50米，50米處的風(fēng)能密度為10米高處的2倍，這樣，中國技術(shù)可開發(fā)的風(fēng)能資源總量，即可高達(dá)20億千瓦。我國東南沿海和山東、遼寧沿海及其島嶼，內(nèi)蒙古北部，甘肅、新疆北部以及松花江下游等地區(qū)均屬風(fēng)能資源豐富區(qū)，年平均風(fēng)速大于等于6m/s，有效風(fēng)能密度大于等于200W/m2，有很好的開發(fā)利用條件。這些地區(qū)中很多地方常規(guī)能源貧乏，無電或嚴(yán)重缺電，尤其是新疆、內(nèi)蒙古的大部分草原牧區(qū)及沿海幾千個島嶼，人口分散，電網(wǎng)難以通達(dá)，或無電力供應(yīng)，或采用很貴的柴油發(fā)電。在上述地區(qū)，利用風(fēng)力發(fā)電，以節(jié)約能源，改善環(huán)境，緩解電力供應(yīng)緊張狀況，具有重要意義。另一方面，這幾年我國的交通條件得到很大的改善，電網(wǎng)覆蓋程度有了很大的提高，不少風(fēng)能資源豐富地區(qū)已置于電網(wǎng)覆蓋之下，這也為建設(shè)大型風(fēng)電場提供了有利條件。上述情況決定了我國發(fā)展風(fēng)電的特點是：在風(fēng)能資源豐富或較豐富的邊遠(yuǎn)無電、缺電地區(qū)，以發(fā)展小型或中型獨立運(yùn)行的風(fēng)電系統(tǒng)（包括風(fēng)力/柴油聯(lián)合發(fā)電和風(fēng)/光聯(lián)合發(fā)電等）為主，利用風(fēng)力發(fā)電解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的生活用電和部分生產(chǎn)用電；在風(fēng)力資源豐富、電網(wǎng)通達(dá)的地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電則作為一種清潔的可再生能源，補(bǔ)充和逐步代替部分常規(guī)能源，緩解電力供應(yīng)緊張的矛盾，提高當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量，所以應(yīng)以發(fā)展大型風(fēng)電場為主[1]。1.4.2中國風(fēng)力發(fā)電的規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電場是將多臺并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在風(fēng)力資源好的場地，按照地形和主風(fēng)向排成陣列，組成機(jī)群向電網(wǎng)供電，簡稱風(fēng)電場。風(fēng)電場是大規(guī)模利用風(fēng)電的有效方式，于20世紀(jì)80年代在美國興起。我國計劃到2010年，并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到500萬千瓦。目前，我國的風(fēng)電裝機(jī)容量還不到全國總裝機(jī)容量（4.5億千瓦）的0.5%，根據(jù)我國能源發(fā)展規(guī)劃，我國風(fēng)電具有大規(guī)模發(fā)展的前景和市場需求。風(fēng)力發(fā)電能夠成為中國電源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，發(fā)展風(fēng)電有利于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)。目前中國的電源結(jié)構(gòu)中75%是煤電，排放污染嚴(yán)重，增加風(fēng)電等清潔電源比重刻不容緩。尤其在減少二氧化碳等溫室氣體排放，緩解全球氣候變暖方面，風(fēng)電是有效措施之一。從長遠(yuǎn)看，中國常規(guī)能源資源人均擁有量相對較少，為保持經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，必須采取措施解決能源供應(yīng)。中國風(fēng)能資源豐富，如果能夠充分開發(fā)，按目前估計的技術(shù)可開發(fā)儲量計算，風(fēng)電年發(fā)電量可達(dá)幾萬億千瓦時。據(jù)官方和專家的推算，中國2020年需要10億千瓦的發(fā)電裝機(jī)，4萬億千瓦時的發(fā)電量，之后如果按照人均2千瓦，達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家生活水平的基本要求，在2050年中國需要大約30億千瓦的發(fā)電裝機(jī)和12萬億千瓦時的發(fā)電量。龐大的裝機(jī)和發(fā)電量需求，給風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展提供了足夠的空間。由中國資源綜合利用協(xié)會可再生能源專業(yè)委員會主持、綠色和平和歐洲風(fēng)能協(xié)會共同資助的報告指出，中國有能力在2020年實現(xiàn)3000-4000萬千瓦的風(fēng)電裝機(jī)容量，年發(fā)電量將達(dá)800億千瓦時，可滿足8000萬人的用電需求，同時每年可減少4800萬噸的二氧化碳排放量。

專家們預(yù)測，我國風(fēng)電發(fā)展可能將分為3個階段進(jìn)行：首先在2010年之前完成起步階段，風(fēng)電裝機(jī)達(dá)400-500萬千瓦，初步奠定風(fēng)電產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)；第二階段是2020年達(dá)到3000萬—4000萬千瓦，實現(xiàn)快速發(fā)展，在全部發(fā)電裝機(jī)中占有一定比例；第三階段是在2020年之后超過核電成為第三大發(fā)電電源，并在2050年前后達(dá)到或超過4億千瓦，超過水電，成為第二大主力發(fā)電電源[5]。中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，對能源的需求增長很快，常規(guī)能源的供應(yīng)及其帶來的環(huán)境問題日益突出，風(fēng)電隨著技術(shù)的發(fā)展和批量的增大，成本將會繼續(xù)下降，必然成為重要的清潔電源。第二章PSCAD/EMTDC軟件簡介為了研究高壓直流輸電系統(tǒng)，DennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局(ManitobaHydro)開發(fā)完成了EMTDC的初版，隨后在曼尼托巴大學(xué)(UniversityofManitoba)創(chuàng)建高壓直流輸電研究中心，多年來該直流輸電研究中心在DennisWoodford的領(lǐng)導(dǎo)下不斷完善了EMTDC的元件模型庫和功能，使之發(fā)展為既可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又能夠完成電力電子仿真及非線性控制的多功能工具(Versatiletoo1)[7]。是一種世界各國廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件，PSCAD是其用戶界面，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進(jìn)行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復(fù)雜部分可視化成為可能，而且軟件可以作為實時數(shù)字仿真器的前置端?？赡M任意大小的交直流系統(tǒng)。操作環(huán)境為：UNIXOS,Windows95,98,NT；Fortran編輯器；瀏覽器和TCP/IP協(xié)議。2.1PSCAD/EMTDC的程序結(jié)構(gòu)和功能特點PSCAD/MTDC軟件的主要功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)時域和頻域仿真，還可以進(jìn)行交流系統(tǒng)的諧波研究、暫態(tài)扭矩的分析、直流系統(tǒng)的啟動、直流系統(tǒng)換相方法研究、串聯(lián)或并聯(lián)的多端輸電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真、同桿架設(shè)的交直流電路的相互影響等。EMTDC程序具有“拍照”功能，可記錄下某個時刻系統(tǒng)中工作狀態(tài)，為重新計算提供正確的條件，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究系統(tǒng)的暫態(tài)過程。

2.2PSCAD軟件模塊的構(gòu)成2.2.1文件管理系統(tǒng)當(dāng)用戶涉及PSCAD

時所遇到的第一個軟件模塊就是文件管理系統(tǒng)。采用一種工程/算題/文件的分層結(jié)構(gòu)來表示用戶進(jìn)行電力系統(tǒng)模擬研究的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。如果得到授權(quán)可以進(jìn)入該數(shù)據(jù)庫,

這樣,

局部網(wǎng)上的不同用戶可以共享同一個數(shù)據(jù)庫。從文件管理軟件模塊可以直接進(jìn)行諸如備份、儲存、文件編緝、拷貝和刪除等操作。

通過選擇文件管理模塊屏幕右上角的適當(dāng)菜單可調(diào)用PSCAD

的其它軟件模塊,

很多情況下將所有的軟件模塊同時激活,

有些模塊的圖像可能暫時隱藏在正在處理的模塊圖像之下。2.2.2建模DRAFT模塊建模程序包是PSCAD

程序族中最有功效的。借助建模包,

用戶可以用圖形的方法建立需要進(jìn)行模擬研究的電力系統(tǒng)模型。通過選擇不同的功能,

建模包可以為EMTDC

或RTDS模擬研究準(zhǔn)備必需的文件。

電力系統(tǒng)元部件圖像位于調(diào)色板中(建模窗口的右側(cè))并可移至畫布上(左側(cè)),

通過將各元部件模型互連便完成了電力系統(tǒng)模型。不同元部件模型所需的參數(shù)可在調(diào)用這些模型時屏幕上出現(xiàn)的菜單中直接輸入。具有大量互聯(lián)元部件的電力系統(tǒng)模型同樣易于處理,

因為畫布部分可分為很多層次并可在屏幕上滾動顯示。當(dāng)用戶完成了模型構(gòu)筑時,

可以通過基于PS格式的激光打印機(jī)或者可以接受HP-GL

命令的繪圖儀輸出硬拷貝。2.2.3架空線T-LINE和電纜CABLE模塊確定架空輸電線和電纜的行波模型所需數(shù)據(jù)的計算過程是相當(dāng)復(fù)雜的。為了確定變換矩陣、模式傳輸時間和波阻抗,

需要進(jìn)行特征值分析。為了完成這種分析,

需要使用T-LINE和CABLE

模塊。通過功能選擇可以產(chǎn)生單頻率模式模型或者完全的頻率相關(guān)行波模型。

架空線模型所需要的數(shù)據(jù)有導(dǎo)線的空間相對位置以及導(dǎo)線的半徑和電阻率。對于電纜,

每一導(dǎo)電層和絕緣層的半徑和特性都是必需的。

由T-LINE和CABLE

模塊所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以直接輸入到PSCAD

的建模(DRAFT)模塊中。2.2.4運(yùn)行RUN

TIME模塊運(yùn)行模塊中的EMTDC

操作員控制臺軟件模塊和RTDS控制臺軟件模塊可分別為運(yùn)行EMTDC和RTDS提供控制操作功能和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)功能。軟件中提供了完善的界面,

允許使用者裝入、啟動或停止一個模擬算題,

并可在模擬過程中與之通訊。由于采用了多種儀表和模擬過程數(shù)據(jù)在線繪圖,

允許使用者獲得相關(guān)模擬算題的即時反饋。使用者所激發(fā)的動態(tài)過程,

如整定值改動、開關(guān)操作以及故障觸發(fā)可以通過操縱滑觸頭、電位器、開關(guān)和按鈕進(jìn)行。2.2.5單曲線繪圖UNIPLOT和多曲線繪圖MULTIPLOT模塊EMTDC

和RTDS所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的分析和繪圖是通過單曲線繪圖模塊進(jìn)行的?？梢詫?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)尺整定和通用格式整定。對于繪圖用的數(shù)據(jù)可直接進(jìn)行傅里葉分析。如果要處理大量的數(shù)據(jù),

可以通過編程的辦法形成自動處理順序。

多曲線繪圖模塊可以將單曲線繪圖模塊繪出的曲線整理成適合報告應(yīng)用?？蓪⒍喔€組合安排在單張紙上。使用者可以直接處理曲線并在紙面上添加需要的文字說明并可繪制其它美化標(biāo)志。2.3EMTDC模塊EMTDC

是一套基于軟件的電磁暫態(tài)模擬程序,

可以通過PSCAD

進(jìn)行調(diào)用。用戶可以通過調(diào)用隨EMTDC

主程序一起提供的庫程序模塊或利用用戶自己開發(fā)的元部件模型有效地組裝任何可以想象出的電力系統(tǒng)模型和結(jié)構(gòu)。EMTDC

的威力之一是可以較為簡單地模擬復(fù)雜電力系統(tǒng),

包括直流輸電系統(tǒng)和其相關(guān)的控制系統(tǒng)。2.3.1利用EMTDC可進(jìn)行的模似研究范圍（1）一般的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)研究

（2）直流輸電結(jié)構(gòu)和控制

（3）FACTS(靈活交流輸電系統(tǒng))元部件模型

（4）同步發(fā)電機(jī)和感應(yīng)電動機(jī)的扭矩效應(yīng)和自勵磁研究

（5）靜止補(bǔ)償器研究

（6）非線性控制系統(tǒng)研究

（7）變壓器飽和研究,

如鐵磁振蕩和鐵芯飽和不穩(wěn)定性研究

（8）絕緣配合研究

（9）諧波相互影響研究

（10）新型控制系統(tǒng)原則的開發(fā)

（11）陡前波分析

2.4PSCAD/EMTDC的應(yīng)用PSCAD／EMTDC典型應(yīng)用是計算電力系統(tǒng)遭受擾動或參數(shù)變化時，參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，此外PSCAD／EMTDC軟件廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、FACTS控制器的設(shè)計、電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領(lǐng)域的仿真計算。第三章風(fēng)能數(shù)學(xué)模型的建立和仿真3.1風(fēng)能的數(shù)學(xué)模型風(fēng)能作用于風(fēng)力機(jī)的葉片上，作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原動力。為了能較準(zhǔn)確的描述自然界的風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性的變化特點，在工程上一般采用簡化的四分量模型來模擬風(fēng)速隨時間變化的特征。3.1.1基本風(fēng)基本風(fēng)可以由風(fēng)電場測量所得的威布爾（Weibull）分布參數(shù)近似確定（3-1）式中：A、K——表示威布爾分布尺度參數(shù)和形狀參數(shù)；——伽馬函數(shù)。在實際領(lǐng)導(dǎo)真時我們近似認(rèn)為vwB是一個不隨時間變化的分量，也就是取vwB為一個常數(shù)。3.1.2陣行風(fēng)vwG用于表述風(fēng)速的突然變化，在3個時間段內(nèi)有不同的風(fēng)速。（1）0<t<T1G風(fēng)速vwG=0（2）T1G<=1<(T1G+TG),風(fēng)速vuG=vcos。Vcos表示在該時間段內(nèi)風(fēng)速變化具有佘弦特性，其表達(dá)式為：（3-2）式中：vmaxG——陣行風(fēng)最大的風(fēng)速（m/s）t——時間（s）T1G——出現(xiàn)陣性風(fēng)的時間（起動時間s）TG——陣性風(fēng)的持續(xù)時間（3）t>T1G+TG風(fēng)速vwG=0可見當(dāng)t=T1G時vcos=0t=(T1G+TG/2)vcos=vmaxt=T1G+TGvcos=0陣性風(fēng)變化過程如圖所示：vvwGvmax圖3-1陣行風(fēng)隨時間變化曲線圖在分析風(fēng)電系統(tǒng)對電壓波動的影響時，通常用陣性風(fēng)來考核較大的風(fēng)速變化時的電壓波動的特性。3.1.3漸變風(fēng)vwR用于描述風(fēng)速的逐漸的變化。在4個時間區(qū)段內(nèi)有不同風(fēng)速（1）0<t<T1R風(fēng)速vwR=0（2）T1R<=t<T2R風(fēng)速vwR=vramp。vramp表示在該時間區(qū)段內(nèi)風(fēng)速線性變化表達(dá)式：（3-3）可見t=T1Rvramp=0t=T2Rvramp=vmax（3）T2R<=t,<=T2R+TR 風(fēng)速vwR=vmax（4）t>=T2R+TR風(fēng)速vwR=0漸變風(fēng)變化過程：VVwRVmaxT1RT2RT2R+TGt圖3-2漸變風(fēng)隨時間變化曲線圖3.1.4隨機(jī)噪聲風(fēng)vwN用以描述在指定的高度的風(fēng)速變化的隨機(jī)風(fēng)的特性，由許多諧波分量構(gòu)成，其表達(dá)式為：（3-4）——隨機(jī)分布的離散間距——第I個分量的角頻率——第I個分量的初相角為0~2Pi之間分布的隨機(jī)量——第I個分量的振幅（3-5）式中：kN——地表摩擦系數(shù)F——攏動范圍m2——相對高度的平均風(fēng)速（m/s）3.1.5綜合風(fēng)速表達(dá)式綜合風(fēng)速表達(dá)式即是對前面的四個分量風(fēng)的表達(dá)式求和即可，其表達(dá)式如下：（3-6）3.2風(fēng)能的仿真3.2.1基本風(fēng)的仿真我們將基本風(fēng)作為常數(shù)考慮，仿真模塊與結(jié)果如圖4·3和4·4所示。在仿真基本風(fēng)模塊時取常數(shù)為8m/s。圖3-3基本風(fēng)仿真模塊圖3-4基本風(fēng)輸出仿真波形3.2.2陣形風(fēng)的仿真陣形風(fēng)仿真模塊與結(jié)果如圖4-5和4-6所示。圖3-5陣形風(fēng)仿真模塊圖3-6陣形風(fēng)輸出仿真波形3.2.3漸變風(fēng)的仿真漸變風(fēng)仿真模塊與結(jié)果如圖4-7和4-8所示。圖3-7漸變風(fēng)仿真模塊圖3-8漸變風(fēng)輸出仿真波形3.2.4隨機(jī)噪聲風(fēng)的仿真隨即噪聲風(fēng)的仿真模塊與結(jié)果如圖4-9和4-10所示。圖3-9隨機(jī)噪聲風(fēng)仿真模塊圖3-10隨機(jī)噪聲風(fēng)輸出仿真波形3.2.5綜合風(fēng)的仿真綜合風(fēng)就是前四種風(fēng)的求和，仿真模塊與結(jié)果如圖4-11與4-12所示。圖3-11綜合風(fēng)仿真模塊圖3-12綜合風(fēng)輸出仿真波形第四章異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)4.1異步發(fā)電機(jī)的基本原理4.1.1異步發(fā)電機(jī)的基本原理簡介風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)，其定子與同步電機(jī)的定子基本相同，定子繞組為三相的，可接成三角形或星形接法；轉(zhuǎn)子則有鼠籠型和饒線型兩種。根據(jù)異步電機(jī)理論，異步電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時由定子三相繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速決定于電網(wǎng)的頻率及電機(jī)繞組的極對數(shù)ns=60f/p（4-1）式中：ns為同步轉(zhuǎn)速；f為電網(wǎng)頻率；p為繞組極對數(shù)。按照異步發(fā)電機(jī)理論可知，當(dāng)異步電機(jī)連接到頻率恒定的電網(wǎng)上時，異步電機(jī)可以有不同的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速小于異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速時（即n<ns),異步電機(jī)以電動機(jī)的方式運(yùn)行，處于電動運(yùn)行狀態(tài)，此時異步電機(jī)自電網(wǎng)吸取電能，而由其轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械功率；當(dāng)異步電機(jī)由原動機(jī)驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速時（n>ns),則異步電機(jī)將處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，此時異步電機(jī)吸收由原動機(jī)供給的機(jī)械能而向電網(wǎng)輸出電能。4.1.2發(fā)電機(jī)的啟動電動機(jī)起動是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)時，把發(fā)電機(jī)用作電動機(jī)將機(jī)組起動到額定轉(zhuǎn)速并切人電網(wǎng)。電動機(jī)起動目前在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計中不再進(jìn)入自動控制程序。因為氣動性能良好的槳葉在風(fēng)速v>4m／s的條件下即可使機(jī)組順利地自起動到額定轉(zhuǎn)速。電動機(jī)起動一般只在調(diào)試期間無風(fēng)時或某些特殊的情況下，比如氣溫特別低，又未安裝齒輪油加熱器時使用。電動機(jī)起動可使用安裝在機(jī)艙內(nèi)的上位控制器按鈕或是通過主控制器鍵盤的起動按鈕操作，總是作用于小發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分為發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)電機(jī)起動瞬間，存在較大的沖擊電流(甚至超過額定電流的10倍)，將持續(xù)一段時間(由靜止至同步轉(zhuǎn)速之前)，因而發(fā)電機(jī)起動時需采用軟起動技術(shù)，根據(jù)電流反饋值，控制起動電流，以減小對電網(wǎng)沖擊和機(jī)組的機(jī)械振動。電動機(jī)起動時間不應(yīng)超出60s，起動電流小于小發(fā)電機(jī)額定電流的3倍。4.2異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方法因為風(fēng)力機(jī)為低速運(yùn)轉(zhuǎn)的動力機(jī)械，在風(fēng)力機(jī)與異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間經(jīng)增速齒輪傳動來提高以達(dá)到適合異步發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速,一般與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)多選用4極或6極電機(jī),因此異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速必須超過1500r/min或1000r/min,才能運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài),向電網(wǎng)送電。顯見,電機(jī)極對數(shù)的選擇與增速齒輪箱關(guān)系密切,若電機(jī)極對數(shù)選小,則增速齒輪傳動的速比增大,齒輪箱增大,但電機(jī)的尺寸則小些；反之,若電機(jī)極對數(shù)選大些,則傳動速比減小,但電機(jī)的尺寸大些。根據(jù)電機(jī)理論,異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行時,是靠滑差率來調(diào)整負(fù)荷的,其輸出的功率與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速近乎成線性關(guān)系,因此對機(jī)組的調(diào)整要求,不像同步發(fā)電機(jī)那么嚴(yán)格精確,不需要同步設(shè)備和整步操作,只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時就可并網(wǎng),國內(nèi)及國外與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,多采用異步發(fā)電機(jī),但異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)瞬間會出現(xiàn)較大的沖擊電流(約為異步發(fā)電機(jī)額定電流的4～7倍),并使電網(wǎng)電壓瞬時下降.隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大,這種沖擊電流對發(fā)電機(jī)自身部件的安全及對電網(wǎng)的影響也愈加嚴(yán)重[5]。過大的沖擊電流，有可能使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接的主回路中的自動開關(guān)斷開；而電網(wǎng)電壓的較大幅度下降,則可能會使低電壓保護(hù)動作,從而導(dǎo)致異步發(fā)電機(jī)根本不能并網(wǎng)。當(dāng)前在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方法有以下幾種。4.2.1直接并網(wǎng)這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同,當(dāng)風(fēng)力機(jī)驅(qū)動的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時即可并入電網(wǎng)；自動并網(wǎng)的信號由測速裝置給出,而后通過自動空氣開關(guān)合閘完成并網(wǎng)過程。顯見這種并網(wǎng)方式比同步發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)同步并網(wǎng)簡單。但如上所述，直接并網(wǎng)時會出現(xiàn)較大的沖擊電流及電網(wǎng)電壓的下降，因此這種并網(wǎng)方法只適用于異步發(fā)電機(jī)容量在百千瓦級以下，而電網(wǎng)容量較大的情況下。中國最早引進(jìn)的550kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及自行研制的50kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是采用這種方法并網(wǎng)的。4.2.2降壓并網(wǎng)這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以達(dá)到降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。因為電阻、電抗器等元件要消耗功率，在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)以后，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時，必須將其切除，這種并網(wǎng)方法適用于百千瓦級以上、容量較大的機(jī)組，顯見這種并娃每個方法的經(jīng)濟(jì)性比較差，中國引進(jìn)上午200kW異步發(fā)電機(jī)組，就是采用這種并網(wǎng)方式，并網(wǎng)時發(fā)電機(jī)每相繞組與電網(wǎng)之間皆串接有大功率電阻。4.2.3通過晶閘管軟并網(wǎng)這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙相晶閘管連接起來，三相均有晶閘管控制，雙相晶閘管的兩端與并網(wǎng)自動開關(guān)的動合觸頭并聯(lián)。接入雙相晶閘管的目的是將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間的沖擊電流控制在允許的限度內(nèi)。這種并網(wǎng)方法的特點是通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間的沖擊電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)（一般為1.5～2倍額定電流以下，從而得到一個平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程。4.3軟并網(wǎng)系統(tǒng)4.3.1軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的必要性由于異步發(fā)電機(jī)對并網(wǎng)要求低，控制和保護(hù)比較簡單，并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，因此采用異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組是國內(nèi)外商品化的風(fēng)電機(jī)組所采取的主要技術(shù)方案。但是異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)瞬間，所產(chǎn)生的沖擊電流會達(dá)到其額定電流的6～8倍，甚至10倍以上。該沖擊電流會對電網(wǎng)、葉輪以及發(fā)電機(jī)本身造成嚴(yán)重的沖擊，甚至?xí)绊懫渌?lián)網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行。另外，并網(wǎng)沖擊電流也會對電機(jī)接觸器、主空氣開關(guān)等開關(guān)設(shè)備造成較強(qiáng)的沖擊。因此軟并網(wǎng)技術(shù)是失速型風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。軟并網(wǎng)裝置用于限制異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)以及大小電機(jī)切換時的瞬態(tài)沖擊電流，以免對電網(wǎng)造成過大的沖擊。軟并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)用大功率晶閘管進(jìn)行限流，在機(jī)組電動啟動或并網(wǎng)過程中控制系統(tǒng)根據(jù)收到命令情況和相應(yīng)傳感器的信號對并網(wǎng)過程進(jìn)行控制，并網(wǎng)結(jié)束后旁路晶閘管支路[2]。4.3.2軟并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)系統(tǒng)由主電路(強(qiáng)電回路)及其晶閘管移相觸發(fā)控制電路(弱電回路)組成。晶閘管移相觸發(fā)控制裝置的硬件部分主要由電網(wǎng)電壓同步信號生成、移相觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生與輸出、觸發(fā)脈沖的功率放大與整形、異步電機(jī)定子電流的監(jiān)測以及與主控制器之間的串行通訊等部分組成[8]。主電路由三對反并聯(lián)或雙向晶閘管及其保護(hù)電路組成，如圖5·1所示。六只晶閘管串接在發(fā)電機(jī)出線與電網(wǎng)之間。由于晶閘管屬貴重元器件，承受電壓與電流沖擊的能力較差。為了吸收開關(guān)器件動作過程中晶閘管兩端可能產(chǎn)生的瞬間尖峰電壓以及電網(wǎng)電壓大幅度快速波動帶來的不良影響，在晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收保護(hù)回路。阻容吸收回路主要是利用電容端電壓不能突變的特性來吸收晶閘管兩端的尖峰電壓，以保護(hù)晶閘管。但阻容電路吸收過電壓的能力是有限的[11]。當(dāng)雷擊引起電網(wǎng)產(chǎn)生更高的過電壓，或者過電壓的持續(xù)時間過長，晶閘管的端電壓仍可能會超過允許值。因此，晶閘管兩應(yīng)并接壓敏電阻。壓敏電阻是一種金屬氧化物的非線性電阻，其正常工作時漏電流小，損耗小，而泄放沖擊電流能力強(qiáng)，抑制過電壓能力高，而且對峰值電壓反應(yīng)快。軟并網(wǎng)過程結(jié)束后，為減少主電路各器件的功率損耗，旁路接觸器K2閉合，將晶閘管支路短接。另外，K1為主空氣開關(guān)，串接于電網(wǎng)與晶閘管之間。4.3.3軟并網(wǎng)系統(tǒng)的基本工作原理晶閘管在正向電壓與觸發(fā)脈沖的作用下可在很短的時間內(nèi)快速導(dǎo)通，并在其電流變?yōu)榱阒笆冀K保持導(dǎo)通狀態(tài)。通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，就可連續(xù)調(diào)節(jié)加在負(fù)載上的電壓波形，進(jìn)而改變負(fù)載電壓的有效值。由于晶閘管的等效阻抗值隨晶閘管導(dǎo)通角大小變化。具體來說，當(dāng)晶閘管的導(dǎo)通角為零時，即晶閘管完全關(guān)閉，此時晶閘管的等效電阻為無窮大，相當(dāng)于開路；當(dāng)晶閘管完全導(dǎo)通時，也就是完全打開時，此時晶閘管的等效電阻非常小，相當(dāng)于導(dǎo)線直接連接[3]。由于雙向晶閘管串接于電機(jī)出線與電網(wǎng)之間，所以通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，就可調(diào)節(jié)電機(jī)定子電壓按階梯波的形式從某一較小的初值逐漸增加到全壓狀態(tài)，從而降低定子電壓隨時間增長的速率。由于三相異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，這樣降低了電磁轉(zhuǎn)矩隨時間的增長率[9]。隨著風(fēng)速增大，葉輪輸出給電機(jī)主軸更多的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，此時通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角同步緩慢增大，從而使并網(wǎng)沖擊電流限制在較低的范圍內(nèi)。圖4-1軟并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖4.3.4軟并網(wǎng)的步驟軟并網(wǎng)仿真的步驟是[6]：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近97%～99%同步轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機(jī)接觸器逼合，同時與電網(wǎng)直接相連的雙相晶閘管在觸發(fā)脈沖控制下，逐步導(dǎo)通。晶閘管初始導(dǎo)通時，即次同步轉(zhuǎn)速階段，電機(jī)運(yùn)行與電動狀態(tài)，此時電機(jī)在電網(wǎng)與葉輪共同驅(qū)動下轉(zhuǎn)速迅速上升，其花差率很快趨于零。當(dāng)花差率接近于零時，晶閘管完全導(dǎo)通，這樣將并網(wǎng)沖擊電流限制在較小的范圍內(nèi)，從而得到一個平滑的并網(wǎng)過程。晶閘管完全導(dǎo)通后，旁路接觸開關(guān)將其短路，并網(wǎng)過程結(jié)束，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段。4.3.5晶閘管用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)裝置的優(yōu)點（1）晶閘管導(dǎo)通壓降小，解決了器件的率損耗和發(fā)熱問題；（2）晶閘管用于軟并網(wǎng)裝置可以消除電流浪涌沖擊與峰值轉(zhuǎn)矩沖擊；（3）晶閘管相當(dāng)于無觸點軟開關(guān)，不存在接觸不良與磨損、粘著、彈跳等問題；（4）晶閘管導(dǎo)通角連續(xù)可調(diào)，無需輔助換流裝置，軟并網(wǎng)過程平穩(wěn)，限流可靠4.3.6晶閘管軟并網(wǎng)存在的問題晶閘管軟并網(wǎng)技術(shù)雖然是目前一種先進(jìn)的并網(wǎng)方法，但它也對晶閘管器件及與之相關(guān)的晶閘管觸發(fā)電路提出了嚴(yán)格的要求，即晶閘管器件的特性要一致、穩(wěn)定以及出發(fā)電路可靠，只有發(fā)電機(jī)主回路中的每相的雙相晶閘管特性一致，控制極觸發(fā)電壓、觸發(fā)電流一致，全開通后壓降相同，才能保證可控硅導(dǎo)通角在0°～180°范圍內(nèi)同步逐漸增大，才能保證發(fā)電機(jī)三相電流平衡，否則會對發(fā)電機(jī)不利。第五章軟并網(wǎng)系統(tǒng)模型的建立5.1軟啟動器模型的建立為了把異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間的沖擊電流限制在允許的限度內(nèi)，本仿真系統(tǒng)采用了具有軟啟動的異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)。其中的軟啟動器由兩只反并聯(lián)的普通晶閘管和旁路并網(wǎng)開關(guān)組成，并基于PSCAD/EMTDC軟件建立軟并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。5.1.1雙相晶閘管模型的建立利用PSCAD/EMTDC軟件模塊庫建立晶閘管仿真模型，雙相晶閘管可由兩只反并聯(lián)的普通晶閘管組成，如圖5-1所示。為了降低并網(wǎng)過程中產(chǎn)生的高次諧波和低次諧波給軟并網(wǎng)裝置帶來的危害，在每組雙相晶閘管中需另外增設(shè)吸收裝置，入圖5-2所示。圖5-1雙相晶閘管仿真模型圖5-2帶有吸收裝置的雙相晶閘管仿真模型5.1.2軟啟動仿真模型的建立圖5-1與圖5-2中的仿真模型是串在異步發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)的一相之間的，由于仿真的是三相異步發(fā)電機(jī)，故在每相之間都需串入如圖5-2所示的雙相晶閘管，仿真模型如圖5-3所示。這種軟并網(wǎng)連接方式中，雙相晶閘管既在并網(wǎng)過程中起到控制沖擊電流的作用，同時又作為又作為無觸頭自動開關(guān)，在并網(wǎng)后繼續(xù)存在于主回路中，這種比軟并網(wǎng)連接方式可以省去一個并網(wǎng)自動開關(guān)，因而控制回路也較為簡單些，并且避免了有觸頭自動開關(guān)觸頭粘著、彈跳及磨損等現(xiàn)象，可以保證較高的開關(guān)頻率，這是其優(yōu)點。但這種并網(wǎng)方式需要選用電流允許值大的高反壓雙相晶閘管，這是因為在這種連續(xù)方式下，雙相晶閘管中通過的電流需滿足能通過異步發(fā)電機(jī)的額定電流值，為了避免這種情況，選擇在雙相晶閘管上并聯(lián)旁路并網(wǎng)自動開關(guān)。在并網(wǎng)過程中當(dāng)異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時旁路自動并網(wǎng)開關(guān)閉合，將雙相晶閘管短接，并網(wǎng)過程結(jié)束。設(shè)有旁路并網(wǎng)自動開關(guān)的仿真模型圖如圖5-4所示。圖5-3異步發(fā)電機(jī)軟啟動裝置仿真模型圖圖5-4具有旁路并網(wǎng)自動開關(guān)的仿真模型圖當(dāng)并網(wǎng)過程結(jié)束后，異步發(fā)電機(jī)的輸出電流將不再經(jīng)雙相晶閘管，而是通過已閉合的自動開關(guān)觸頭流入電網(wǎng)。但這種并網(wǎng)方式的不利之處，是自動并網(wǎng)開關(guān)的軟并網(wǎng)連接方式中的高反壓雙相晶閘管只要能通過較發(fā)電機(jī)空載電流略高的電流就可以滿足要求。5.2晶閘管控制電路仿真模型的建立雙相晶閘管的控制電路是異步發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)系統(tǒng)的重要部分，軟并網(wǎng)能否成功直接取決于晶閘管的控制水平。5.2.1晶閘管單相控制電路仿真模型的建立如圖5-5是晶閘管控制電路仿真模型圖。圖5-5晶閘管控制電路仿真模型圖圖中由電網(wǎng)取得同步電壓型號，經(jīng)鋸齒波發(fā)生器將電網(wǎng)的正弦波轉(zhuǎn)化為鋸齒撥波，再通過脈沖發(fā)生器形成晶閘管門極出發(fā)脈沖，從而控制晶閘管的導(dǎo)通。上圖是單相晶閘管控制電路仿真模型，在異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行軟并網(wǎng)仿真時，三相均需晶閘管控制。5.2.2晶閘管三相控制電路仿真模型的建立如圖5-6是晶閘管三相控制電路仿真模型圖。圖中從電網(wǎng)中取得同步電壓信號，經(jīng)鋸齒波發(fā)生器將取自電網(wǎng)的正弦波電壓信號轉(zhuǎn)化為鋸齒波電壓信號，再通過脈沖發(fā)生器形成晶閘管門極出發(fā)脈沖信號，從而控制晶閘管的導(dǎo)通。在并網(wǎng)過程中，雙相晶閘管從晶閘管控制電路中獲得信號，晶閘管的控制角由180°～0°逐漸同步打開；與此同時，雙相晶閘管的導(dǎo)通角則同時由0°～180°逐漸增大，此時并網(wǎng)自動開關(guān)未動作，動合觸頭未閉合，異步發(fā)電機(jī)即通過晶閘管平穩(wěn)地并入電網(wǎng)；隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率逐漸趨于零，當(dāng)轉(zhuǎn)差率為零時，并網(wǎng)自動開關(guān)動作，動合觸頭閉合，雙相晶閘管被短接，并網(wǎng)過程結(jié)束。圖5-6晶閘管三相控制電路仿真模型圖第六章異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)仿真風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式主要有兩種類。一類是獨立運(yùn)行供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換成為交流電向終端電器供電。另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，聯(lián)網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電是大規(guī)模利用風(fēng)能的最經(jīng)濟(jì)方式[11]。風(fēng)力發(fā)電不同于火力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電所用能源是自然界的風(fēng)能。而風(fēng)速的大小、方向并不恒定，并且沒有一定的規(guī)律可循。發(fā)電機(jī)也經(jīng)常起、停機(jī)，也經(jīng)常并網(wǎng)、解列，所以要求應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)具有快速并網(wǎng)且對電網(wǎng)和電機(jī)的沖擊都最小。6.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)仿真為了與軟并網(wǎng)過程進(jìn)行比較，首先進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)的仿真分析。6.1.1直接并網(wǎng)仿真模型的建立直接并網(wǎng)仿真系統(tǒng)由風(fēng)模型、風(fēng)力機(jī)模型、風(fēng)力機(jī)控制器模型、異步發(fā)電機(jī)模型、變壓器模型等組成。如圖6-1是風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)仿真模型圖。這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同,當(dāng)風(fēng)力機(jī)驅(qū)動的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時即可并入電網(wǎng)；自動并網(wǎng)的信號由測速裝置給出,而后通過自動空氣開關(guān)合閘完成并網(wǎng)過程。6.1.2風(fēng)速為7m/s時，發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)仿真風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)仿真結(jié)果如圖6-2到圖6-10所示通過一系列的仿真，得出風(fēng)速仿真波形、風(fēng)力機(jī)輸出功率仿真波形、風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速等仿真波形。圖6-1風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)仿真模型圖圖6-2風(fēng)速輸出仿真波形圖6-3發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率仿真波形圖6-4發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩仿真波形圖6-5發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-6發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-7發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)風(fēng)輪機(jī)葉片節(jié)矩角輸出仿真波形圖6-8發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的定子電流輸出仿真波形6.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)仿真分析6.2.1直接并網(wǎng)仿真波形的分析（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并入電網(wǎng)后第一個公頻周期內(nèi)沖擊電流達(dá)到峰值，并持續(xù)2～3個周期。（2）異步發(fā)電機(jī)在接近同步轉(zhuǎn)速時并入電網(wǎng)，沖擊電流持續(xù)時間最短。6.2.2異步發(fā)電機(jī)啟動的相關(guān)理論的驗證（1）發(fā)電機(jī)直接并入電網(wǎng)時沖擊電流峰值由電網(wǎng)電壓及發(fā)電機(jī)本身參數(shù)決定，與并網(wǎng)風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，這是因為沖擊電流主要由過度過程的直流分量和暫態(tài)交流分量合成產(chǎn)生，而二者的幅值與電網(wǎng)電壓成反比，與發(fā)電機(jī)過度過程的暫態(tài)電抗成反比。（2）當(dāng)發(fā)電機(jī)參數(shù)一定時，交流暫態(tài)衰減時間與滑差成正比。當(dāng)滑差趨于零時，沖擊電流也由峰值隨之衰減到最小值。（3）當(dāng)發(fā)電機(jī)參數(shù)一定時，交流暫態(tài)分量衰減時間與并網(wǎng)風(fēng)速有關(guān)。并網(wǎng)風(fēng)速越高，葉輪輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速很快達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，沖擊電流隨之衰減到最低值[10]。6.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)仿真6.3.1軟并網(wǎng)仿真模型的建力基于PSCAD/EMTDC仿真軟件建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)裝置的仿真模型如圖6-9所示。該模型主要由電網(wǎng)模型、發(fā)電機(jī)模型、風(fēng)力機(jī)模型、風(fēng)模型、三對反并聯(lián)的晶閘管及其RC吸收模塊、旁路自動并網(wǎng)開關(guān)模塊和相應(yīng)的控制模塊等組成。晶閘管及其吸收模塊串接于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間；觸發(fā)脈沖的形成與分配模塊從電網(wǎng)取得同步信號后產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)信號并按順序發(fā)給相應(yīng)的晶閘管；當(dāng)晶閘管完全導(dǎo)通后，旁路自動并網(wǎng)開關(guān)模塊短接晶閘管支路，并網(wǎng)過程結(jié)束。圖6-9風(fēng)力發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)仿真模型圖晶閘管觸發(fā)脈沖的形成與分配模塊是軟并網(wǎng)仿真模塊的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這里同步信號取自電網(wǎng)電壓的正相過零點，晶閘管觸發(fā)脈沖的形成與分配仿真波形如圖6-16和圖6-17中所示。6.3.2風(fēng)速為7m/s，軟并網(wǎng)仿真通過一系列的仿真，得出風(fēng)速仿真波形、風(fēng)力機(jī)輸出功率仿真波形、風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形、得出晶閘管移相規(guī)律、轉(zhuǎn)速曲線以及電流的仿真波形如圖6-18所示：圖6-10風(fēng)速輸出仿真波形圖6-11發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率仿真波形圖6-12發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩仿真波形圖6-13發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-14發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-15發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)風(fēng)輪機(jī)葉片節(jié)矩角輸出仿真波形圖6-16取自電網(wǎng)同步電壓形成的鋸齒波波形圖圖6-17晶閘管門極觸發(fā)信號波形第二組晶閘管和第三組晶閘管的門極觸發(fā)型號與圖5-18的觸發(fā)型號波形類似，這里不再一一列出。圖6-18風(fēng)速為7m6.3.3風(fēng)速為10m/s時，軟并網(wǎng)仿真通過一系列的仿真，得出風(fēng)速仿真波形、風(fēng)力機(jī)輸出功率仿真波形、風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形、發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速等仿真波形。晶閘管移相規(guī)律、轉(zhuǎn)速曲線以及電流的仿真波形如圖6-19到6-27所示：圖6-19風(fēng)速輸出仿真波形圖6-20發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率仿真波形圖6-21發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩仿真波形圖6-22發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-23發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-24發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)A相電壓輸出仿真波形圖6-25發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)取自A相的同步電壓圖6-26發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)風(fēng)輪機(jī)葉片節(jié)矩角輸出仿真波形圖6-27風(fēng)速為10m/s時發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)過程的仿真波形風(fēng)速為12m/s，軟并網(wǎng)仿真在晶閘管觸發(fā)電路的移相規(guī)律與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不配合時，得出電流波形和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形入圖6-28所示。圖6-28風(fēng)速為12m/s是軟并網(wǎng)過程的仿真波形風(fēng)速為20m/s時,軟并網(wǎng)仿真當(dāng)風(fēng)速增到較大值時，通過對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行軟并網(wǎng)仿真得出的風(fēng)速波形、風(fēng)力機(jī)輸出功率波形與輸出轉(zhuǎn)矩波形、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形、定子電流波形等輸出仿真波形如圖6-29到圖6-36所示。圖6-29風(fēng)速輸出仿真波形圖6-30發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)的輸出功率仿真波形圖6-31發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩仿真波形圖6-32發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-33發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)時發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸出仿真波形圖6-34發(fā)電機(jī)A相電壓輸出仿真波形圖6-35風(fēng)速為20m/s時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速圖6-36發(fā)電機(jī)有功功率輸出仿真波形6.4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)仿真分析6.4.1仿真波形的分析通過上述軟并網(wǎng)仿真結(jié)果可以看出，在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間裝設(shè)軟并網(wǎng)裝置可將并網(wǎng)瞬間的沖擊電流限制在較低的范圍內(nèi)。在直接并網(wǎng)仿真中，電網(wǎng)的沖擊電流最高達(dá)到6.8KA，是額定電流的7倍，這么高的沖擊電流對發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的正常運(yùn)行將造成嚴(yán)重的危害。而通過軟并網(wǎng)裝置后的，在并網(wǎng)瞬間電網(wǎng)的沖擊電流是1.8KA之間，是額定電流的1.7倍。通過軟并網(wǎng)仿真可以看出，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和輸出功率在并網(wǎng)瞬間的波動要比直接并網(wǎng)的波動要小，有利于風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)的正常運(yùn)行。通過適當(dāng)調(diào)整晶閘管移相規(guī)律和機(jī)組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，可使軟并網(wǎng)電流變化平穩(wěn)些。仿真結(jié)果表明當(dāng)風(fēng)速為7m/s時，并網(wǎng)轉(zhuǎn)速為1504rad/min，即花差率為-0.003左右；當(dāng)風(fēng)速為10m/s時，并網(wǎng)轉(zhuǎn)速為1515rad/min，即花差率為-0.01左右。作為對比，圖6-28是晶閘管移相規(guī)律與軟并網(wǎng)轉(zhuǎn)速不適當(dāng)時的發(fā)電機(jī)定子電流衰減波形與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線。從圖可以看出在風(fēng)速較大時晶閘管并網(wǎng)控制與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不太協(xié)調(diào)時會造成并網(wǎng)電流上升到2.6KA，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到1590rad/min，這是不允許的。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)訴接近同步轉(zhuǎn)速時，為減少軟并網(wǎng)的持續(xù)時間，使晶閘管完全導(dǎo)通的時刻與發(fā)電機(jī)到達(dá)同步轉(zhuǎn)速的時刻盡可能接近，可大大加快晶閘管的導(dǎo)通速度，而不會引起電網(wǎng)電流大幅上升。結(jié)論通過對上述仿真結(jié)果的分析可得出以下結(jié)論：（1）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等于或超過同步轉(zhuǎn)速時機(jī)組才發(fā)電。（2）異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)會產(chǎn)生很大的沖擊電流，對發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的影響也比較嚴(yán)。（3）異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過晶閘管軟并網(wǎng)可把沖擊電流限制在比較小的范圍內(nèi)，保護(hù)了發(fā)電機(jī)自身設(shè)備的安全和電網(wǎng)的正常運(yùn)行。（4）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接并網(wǎng)和軟并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速有關(guān)。（5）機(jī)組容量越大，在不斷變化的風(fēng)速下其穩(wěn)定性越好。（6）在發(fā)電機(jī)旁路開關(guān)閉合至同步轉(zhuǎn)速之前，晶閘管導(dǎo)通角的增大會引起并網(wǎng)電流幅值的上升躍變。此時，如果晶閘管導(dǎo)通速度過快會產(chǎn)生較大的沖擊電流，所以在此期間晶閘管的導(dǎo)通角應(yīng)緩慢增大，即晶閘管導(dǎo)通角增大的步長小一些，而且每個步長的持續(xù)時間比較長，只有這樣才可把比并網(wǎng)沖擊電流限制在較低值內(nèi)。（7）為減少軟并網(wǎng)持續(xù)的時間與沖擊電流的峰值，機(jī)組的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速應(yīng)隨風(fēng)速調(diào)節(jié)。軟并網(wǎng)控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中故障率較高的一個子系統(tǒng)，而且軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的故障較難發(fā)現(xiàn)和處理。本設(shè)計著重敘述分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的必要性、原理、結(jié)構(gòu)以及具體的控制過程，這有助于理解軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的工作原理及其故障的順利排除。由于現(xiàn)有知識有限，通過仿真實驗，有些結(jié)果還是和已有結(jié)果有一定的距離，晶閘管的觸發(fā)電路還是有一些問題需要解決，另外，在風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的一些參數(shù)配合上也存在一些問題。相信在今后的工作中通過不斷的學(xué)習(xí)和實踐一定會在這方面有新的更大的突破。參考文獻(xiàn)[1]盛雙文．大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中央控制系統(tǒng)的研制．中國科學(xué)院碩士學(xué)位論文，2000．6C27[2]趙斌，許洪華．大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)．新能源．2000(12)：45～47[3]邵丙衡．電力電子技術(shù)．北京：中國鐵道出版社．1997．8，ll2～l23[4]孫浩．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)沖擊電流產(chǎn)生的原因及其控制方法的初步探討．風(fēng)力發(fā)電.2001(3)：6～8[5]馬金路.BONUS150KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)軟啟動的特點及原理.風(fēng)力發(fā)電.1994（4）：5～7[6]吳烽.風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)技術(shù)綜述.風(fēng)力發(fā)電，1992（1）：5～8[7]PSASP使用手冊[K]．北京：中國電力科學(xué)研究院[8]SvenssonT,BriozzoC.Gridconnectingusingthyristors[A].FourthInternationalSyposiumonWindEnergySystems[C].Sweden,1982(9):31～35[9]GzotnmNalhandGunnarJ．Berg．TransientAnalysisofThree-phaseSCRconnliedinductionmotors.IEEETransactionsonIndustryApplications,VOL．IA-218,NO．2,March／Apcil,1981．133～142[10]GapeP.WindEnergyComesofAgeNewYork:JohnWiley&Sons,Inc,1995.20～21[11]BruneCS,SppeR,WallaeeA.K.ExpersmentalEvaluationofAVariable-speed,Double-fedWindPowerGenerationSyste