恒速风电论文
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1.2风力机2
1.2.1简介2
1.2.2风轮机的数学模型2
1.3风力机的功率调节3
1.4传动装置3
1.4.1传动装置简介3
1.4.2传动装置的模型3
1.5风力发电机3
1.5.1异步电机的数学模型3
1.6无功补偿的数Fra Baidu bibliotek模型5
1.7电网5
第二章恒速恒频风力发电系统并网运行仿真6
2.1风速仿真6
2.1.1风速模型6
2.1.2基本风6
2.1.3阵风6
2.1.4渐变风6
2.2风力机的仿真7
2.3鼠笼型异步电机仿真7
2.4无功补偿设备和无穷大系统的仿真8
第三章并网的仿真结果分析9
3.1各种风速下的运行情况9
3.2风电场出口短路故障运行情况11
3.3总结13
第四章结论和展望14
4.1结论14
4.2展望14
致谢15
参考文献16
This paper mainly studies the constant speed constant frequency wind power generation system, the constant speed constant frequency wind power system are briefly introduced, and did some research on the constant speed constant frequency wind power will past, mainly for the constant speed constant frequency wind power generator in different wind speed, impact on the output active power, no power and the network voltage, and when the power grid fault, the output characteristic of constant speed constant frequency wind power generator. This paper also on various conditions above is simulated withMATLAb/Simulink software, the analysis of its results.
（2）
式中： 是风力机的机械角速度， 是齿轮箱的输入机械转矩， 是输出齿轮箱的转矩，也是异步电机的输入机械转矩， 为齿轮箱的惯性时间常数。通常可以认为风轮机的转速基本不变，因此可以认为 和 近似相等。
1
通常根据发电机的控制技术和运行特性，可以分为恒速恒频（CSCF）和变速恒频（VSCF）两大发电技术，本文主要研究的是恒速恒频风力发电技术。恒速恒频风电系统中主要使用三相异步发电机。
因此风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，整个地球的蕴含的风能大约为2.74× MW，其中可被人类利用的风能大为2× MW，比地球上可开发利用的水资源的总能量还要大10倍多。我国风力能储存量很大、分布面也很广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。
风力发电起源于20世纪70年代，技术成熟于80年代，自90年代以来风力发电进入了大发展阶段。随着风力发电容量的不断增大，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距控制和变速控制发展。前人在风轮机的空气动力学原理和能量转换原理的基础上,系统分析了定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组、变速风力发电机组的基本控制要求和控制策略，并对并网型风力发电机组的变桨距控制技术进行了一定的研究。
图1.1恒速恒频风力发电系统结构图
1
1
风轮机把风的动能通过风转轮转换成机械能，这种二次能量可采用不同的方式加以利用，如磨坊、提水。发电或其他可能的能量转换方式。风轮机应尽可能设计得最佳，尽可能多的转换能量，达到良好的经济效益。
目前，风力机主要有水平轴和垂直轴两种类型，垂直轴风力机转轴垂直放置，其Φ型叶片绕轴旋转，能从任意方向获取风能，因而可不依赖于风向做发电运行。缺点是无自动启动能力，功率和效率比水平轴风力机低，较为少见。
是电容器组补偿的无功功率。
1
对于恒速恒频风力发电机组，容量一般较小，所以发电机的转子行为以及功率震荡是模拟的重点，对于定子则忽略其暂态过程，所以电网侧的模型采取单机无穷大电网模型。本文通过单机容量1.5MW，出口电压690V的风力发电机，经机端变压器升压至35KV，通过长度为100km、电抗为x=0.41Ω/km的架空输电线路传输，再经变压器升压至220KV，之后与无穷大系统相连
1
由于恒速恒频风力机采用的是鼠笼式异步电机，其发电过程中本身也需要消耗大量的无功，因此需要在发电机与电网连接处并联一个无功补偿设备，一般为固定的电容器，其容量可根据风力发电机需要消耗的无功的大小来设定其容量。
模型为：
=Q-
式中：Q是异步电机自身需要吸收的无功功率；
是异步发电机从系统实际吸收的无功功率；
电压方程：
（3）
磁链方程：
（4）
将式（8）带入式（9）中得
（5）
由(10)解出以电流为状态变量的方程，如下
（6）
对于鼠笼异步电机，由于转子绕组短路，故
= =0（7）
将式（12）带入式（11）得
（8）
式中：k=
转矩方程：
= = ( )（9）
转速方程：
= -
式中： = 为 、 静止坐标系上定子与转子绕组间的互感， = + 为 、 静止坐标系上定子绕组间的自感， = + 为静止坐标系上两相转子绕组的自感， 、 为定、转子电阻， 是负载组转矩，J是机组转动惯量， 是极对数， 是电机转子的旋转角速度。
1
从空气动力学方面的只是可以得到风力机的功率模型：
（1）
式里： 是风力机的机械转矩； 为作用于叶片的风速；R是叶片半径； 是空气密度； 是叶尖速比， （其中： 为风力机转速，rad/s；R为叶片半径，m） 为风机利用风能的系数。
1
风力机的功率调节是风力发电系统的关键控制技术之一，目前运行中的风力机主要有定桨距失速控制和变桨距控制两种调节方式。恒速恒频风电系统中的风力机组多采用定桨距失速控制，大容量机组采用主动失速控制。当然也采用变桨距控制，但这种控制方式下齿轮箱易磨损、输出功率不稳定，很少采用。
引
能源是人类生存和发展的重要物质基础，随着人类社会的发展、进步，对能源的需求在持续增长，同时，能源结构也在不断变化。每一次不同能源时代的变迁，都促进了生产力的进步，极大的促进了经济、社会乃至历史的发展。但是随着人类使用的能源，特别是化石能源数量的增大，能源对人类经济与社会的制约和对资源环境的影响也越来越显著。
1
根据电机学原理，异步电机的数学模型是一个复杂的多变量系统，在对异步电机建立数学模型时，如下假设是合理的：
①三相绕组在空间对称互差120°忽略各次谐波，磁势在空间按正弦分布；
②忽略铁心的铁耗；
③忽略磁路饱和的情况，即认为各绕组间的互感和自感都是线性的；
④不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。
(1)异步电机在两相静止坐标系上的数学模型
1
1
风力发电机组中的传动装置是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。其作用通常是将风轮机较低转速提升到满足发电机发电所需要的转速。
1
风力机的传动装置主要包括：轮毂、传动箱和齿轮箱。用来连接叶片和齿轮箱是轮毂，其惯性比较大，常用一阶惯性环节来模拟其两边的转矩特性：
本篇论文主要介绍了基于普通感应发电机的定速风电机组组成及工作原理，通过Matlab/Simulink仿真软件，建立定速风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，风速波动时风电机组输出特性进行仿真分析和电网故障时风电机组输出特性进行仿真分析。
第一章
1
恒速恒频风力发电系统结构图如图1.1所示。风作用在风轮机的叶片上，风轮机利用叶片将风能转化为机轴上的机械能，传动装置将机轴上的较低的旋转速度的运动转变为转速较高的转速，并与发电机转子相连接，最后由发电机将机械能转化为电能，并通过定子输送到电力系统中。
因为异步机是一个高阶、强耦合的系统，为了实现转矩和磁链之间的解耦控制，以提高调速系统的动静态性能，必须对异步电动机的数学模型进行坐标变换。坐标变换常遵循原则为：
①确定电流变换矩时，应遵守变换前后所产生的旋转磁场等效的原则；
②为了矩阵运算的简单、方便，要求电流变换矩阵应为正交矩阵；
③确定电压变换矩阵和阻抗变换矩阵时，应遵守变换前后电机功率不变的原则，即变换前后功率不变。
摘
风能是一种重要的自然能源，太阳能的一种转换形式，因此用之不竭。全球的风能大约为2.74× MW，其中可被利用的风能大约为2× MW，比地球上可被开发利用的水能的总量还要大10倍多。风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，它对于解决全球性的能源危机和环境危机有着重要的意义。因此，风力发电成为各国学者研究的重点。目前，国内学者对大型风力发电的研究已日趋成熟。
Keywords: wind power generation, the constant speed constant frequency, asynchronous motor, MATLAB/Simulink, power system fault
目录
引言1
第一章恒速发电机的运行原理2
1.1恒速发电机的基本机构2
本文主要研究了恒速恒频风力发电系统，对恒速恒频风力发电系统做了简要的介绍，并在恒速恒频风力发电并网方面做了一些研究，主要为恒速恒频风力发电机在不同风速时，对输出有功、无功并网电压的影响，以及当电网故障时，对恒速恒频风力发电机的输出特性。本文也用MATLAb/Simulink软件对上述的各种状况进行了仿真，对分析了其结果
水平轴结构是当前最常见、最成熟的布置方案，适用功率从50W到几兆瓦不等。由于转速越高风电体积越小，因此风力机常采用两或三片叶片的高速风轮形式，其中三叶片风轮在机械和空气动力学上更具优势。水平轴式风电机组机舱中主要布置有桨叶、变桨距结构、增速齿轮箱、发电机、电力电子功率变换器、控制柜、变压器、输电线以及偏航系统、防缠绕系统、制动系统等重要功能部件。
关键字：风力发电，恒速恒频，异步电机，电力系统故障
ABSTRACT
Wind energy is the form of a conversion of solar energy is an important natural energy. Sun to the Earth's surface, Earth's surface throughout the heat generated temperature difference, thus the formation of wind caused by atmospheric convection. According to the estimated solar energy reaching the Earth is only about 2% conversion of wind energy, but its total is still very considerable. The global wind energy is about 2.74×109MW, which can make use of wind energy for the 2×107MW, the total amount of development and utilization of water energy than on Earth 10 times. Wind energy as a non-polluting, renewable green energy, it is of great significance in solving the global energy and environmental crises. Therefore, wind power has become the focus of the study of scholars from various countries. At present, domestic scholars on the study of large-scale wind power has become increasingly mature, but for the development of laboratory wind turbine is still lacking.
1.2.1简介2
1.2.2风轮机的数学模型2
1.3风力机的功率调节3
1.4传动装置3
1.4.1传动装置简介3
1.4.2传动装置的模型3
1.5风力发电机3
1.5.1异步电机的数学模型3
1.6无功补偿的数Fra Baidu bibliotek模型5
1.7电网5
第二章恒速恒频风力发电系统并网运行仿真6
2.1风速仿真6
2.1.1风速模型6
2.1.2基本风6
2.1.3阵风6
2.1.4渐变风6
2.2风力机的仿真7
2.3鼠笼型异步电机仿真7
2.4无功补偿设备和无穷大系统的仿真8
第三章并网的仿真结果分析9
3.1各种风速下的运行情况9
3.2风电场出口短路故障运行情况11
3.3总结13
第四章结论和展望14
4.1结论14
4.2展望14
致谢15
参考文献16
This paper mainly studies the constant speed constant frequency wind power generation system, the constant speed constant frequency wind power system are briefly introduced, and did some research on the constant speed constant frequency wind power will past, mainly for the constant speed constant frequency wind power generator in different wind speed, impact on the output active power, no power and the network voltage, and when the power grid fault, the output characteristic of constant speed constant frequency wind power generator. This paper also on various conditions above is simulated withMATLAb/Simulink software, the analysis of its results.
（2）
式中： 是风力机的机械角速度， 是齿轮箱的输入机械转矩， 是输出齿轮箱的转矩，也是异步电机的输入机械转矩， 为齿轮箱的惯性时间常数。通常可以认为风轮机的转速基本不变，因此可以认为 和 近似相等。
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通常根据发电机的控制技术和运行特性，可以分为恒速恒频（CSCF）和变速恒频（VSCF）两大发电技术，本文主要研究的是恒速恒频风力发电技术。恒速恒频风电系统中主要使用三相异步发电机。
因此风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，整个地球的蕴含的风能大约为2.74× MW，其中可被人类利用的风能大为2× MW，比地球上可开发利用的水资源的总能量还要大10倍多。我国风力能储存量很大、分布面也很广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。
风力发电起源于20世纪70年代，技术成熟于80年代，自90年代以来风力发电进入了大发展阶段。随着风力发电容量的不断增大，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向全桨叶变距控制和变速控制发展。前人在风轮机的空气动力学原理和能量转换原理的基础上,系统分析了定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组、变速风力发电机组的基本控制要求和控制策略，并对并网型风力发电机组的变桨距控制技术进行了一定的研究。
图1.1恒速恒频风力发电系统结构图
1
1
风轮机把风的动能通过风转轮转换成机械能，这种二次能量可采用不同的方式加以利用，如磨坊、提水。发电或其他可能的能量转换方式。风轮机应尽可能设计得最佳，尽可能多的转换能量，达到良好的经济效益。
目前，风力机主要有水平轴和垂直轴两种类型，垂直轴风力机转轴垂直放置，其Φ型叶片绕轴旋转，能从任意方向获取风能，因而可不依赖于风向做发电运行。缺点是无自动启动能力，功率和效率比水平轴风力机低，较为少见。
是电容器组补偿的无功功率。
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对于恒速恒频风力发电机组，容量一般较小，所以发电机的转子行为以及功率震荡是模拟的重点，对于定子则忽略其暂态过程，所以电网侧的模型采取单机无穷大电网模型。本文通过单机容量1.5MW，出口电压690V的风力发电机，经机端变压器升压至35KV，通过长度为100km、电抗为x=0.41Ω/km的架空输电线路传输，再经变压器升压至220KV，之后与无穷大系统相连
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由于恒速恒频风力机采用的是鼠笼式异步电机，其发电过程中本身也需要消耗大量的无功，因此需要在发电机与电网连接处并联一个无功补偿设备，一般为固定的电容器，其容量可根据风力发电机需要消耗的无功的大小来设定其容量。
模型为：
=Q-
式中：Q是异步电机自身需要吸收的无功功率；
是异步发电机从系统实际吸收的无功功率；
电压方程：
（3）
磁链方程：
（4）
将式（8）带入式（9）中得
（5）
由(10)解出以电流为状态变量的方程，如下
（6）
对于鼠笼异步电机，由于转子绕组短路，故
= =0（7）
将式（12）带入式（11）得
（8）
式中：k=
转矩方程：
= = ( )（9）
转速方程：
= -
式中： = 为 、 静止坐标系上定子与转子绕组间的互感， = + 为 、 静止坐标系上定子绕组间的自感， = + 为静止坐标系上两相转子绕组的自感， 、 为定、转子电阻， 是负载组转矩，J是机组转动惯量， 是极对数， 是电机转子的旋转角速度。
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从空气动力学方面的只是可以得到风力机的功率模型：
（1）
式里： 是风力机的机械转矩； 为作用于叶片的风速；R是叶片半径； 是空气密度； 是叶尖速比， （其中： 为风力机转速，rad/s；R为叶片半径，m） 为风机利用风能的系数。
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风力机的功率调节是风力发电系统的关键控制技术之一，目前运行中的风力机主要有定桨距失速控制和变桨距控制两种调节方式。恒速恒频风电系统中的风力机组多采用定桨距失速控制，大容量机组采用主动失速控制。当然也采用变桨距控制，但这种控制方式下齿轮箱易磨损、输出功率不稳定，很少采用。
引
能源是人类生存和发展的重要物质基础，随着人类社会的发展、进步，对能源的需求在持续增长，同时，能源结构也在不断变化。每一次不同能源时代的变迁，都促进了生产力的进步，极大的促进了经济、社会乃至历史的发展。但是随着人类使用的能源，特别是化石能源数量的增大，能源对人类经济与社会的制约和对资源环境的影响也越来越显著。
1
根据电机学原理，异步电机的数学模型是一个复杂的多变量系统，在对异步电机建立数学模型时，如下假设是合理的：
①三相绕组在空间对称互差120°忽略各次谐波，磁势在空间按正弦分布；
②忽略铁心的铁耗；
③忽略磁路饱和的情况，即认为各绕组间的互感和自感都是线性的；
④不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。
(1)异步电机在两相静止坐标系上的数学模型
1
1
风力发电机组中的传动装置是一个重要的机械部件，其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。其作用通常是将风轮机较低转速提升到满足发电机发电所需要的转速。
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风力机的传动装置主要包括：轮毂、传动箱和齿轮箱。用来连接叶片和齿轮箱是轮毂，其惯性比较大，常用一阶惯性环节来模拟其两边的转矩特性：
本篇论文主要介绍了基于普通感应发电机的定速风电机组组成及工作原理，通过Matlab/Simulink仿真软件，建立定速风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，风速波动时风电机组输出特性进行仿真分析和电网故障时风电机组输出特性进行仿真分析。
第一章
1
恒速恒频风力发电系统结构图如图1.1所示。风作用在风轮机的叶片上，风轮机利用叶片将风能转化为机轴上的机械能，传动装置将机轴上的较低的旋转速度的运动转变为转速较高的转速，并与发电机转子相连接，最后由发电机将机械能转化为电能，并通过定子输送到电力系统中。
因为异步机是一个高阶、强耦合的系统，为了实现转矩和磁链之间的解耦控制，以提高调速系统的动静态性能，必须对异步电动机的数学模型进行坐标变换。坐标变换常遵循原则为：
①确定电流变换矩时，应遵守变换前后所产生的旋转磁场等效的原则；
②为了矩阵运算的简单、方便，要求电流变换矩阵应为正交矩阵；
③确定电压变换矩阵和阻抗变换矩阵时，应遵守变换前后电机功率不变的原则，即变换前后功率不变。
摘
风能是一种重要的自然能源，太阳能的一种转换形式，因此用之不竭。全球的风能大约为2.74× MW，其中可被利用的风能大约为2× MW，比地球上可被开发利用的水能的总量还要大10倍多。风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，它对于解决全球性的能源危机和环境危机有着重要的意义。因此，风力发电成为各国学者研究的重点。目前，国内学者对大型风力发电的研究已日趋成熟。
Keywords: wind power generation, the constant speed constant frequency, asynchronous motor, MATLAB/Simulink, power system fault
目录
引言1
第一章恒速发电机的运行原理2
1.1恒速发电机的基本机构2
本文主要研究了恒速恒频风力发电系统，对恒速恒频风力发电系统做了简要的介绍，并在恒速恒频风力发电并网方面做了一些研究，主要为恒速恒频风力发电机在不同风速时，对输出有功、无功并网电压的影响，以及当电网故障时，对恒速恒频风力发电机的输出特性。本文也用MATLAb/Simulink软件对上述的各种状况进行了仿真，对分析了其结果
水平轴结构是当前最常见、最成熟的布置方案，适用功率从50W到几兆瓦不等。由于转速越高风电体积越小，因此风力机常采用两或三片叶片的高速风轮形式，其中三叶片风轮在机械和空气动力学上更具优势。水平轴式风电机组机舱中主要布置有桨叶、变桨距结构、增速齿轮箱、发电机、电力电子功率变换器、控制柜、变压器、输电线以及偏航系统、防缠绕系统、制动系统等重要功能部件。
关键字：风力发电，恒速恒频，异步电机，电力系统故障
ABSTRACT
Wind energy is the form of a conversion of solar energy is an important natural energy. Sun to the Earth's surface, Earth's surface throughout the heat generated temperature difference, thus the formation of wind caused by atmospheric convection. According to the estimated solar energy reaching the Earth is only about 2% conversion of wind energy, but its total is still very considerable. The global wind energy is about 2.74×109MW, which can make use of wind energy for the 2×107MW, the total amount of development and utilization of water energy than on Earth 10 times. Wind energy as a non-polluting, renewable green energy, it is of great significance in solving the global energy and environmental crises. Therefore, wind power has become the focus of the study of scholars from various countries. At present, domestic scholars on the study of large-scale wind power has become increasingly mature, but for the development of laboratory wind turbine is still lacking.