变速恒频风力发电机组的无功功率极限
申洪，王伟胜，戴慧珠
（中国电力科学研究院，北京100085）
摘 要：根据变速恒频风电机组的工作原理，建立了变速恒频风电机组的稳态数学模型，该模型考虑了风力机、双馈电机及其转速控制的稳态特性。在此模型的基础上，提出了计算变速恒频风电机组无功功率极限的方法，并对一变速恒频风电机组进行了计算分析，验证了所提方法的可行性。
关键词：变速恒频风电机；双馈电机；无功功率极限
1 引言
近年来世界风力发电发展迅速，风电装机容量平均每年以高于20%的速度增长。截止到2002年底，全世界风力发电装机容量约为31128MW，其中我国风电装机容量达468.42MW。目前，兆瓦级风力发电机组已逐渐取代600kW级的机组，成为国际上风力发电机市场的主力机型，风电机组正向着大型化、变桨距和变速恒频的方向不断发展和完善。
虽然变速恒频风电机组与固定转速的风电机组相比在性能上有较大改善，但由于风速变化的随机性，变速恒频风电机组的并网运行对电力系统而言仍然是一种波动的冲击功率，因而必须对这种风电机组的并网运行特性进行研究。变速恒频风电机组的发电机采用双馈感应电机，文献[1]~[3]对它的稳态模型进行了研究，建立了基于与定子磁场同步旋转的dq坐标系的数学模型。因为双馈发电机的转速和定子侧的无功功率都可以调节，所以转速控制规律和无功功率控制规律对变速恒频风电机组的稳态特性也有很大的影响。文献[1]、[2]介绍了转速控制和无功功率控制的基本思想，其中转速控制的目标是使风力机的功率系数最优，而无功功率控制则根据其接入的电力系统的实际运行方式可以设定为功率因数恒定或端电压恒定两种控制方式。
风电机组发出的有功功率主要取决于风速的大小，而无功功率则取决于风电机组的无功控制方案。一般风电场位于偏远地区，电网结构薄弱，当无功功率控制的设定值达到风电机组的无功功率极限时，一方面转子绕组发热将导致风电机组停机，另一方面由于不能向系统中提供或吸收足够的无功功率，将导致端电压降低或升高，严重时将导致系统电压失稳。因而研究变速恒频风电机组的无功功率极限是很有必要的。文献[4]对此问题进行了一定的研究，但它只讨论了发电机定子绕组中有功功率和无功功率的稳态运行域问题，并没有解决整个风电机组注入系统的有功功率和无功功率的稳态运行域问题。另外，该文献没有考虑转速控制规律的影响。
本文建立了变速恒频风电机组的稳态数学模型，在此模型基础上提出了计算无功功率极限的方法，该方法解决了风电机组注入系统的有功功率和无功功率稳态运行域问题，并且考虑了转速控制的影响。
2 变速恒频风电机组的数学模型
2.1 风力机的机械功率
变速恒频风电机组采用双馈感应电机，与固定转速风电机组相比，增加了定子绕组与转子绕组之间的变频装置，其基本结构如图1所示。
风力机的机械功率PM 可以表示为
式中Cp 是功率系数，它描述的是流过风力机的空气动能中转换的机械能所占的比例，是桨距角和叶尖速比λ 的函数(R 是叶片半径，W 是风力机转速)；A 为
叶片扫风面积；ρ为空气密度；v 为风速。
2.2 发电机模型
双馈感应电机的稳态等值电路如图2所示[5]。
据图2可列出双馈感应电机的稳态数学模型
采用在空间以同步转速旋转的dq坐标系统，在电机定子磁场定向矢量控制下[5]，忽略定子电阻时有
变流器在电机定子侧产生的无功功率可以通过调节触发角使功率因数约等于1。由于变流器传输的有功功率比较小，变流器从系统中消耗的无功功率可以忽略不计，所以，风电机组注入系统的有功功率Pe为定子侧和转子侧有功功率的代数和，注入系统的无功功率Qe则主要由定子绕组的无功功率决定，即
在稳态运行时，风电机组注入系统的有功功率Pe等于风力机的机械功率PM。当风速一定时，Pe可通过式(1)求得。
2.3 转速控制规律模型
变速恒频风电机组的转子转速控制规律是指风电机的转速与风力机的机械功率或机械转矩的对应关系。不同变速恒频风电机组生产厂商设计和采用的转速控制规律有所区别，其中通常采用的转速控制规律如图3所示。
该风力机转速控制规律可用分段函数表示为
(7)
式中Prating为额定功率；功率P1、P2、P3是由风力机参数决定的；kopt 是由风力机叶片参数决定的系数[6]，它可以保持风力机功率系数最优；wmin为风力机转速下限；wmax为风力机转速上限；wr为发电机同步速对应的风力机转速。
3 变速恒频风电机组的无功功率范围
风电机组注入系统的有功功率为定子绕组的有功功率和转子绕组的有功功率之和。在次同步速运行方式下，转子绕组吸收有功；超同步速运行方式下，转子绕组发出有功。转子绕组的有功功率可以由式(8)求得[5]。
定子侧有功功率和无功功率运行范围受定子绕组、转子绕组和变流器转子侧的电流限制影响，但其中起主要作用的是变流器转子侧的电流限制[4]，可以表示为
式中Irmax 为变流器电流限制值，一般为变流器额定电流的150 % [6]。
将式(6)分别代入式(8)和式(9)，可得
式(10)为一空间曲面方程，其在Pe -Qe 平面的投影就是变速恒频风电机组的无功功率限制范围。当风电机组的有功功率Pe 在0～Prating 之间变化时，相应的无功功率极限可以由式(10)求得。
4 算例分析
选取额定功率为800kW的变速恒频风电机组，感应电机的参数为：
rs=4.52mΩ；xs=74.3mΩ；rr=4.34mΩ；xs=53.6mΩ；xm=1.09mΩ；机端电压为690V；额定功率因数为-0.98。它的风功率特性示于表1。发电机调速范围为-30%至+22%。其转速控制规律如图3所示，其中wmin=0.7wr；wmax=1.22wr；kopt=0.75；Prating=800kW；P1=198kW；P2=576kW；P3=656kW。
风电机组注入系统有功功率变化时，其无功功率极限变化曲线如图4所示。可以看出，该曲线不是规则曲线，这是因为当风电机组注入系统有功功率Pe变化时，转差率s将按照图3所示的控制规律变化，则式(10)中第1个方程式中的参数将随之变化，导致曲线发生不规则变化。图中，位于上半平面的曲线表示风电机组发出无功功率的极限，下半平面的曲线表示吸收无功功率的极限。当风电机组端电压变化时，它的无功功率极限也随之变化。机端电压越高，它发出的无功功率极限越低，可以吸收的无功功率极限越大。
从式(10)的第2式可以看出，当变流器电流限制一定时，风电机组的无功功率极限取决于定子绕组有功功率。图5所示为风电机组定子侧有功功率随风电机组注入系统有功功率变化情况。当风电机组注入系统有功功率达到一定值时，定子绕组有功功率将维持恒定，因而此时图4中风电机组的无功功率极限也将维持恒定。
5 结论
根据变速恒频风电机组的结构和工作原理，本文建立了变速恒频风电机组的稳态数学模型，并提出了一种计算变速恒频风电机组的无功功率极限的方法，该方法能够计算出风电机组注入系统的有功功率和无功功率运行范围。应用本文提出的方法对一台800kW的变速恒频风电机组进行了计算分析，计算结果表明：
（1）变速恒频风电机组定子侧无功功率可以在一定范围内进行调节，其调节范围随定子侧有功功率而变化，并受风电机组转子转速和转子侧功率变化情况的影响；
（2）在考虑了风电机组的转速控制以后，其稳态功率运行范围边界是一簇随机端电压变化的不规则曲线。
该方法可用于确定变速恒频风电机组的无功功率控制整定值。另外，在电力系统潮流计算中，可以将变速恒频风电机组处理为PV 节点，应用该方法能确定变速恒频风电机组的无功功率极限。当风电机组发出的无功功率超过无功功率极限时，其节点属性将从PV 节点转换为PQ 节点。
参考文献
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[5] 高景德，王祥珩，李发海．交流电机及其系统的分析[M]．北京：清华大学出版社，1993．
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back-to-back PWM converters supplying an isolated load from a variable speed wind turbine[J]．IEE Proc-Electr Power Appl，1996，143(5)：380-387．
[7] 现代机械设备设计手册(2)——机电系统与控制[M]．北京：机械工业出版社，1996．
电网技术
变速恒频双馈风力发电机的原理和优点研究 变速恒频发电技术 变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。这一调速系统和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。其调节方法是：起动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后在额定风速以下，调节发电机的转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上，采用失速与桨距双重调节、减少桨距调节的频繁动作，限制风力机获取的能量，保证发电机功率输出的稳定性和良好的动态特性，提高传动系统的柔性。上述方式目前被公认为最优化的调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最佳值；能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减小噪声；还可控制有功功率和无功功率，改善电能质量。尽管变速系统与恒速系统相比，风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵，但成本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。 目前，采用变速恒频技术的风力发电机组，由于采用不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。主要有以下几类：鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统、同步发电机变速恒频风力发电系统、双馈发电机变速恒频风力发电系统。其中，由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。基于诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。
1.风力发电机组如何对叶片进行防雷保护 通过安装在叶尖上的雷电接收器并借助于叶尖扰流器作为传导系统来实现。 2.风力发电机组如何进行防雷保护 ①桨叶上安装雷电接收器并借助叶尖扰流器传导。电刷和低速轴制动盘连接着叶轮和机舱底座。电刷将电流不经主轴承转移到机舱底座 ②机舱底座通过电刷与塔架相连，塔架与地面控制柜通过电缆与埋入基础的接地系统相连，使电流接地。无与机舱底座项链的部件可与接地电缆相连。在机舱体后部安装避雷针，高度在风速风向仪之上。传动系统采用绝缘联轴器，发电机外壳接地，齿轮箱外壳不接地。 ③塔筒直径大于3米，从地基引出至少3根引出接入塔筒。动力系统地电缆通过该扁钢接入电网 3.定桨距风力发电机组调整桨叶安装角的依据是什么 在一定范围内，桨叶节距角越小，气流对桨叶的失速点越高，其最大输出功率也越高 4.风力发电机组的主要温度监测点有哪些 1）齿轮油温及高速轴承温度 2）发电机绕组及其轴承温度 3）主轴承温度 4）发电机驱动器（交流器、软并网装置、变桨驱动器等）温度 5）控制器环境温度 5.风力发电机组的工作状态包括哪几种 运行状态、暂停状态、停机状态、紧急停机状态 6.列举5种风电场有功控制模式 限值模式、调整模式、斜率控制模式。差值模式和调频模式 7.风力发电机组的特性主要包括哪几方面 风力机特性、传动系统特性、发电机特性、变流器特性变距系统特性和偏航系统特性 8.风力发电机组的润滑对象主要有哪些 变桨轴承、主轴、发电机轴承、偏航轴承 9.变速恒频风力发电机组的基本控制目标是什么 在额定风速以下运行时尽可能提高能量转换效率，在额定风速之上时变桨控制可有效调节风机吸收的能量，同时控制叶轮上的载荷以限定在安全设计值以内 1）减小传动链的转矩峰值 2）通过动态阻尼来一直传动链振动 3）避免过量的变桨动作和发电机转矩调节 4）通过控制风电机组塔架的振动尽量减小塔架基础的负载 5）避免轮毂和叶片的突变负载 10.风力发电机组的传动轴系包括哪三大部分 1）低速转动的主轴、主轴承以及轴承座 2）增速齿轮箱以及弹性支撑 3）高速联轴器、发电机及其弹性支撑 11.风力发电机组上，振动分析的传感器主要用于哪些部件的状态监测 齿轮箱的齿轮和轴承、发电机轴承和主轴承的运行状态 12.电动变桨系统为什么要配备后备电源？后备电源有哪些类型？
2017年度申报专业技术职务任职资格 评审答辩论文 题目：风电场风电机组优化有功功率控制的研究 作者姓名：李亮 单位：中核汇能有限公司 申报职称：高级工程师 专业：电气 二Ο一七年六月十二日
摘要 随着风电装机容量的与日俱增，实现大规模的风电并网是风电发展的必然趋势。然而，由于风能是一种波动性、随机性和间歇性极强的清洁能源，导致风电并网调度异于常规能源。基于此，本文将针对风电场层的有功功率分配开展工作，主要工作概括如下： (1)对风电机组和风电场展开研究，分析风力发电机组运行特性、风力发电机组控制策略、风电场的控制策略。 (2)提出了一种简单有效的风电场有功功率分配算法，可以合理利用各机组的有功容量，优化风电场内有功调度分配指令，减少机组控制系统动作次数，平滑风电机组出力波动。 (3)优化风机控制算法后，通过现场实际采集数据将所提方法与现有方法进行了比较，验证了所提方法的合理性。 关键词：风电机组、风电场、有功功率控制、AGC
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浅谈金风风力发电机组的振动 姓名：张玉博 入职时间：2013年5月 部门：哈密总装厂
目录 摘要: (2) 一、引言 (3) 二、状态监测与故障诊断 (4) （一）、振动监测方式 (4) （二）、国内外发展现状 (4) （三）、振动故障诊断 (4) 三、金风风力发电机组振动故障案例 (6) （一）、石碑山A0701机组 (6) （二）、石碑山B1004机组 (7) 四、金风风力发电机组减振措施与保护 (8) （一）、对中概念 (8) （二）、造成不对中的原因 (8) （三）、不对中对风机的影响 (9) （四）、金风风力发电机组的减振措施 (9) （五）、独立于系统的硬件保护 (11) 五、小结 (11) 参考文献 (12)
浅谈金风风力发电机组的振动 摘要: 振动是自然界和工程界常见的现象。振动的消极方面是：影响仪器设备功能，降低机械设备的工作精度，加剧构件磨损，甚至引起结构疲劳破坏；振动的积极方面是：有许多需利用振动的设备和工艺（如振动传输、振动研磨、振动沉桩等）。振动分析的基本任务是讨论系统的激励（即输入，指系统的外来扰动，又称干扰）、响应（即输出，指系统受激励后的反应）和系统动态特性（或物理参数）三者之间的关系。20世纪60年代以后，计算机和振动测试技术的重大进展，为综合利用分析、实验和计算方法解决振动问题开拓了广阔的前景。 风力发电机组中减少振动很重要的一个举措就是对中。金风风力发电机组为了减少振动带来的消极影响，做了许多积极措施。从S43/600Kw机组的机械对中到S48/750Kw的激光对中等都有了质的飞跃。 关键词： 振动；振动分析；对中
变速恒频风力发电关键技术研究 发表时间：2018-06-07T10:41:35.750Z 来源：《电力设备》2018年第1期作者：李琳[导读] 摘要：本文主要对风力发电技术进行研究，首先从传统的恒速恒频发电入手与变速恒频发电做对比，展示了变速恒频发电在性能方面的突出优点,再分析变速恒频发电机组的工作原理和机组中的两种发电系统：交流励磁双馈发电系统和无刷双馈发电系统，分别对两种系统的工作原理、控制方式、优点及缺点等方面作出了阐述。 （大唐新能源黑龙江公司 150038）摘要：本文主要对风力发电技术进行研究，首先从传统的恒速恒频发电入手与变速恒频发电做对比，展示了变速恒频发电在性能方面的突出优点,再分析变速恒频发电机组的工作原理和机组中的两种发电系统：交流励磁双馈发电系统和无刷双馈发电系统，分别对两种系统的工作原理、控制方式、优点及缺点等方面作出了阐述。 关键词：变速恒频；风力发电；技术研究前言：根据我国目前生态建设和可持续发展的需要，大力开发可再生能源已经成为了当下应用能源的新型趋势，而风能正是符合这一需求的可再生绿色能源。风力发电技术早在上个世纪就开始进行研究和应用，但是在一定程度上机组性能尚不完善，关键技术的研发未有突破，导致了风能利用率较低。在近些年逐步发展的变速恒频风力发电技术在一定程度上可以对此改善，在技术研究上也有了新突破。 1.风力发电的技术分析 1.1恒速恒频风力发电机组分析 恒速恒频风力发电机组是一种运行后叶轮不能根据风速的变化而发生变化的，是由电网频率决定的风轮转速和电能频率在运行时基本保持不变的风电机组。主要发展于上世纪八十年代和九十年代之间，曾经被我国广泛应用于风力发电，并在此期间不断被研究者优化的一种风力发电形式。恒速恒频风力发电机组最开始的容量只有几十千瓦级，逐步发展为兆瓦级，并且有着一系列优点，例如：性能稳定、操作简便等，但仍属于非智能操作系统。 在恒速恒频风力发电机组中，由两种较为常用的控制方式：主动失速控制和定桨距失速控制。其中，主动失速控制是应用于大容量机组的一种控制方式，这种控制方式可以使机组具有稳定的输出功率，也会有部分机组采用定桨距失速控制，但是，该方式的输出功率不稳定还会造成一定程度上的齿轮箱磨损。 在恒速恒频风力发电系统中，由于外界风速变化无常，但风力发电机本身的转速不会改变，就会造成数据的不准确，风机效率低下等状况。在风力发电中，要提高风力发电系统的发电效率是首要任务，在整个过程中捕获最大风能是要点，所以发电系统一直在向着目标改进发展。随着科学技术的发展，在风力发电方面也有了明显的突破，正如近年来慢慢发展并强大的变速恒频风力发电系统。 1.2变速恒频与恒速恒频的对比分析 变速恒频风力发电机组是当今的主流风力发电机组，是二十世纪末期发展起来的一种高效的风力发电方式。与恒速恒频风力发电机组相比，变速恒频风力发电机组有明显的优势。变速恒频风电机组可以应对不同风速大小，在不同风速下进行自身调节，最大化捕捉风能，提高风能的利用率。恒速恒频发电机组在遇到较大风力时，自身产生的较大电流会使自身结构遭到损害。变速恒频风力发电机组本身可以根据外界风速的变化进行自身调节，减少因力的相互作用而导致装置内部结构遭到破坏的现象，从而大大延长了机组的使用寿命。不仅如此，变速恒频风力发电机组主要是通过对内部转子交流励磁电流幅值、频率以及相位的控制，实现在变速下对于频率的恒定控制，，这种控制方式还可以达到对输出功率的控制，使装置运行更加灵活，以便于整个机组的运作。 2.变速恒频风力发电的关键技术分析 2.1变速恒频风力发电工作原理 在变速恒频风力发电机组中，主要的三个部，分是风力机、发电机和辅助构件。变速恒频风力发电的基本工作原理是风力机构件中的叶轮吸收风能，在风能的作用下发生转动，使之转化为机械能，而后，叶轮的转动带动齿轮箱工作，产生机械能，再将产生的机械能通过发电机转化为电能，并经过一定转化输入电网，再由电网对各个用户进行传输。 目前的变速风力发电系统完全实现了机械自动化，属于智能运作系统，不需要人工调节，可以根据风速风力进行自身调节，适应外界变化。对于变速恒频发电机组而言，在额定风速以上运行时，可以使叶轮上的载荷控制在安全值内，并且，有效的调节风电机组吸收的能量。风力机的叶轮由于质量较大，具有较大的惯性，在变桨控制产生作用时，叶轮不会及时发生变化，通常情况下会滞后一定时间才能有所表现，这一情况很容易使功率有大幅度的波动。所以，在额定风速上运行时，需要用发电机转矩来进行快速的调节，来保证输出稳定的能量。当机组处于额定风速以下时，可以通过提高对发电机转矩的控制，使机组变速运行，以达到提高能量转换率的目的。 2.2变速恒频发电系统 交流励磁双馈发电系统：这种发电系统内部的主要结构有叶轮、齿轮箱、发电机、四象限变频器、交流励磁控制器、检测装置以及风力发电控制器等，其内部还存在滑环和电刷。馈电方式为装置内部转子绕组通过交流—交流的方式或是交流—直流—交流方式的变频器提供相关数据可以调节的电源，定子绕组接电网。交流励磁控制器还可以通过对于转子变频器输出的电压、幅值、相位以及频率的控制来调节转矩和定子的无功功率。在装置中，变频器提供给转子低频旋转磁场，且满足公式：ω1=ωs±ωr。其中ω1代表定子磁场同步转速，ωs代表整个磁场旋转速度，ωr代表转子机械旋转速度。 无刷双馈发电系统：这种电力系统的深入研究始于上世纪七十年代末，在此期间的几十年中，主要由美国Wisconsin大学、Ohio州立大学等高等院校对无刷双馈发电系统进行深入研究。其内部结构主要有电网、功率绕组、控制绕组、变频器、无刷电机、风力机等。在其内部定子上，一般有两套三相对称绕组，一个为主绕组，一个为副绕组。一般由工频交流电源直接为主绕组供电，如果副绕组短路，系统能够在异步运行方式下运作。无刷双馈发电系统内部的转子一般分为磁阻转子和笼形转子两类，其中，磁阻转子以ALA型较为常见，笼形以笼形短路绕组转子较为常见。 在风力发电系统的研究中表明，无电刷和滑环的发电转子在应用中更为稳定耐用，可靠性强。并且，发现在所有的发电系统研究中双馈型有刷及无刷的变速恒频控制在性能上都较为优越，较为常用，可以在此结论的基础上进一步对于双馈型变速恒频空间展开研究，进一步发展我国变速恒频风力发电的应用。 3.结语
恒速恒频风力发电系统的数学模型 为了研究风电场对电力系统的影响，需要建立合理的风电场数学模型，为进一步仿真分析奠定基础。按照本课题研究的要求，我们先后建立了异步发电机的稳态数学模型和动态数学模型，其中动态数学模型包括风速模型风轮机、传动机构和异步发电机的模型。本文以恒速恒频风力发电系统为研究对象，它主要由风力机和异步风力发电机等主要元件组成。我们着重于风电场与系统相互影响问题的研究，与之密切相关的环节，其数学模型将详细地描述。数学模型的建立为研究风电场的运行特性和风电场并网运行带来的稳定问题以及研究电力系统接入一定规模的风电场的可行性提供了基本的工具。 2.1 风电场及风力发电机组简介 风力发电场是将多台并网风力发电机安装在风力资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电，简称风电场。风力发电形式可分为“离网型”和“并网型”“离网型”有：(1)单机小型风力发电机；(2)并联的小型或大型孤立的风力发电系统；(3)与其它能源发电技术联合的发电技术，如风力／柴油发电机联合供电系统。“并网型”的风力发电是规模较大的风力发电场，容量大约为几兆瓦到儿百兆瓦，由于十台甚至成百上千台风电机组构成。并网运行的风力发电场可以得大大电网的补偿和支撑，更加充分的开发可利用的风力资源，也是近儿年来风电发展的主要趋势。在日益开放的电力市场环境下，风力发电的成本也将不断降低，如果考虑到环境等因素带来的间接效益，则风电在经济上也具有很大的吸引力。 风电场的发电设备为风力发电机组，发电机经过变压器升压与电力系统连接，如图2．1
图2-1风电场与电力系统连接图 在风场内，风机与变电所之间的连接有两种方式：场地布置相对集中时用电缆直埋；场地布置相对分散时用架空lOkV 线路。一般有两种供电方式如图2-2：一是采用一台风机经一台箱式变电站就近升压；二是采用两台或多台风机经一台箱式变电站就近升压。 2.2 异步发电机的稳态数学模型 为了研究风电场对电力系统的影响，需要建立合理的风电场数学模型，为进一步仿真分析奠定基础。按照本课题研究的要求，我们先后建立了异步发电机的稳态数学模型和动态数学模型，其中动态数学模型包括风速模型、风轮机、传动机构和异步发电机的模型。首先异步发电机与异步电动机在能量转换过程中各功率损耗之间的关系不同，如图2-11。步发电机的功率转换是将输入的机械功率己转换为输出电功率，它的特点在于其转子的转速比定子产生的旋转磁场的转速更高。自然风吹动风轮机叶片，将风能转化为机械能，由此获得的机械功率只扣除掉机械损耗Pm 。和附加损耗mc P 后即为传递到异步发电机转子可转换的机械功率mec P 。在等效电路中对应可变电阻(1-s)／s(s<0)上的电功率，扣除转子铜耗1cu P 和铁心损耗fe P ，得到输入定子绕阻的电磁功率me P ，再扣除定子铜耗1cu P ,即得到注入电网的电功率Pe 。上述功率流向可表达为 ad me mec m P P P p ++= (2-1)
( 安全管理 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 大型风力发电机组控制系统的安全保护功能(新编版) Safety management is an important part of production management. Safety and production are in the implementation process
大型风力发电机组控制系统的安全保护功 能(新编版) 1制动功能 制动系统是风力发电机组安全保障的重要环节，在硬件上主要由叶尖气动刹车和盘式高速刹车构成，由液压系统来支持工作。制动功能的设计一般按照失效保护的原则进行，即失电时处于制动保护状态。在风力发电机组发生故障或由于其他原因需要停机时，控制器根据机组发生的故障种类判断，分别发出控制指令进行正常停机、安全停机以及紧急停机等处理，叶尖气动刹车和盘式高速刹车先后投入使用，达到保护机组安全运行的目的。 2独立安全链 系统的安全链是独立于计算机系统的硬件保护措施，即使控制系统发生异常，也不会影响安全链的正常动作。安全链采用反逻辑
设计，将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路，当安全链动作后，将引起紧急停机，执行机构失电，机组瞬间脱网，从而最大限度地保证机组的安全。发生下列故障时将触发安全链：叶轮过速、看门狗、扭缆、24V电源失电、振动和紧急停机按钮动作。 3防雷保护 多数风机都安装在山谷的风口处或海岛的山顶上，易受雷击，安装在多雷雨区的风力发电机组受雷击的可能性更大，其控制系统最容易因雷电感应造成过电压损害，因此在600kW风力发电机组控制系统的设计中专门做了防雷处理。使用避雷器吸收雷电波时，各相避雷器的吸收差异容易被忽视，雷电的侵入波一般是同时加在各相上的，如果各相的吸收特性差异较大，在相间形成的突波会经过电源变压器对控制系统产生危害。因此，为了保障各相间平衡，我们在一级防雷的设计中使用了3个吸收容量相同的避雷器，二、三级防雷的处理方法与此类同。控制系统的主要防雷击保护：①主电路三相690V输入端（即供给偏航电机、液压泵等执行机构的前段）
第32卷第10期电网技术V ol. 32 No.10 2008年5月Power System Technology May 2008 文章编号：1000-3673（2008）10-0050-04 中图分类号：TM614 文献标识码：A 学科代码：470·40 风电场穿透功率极限计算方法综述 廖 萍，李兴源 （四川大学电气信息学院，四川省成都市 610065） A Survey on Calculation Methods of Wind Power Penetration Limit LIAO Ping，LI Xing-yuan （School of Electrical Engineering & Information，Sichuan University，Chengdu 610065，Sichuan Province，China） ABSTRACT: In this paper, present situation of wind power generation is introduced briefly, and the significance of determining wind power penetration limit of wind farm is pointed out. The approaches to calculate wind power penetration limit such as traditional digital simulation, the optimization algorithm with constraints and frequency constraint method, are separately discoursed upon; the advantages and disadvantages of above-mentioned approaches are analyzed. It is proposed that in order to offer thinking for calculation of wind power penetration limit, researches on randomness of wind power, system frequency stability, the value of wind power and the comprehensive application of above-mentioned approaches should be carried out. KEY WORDS: wind power generation；wind power penetration limit；digital simulation；optimization algorithm 摘要：简要介绍了风力发电的现状，指出了确定风电场穿透功率极限的重要性，分别论述了求取风电场穿透功率极限的传统数字仿真法、带约束的优化算法以及频率约束法，并讨论分析了上述方法的优缺点，提出今后可在风电随机性、系统频率稳定、风电价值及上述方法的综合应用等方面展开研究，以期为深入研究风电场穿透功率极限计算提供一些思路。 关键词：风力发电；风电穿透极限；数字仿真；优化算法 0引言 风能是一种可再生无污染的绿色能源，风力发电技术正随着人们对能源和环境问题的关注而得到迅速发展[1]。许多国家都制定了关于可再生能源的未来发展战略，风力发电由于技术成熟和利用效率高而受到较高的重视[2-5]。随着风力发电技术的快速发展和国家在政策上对可再生能源发电的重视， 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50577044)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (NSFC)(50577044)．我国风力发电建设也进入了一个快速发展的时期[6]。然而，风能资源丰富的地区人口稀少，负荷量小，电网结构相对薄弱，风电场的出力又是随机变化的，无法人为控制[7]，因此风电功率的注入改变了电网的潮流分布，对局部电网的稳定运行影响很大[8]。 随着世界上风力发电项目数量的增加和规模的扩大，风电规划中的问题已明显地暴露出来[9]。大型风电场并网运行对电力系统的影响越来越明显，大规模的风电并网运行对系统供电质量和可靠性的影响也受到更多地关注。因此，确定一个风电场的穿透功率极限及其影响因素成为规划设计风电场时迫切需要解决的问题[10]。 由于风电场对系统的影响涉及到了许多方面，分析计算十分复杂，因此至今尚没有统一的求解风电场穿透极限功率的方法。数值仿真方法是在计算机上对风电并网系统可能出现的多种工况进行模拟[11]，通过比较各组数据确定穿透功率极限。带约束的优化方法则是利用优化算法对整个问题进行数学化的求解，最终得到一个确定的值，其不足在于约束条件和优化算法将影响结果的精确性。本文通过综述国内外在风电场穿透功率极限领域的研究现况，归纳出该领域的3类主要方法，以期为深入研究风电场穿透功率极限计算提供一些思路。 1风电场穿透功率极限的基本概念 关于风电场穿透功率极限的定义有多种形式。1998年的国际大电网会上J. F. Christensen等人提出的风电场穿透功率极限指系统所能接受的风电场最大容量和系统最大负荷的比值[12]。R. A. Schlueter 等人将风电场穿透功率极限定义为系统所能接受的风电场最大容量与系统容量的比值[12]。考虑到我国的实际情况，将风电场穿透功率极限定义为系统
风力发电系统的控制原理 风力涡轮机特性： 1，风能利用系数Cp 风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示： P---风力涡轮实际获得的轴功率 r---空气密度 S---风轮的扫风面积 V---上游风速 根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 2，叶尖速比l 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。 n---风轮的转速 w---风轮叫角频率 R---风轮半径 V---上游风速 在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。 涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。 3，变速发电的控制 变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。 三段控制要求： 低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。 中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达到额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。 高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。 ４，双馈异步风力发电控制系统
风力发电机组控制系统
风力发电机组控制系统功能研究 风力发电机组控制系统简介 风力发电机组由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，其相当于风电系统的神经。因此控制系统的质量直接关系到风力发电机组的工作状态、发电量的多少以及设备的安全性。 自热风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的并网和退出电网、输入功率的限制、风轮的主动对封以及运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是边远地区或是海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程控制，这就对风力发电机组的控制系统的自动化程度和可靠性提出了很高的要求。与一般的工业控制过程不同，风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。他不仅要监视电网、风况和机组运行参，对机组进行控制。而且还要根据风速和风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率。 控制系统的组成 风力发电机由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电系统的神经。因此控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决的的两个问题：发电效率和发电质量都和风电控制系统密切相关。对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供了技术基础。 风力发电控制系统的基本目标分为三个层次：这就是保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。 控制系统组成主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最
2012年12月 （中）科技创新 科技创新与应用 基于风险约束的风电场穿透极限功率优化计算 Optimal Calculation of Wind Power Penetration Limit Based on Risk Constrained Programming 曾利华 1 贾宁 2 侯元柏 3 Zeng Lihau 1Nin Jia g 2Hou Yuanbai 3 （1、河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄0500312、中电国际新能源控股有限公司，上海200086 3、河北建投燕山 （沽源）风能有限公司，河北沽源076550）（1.Hebei electric power design and research institute,Shijiazhuang,050031 2.China Power International New Energy Holding Ltd.,Shanghai,200086 3Hebei construction investment YANSHAN Wind power Co.,LTD,Guyuan,076550） 引言 当今能源危机的阴影正日益困扰着人类的生产和生活，为了解决这个问题，人们开始把目光投向风能这种取之不尽、用之不竭的清洁能源。 但是，自然界风的变化是很难预测的，风速和风向的变化，影响着风力发电机发出的功率，出力变动大是风力发电的特点。由于这种功率的不稳定性，对于系统的影响是显而易见的。随着国内风力发电项目的增加和百兆瓦级风电场的出现[1][2]，因风电场注入电网功率的变动，而造成的对电网的影响将会越来越引人注目。根据美国的风场经验，即使由数十台风力发电机组成的风场，通常1分钟最大出力变动达40％左右[3]。较大容量的风电在并网后，会给电网带来机网协调问题[4]，包括以下几方面：（1）电能质量；（2）稳定性；（3）发 电计划与调度；（4）容量可信度等[5][6] 。因此，利用含风电场的混合系统的随机模拟运算，在不同的风况下，计算出某置信条件下的风电穿透极限对于系统的影响就有十分重要的意义。 对于传统约束的计算而言，基于风险约束穿透极限的计算可谓是一种继承和发展，可以使用部分已有的模型和算法，本文进行了更加丰富的算例比较、改进，并且更注重结果的分析和总结。首先将从建模入手，在任意风力发电状态的前提下计算出系统的潮流分布以及常规发电机组的状态。此后进行多次优化潮流计算，判断是否满足网络以及热备用的约束，并根据大数定律，得出当前风电装机容量下的满足约束置信度。随后不断改变风电的穿透功率，能恰好满足要求的置信度值被记为穿透极限。 1风力发电机特性 风力发电机的标准功率特性曲线，是风力发电机在标准空气密度(空气密度为1.225kg/m 3)条件下输出的功率与风速的关系曲线。风力发电机实际功率特性曲线是用风力发电机实际安装地点的空气密度计算而得的输出功率与风速的关系曲线。 为简化风力发电机的特性曲线，使其呈现出明显的3段工作区域，用比较简单的分段函数来表示如图1。 2穿透极限功率计算原理2.1穿透功率极限概述 由风力发电场的自身特性可知，风电场的输出功率会随着短期或长期的风速变化而不断地变化，这种功率波动对于电网的影响会随着风电比例的提高而加剧。在风电比例较高的电网，这种风电场输出功率的变化，使得电网稳定运行的问题成为一个主要的问题。若系统中风电容量很大，风电带来的有功备用以及潮流分布问题就需要认真研究解决。 本文在计算风电场穿透功率极限时，采用的定义是最大风电功率与系统规划装机总容量的比值。而基于风险约束的穿透功率极限更具有其独特性。这里理解的约束是在一定风险下的约束，即一定概率置信度下满足约束，允许小概率的超标情况出现而非传统的100%满足约束。由于系统存在多种运行方式，风况条件也千差万别，在个别时候可能有某些约束条件无法满足，但是发生的概率又很低，如果以确定性的方法处理约束条件，得到的优化结果将趋于保守。机会约束规划为解决这类问题提供了可能，它允许在观测到随机变量的实现之前做出决策，只要该决策使得约束条件成立的概率高于给定的置信水平。 2.2穿透功率极限计算模型 基于机会约束求解风电穿透功率极限的数学模型中，系统约束 表达式如下：(3)备注：本论文获得中国电力投资集团公司科技项目（2009065ZDGKJX ）资助 摘要：风电场的穿透极限功率是风电场规划运行的一个重要指标。本文借用金融理论中风险价值的思想，提出一种采用机会约束规划计算风电穿透极限功率的新方法。该方法把风电穿透功率极限看作是在满足网络和设备约束前提下系统允许的风电场最大装机容量。考虑到风电场出力的随机性，在个别情况下可能有某些约束条件无法满足，但发生的概率又很低，如果以确定性的方法处理约束条件，得到的优化结果将趋于保守。机会约束规划为解决这类问题提供了可能，它允许在观测到随机变量的实现之前做出决策，只要该决策使得约束条件成立的概率高于给定的置信水平，便认为满足了机会约束，其中约束条件以概率的形式表示。针对问题特点，求解时应用了随机模拟技术，本文给出在IEEE30节点系统上进行计算的结果。目前，此方法已经应用在了一些风力发电厂的初期规划上，并且经过实践证明，取得了不错的经济和环境效益。关键词：风电穿透功率极限；机会约束；随机模拟；优化潮流 ABSTRACT:This paper introduces a new method for calculating wind power penetration limits in power system utilizing risk constrained programming.Wind power penetration limits are regarded as the maximum installed capacity of wind farm constrained by network and equipments limits,i.e.,transmission lines capability,system spinning reserve,the output limits of conventional generators etc.Considering the stochastic characteristics of wind farm outputs,the system may not meet the requirement of the constraints.If this situation is analyzed by traditional way,the result can be too conservative.The risk constrained programming can tolerate some situations beyond constraints as long as the probability of that is low enough.The constraints are expressed by means of probability,and stochastic simulation is used to solve the problem.The results will be worked out on an IEEE 30-bus system. KEY WORDS:wind power penetration limit ；risk constraint ；stochastic simulation ；optimal power flow 图1风机输出功率与风速关系 Fig.1The relationship between the turbo output and wind speed á?? á??á??á?? max ..Pr ,,,Pr 0 á á???????? ???èé? ? é P s t ob g u P P P P ob c P P P P P P P P P 25 - -
收稿日期:2007212211. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50577018);高等学 校学科创新引智计划(B08013);长江学者和创新团队发展计划(IRT0515);华北电力大学重大项目预研基金资助项目. 变速恒频风力发电机组输出特性分析 胡冬良,赵成勇 (华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室,河北保定071003) 摘要:以变速恒频风力发电系统为研究对象,依据发电机数学模型和交流电机矢量变换控制原理,设计了交流励磁变速恒频(VSCF )发电机定子磁链定向的矢量变换控制系统,对转子侧变换器建立了外环定功率控制内环定电流控制的双闭环控制结构,实现双馈发电机定子有功P 和无功Q 的解耦控制,从而获得最大风能捕获的高效发电运行。并在PSCAD/EM TDC 仿真环境下建立了变速恒频风力发电机组的整体动态数学模型。以渐变风和阵风为例,对由5台单机容量为2MVA 双馈感应电机(DFIG )组成的风电场并网前后的运行特性进行仿真研究,通过仿真分析,揭示了风电场并网运行的动态特性,并验证了数学模型和控制策略的正确性和有效性。 关键词:变速恒频发电机组;双馈感应电机;矢量变换控制;最大风能捕捉 中图分类号:TM614;TP391 文献标识码:A 文章编号:1007-2691(2008)04-0001-06 The output characteristic analysis of variable 2speed constant 2frequency wind generating set HU Dong 2liang ,ZHAO Cheng 2yong (K ey Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education ,North China Electric Power University ,Baoding 071003,China ) Abstract :The system of variable s peed constant frequency (VSCF )wind power generation is taken as study object in this paper.According to the generator mathematical models and the control principle of vector 2oriented ,the control system of AC excitation VSCF generator is designed based on stator flux orientation.The rotor converter ado pts double locked loops control https://www.doczj.com/doc/4418286118.html,ly ,the external 2loop is controlled by constant power and the inner 2loop is con 2trolled by constant current ,which implement the decoupling control of active power P and reactive power Q to the stator.Consequently ,the maximal energy capture is obtained to operate with high 2active power generation.Moreover ,a whole dynamic model of double fed induction generator (DFIG )is presented using PSCAD/EM TDC.Then the ram p change of wind speed and gust are taken for example.The operation characteristic of wind farm interconnected net 2work ,which is composed by five DFIG with 2MVA capacity ,is simulated.The interconnecting dynamic performance of wind farm is validated by simulation experiment.The results also show the mathematic model and control strate gy is exact and effective. K ey w ords :variable speed constant frequency (VSCF );double fed induction generator (DFIG );vector transform control ;maximal energy capture 0 引 言 风力发电以其清洁、可再生、技术成熟、风 力资源丰富等优势,日益受到人们的重视,并得 到许多国家能源政策的支持。近年来,随着电力发电技术的发展,变速恒频风力发电机组已逐步成为MW 级风力发电机组的主流机型。变速恒频风力发电机组与恒速恒频风力发电机组相比有显著的优越性[1]:低风速时它能够根据风速变化,在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能;高风速时利用风轮转速的变化,存储或释放部分能 第35卷第4期2008年7月 华北电力大学学报Journal of North China Electric Power University Vol 135,No 14 J ul 1,2008