湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)第頁HUNANUNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計(論文)設(shè)計論文題目：基于異步電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：專業(yè)班級：學(xué)院名稱：電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師：學(xué)院院長：2015年05月20日摘要由于風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的不斷發(fā)展，風(fēng)電場的并網(wǎng)也變得越來越重要。而目前風(fēng)電場的并網(wǎng)大多采用異步風(fēng)力發(fā)電機。異步電機風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)運行會使電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性降低。因此，研究風(fēng)電場的并網(wǎng)運行對電力系統(tǒng)的影響成為了目前迫切需要解決的問題。本文以異步電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為主要研究對象，通過運用MATLAB軟件對一個實例進行仿真，并對風(fēng)電場與電網(wǎng)并網(wǎng)時對電力系統(tǒng)的影響進行分析，尤其對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的影響做了更深入的研究。首先建立了異步電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，給后面的仿真分析建立了理論基礎(chǔ)。其次，運用MATLAB軟件對異步電機風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運行進行了動態(tài)仿真分析，并提出如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的措施。關(guān)鍵詞:異步電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)，電能質(zhì)量，電壓穩(wěn)定性，MATLAB軟件，動態(tài)仿真THECONTROLOFGRID-CONNECTEDASYNCHRONOUSWINDPOWERSYSTEMAbstractWiththeexpansionofthewindpowerbusiness,thegridinterconnectionofwindfarmhasbecomeincreasinglyimportant.Now,theinterconnectionofwindfarmisusedmostlyasynchronouswindpowergenerator.Asynchronousmotorofwindgenerationinpowersystemmakesthepowerqualityandstabilityofpowergridisreduced.Therefore,studytheeffectofwindfarmofparalleloperationofpowersystemhasbecomethecurrenturgenttosolvetheproblem.Thispaperisbasedonasynchronousmotorwindpowersystem,combiningwithaninstanceofwindfarmswithpowergridinterconnectionstudyoftheinfluenceoftheelectricpowersystem,especiallyforpowersystemstabilityandtheinfluenceofpowerqualitymadeamorein-depthstudybyusingMATLAB.Firstly,setuptheasynchronousmotordynamicmathematicalmodelofwindpowersystem,thislaidatheoreticalfoundationtothebackofthesimulation.Secondly,theMATLABsoftwareisappliedtoimplementtheasynchronousmotoroperationofgrid-connectedwindfarmsisadynamicsimulationprogramandtheareanalyzed,andputsforwardsomemeasuresabouthowtoimprovethesystemstabilityandpowerquality.KeyWords：asynchronouswindpowersystem，synchronizeandclose，powerquality，voltagestability，MATLAB；dynamicsimulation目錄1緒論 11.1課題研究的背景和意義 11.2國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況 11.2.1世界風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況 11.2.2國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況 21.3論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 22風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論 42.1并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電概述 42.2異步電機發(fā)電系統(tǒng) 62.2.1并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式 72.2.2串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式 72.3異步風(fēng)電機組并網(wǎng)簡介 72.4異步風(fēng)電并網(wǎng)面臨的問題 82.4.1電壓和頻率穩(wěn)定性問題 82.4.2引起的諧波問題 83異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本模塊與仿真 103.1前言 103.2風(fēng)速的模型 103.3風(fēng)力機模型 143.3.1風(fēng)輪的模型 143.3.2傳動系統(tǒng)的模型 153.3.3槳距角模型 163.4異步電機模型 173.5風(fēng)電場的等值建模 194異步電機風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)仿真前有關(guān)計算 214.1常規(guī)元件的數(shù)學(xué)模型 214.2系統(tǒng)設(shè)計及有關(guān)計算 224.3相關(guān)節(jié)點的處理 264.3.1同步電機節(jié)點處理 264.3.2異步電機節(jié)點處理 275異步電機風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行仿真分析 295.1MATLAB仿真軟件簡介 295.2仿真實現(xiàn)方法 305.3仿真結(jié)果及分析 305.3.1在風(fēng)速擾動的情況下的仿真結(jié)果 315.3.2當(dāng)風(fēng)電場與系統(tǒng)解列情況下的仿真 355.3.3風(fēng)電場出口處發(fā)生短路故障時的仿真 376結(jié)論 42致謝 43參考文獻 441緒論1.1課題研究的背景和意義眾所周知，能源是我們國民經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展最為基礎(chǔ)性的產(chǎn)業(yè)。而隨著科學(xué)和經(jīng)濟的迅速發(fā)展，那些受人類依賴的化石能源（如天然氣，煤炭，石油等不可再生能源）正在逐漸變少，最終會走向枯竭。人們大量使用這些化石能源而產(chǎn)生的大量的廢氣，廢渣以及廢水，已經(jīng)不斷地造成環(huán)境污染，也影響著人類日常的生活。目前，阻礙人類跟社會健康發(fā)展的兩個最大難題就是：能源危機和環(huán)境污染。在環(huán)境污染和化石能源短缺日益嚴重的今天，充分利用和開發(fā)可再生能源是解決環(huán)境問題和能源問題最好的選擇。風(fēng)能是一種可以持續(xù)的,沒有污染的清潔型能源[1]。跟其他可再生能源相比，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)最成熟而且規(guī)模最大。因此，風(fēng)能日益受到人類的關(guān)注，而風(fēng)力發(fā)電也成為了目前發(fā)展速度最快的能源利用方式。研究關(guān)于風(fēng)力發(fā)電的問題具有很重要的意義和價值。在過去的二十年里，大規(guī)模風(fēng)電控制技術(shù)也取得了令人驚嘆的成就。尤其是從兆瓦級大型風(fēng)電機組的投入運行以來，建設(shè)大規(guī)模風(fēng)電場成為了可能。目前，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中已經(jīng)占據(jù)了很大的重量，它的運行狀況會直接影響電網(wǎng)的可靠性和安全性。除此以外，風(fēng)能還有間歇性和隨機性，這些特性使得它與常規(guī)發(fā)電機組有很大的差異。因此，為更加充分有效的利用風(fēng)能，深入研究風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運行的相關(guān)問題是我們迫切需要的。1.2國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況1.2.1世界風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況2005年年底，全球風(fēng)力發(fā)電裝機容量已經(jīng)達到6000兆瓦。而自2005年以來，全球累計的裝機容量持續(xù)每年的平均增長率是27.3%，新增裝機容量的增長率是36.1%，是世界增長率最高的能源。2010年全球的裝機容量高達196630兆瓦，而新增裝機容量就有37642兆瓦，跟去年相比同期增長了23.6%[2]。目前在歐洲，西班牙、德國和意大利這三個國家的風(fēng)電裝機容量大概占了近65%。而英、法國、丹麥、奧地利、荷蘭、葡萄牙、愛爾蘭和瑞典等歐洲國家也在大力的發(fā)展風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)。除了歐洲之外，還有其它州的國家也在發(fā)展風(fēng)電，如美國、日本、中國、加拿大和印度等。世界上大約共有82個國家在積極開發(fā)并運用著風(fēng)能。海上的風(fēng)力資源條件比陸地上的要優(yōu)越。在歐洲，把風(fēng)電場從陸地搬到海上或近海的地方已經(jīng)成為了一種新的發(fā)展趨勢。風(fēng)電的發(fā)展可以總結(jié)為三個步驟：一是目前的技術(shù)，陸地上的風(fēng)電技術(shù)；二是正在研發(fā)的技術(shù)，近海的風(fēng)電技術(shù)；三是未來的趨勢，海上的風(fēng)電技術(shù)。到2010年，美國的裝機容量有明顯的下降，使得美國年度裝機容量第一次輸給中國。很多東歐國家的風(fēng)電發(fā)展都處于上升階段，但是一些西歐國家卻處于飽和狀態(tài)。而在非洲，風(fēng)電技術(shù)發(fā)展較好的主要集中在北非地區(qū)。1.2.2國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況自2003年以來，中國風(fēng)電裝機容量的年平均增長率已經(jīng)達到70%以上。2009年年底，中國總的風(fēng)電裝機容量達2268萬千瓦，已經(jīng)并網(wǎng)運行的容量達到1767萬千瓦，吊裝容量的總量為2412萬千瓦。在2010年，我國風(fēng)力發(fā)電新增的裝機容量超過2000萬千瓦，而到2010年年底，已經(jīng)超過美國，總裝機容量高于4500萬千瓦，躍居世界第一的位子。我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)有廣闊的發(fā)展前景，主要有以下兩個原因：一是由于中國的風(fēng)力資源豐富，所以具有開發(fā)風(fēng)電的潛力;二是因為我國政府的優(yōu)惠政策和鼓勵。根據(jù)國家氣象局勘測，我國風(fēng)能資源儲存的總量約2.53億千瓦，居世界第三位，前兩名分別為美國和俄羅斯[3][4]。中國的風(fēng)能資源主要分布在兩個地帶：一是內(nèi)蒙古北部、新疆北部、甘肅以及松花江地帶。二是山東、東南沿海地區(qū)以及遼寧沿海地區(qū)。1.3論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本文主要內(nèi)容安排如下：：介紹了課題研究的背景和意義，并介紹了國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的研究現(xiàn)況。：主要介紹了并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)知識和異步電機發(fā)電系統(tǒng)的類型。還闡述了異步風(fēng)電機組并網(wǎng)的基本內(nèi)容并對其面臨的問題進行了分析。：建立了風(fēng)速，風(fēng)力機以及異步電機的動態(tài)模型并對其進行仿真。還討論了風(fēng)電機組的等值問題。第四章：對異步電機以外常規(guī)用的元件動態(tài)數(shù)學(xué)模型做了詳細的介紹，其中包括同步發(fā)電，轉(zhuǎn)速控制器以及勵磁系統(tǒng)。還介紹動態(tài)仿真過程中每一環(huán)節(jié)的處理方法,比如對系統(tǒng)初值的計算方法以及網(wǎng)絡(luò)方程的求解方法。第五章：簡單的介紹了MATLAB仿真軟件以及Simulink基礎(chǔ)模塊庫。再對一個實例進行了仿真。第六章：總結(jié)了課題的各項工作，得出本課題的結(jié)論。2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論2.1并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電概述風(fēng)力發(fā)電機按是否與電網(wǎng)連接，可以分成并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩大類。并網(wǎng)型發(fā)電機組跟電網(wǎng)連接，發(fā)電頻率必須與電網(wǎng)頻率一致。風(fēng)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)時，能得到電網(wǎng)的補償和支撐，這對開發(fā)風(fēng)能資源有很大的幫助。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組有以下優(yōu)點：（1）占地面積??；（2）建設(shè)工期短；（3）可以做到無人值守。其不足之處為：（1）風(fēng)力機效率低；（2）不能大量存儲風(fēng)能。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組的能量轉(zhuǎn)換過程為：風(fēng)能→機械能→電能[5]。最后將把電能注入到電網(wǎng)中利用?？砂阉殖蓛蓚€步驟。第一步，把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能，風(fēng)力機吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機械能。第二步，發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能。除此之外傳動軸、齒輪箱以及偏航裝置和制動系統(tǒng)等也有很重要的作用。并網(wǎng)型發(fā)電機組可以采用恒速恒頻和變速恒頻兩種。恒速恒頻發(fā)電機組（如圖2.1）一般都采用異步發(fā)電機組跟電網(wǎng)直接連接，發(fā)電頻率跟電網(wǎng)頻率一致，控制起來簡單方便，不過轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)，所以葉速比沒法控制在風(fēng)能最佳捕獲點。圖2.1恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組又可分為變槳距調(diào)節(jié)和定槳距失速調(diào)節(jié)兩類[6][7]。變槳距是為了更有效的利用風(fēng)能，通過槳距調(diào)節(jié)，改變槳距角來調(diào)整輸出功率。工作原理為：當(dāng)風(fēng)速小于額定值時，槳距角在零度附近，隨著風(fēng)速的變化發(fā)電機輸出功率也會變化；當(dāng)風(fēng)速超過額定值時，變槳距通過調(diào)節(jié)槳距角使發(fā)電機輸出功率保持在允許范圍之內(nèi)。主要優(yōu)點是槳葉受力小，能捕獲更多的風(fēng)能，可有效的提高發(fā)電量。其主要不足之處是故障率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。定槳距是指輪轂與葉片連接在一起，其槳距角不變。失速性是指當(dāng)風(fēng)速超過額定值時，氣流的攻角會達失速條件，產(chǎn)生渦流，從而控制輸出功率和轉(zhuǎn)速。其主要優(yōu)點為調(diào)節(jié)控制簡單。其不足之處是因葉片較重，使得機組整體效率下降。變速恒頻是指隨著風(fēng)速的變化，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也變化，再將其發(fā)出的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)相同頻率的電能輸送給電網(wǎng)。與恒速恒頻風(fēng)電機組相比，由于使用了電力電子裝置連接電網(wǎng)與發(fā)電機，大大降低了對電網(wǎng)和傳動鏈的沖擊。因為轉(zhuǎn)速和槳距角均可調(diào)節(jié)，所以把沖擊限制到最小的程度。在運行時，如果控制方式不同會對轉(zhuǎn)矩沖擊有非常大的影響。而且葉片沒有失速特性，漿距角跟轉(zhuǎn)速不能同時控制，當(dāng)遇到惡劣天氣時，可能因控制不理想而導(dǎo)致傳動鏈上產(chǎn)生很大的沖擊。圖2.2雙饋感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)（如圖2.2）是目前發(fā)展最好的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[8]。用變槳距調(diào)節(jié)其槳葉，定子直接與電網(wǎng)相連，而轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接，從而實現(xiàn)功率雙向的特性。變頻器的成本較低，索取的容量較小。其主要缺點是控制系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性低。2.2異步電機發(fā)電系統(tǒng)圖2.3籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)籠型異步電機結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強，因此得到了廣泛的應(yīng)用。它是一種可逆電機，這種電機成本低，實現(xiàn)起來方便。圖2.3是籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)原理圖。由風(fēng)輪機、鼠籠型異步發(fā)電機、變壓器、齒輪箱以及變流器等組成。此系統(tǒng)采用了籠型異步發(fā)電機。因為風(fēng)速一直在變化，為使風(fēng)能利用率最大，在額定風(fēng)速左右，發(fā)電機進行調(diào)整。發(fā)電機控制方式有三種：轉(zhuǎn)矩控制，功率控制和轉(zhuǎn)速控制。一般采用轉(zhuǎn)速控制的方法，通過檢測轉(zhuǎn)速和風(fēng)速控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)力機的輸出功率。發(fā)電機輸出的電能頻率和電壓都不是恒定值，因為隨著風(fēng)速的變化發(fā)電機轉(zhuǎn)速在不斷變化，所以不能直接并入電網(wǎng)中。因此需要用交-直-交變流系統(tǒng)改變電能的頻率，使之與電網(wǎng)同頻后可并網(wǎng)?？刂圃砣缦拢翰⒕W(wǎng)逆變器使直流側(cè)電壓保持恒定，并且控制有功功率的傳輸和功率因數(shù)。發(fā)電側(cè)的變流器把直流電壓轉(zhuǎn)變成三相交流電，再與發(fā)電機定子繞組側(cè)相連，能量傳遞方向是：交流側(cè)→直流側(cè)。根據(jù)發(fā)電機，變換器和負載之間的連接方式，將異步電機風(fēng)電系統(tǒng)分為兩大類：并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)。2.2.1并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式圖2.4并聯(lián)型異步電機發(fā)電系統(tǒng)如圖2.4所示，變換器在三相線上并聯(lián)，交流負載與異步發(fā)電機出線端連接。這種發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓的偏移應(yīng)滿足三相負載頻率的要求，所以原動機轉(zhuǎn)速變化范圍并不寬。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化較大時，雖可以恒壓輸出，因頻率變化比較大，所以沒什么實際意義。2.2.2串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式圖2.5串聯(lián)型異步電機發(fā)電系統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)是將變換器接在負載與異步發(fā)電機之間，變換器可以同時對有功功率和無功功率進行控制。在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，不管電機輸出的電壓頻率怎么變化，PWM變換器負載側(cè)是穩(wěn)定的直流電。2.3異步風(fēng)電機組并網(wǎng)簡介異步風(fēng)電機組的負荷是用轉(zhuǎn)差率來調(diào)整，所以對調(diào)速精度的需求并不高，只需讓轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速就可以并網(wǎng)。異步風(fēng)電機組控制裝置比較簡單，過載能力很強，成本也比較低，并網(wǎng)運行時非常穩(wěn)定不會發(fā)生振蕩和失步等現(xiàn)象。但它也有不足之處，主要表現(xiàn)為：風(fēng)電機組直接與電網(wǎng)并網(wǎng)時，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，使得電壓明顯下降并對電網(wǎng)的安全造成危險；發(fā)電設(shè)備是異步發(fā)電機，本身不發(fā)出無功功率，它的運行需無功補償，這使電網(wǎng)的無功負擔(dān)明顯加重；系統(tǒng)的電壓過高時導(dǎo)致磁路飽和，并使得無功勵磁電流和定子電流會大幅增加，從而無功功率因數(shù)會明顯下降。不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率大幅上升使異步電機從發(fā)電機狀態(tài)轉(zhuǎn)變成電動機狀態(tài)，相反如果不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率下降過大時，電流上升最終會導(dǎo)致過載。因此，異步風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)必須嚴格按要求規(guī)劃，設(shè)計和運行并采取有效措施保證安全運行。2.4異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)面臨的問題[9-12]2.4.1電壓穩(wěn)定性問題由于風(fēng)電場輸出功率會隨著風(fēng)速的變化而隨機變化，因此大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)時會引起系統(tǒng)穩(wěn)定性的一系列問題。異步風(fēng)電機組在運行時需要從電網(wǎng)吸收大量無功功率，這會引起電壓波動而促使薄弱地區(qū)的電壓不穩(wěn)定，而這種連續(xù)的電壓波動就會導(dǎo)致電能質(zhì)量問題[13]。異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時一般采用直接并網(wǎng)的方式，測速裝置給出并網(wǎng)信號，再合上自動空氣開關(guān)完成并網(wǎng)。在極端裝了無功功率補償器，給系統(tǒng)提供并網(wǎng)時需要的激磁無功。電壓穩(wěn)定性問題主要包括靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定兩大類。風(fēng)力發(fā)電會降低動態(tài)穩(wěn)定性而提高靜態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)風(fēng)電機組開始運行時，會吸收大量的無功，如果無功補償不足，就會引起電壓跌落，從而導(dǎo)致電壓波動。如果機組的容量超過太多，引起的電壓波動就會更大，因而會超出電網(wǎng)的允許范圍。當(dāng)風(fēng)電機組停機后，需要的無功功率就會減少，容易導(dǎo)致電壓水平偏高的問題?？傊?，風(fēng)電場的并網(wǎng)對于電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性有很大的影響。2.4.2引起的諧波問題由于受到風(fēng)能的隨機性和間歇性的影響，風(fēng)電機組的有功輸出也不斷變化，在電網(wǎng)中，頻率的穩(wěn)定問題也很明顯。其主要表現(xiàn)有以下兩個方面：有功功率的波動會引起頻率變動；改變風(fēng)電系統(tǒng)慣性時間常數(shù)會使頻率波動速度明顯增加。在電網(wǎng)中，諧波是指電流或電壓的頻率大于基波頻率的整數(shù)倍。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生取決于大功率變換器或非線性負載。其中各種電力電子裝置中蒸餾裝置是最主要的諧波源之一，它會產(chǎn)生嚴重的諧波污染并消耗大量的無功功率。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)中諧波問題會造成電能質(zhì)量的問題。風(fēng)電機組機身產(chǎn)生的諧波是可以忽略不計的，而不管風(fēng)電機組的類型如何，其中的電力電子元件就是產(chǎn)生諧波電流的真正來源。在發(fā)電機斷開，三相短路故障以及風(fēng)速擾動下，系統(tǒng)會產(chǎn)生大幅度頻率波動。而對于大型電網(wǎng)，由于它有足夠的備用容量和較好的調(diào)節(jié)能力，所以一般不考慮頻率穩(wěn)定性的問題。3異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本模塊與仿真3.1前言分析一個風(fēng)電系統(tǒng)動態(tài)特性必需要建立一個嚴格的數(shù)學(xué)模型。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)涉及了多種復(fù)雜的學(xué)科，所以對它進行準(zhǔn)確的描述非常艱難，可根據(jù)側(cè)重點的不同，可對相對次的地方做簡化處理。通過動態(tài)模型反映風(fēng)電系統(tǒng)隨風(fēng)速，風(fēng)向和各種擾動引起的動態(tài)過程。因此，分析大規(guī)模風(fēng)電場的并網(wǎng)時，建立一個嚴格并合理的動態(tài)模型是至關(guān)重要的[14]。大規(guī)模直接并網(wǎng)的異步風(fēng)電系統(tǒng)的組成又以下四種[15]：1.風(fēng)速因空氣的流動而帶動風(fēng)力機葉片而產(chǎn)生的能量叫做風(fēng)能。風(fēng)速作為風(fēng)電系統(tǒng)的原動力具有間歇性和隨機性。風(fēng)輪風(fēng)力機是捕獲風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。主要由葉片，齒輪箱，輪轂和聯(lián)軸器等部分組成。跟異步發(fā)電機連接，轉(zhuǎn)動慣量很大。它是并網(wǎng)型異步風(fēng)電機用來能量轉(zhuǎn)換的最重要的部分之一。異步發(fā)電機異步發(fā)電機常用在直接并網(wǎng)的風(fēng)電系統(tǒng)中。異步發(fā)電機的作用是把機械能轉(zhuǎn)換成電能。要實現(xiàn)從風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)變，風(fēng)力機跟異步發(fā)電機一個都不能少。補償電容器組通常，異步發(fā)電機機端必須裝有補償電容器組。其作用是隨著風(fēng)功率的變化而自動投切，為異步電機提供激磁無功，使它的功率因數(shù)升高。3.2風(fēng)速的模型由于風(fēng)速是隨機的而且不可控制，所以風(fēng)力發(fā)電機組一直遭受大擾動，這對電力系統(tǒng)以及機組本身都有不小的影響。所以，需要建立風(fēng)速模型，對風(fēng)速的變化進行模擬，并研究系統(tǒng)的性能。風(fēng)速模型一般采用四個分量模型，分別為基本風(fēng)，陣風(fēng)，階躍風(fēng)跟隨機風(fēng)。可以用下面公式表達：(3.1)1.是基本風(fēng)分量基本風(fēng)在風(fēng)力機運行過程中會一直存在，表示風(fēng)速模型的平均值，由威布爾分布的數(shù)學(xué)期望值可以得到以下公式：(3.2)其中，是基本風(fēng)速；A是威布爾尺度參數(shù)；K是尺度參數(shù)。2.為陣風(fēng)分量陣風(fēng)用來表示風(fēng)速突然變化的特性，其數(shù)學(xué)模型為如下：(3.3)其中，表示陣風(fēng)的峰值風(fēng)速；和分別表示陣風(fēng)起始時間和持續(xù)時間。3.為階躍風(fēng)分量表示風(fēng)速的漸變特性。其數(shù)學(xué)模型為：（3.4）其中:—階躍風(fēng)的啟動時間；—終止時間；—保持時間；—階躍風(fēng)的峰值。4.為隨機風(fēng)分量風(fēng)速的隨機性通常都用隨機噪聲風(fēng)分量表示。根據(jù)以上公式可以建立風(fēng)速的仿真模型，如下圖所示：圖3.1風(fēng)速的仿真圖5.典型風(fēng)速的仿真a.基本風(fēng)+階躍風(fēng)基本風(fēng)的風(fēng)速=10m/s,階躍風(fēng)的=6m/s，=2s，=5s,仿真時間為10s。仿真結(jié)果如圖3.2所示。圖3.2基本風(fēng)+階躍風(fēng)仿真圖b.基本風(fēng)+陣風(fēng)基本風(fēng)的風(fēng)速=10m/s，陣風(fēng)的=6m/s，=2s,=3s。仿真運行時間10s，仿真圖如圖3.3所示。圖3.3基本風(fēng)+陣風(fēng)仿真圖c.基本風(fēng)+隨機風(fēng)基本風(fēng)的風(fēng)速=10m/s,運行時間為10s。仿真圖如圖3.4所示。圖3.4基本風(fēng)+隨機風(fēng)仿真圖d.基本風(fēng)+陣風(fēng)+階躍風(fēng)+隨機風(fēng)仿真圖如圖3.5所示。圖3.5風(fēng)速仿真結(jié)果圖3.3風(fēng)力機模型3.3.1風(fēng)輪的模型[16]風(fēng)輪是用來吸收風(fēng)能，并把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置，它作為空氣動力學(xué)系統(tǒng)是很復(fù)雜的，一般有三個葉片。在從風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能的過程中，風(fēng)力機的作用不能小覷，它決定了風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)換效率。要建立風(fēng)輪模型需運用葉素—動量理論。不過這種模型要知道三個葉片上風(fēng)速的具體分布和葉片葉型的主要參數(shù)，其計算非常復(fù)雜。如果把風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電表現(xiàn)作為重點，可以得到風(fēng)力機的風(fēng)功率方程式。(3.5）式中:—風(fēng)力機的機械轉(zhuǎn)矩；—風(fēng)輪半徑；—空氣密度；—來流風(fēng)速；—風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度。關(guān)于計算風(fēng)力機轉(zhuǎn)換效率系數(shù)的公式通常采用:（3.6)式中，是風(fēng)輪葉尖速比，，其中是風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，R是葉片半徑；是槳距角。根據(jù)以上建立風(fēng)輪仿真模型如下圖3.6所示。圖3.6風(fēng)輪機仿真模型3.3.2傳動系統(tǒng)的模型一般不是直驅(qū)式的風(fēng)力發(fā)電機的傳動系統(tǒng)都由齒輪箱，低速軸，高速軸和風(fēng)輪轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機轉(zhuǎn)子構(gòu)成，也可以說由傳動軸、齒輪箱和輪轂組成。輪轂的作用是連接齒輪箱和葉片，它具有很大的慣性，將其兩邊的轉(zhuǎn)矩用一階慣性環(huán)節(jié)模擬，則風(fēng)輪的運動方程為（3.7）其中：—輪轂慣性時間常數(shù)；—齒輪箱輸入側(cè)轉(zhuǎn)矩；—風(fēng)力機葉片輸出側(cè)轉(zhuǎn)矩。異步發(fā)電機和風(fēng)力機之間的轉(zhuǎn)矩是通過聯(lián)軸器和齒輪箱來傳遞，其運動方程為（3.8）其中：—齒輪箱輸入側(cè)轉(zhuǎn)矩；—齒輪箱輸出側(cè)轉(zhuǎn)矩；—風(fēng)力機機械角速度；—齒輪箱慣性時間常數(shù)。一般我們認為風(fēng)力機轉(zhuǎn)速是恒定不變的，所以有。傳動系統(tǒng)的動作方程為(3.9)其中：—風(fēng)力機慣性時間常數(shù)；—異步發(fā)電機輸入側(cè)轉(zhuǎn)矩；—風(fēng)力機葉片輸出轉(zhuǎn)矩。3.3.3槳距角模型[16]風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)是葉尖速比跟槳距角的函數(shù)，而風(fēng)輪機運行點會隨著風(fēng)速的變化而不斷變化。因此要對風(fēng)輪機進行調(diào)整，才能保證風(fēng)輪機的平穩(wěn)輸出，風(fēng)速的轉(zhuǎn)換效率也得到改善。風(fēng)輪機主要有變槳距和定槳距兩種調(diào)節(jié)方式。定槳距是指葉片跟輪轂固定安裝在一起，因此槳距角也固定不變。而變槳距是根據(jù)風(fēng)速的變化，風(fēng)能控制系統(tǒng)會通過調(diào)節(jié)并改變槳距角的大小調(diào)節(jié)輸出電功率，這樣會明顯提高風(fēng)能的利用率。采用定槳距調(diào)節(jié)方法，當(dāng)風(fēng)速為額定值時，風(fēng)能利用系數(shù)的值不是最大值，就是說風(fēng)速在到達額定值之前風(fēng)能利用系數(shù)就已經(jīng)達最大值，而風(fēng)速繼續(xù)升高到額定值時，風(fēng)能利用系數(shù)就會下降，導(dǎo)致與最大值有很大的偏差。所以，定槳距風(fēng)力發(fā)電機的運行效率比較低。變槳距調(diào)節(jié)方式卻不同，它通過調(diào)整槳距角從而提高風(fēng)能利用率，在風(fēng)速低于額定值時風(fēng)力機會跟蹤風(fēng)能利用系數(shù)的最大值，而風(fēng)速高于額定值時輸出功率會恒定不變，因此，發(fā)電量也會有明顯的提高。下面介紹一種變槳距是用轉(zhuǎn)速來控制的模型。它的原理是通過風(fēng)力轉(zhuǎn)速的偏差來調(diào)節(jié)。其運動方程為：（3.10）其中:—增益系數(shù)；—調(diào)節(jié)裝置慣性時間常數(shù)；—風(fēng)力機轉(zhuǎn)速偏差，。3.4異步電機模型[17]本文建立的異步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型是用三階暫態(tài)模型表示的。異步發(fā)電機暫態(tài)方程只考慮轉(zhuǎn)子繞組的暫態(tài)，而定子繞組暫態(tài)是直接可以忽略的。電壓方程為：（3.11）其中，d、q表示定子方程，D、Q表示轉(zhuǎn)子方程；表示定子的電阻表幺值，表示轉(zhuǎn)子的電阻表幺值；D、d表示直軸量，Q、q表示交軸量，Q軸超前D軸；是微分算子。磁鏈方程為：(3.12）式中，是激磁電抗標(biāo)幺值；是定子漏抗標(biāo)幺值；是轉(zhuǎn)子漏抗標(biāo)幺值。異步發(fā)電機暫態(tài)方程為：（3.13）而在同步速坐標(biāo)系下異步電機暫態(tài)方程為：（3.14）其中，s表示異步發(fā)電機滑差。發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程為：（3.15）其中：—電磁轉(zhuǎn)矩；—機械轉(zhuǎn)矩；—發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)。異步電機電磁轉(zhuǎn)矩方程如下：（3.16）式中，—定子電流的共軛；—輸入到異步電機機械轉(zhuǎn)矩；—輸出電磁轉(zhuǎn)矩。3.7電容補償器如上圖所示為異步發(fā)電機的電容補償器的模型，這種電容器與異步發(fā)電機極端并聯(lián)，為異步電機提供部分的激磁無功功率，并使功率因數(shù)提高。由上圖可知其功率關(guān)系為：(3.17)其中：—異步電機自身吸收的無功；—異步電機實際吸收無功的；—電容器補償?shù)臒o功。安裝補償電容器后，異步發(fā)電機從電網(wǎng)吸收的無功功率明顯減小。從而可知，補償電容器有助于提高異步發(fā)電機的功率因數(shù)。由于機端與補償電容器相連，所以異步風(fēng)電系統(tǒng)注入到電網(wǎng)的電流為。3.5風(fēng)電場的等值建模[18]風(fēng)電場的迅速發(fā)展對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有非常顯著的影響。風(fēng)電場一般包括很多臺風(fēng)電機組，容量非常大，如果對每一臺風(fēng)電機組都進行建模，會導(dǎo)致仿真計算量太大，時間也較長，會嚴重影響仿真效率。所以研究風(fēng)電機組對電網(wǎng)動態(tài)特性的影響時，不需要對單臺機組進行仿真，通常將由多臺風(fēng)電機組組合成一整體進行等值建模。目前，有以下幾種等值方法：（1）按優(yōu)化算法等值一般情況下，風(fēng)電場等值模型能反映風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)時的穩(wěn)定和電網(wǎng)的功率損耗。而風(fēng)力發(fā)電場的一些等值參數(shù)不能完全表示出風(fēng)電場的輸入和輸出之間的關(guān)系。所以采用優(yōu)化算法來等值計算。（2）按容量加權(quán)等值這是相對簡單的等值方法。假如忽略了電網(wǎng)中風(fēng)電場的功率損耗，可以把所有風(fēng)電機組看作是接在同一個母線上。因此可以根據(jù)容量加權(quán)法，把所有發(fā)電機組看作是一臺風(fēng)電機組。等值前要保證所有的發(fā)電機組要連接在同一條母線上，并且還要忽略電網(wǎng)中所有的風(fēng)速縫補和功率損耗。但實際情況下，因風(fēng)力機所受到的風(fēng)速的強度不同，從而會造成誤差。（3）采用攝動法進行等值這種等值方法是通過對風(fēng)力機組進行降階的等值方法。指的是把整個風(fēng)電機組的變化分為慢變化和快變化，快變化的狀態(tài)變量可以忽略，從而得到用慢變化的狀態(tài)變量來表示風(fēng)力發(fā)電機的模型。這種方法仿真時間較長，精度不高。（4）采用在線測量法等值這種方法是通過對風(fēng)電場的等值參數(shù)進行辨別從而得到理想的等值參數(shù)。根據(jù)風(fēng)電場中異步電機的模型，可以完成發(fā)電機阻抗，慣性時間常數(shù)以及滑差的動態(tài)等值模型。不過這種方法因只考慮了風(fēng)電場的機械特性，導(dǎo)致風(fēng)電場等值模型的精度不夠。不同類型的風(fēng)電場所用的等值方法都不同，而風(fēng)電場的動態(tài)等值模型能都能準(zhǔn)確無誤的表示出風(fēng)電場在擾動和穩(wěn)定情況下的行為。本文重點研究風(fēng)電場與電網(wǎng)連接在一起后所引起的電壓穩(wěn)定性以及電能質(zhì)量等方面的影響。所以仿真時應(yīng)忽略機組之間的相互作用，并將風(fēng)電場看作是電網(wǎng)中的一個獨立的元件。建立風(fēng)電機組等值模型的條件是假定它們在同樣風(fēng)速下運行，并且被等值的風(fēng)電機組要有相同的型號。因此，把整個風(fēng)電場中所有相同型號的風(fēng)電機劃分為一個機群，再將每個機群等值為一臺風(fēng)電機。如果一個等值風(fēng)電機包含有n臺風(fēng)電機，那么各等值參數(shù)的計算公式如下：(3.17)其中，和分別表示異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的暫態(tài)時間常數(shù)和慣性時間常數(shù)，標(biāo)有（n）的是等值機組的參數(shù)。4異步電機風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)仿真前有關(guān)計算4.1常規(guī)元件的數(shù)學(xué)模型在電力系統(tǒng)中，風(fēng)電場的動態(tài)仿真程序都包含以下四種：異步電機風(fēng)電機組、同步發(fā)電機、轉(zhuǎn)速控制器和勵磁系統(tǒng)。（1）同步電機模型假設(shè)為轉(zhuǎn)子q軸跟參考軸間的電角度；是同步電機慣性時間常數(shù)；是同步電機輸入的機械轉(zhuǎn)矩；為同步電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩；為d軸開路暫態(tài)時間常數(shù)；是發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度；是發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速；是發(fā)電機直軸同步電抗；為暫態(tài)電抗；是歷次電勢；是q軸暫態(tài)電勢；是定子電流直軸分量；而D則是轉(zhuǎn)子的阻尼系數(shù)。因此其三階暫態(tài)模型[19]為：（4.1）而它的定子電壓方程為：（4.2）式中，、分別是定子電壓直軸，交軸的分量；是定子電流交軸分量；表示交軸同步電抗；是定子電阻。（2）轉(zhuǎn)速控制器假設(shè)發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度為；同步轉(zhuǎn)速為=1；比例環(huán)節(jié)增益和積分換屆增益分別為和；是失靈區(qū)；而一階慣性環(huán)節(jié)系數(shù)表示為。則轉(zhuǎn)速控制器的簡單模型如下圖4.1所示。圖4.1轉(zhuǎn)速控制器框圖（3）勵磁系統(tǒng)模型勵磁系統(tǒng)的作用是給發(fā)電機提供勵磁功率，調(diào)節(jié)電壓，并使發(fā)電機端電壓保持恒定不變[19]。如圖4.2所示。圖4.2靜止勵磁系統(tǒng)圖中的，和表示超前和之后環(huán)節(jié)系數(shù)；是勵磁系統(tǒng)的參考電壓；而是發(fā)電機端電壓；是勵磁電壓限制幅值；和是慣性放大環(huán)節(jié)的有關(guān)系數(shù)。4.2系統(tǒng)設(shè)計及有關(guān)計算[20]同步發(fā)電機，負荷以及異步發(fā)電機的初值計算是在做動態(tài)仿真之前必須要做的。下面分別對其進行計算。（1）同步發(fā)電機初值的計算同步發(fā)電機注入電流系統(tǒng)的電流為如下：(4.3）其中，下標(biāo)為x和y表示的是同步速坐標(biāo)下的值。表示極端電壓的共軛，而各機端電壓為。各發(fā)電機注入系統(tǒng)中的功率為，則表示發(fā)電機注入功率。從而可以求出：(4.4)式中，表示虛構(gòu)電勢；表示發(fā)電機定子電流；表示交軸同步電抗。從上式可以求出轉(zhuǎn)子攻角的初值：（4.5）如果系統(tǒng)運行在穩(wěn)態(tài)時，即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是以同步速旋轉(zhuǎn)。發(fā)電子定子的電壓d、q分量的表達式為：（4.6）而定子電流的d、q分量的表達式為：(4.7)暫態(tài)電勢q軸分量的值為：（4.8）而勵磁電壓的初值可求出：（4.9）假設(shè)表示的是極端電壓初值的幅值，則參考電壓為：(4.10)發(fā)電機電磁功率的公式如下：（4.11）式中，表示原動機機械功率，系統(tǒng)運行于穩(wěn)態(tài)時原動機機械功率與發(fā)電機機械功率相等。（2）負荷的初值計算負荷等值導(dǎo)納的表達式為：(4.12)式中，表示負荷節(jié)點電壓；是負荷吸收的功率；則表示負荷吸收功率的共軛。此等值導(dǎo)納在整個仿真過程中保持不變，屬于恒定的阻抗模擬負荷。（3）異步發(fā)電機初值計算如圖4.3所示，異步發(fā)電機運行后會發(fā)出無功而會吸收大量無功，因此在仿真過程中可看作是動態(tài)負荷，其有功是負值。圖4.3異步發(fā)電機與電力系統(tǒng)連接其中，是暫態(tài)電抗；是暫態(tài)電勢；表示釘子電阻；表示極端補償電容器；表示的是阻抗歸算系數(shù)；Q是吸收的無功?？傻孟旅娴墓剑?4.13)式中，；；是有名值。穩(wěn)態(tài)運行時，。因此可得：(4.14)（4.15）式中，表示等值暫態(tài)電流；則表示等值暫態(tài)電勢；是穩(wěn)態(tài)時的端電壓。從以上兩個式子解得：(4.16)其中：（4.17）再由公式：（4.18）可得：（4.19）因此可得求解的公式：（4.20）電磁轉(zhuǎn)矩初值為：（4.21）（4）風(fēng)電機組動態(tài)仿真如圖4.4所示：圖4.4動態(tài)仿真程序圖4.3相關(guān)節(jié)點的處理假設(shè)和是個節(jié)電的電壓和電流；是狀態(tài)變量；是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點導(dǎo)納矩陣。則可得網(wǎng)絡(luò)方程：(4.22)此方程是用導(dǎo)納矩陣表示的，表示節(jié)點電流，它由異步電機定子電壓方程、負荷功率方程和同步定子電壓方程等決定。處理系統(tǒng)各個元件的節(jié)點的問題是求解網(wǎng)絡(luò)方程最為關(guān)鍵的過程。4.3.1同步電機節(jié)點處理可寫出同步發(fā)電機定子的電壓方程的矩陣形式為：（4.23）將d、q軸分量轉(zhuǎn)換成x、y軸分量，可得：（4.24）有上式解出：（4.25）式中：（4.26）經(jīng)過一系列移項合并解得發(fā)電機節(jié)點注入電流：（4.27）式中，應(yīng)該提前解出和的值；下標(biāo)有和的典雅和電流會隨著時間的變化而變化。4.3.2異步電機節(jié)點處理異步發(fā)電機的定子電壓方程式的矩陣形式為：（4.28）其中，。解得：（4.29）將上式中導(dǎo)納矩陣元素修正為自導(dǎo)鈉元素，并需提前解出和及的值，則可得其注入電流的表達式：（4.30）因用恒定的阻抗來替代負荷，其注入電流的方程為：（4.31）5異步電機風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行仿真分析5.1MATLAB仿真軟件簡介MATLAB是矩陣實驗室的簡稱，它有很強的數(shù)學(xué)計算，文字處理，專業(yè)的符號計算，建模仿真和實時控制等諸多能力。它基本的數(shù)據(jù)單位是矩陣，而它指令的表達式與工程和數(shù)學(xué)上經(jīng)常用到的形式極其相似，所以用MATLAB來解決一些問題非常簡單方便。MATLAB的適用范圍也十分廣泛，主要包括通訊，測量和測試，信號或圖像處理器，控制系統(tǒng)設(shè)計以及計算生物學(xué)等領(lǐng)域。MATLAB主要特點有以下：（1）用起來簡單方便，語言簡潔，庫函數(shù)非常豐富（2）運算符也很豐富，語法限制不是很嚴格。（3）圖形功能很強大，工具箱的功能也很強勁。（4）與其他高級程序相比，MATLAB執(zhí)行程序的速度比較慢等。圖5.1Simulink瀏覽器Simulink基本模塊庫是MATLAB的一個附加組件，它的功能是對動態(tài)系統(tǒng)進行建模，仿真并對其分析，它還提供了很多仿真模塊。Simulink仿真和分析的主要步驟為如下：先從模塊庫中選出需要的進本模塊，再把模塊連接起來建立成為結(jié)構(gòu)圖，并設(shè)置器仿真的參數(shù)，最后進行仿真并分析其仿真結(jié)果。Simulink的基本模塊庫瀏覽器如圖5.1所示為。5.2仿真實現(xiàn)方法基于異步發(fā)電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)仿真須以下幾個步驟來完成：（1）首先通過M文件錄入原始數(shù)據(jù)。主要包括同步發(fā)電機的參數(shù)，異步發(fā)電機的系數(shù)，勵磁系統(tǒng)的參數(shù)，轉(zhuǎn)速控制器的參數(shù)，風(fēng)力機參數(shù)，風(fēng)速模型的參數(shù)以及系統(tǒng)各節(jié)點的電壓信息和支路信息等。（2）對風(fēng)電場進行潮流計算，這個也通過M文件來完成。（3）對系統(tǒng)各元件進行初值計算，其中包括對風(fēng)速，同步發(fā)電機，風(fēng)力機，異步發(fā)電機，勵磁系統(tǒng)等進行計算。（4）最后是對其計算動態(tài)仿真計算。圖5.2單一仿真步長內(nèi)各元件變量傳遞關(guān)系圖5.2中，同步發(fā)電機模塊用S函數(shù)來實現(xiàn)其三階模型；Simulink模塊庫主要是用來實現(xiàn)勵磁系統(tǒng)、傳動裝置和轉(zhuǎn)速控制器的模塊；異步發(fā)電機模塊同樣用S函數(shù)來實現(xiàn)其三階模型。S函數(shù)還用來實現(xiàn)風(fēng)速模型以及求解整個網(wǎng)絡(luò)代數(shù)方程。5.3仿真結(jié)果及分析下面列舉一個實例并對其進行仿真與分析。如圖5.3所示。風(fēng)電場接于電網(wǎng)的末端，選用的異步電機容量為600千瓦。圖5.3典型風(fēng)電機并網(wǎng)接線圖5.3.1在風(fēng)速擾動的情況下的仿真結(jié)果（1）風(fēng)速為陣風(fēng)時的仿真分析如果陣風(fēng)啟動時間為為1s,持續(xù)時間為5s,陣風(fēng)的峰值風(fēng)速為6m/s，仿真時間為10s時的仿真結(jié)果如下：圖5.4.1風(fēng)速仿真圖圖5.4.1風(fēng)速仿真圖圖5.4.1陣風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.4.2陣風(fēng)電壓仿真圖圖5.4.1陣風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.4.2陣風(fēng)電壓仿真圖圖5.4.3陣風(fēng)有功功率仿真圖圖5.4.4陣風(fēng)無功功率仿真圖由上圖可知，陣風(fēng)的情況下沒有導(dǎo)致風(fēng)電機組停機，風(fēng)速初始值保持在風(fēng)速額定值附近。還可看出，隨著風(fēng)速的增加有功功率會增加，而風(fēng)速下降時也會跟著下降，他們之間有時間上的滯后。如果有功功率上升時，無功功率也會上升，從而導(dǎo)致電壓的下降。圖5.4.3陣風(fēng)有功功率仿真圖圖5.4.4陣風(fēng)無功功率仿真圖而同步電機的有功和無功的仿真圖如下所示：圖5.4.5同步電機有功功率圖5.4.6同步電機無功功率圖5.4.5同步電機有功功率圖5.4.6同步電機無功功率由圖可知，同步電機的有功功率和無功功率的變化與風(fēng)電場是正好相反的，這正好滿足功率平衡。假設(shè)陣風(fēng)的峰值風(fēng)速為10m/s時的仿真如為：圖5.5.1陣風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.5.2陣風(fēng)電壓仿真圖圖5.5.1陣風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.5.2陣風(fēng)電壓仿真圖圖5.5.3陣風(fēng)有功功率仿真圖圖5.5.4陣風(fēng)無功功率仿真圖圖5.5.3陣風(fēng)有功功率仿真圖圖5.5.4陣風(fēng)無功功率仿真圖分析可知，在3s左右的時候風(fēng)速已經(jīng)超過了切機風(fēng)速，因此風(fēng)力機需要停機。在這之前，隨著風(fēng)速的增加有功功率和無功功率都會增加，從而電壓會減小。而停機之后有功和無功都會下降，電壓就會上升。（2）風(fēng)速為階躍風(fēng)是的仿真假設(shè)階躍風(fēng)的啟動、終止、保持時間分別為1s、6s、4s，峰值為6m/s時仿真圖為：圖5.6.1階躍風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.6.2階躍風(fēng)電壓仿真圖圖5.6.1階躍風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.6.2階躍風(fēng)電壓仿真圖圖5.6.3階躍風(fēng)有功功率仿真圖圖5.6.3階躍風(fēng)無功功率仿真圖圖5.6.3階躍風(fēng)有功功率仿真圖圖5.6.3階躍風(fēng)無功功率仿真圖從上圖可看出，隨著風(fēng)速的增加有功和無功功率都會上升，而電壓就會下降。當(dāng)峰值為10m/s是仿真圖如下圖：圖5.7.1階躍風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.7.2階躍風(fēng)電壓仿真圖圖5.7.1階躍風(fēng)風(fēng)速仿真圖圖5.7.2階躍風(fēng)電壓仿真圖圖5.7.3階躍風(fēng)有功功率仿真圖圖5.7.4階躍風(fēng)無功功率仿真圖從風(fēng)速曲線可看出，在5.5s左右風(fēng)速的值超過了切機風(fēng)速，從而導(dǎo)致風(fēng)力機停機。在這之前，風(fēng)速