雙饋型風電機組并網(wǎng)誘發(fā)電網(wǎng)電壓波動的仿真剖析與策略研究一、引言1.1研究背景與意義在全球能源轉型的大背景下，風力發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源形式，正逐漸成為能源領域的重要組成部分。隨著風力發(fā)電技術的不斷進步和成本的逐漸降低，風電裝機容量在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)出迅猛增長的態(tài)勢。根據(jù)全球風能理事會（GWEC）的數(shù)據(jù)，截至2025年，全球風電累計裝機容量預計突破1500吉瓦，中國、歐洲和北美仍是主力市場，海上風電與陸上大基地項目成為增長引擎。中國作為風電發(fā)展的重要力量，風電產(chǎn)業(yè)也取得了顯著的成果。據(jù)相關報道，2024年，全國（除港、澳、臺地區(qū)外）新增裝機14388臺，容量8699萬千瓦，風電領域技術創(chuàng)新不斷取得重大進展，支撐我國風電產(chǎn)業(yè)持續(xù)保持高速發(fā)展。在眾多類型的風電機組中，雙饋型風電機組憑借其獨特的優(yōu)勢，如輸出控制范圍廣、啟動特性好等，成為目前風電機組中使用最廣泛的一種類型。雙饋型風電機組通過發(fā)電機和電力電子裝置共同并網(wǎng)，電力電子裝置容量一般為整機容量的20%至30%，發(fā)電機容量占70%至80%，這使得雙饋型風電機組具有與傳統(tǒng)火力發(fā)電機組相同磁鏈守恒特征，在抑制電網(wǎng)電壓突變方面具有先天優(yōu)勢。例如，遠景能源雙饋型風電機組在國家權威機構進行的高穿測試中，所有機型均一次性通過測試，創(chuàng)造了兩天機組全部通過測試的最快紀錄，充分展示了雙饋型風電機組在高電壓穿越特性方面的優(yōu)勢。然而，隨著風電裝機規(guī)模的不斷擴大和風電場的不斷增多，雙饋型風電機組并網(wǎng)帶來的電網(wǎng)影響問題也日益凸顯。其中，電網(wǎng)電壓波動是一個關鍵問題，嚴重影響著電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。由于風速的隨機性和間歇性，雙饋型風電機組的輸出功率會產(chǎn)生較大的波動。當這些波動的功率注入電網(wǎng)時，會導致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)非周期性和瞬時變化，即電壓波動。這種電壓波動不僅會使電視圖像產(chǎn)生抖動、照明波動、電子設備干擾等問題，嚴重時還可能導致設備損壞，給用戶帶來不便和經(jīng)濟損失。從電網(wǎng)運行的角度來看，電壓波動會增加電網(wǎng)的運行風險，降低電網(wǎng)的可靠性。在一些對電壓穩(wěn)定性要求較高的場合，如醫(yī)院、金融機構等，電壓波動可能會影響關鍵設備的正常運行，甚至危及生命和財產(chǎn)安全。對于電力系統(tǒng)的調(diào)度和管理來說，電壓波動也增加了難度，需要采取更加復雜的控制策略來維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。研究雙饋型風電機組并網(wǎng)引起的電網(wǎng)電壓波動具有極其重要的現(xiàn)實意義和應用價值。通過深入研究電壓波動的產(chǎn)生機理和影響因素，可以為制定有效的抑制策略提供理論依據(jù)，從而提高風電并網(wǎng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，促進風力發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展。這也有助于提升電網(wǎng)的運行效率和可靠性，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，為社會經(jīng)濟的發(fā)展提供可靠的能源保障。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在雙饋型風電機組并網(wǎng)電壓波動研究方面，國內(nèi)外學者開展了大量富有成效的工作，為該領域的發(fā)展奠定了堅實基礎。國外研究起步較早，在理論和實踐方面都取得了顯著成果。一些學者運用先進的電力系統(tǒng)分析方法，深入探究雙饋型風電機組的運行特性及其對電網(wǎng)電壓的影響機制。例如，文獻[具體文獻]通過建立詳細的數(shù)學模型，對雙饋型風電機組在不同風速條件下的輸出功率波動與電網(wǎng)電壓變化之間的關系進行了深入分析，揭示了風速的隨機性和間歇性如何通過風電機組的運行特性傳遞到電網(wǎng)，導致電壓波動的內(nèi)在規(guī)律。在抑制策略研究方面，國外也進行了諸多創(chuàng)新探索。部分研究提出了基于智能控制算法的電壓波動抑制方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。這些智能算法能夠根據(jù)電網(wǎng)實時運行狀態(tài)和雙饋型風電機組的運行參數(shù)，動態(tài)調(diào)整控制策略，實現(xiàn)對電壓波動的有效抑制。文獻[具體文獻]將模糊控制算法應用于雙饋型風電機組的無功補償控制中，通過對無功功率的精確調(diào)節(jié)，有效降低了電網(wǎng)電壓的波動幅度，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。還有一些研究致力于開發(fā)新型的電力電子設備，如靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）等，用于改善電網(wǎng)的無功特性，抑制電壓波動。這些設備能夠快速響應電網(wǎng)電壓的變化，及時提供或吸收無功功率，維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。國內(nèi)在雙饋型風電機組并網(wǎng)電壓波動研究領域也取得了長足進展。隨著國內(nèi)風電產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，越來越多的學者和科研機構投身于該領域的研究。國內(nèi)學者在借鑒國外先進經(jīng)驗的基礎上，結合國內(nèi)電網(wǎng)的實際特點，開展了具有針對性的研究工作。例如，針對我國部分地區(qū)電網(wǎng)結構薄弱、風電接入比例較高的問題，文獻[具體文獻]提出了一種基于虛擬同步機技術的雙饋型風電機組并網(wǎng)控制策略，通過模擬同步發(fā)電機的運行特性，增強了風電機組與電網(wǎng)之間的相互支撐能力，有效改善了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。在實驗研究方面，國內(nèi)也建立了多個風電實驗平臺，通過實際的風電機組并網(wǎng)實驗，對理論研究成果進行驗證和優(yōu)化。這些實驗平臺能夠模擬各種實際運行工況，為研究雙饋型風電機組并網(wǎng)電壓波動問題提供了寶貴的實驗數(shù)據(jù)。例如，某高校的風電實驗平臺通過對不同型號雙饋型風電機組的并網(wǎng)實驗，深入研究了風電機組的參數(shù)設置、控制策略以及電網(wǎng)背景諧波等因素對電壓波動的影響，為進一步優(yōu)化風電機組的運行性能和抑制電壓波動提供了實驗依據(jù)。已有研究仍存在一些不足與空白。在模型建立方面，雖然目前已經(jīng)有多種數(shù)學模型用于描述雙饋型風電機組和電網(wǎng)的特性，但這些模型在考慮實際運行中的復雜因素時還存在一定的局限性。例如，部分模型未能充分考慮風電機組的機械特性、電力電子器件的非線性特性以及電網(wǎng)中的諧波干擾等因素對電壓波動的影響，導致模型的準確性和可靠性有待提高。在抑制策略方面，現(xiàn)有的抑制方法雖然在一定程度上能夠降低電壓波動，但在應對復雜多變的電網(wǎng)運行工況時，還存在適應性不足的問題。例如，一些基于固定控制參數(shù)的抑制策略在電網(wǎng)結構發(fā)生變化或風電接入比例大幅波動時，難以實現(xiàn)對電壓波動的有效抑制。在多風電場并網(wǎng)的情況下，不同風電場之間的相互影響以及如何協(xié)同控制以降低對電網(wǎng)電壓的綜合影響等方面的研究還相對較少，這也是未來需要進一步深入研究的方向。1.3研究內(nèi)容與技術路線1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞雙饋型風電機組并網(wǎng)引起的電網(wǎng)電壓波動展開，主要涵蓋以下幾個方面：雙饋型風電機組及電網(wǎng)模型的建立：深入剖析雙饋型風電機組的工作原理，包括風力機捕獲風能并轉化為機械能的過程，以及雙饋異步發(fā)電機將機械能轉化為電能的機制?？紤]到電力電子變換器在雙饋型風電機組中的關鍵作用，對其拓撲結構和控制策略進行詳細研究，建立準確的數(shù)學模型。在電網(wǎng)模型方面，綜合考慮電網(wǎng)的電氣參數(shù)，如線路電阻、電感、電容等，以及電網(wǎng)的運行特性，構建能夠真實反映實際電網(wǎng)情況的模型。通過這些模型的建立，為后續(xù)研究雙饋型風電機組并網(wǎng)對電網(wǎng)電壓的影響奠定堅實基礎。雙饋型風電機組并網(wǎng)引起電網(wǎng)電壓波動的原因分析：風速的隨機性和間歇性是導致雙饋型風電機組輸出功率波動的直接原因。深入研究風速的變化規(guī)律，以及這種變化如何通過風電機組的傳動系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)傳遞到電網(wǎng)，進而引起電網(wǎng)電壓波動。風電機組自身的控制策略，如最大功率跟蹤控制、無功功率控制等，對輸出功率和電網(wǎng)電壓也有著重要影響。分析不同控制策略在不同工況下的性能表現(xiàn)，找出可能導致電壓波動的因素。電網(wǎng)的結構和參數(shù)，如電網(wǎng)的短路容量、線路阻抗等，也會影響雙饋型風電機組并網(wǎng)后的電壓穩(wěn)定性。研究電網(wǎng)結構和參數(shù)與電壓波動之間的關系，為制定有效的抑制策略提供依據(jù)?；趯嶋H案例的仿真分析：收集實際的雙饋型風電場并網(wǎng)案例，獲取詳細的運行數(shù)據(jù)，包括風速、功率輸出、電網(wǎng)電壓等。根據(jù)實際案例的數(shù)據(jù)，在仿真軟件中搭建相應的模型，設置準確的參數(shù)，確保仿真模型能夠真實反映實際運行情況。通過仿真分析，研究不同工況下雙饋型風電機組并網(wǎng)引起的電網(wǎng)電壓波動特性，如電壓波動的幅度、頻率、持續(xù)時間等。對比仿真結果與實際測量數(shù)據(jù)，驗證仿真模型的準確性和可靠性。抑制電網(wǎng)電壓波動的策略研究：針對雙饋型風電機組并網(wǎng)引起的電網(wǎng)電壓波動問題，從風電機組側和電網(wǎng)側兩個方面提出抑制策略。在風電機組側，研究改進的控制策略，如基于智能算法的最大功率跟蹤控制、自適應無功功率控制等，通過優(yōu)化控制策略來減少風電機組輸出功率的波動，從而降低對電網(wǎng)電壓的影響。在電網(wǎng)側，考慮采用無功補償裝置，如靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）等，通過快速調(diào)節(jié)無功功率來維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。還可以研究電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度策略，合理安排風電和其他電源的出力，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。對提出的抑制策略進行仿真驗證，分析其有效性和可行性，為實際工程應用提供參考。1.3.2技術路線本研究采用理論分析與仿真實驗相結合的技術路線，具體如下：理論分析：通過廣泛查閱國內(nèi)外相關文獻資料，深入了解雙饋型風電機組的工作原理、控制策略以及電網(wǎng)電壓波動的相關理論知識。對雙饋型風電機組并網(wǎng)引起電網(wǎng)電壓波動的原因進行理論推導和分析，明確各因素之間的內(nèi)在聯(lián)系。建立雙饋型風電機組及電網(wǎng)的數(shù)學模型，運用電力系統(tǒng)分析理論，對模型進行求解和分析，為后續(xù)的仿真實驗提供理論依據(jù)。仿真實驗：利用專業(yè)的電力系統(tǒng)仿真軟件，如MATLAB/Simulink等，搭建雙饋型風電機組并網(wǎng)的仿真模型。根據(jù)實際案例的數(shù)據(jù)，對仿真模型進行參數(shù)設置和驗證，確保模型的準確性。在仿真模型中，模擬不同的風速變化、風電機組控制策略以及電網(wǎng)運行工況，研究雙饋型風電機組并網(wǎng)引起的電網(wǎng)電壓波動特性。通過改變模型中的參數(shù)，分析各因素對電壓波動的影響程度，為提出有效的抑制策略提供數(shù)據(jù)支持。結果分析與策略制定：對仿真實驗得到的數(shù)據(jù)進行詳細分析，繪制電壓波動曲線、功率變化曲線等圖表，直觀展示雙饋型風電機組并網(wǎng)引起的電網(wǎng)電壓波動情況。根據(jù)分析結果，結合理論知識，提出針對性的抑制電網(wǎng)電壓波動的策略。對提出的策略進行仿真驗證，對比策略實施前后電網(wǎng)電壓波動的改善情況，評估策略的有效性。對不同的抑制策略進行比較和分析，選擇最優(yōu)的策略，為實際工程應用提供參考。總結與展望：對整個研究過程進行總結，歸納雙饋型風電機組并網(wǎng)引起電網(wǎng)電壓波動的原因、特性以及有效的抑制策略。指出研究中存在的不足之處，提出未來進一步研究的方向和建議。展望雙饋型風電機組在風電領域的發(fā)展前景，以及解決電網(wǎng)電壓波動問題對促進風電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要意義。二、雙饋型風電機組并網(wǎng)原理與系統(tǒng)模型2.1風力發(fā)電機組及其分類風力發(fā)電機組作為將風能轉化為電能的關鍵設備，在風電領域中扮演著至關重要的角色。隨著風電技術的不斷發(fā)展，風力發(fā)電機組的類型也日益豐富多樣。根據(jù)不同的分類標準，風力發(fā)電機組可分為多種類型。按照風輪軸的位置，風力發(fā)電機組可分為水平軸風力發(fā)電機組和垂直軸風力發(fā)電機組。水平軸風力發(fā)電機組的風輪軸與風向平行，是目前應用最為廣泛的一種類型。其風輪上的葉片徑向安裝，垂直于旋轉軸，與風輪的旋轉平面成一定角度（稱為安裝角度），風輪葉片數(shù)量多為3片或5片，在高速運行時風能利用率較高，但啟動時需要較高的風速。垂直軸風力發(fā)電機組的風輪軸垂直于風向，其優(yōu)點是可以接受任何方向的風，無需對風裝置，但在效率和結構穩(wěn)定性方面仍存在一些挑戰(zhàn)，目前應用相對較少。依據(jù)功率大小，風力發(fā)電機組可分為小型、中型和大型。小型風力發(fā)電機組功率通常小于100kW，主要用于偏遠地區(qū)的獨立供電或小型商業(yè)項目；中型風力發(fā)電機組功率在100kW至1MW之間，適用于中等規(guī)模的項目，如農(nóng)場或小型社區(qū)；大型風力發(fā)電機組功率大于1MW，主要應用于大型風電場，是當前風電發(fā)展的主流機型。從控制技術角度，風力發(fā)電機組可分為固定速度風力發(fā)電機組和變速風力發(fā)電機組。固定速度風力發(fā)電機組的轉速固定，結構簡單，成本較低，但發(fā)電效率相對較低，無法根據(jù)風速變化進行優(yōu)化調(diào)整。變速風力發(fā)電機組能夠根據(jù)風速的變化實時調(diào)整轉速，可保證機組在低風速區(qū)域獲得更高的風能利用率，提高發(fā)電效率，減少設備磨損，是現(xiàn)代風力發(fā)電技術的發(fā)展方向。雙饋型風電機組作為變速恒頻風力發(fā)電機組中的主流機型，在風電領域得到了廣泛應用。它主要由風輪、雙饋式感應發(fā)電機（DFIG）、齒輪箱、雙饋變流器和控制系統(tǒng)等部分組成。風輪負責捕獲風能，并將其轉化為機械能，驅動發(fā)電機旋轉；雙饋式感應發(fā)電機是核心部件，將機械能轉化為電能；齒輪箱用于提升發(fā)電機的轉速，使其達到合適的發(fā)電轉速；雙饋變流器負責將發(fā)電機輸出的電能轉化為符合電網(wǎng)要求的交流電，并實現(xiàn)對發(fā)電機的控制；控制系統(tǒng)則監(jiān)測風速、機組轉速、電網(wǎng)電壓等參數(shù)，對機組進行實時控制和調(diào)節(jié)，以保證機組的安全穩(wěn)定運行和電能的高質(zhì)量輸出。雙饋型風電機組具有諸多優(yōu)勢。在能源轉換效率方面，它能夠在較寬的風速范圍內(nèi)實現(xiàn)高效運行。通過采用交流勵磁技術，發(fā)電機和電力系統(tǒng)構成了“柔性連接”，可以根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流和發(fā)電機的轉速來調(diào)節(jié)勵磁電流，精確地調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電流，使其能滿足要求。在亞同步運行狀態(tài)下，變頻器向發(fā)電機轉子提供交流勵磁，定子發(fā)出電能給電網(wǎng)；在超同步運行狀態(tài)下，發(fā)電機同時由定子和轉子發(fā)出電能給電網(wǎng)，變頻器的能量逆向流動。這種靈活的運行方式使得雙饋型風電機組能夠更好地適應風速的變化，提高風能利用效率。在動態(tài)響應能力方面，雙饋型風電機組表現(xiàn)出色。其控制系統(tǒng)能夠快速響應風速和電網(wǎng)工況的變化，通過調(diào)整勵磁電流，迅速改變發(fā)電機的輸出功率和無功功率，實現(xiàn)對電網(wǎng)的快速支撐。當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動時，雙饋型風電機組能夠快速調(diào)節(jié)無功功率，維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定；當風速突然變化時，機組能夠迅速調(diào)整轉速，保持穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)。雙饋型風電機組在電能質(zhì)量方面也具有明顯優(yōu)勢。由于其采用了部分功率變流技術，產(chǎn)生的諧波較小，能夠有效減少對電網(wǎng)的諧波污染，提高電能質(zhì)量。雙饋型風電機組還可以通過控制無功功率，實現(xiàn)對電網(wǎng)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，提高電網(wǎng)的運行效率。雙饋型風電機組在技術成熟度和成本方面也具有競爭力。經(jīng)過多年的發(fā)展和應用，雙饋型風電機組的技術已經(jīng)相對成熟，設備的可靠性和穩(wěn)定性較高。與其他類型的風電機組相比，雙饋型風電機組的成本相對較低，具有較好的性價比，這也是其在風電市場中占據(jù)主導地位的重要原因之一。2.2雙饋型風力發(fā)電機組原理2.2.1雙饋型風力發(fā)電機組的組成雙饋型風力發(fā)電機組主要由機械部分、電氣部分和控制部分組成，各部分相互協(xié)作，共同實現(xiàn)將風能高效轉化為電能并穩(wěn)定輸送至電網(wǎng)的功能。機械部分是雙饋型風力發(fā)電機組的基礎，主要包括風輪、塔筒、機艙和齒輪箱等部件。風輪作為捕獲風能的關鍵部件，通常由葉片和輪轂組成。葉片的設計形狀和材質(zhì)對風能捕獲效率起著至關重要的作用，現(xiàn)代風輪葉片多采用空氣動力學設計，以提高風能利用率。例如，某型號的風輪葉片采用了先進的翼型設計，在特定風速下，其風能捕獲效率比傳統(tǒng)葉片提高了15%。輪轂則連接葉片和主軸，將葉片捕獲的風能傳遞給主軸。塔筒用于支撐風輪和機艙，使其能夠在合適的高度捕獲風能。機艙安裝在塔筒頂部，內(nèi)部集成了多種關鍵設備，如發(fā)電機、齒輪箱、變流器等。齒輪箱在機械部分中起著重要的轉速匹配作用，由于風輪的轉速相對較低，而發(fā)電機需要在較高轉速下才能高效發(fā)電，齒輪箱通過多級齒輪傳動，將風輪的低速轉動提升為發(fā)電機所需的高速轉動，實現(xiàn)兩者之間的轉速匹配。電氣部分是雙饋型風力發(fā)電機組的核心，主要包括雙饋異步發(fā)電機、雙饋變流器和變壓器等部件。雙饋異步發(fā)電機是將機械能轉化為電能的關鍵設備，其定子繞組直接與電網(wǎng)相連，轉子繞組通過雙饋變流器與電網(wǎng)連接。這種連接方式使得發(fā)電機和電力系統(tǒng)構成了“柔性連接”，可以根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流和發(fā)電機的轉速來調(diào)節(jié)勵磁電流，精確地調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電流，使其能滿足電網(wǎng)要求。雙饋變流器由轉子側變流器和電網(wǎng)側變流器組成，它們通過直流母線連接。轉子側變流器負責控制發(fā)電機轉子的勵磁電流，實現(xiàn)對發(fā)電機有功功率和無功功率的獨立控制；電網(wǎng)側變流器則控制直流母線電壓，并確保變流器運行在統(tǒng)一功率因數(shù)，實現(xiàn)與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接。變壓器用于將發(fā)電機輸出的電能進行升壓，使其滿足電網(wǎng)的接入要求。在實際應用中，變壓器的容量和電壓等級需要根據(jù)風電場的規(guī)模和電網(wǎng)的要求進行合理選擇。控制部分是雙饋型風力發(fā)電機組的“大腦”，主要包括主控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)等。主控系統(tǒng)負責對整個機組進行監(jiān)控和控制，它通過采集風速、風向、機組轉速、電網(wǎng)電壓等各種傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)預設的控制策略，對機組的運行狀態(tài)進行實時調(diào)整。例如，當風速發(fā)生變化時，主控系統(tǒng)會根據(jù)風速的大小和變化趨勢，調(diào)整變槳控制系統(tǒng)，改變?nèi)~片的槳距角，以保證機組在最佳的運行狀態(tài)下捕獲風能。變槳控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)葉片的槳距角，實現(xiàn)對機組輸出功率的控制和保護。在額定風速以下，變槳控制系統(tǒng)通過調(diào)整槳距角，使機組保持最佳的葉尖速比，以獲得最大的風能捕獲效率；在額定風速以上，變槳控制系統(tǒng)通過增大槳距角，減小葉片的迎風面積，限制機組的輸出功率，防止機組過載。監(jiān)測系統(tǒng)則實時監(jiān)測機組的運行狀態(tài)，對機組的各個部件進行故障診斷和預警。當監(jiān)測到機組出現(xiàn)異常情況時，監(jiān)測系統(tǒng)會及時發(fā)出警報，并將相關信息傳輸給主控系統(tǒng)，以便采取相應的措施進行處理。通過監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)測和故障診斷，可以提高機組的可靠性和維護效率，降低機組的運行成本。2.2.2雙饋風力發(fā)電機組變速恒頻控制的基本原理雙饋風力發(fā)電機組變速恒頻控制的基本原理是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉子的勵磁電流，實現(xiàn)發(fā)電機轉速與電網(wǎng)頻率的解耦控制，從而使機組能夠在不同的風速下實現(xiàn)恒頻發(fā)電。在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中，交流勵磁發(fā)電機的定子繞組接入工頻電網(wǎng)，轉子繞組經(jīng)一個頻率、幅值、相位都可以調(diào)節(jié)的三相變頻電源供電。根據(jù)交流異步發(fā)電機的基本原理，定子電流頻率f_1、轉子轉速n、電機的極對數(shù)p和轉子勵磁電流的頻率f_2之間存在如下關系：f_1=np/60?±f_2。當發(fā)電機的轉速n小于定子旋轉磁場的同步轉速n_1時，處于亞同步運行狀態(tài)，轉子旋轉磁場相對于轉子的旋轉方向與轉子機械旋轉方向相同，此時f_2取正號，變頻器向發(fā)電機轉子提供交流勵磁，定子發(fā)出電能給電網(wǎng)；當n大于n_1時，處于超同步運行狀態(tài)，轉子旋轉磁場相對于轉子的旋轉方向與轉子機械旋轉方向相反，此時f_2取負號，發(fā)電機同時由定子和轉子發(fā)出電能給電網(wǎng)，變頻器的能量逆向流動；當n等于n_1時，處于同步運行狀態(tài)，此時發(fā)電機作為同步電機運行，f_2=0，變頻器向轉子提供直流勵磁。通過上述原理，雙饋風力發(fā)電機組可以在較寬的風速范圍內(nèi)實現(xiàn)變速運行，同時保持輸出電能的頻率恒定。在低風速時，機組通過降低轉速，保持最佳的葉尖速比，提高風能利用效率；在高風速時，機組通過提高轉速，限制輸出功率，保證機組的安全運行。這種變速恒頻控制方式使得雙饋風力發(fā)電機組能夠更好地適應不同的風速條件，提高發(fā)電效率和電能質(zhì)量。為了實現(xiàn)變速恒頻控制，雙饋風力發(fā)電機組通常采用矢量控制技術。矢量控制技術通過將定子電流和轉子電流分解為勵磁分量和轉矩分量，分別對其進行獨立控制，從而實現(xiàn)對發(fā)電機有功功率和無功功率的精確調(diào)節(jié)。在矢量控制中，首先需要對定子電壓和電流進行采樣和計算，得到定子磁鏈的估計值。然后，根據(jù)定子磁鏈的方向，將定子電流和轉子電流分解為勵磁分量和轉矩分量。通過調(diào)節(jié)轉子勵磁電流的幅值和相位，可以分別控制發(fā)電機的有功功率和無功功率。例如，當需要增加發(fā)電機的有功功率輸出時，可以增大轉子勵磁電流的轉矩分量；當需要調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)時，可以調(diào)節(jié)轉子勵磁電流的勵磁分量。2.2.3雙饋型異步風力發(fā)電機組定子、轉子功率的流向雙饋型異步風力發(fā)電機組在運行過程中，定子和轉子都可以與電網(wǎng)進行功率交換，其功率流向取決于機組的運行狀態(tài)。在亞同步運行狀態(tài)下，發(fā)電機的轉速低于同步轉速，此時變頻器向發(fā)電機轉子提供交流勵磁，轉子從電網(wǎng)吸收電能，作為勵磁功率。同時，定子將機械能轉化為電能，向電網(wǎng)輸出有功功率。此時，功率流向為：電網(wǎng)→轉子（勵磁功率），發(fā)電機（機械能→電能）→電網(wǎng)（有功功率）。在超同步運行狀態(tài)下，發(fā)電機的轉速高于同步轉速，轉子不僅從電網(wǎng)吸收勵磁功率，還向電網(wǎng)輸出一部分有功功率。此時，功率流向為：電網(wǎng)→轉子（勵磁功率），發(fā)電機（機械能→電能）→電網(wǎng)（有功功率），轉子（有功功率）→電網(wǎng)。在同步運行狀態(tài)下，發(fā)電機的轉速等于同步轉速，轉子勵磁電流為直流，此時轉子只從電網(wǎng)吸收少量的勵磁功率，定子將機械能轉化為電能，向電網(wǎng)輸出有功功率。此時，功率流向為：電網(wǎng)→轉子（勵磁功率），發(fā)電機（機械能→電能）→電網(wǎng)（有功功率）。在不同工況下，雙饋型異步風力發(fā)電機組的功率傳輸具有以下特點。在正常運行時，定子輸出的有功功率主要取決于風力機捕獲的風能，通過調(diào)節(jié)葉片的槳距角和發(fā)電機的轉速，可以實現(xiàn)對有功功率的控制。轉子的勵磁功率相對較小，主要用于調(diào)節(jié)發(fā)電機的無功功率和實現(xiàn)變速恒頻控制。當風速發(fā)生變化時，機組會自動調(diào)整運行狀態(tài)，以適應風速的變化。在低風速時，機組通過降低轉速，增加風能捕獲效率，此時定子輸出的有功功率較小，轉子吸收的勵磁功率也相應減??；在高風速時，機組通過提高轉速，限制輸出功率，此時定子輸出的有功功率較大，轉子可能會向電網(wǎng)輸出一部分有功功率。當電網(wǎng)電壓或頻率發(fā)生波動時，雙饋型異步風力發(fā)電機組可以通過調(diào)節(jié)轉子勵磁電流，快速響應電網(wǎng)的變化，維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。當電網(wǎng)電壓下降時，機組可以增加轉子勵磁電流的無功分量，向電網(wǎng)輸出無功功率，提高電網(wǎng)電壓；當電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，機組可以通過調(diào)節(jié)轉子勵磁電流的頻率，保持發(fā)電機輸出電能的頻率與電網(wǎng)頻率一致。2.3雙饋型風電機組并網(wǎng)建模理論依據(jù)2.3.1風力機基本理論風力機作為雙饋型風電機組捕獲風能的關鍵部件，其工作原理基于空氣動力學。當風吹過風力機的葉片時，葉片表面的空氣流速發(fā)生變化，根據(jù)伯努利原理，葉片上下表面會產(chǎn)生壓力差，從而形成升力。這個升力驅動葉片繞軸旋轉，將風能轉化為機械能。在這個過程中，風能利用系數(shù)是衡量風力機性能的重要指標，它表示風力機從風中捕獲的能量與風中蘊含的總能量之比。風能利用系數(shù)的計算方法較為復雜，涉及到多個因素。其計算公式為：C_p=\frac{P}{0.5\rhov^3A}，其中C_p為風能利用系數(shù)，P為風力機輸出的機械功率，\rho為空氣密度，v為風速，A為風力機掃掠面積。從公式中可以看出，風能利用系數(shù)與風速、葉片形狀、葉尖速比等因素密切相關。風速的變化直接影響到風能的輸入，不同的葉片形狀具有不同的空氣動力學性能，會對風能利用系數(shù)產(chǎn)生顯著影響。葉尖速比是指葉片尖端的線速度與風速之比，它是影響風能利用系數(shù)的關鍵參數(shù)之一。在不同的風速下，存在一個最佳葉尖速比，使得風力機能夠獲得最大的風能利用系數(shù)。為了更直觀地理解風能利用系數(shù)與葉尖速比的關系，以某型號風力機為例進行分析。當葉尖速比為5時，風能利用系數(shù)達到最大值0.45，這意味著在該葉尖速比下，風力機能夠最有效地將風能轉化為機械能。當葉尖速比偏離最佳值時，風能利用系數(shù)會逐漸降低。當葉尖速比為3時，風能利用系數(shù)降至0.35，這表明風力機的能量轉換效率有所下降。這是因為葉尖速比的變化會改變?nèi)~片表面的氣流流動狀態(tài)，進而影響葉片所受到的升力和阻力。當葉尖速比偏離最佳值時，葉片表面可能會出現(xiàn)氣流分離等現(xiàn)象，導致能量損失增加，風能利用系數(shù)降低。除了葉尖速比，風力機的功率特性也與風速密切相關。在低風速時，由于風能輸入較小，風力機輸出的功率也較低。隨著風速的逐漸增加，風力機的輸出功率會迅速增大。當風速達到額定風速時，風力機輸出額定功率。在額定風速以上，為了保證風力機的安全運行，需要通過變槳控制等方式限制風力機的輸出功率，使其保持在額定功率附近。某風力機的額定風速為12m/s，當風速為10m/s時，輸出功率為額定功率的80%；當風速達到15m/s時，通過變槳控制，風力機的輸出功率仍保持在額定功率水平。風力機的啟動風速也是一個重要參數(shù)。只有當風速達到啟動風速時，風力機才能克服自身的摩擦力和慣性，開始旋轉并發(fā)電。不同型號的風力機啟動風速可能會有所不同，一般在3-5m/s之間。某小型風力機的啟動風速為3.5m/s，當風速低于這個值時，風力機無法啟動；當風速超過3.5m/s時，風力機開始啟動并逐漸加速。2.3.2發(fā)電機模型雙饋異步發(fā)電機是雙饋型風電機組的核心部件之一，其數(shù)學模型的建立對于深入理解風電機組的運行特性至關重要。在建立雙饋異步發(fā)電機的數(shù)學模型時，通常采用派克變換將電機的三相靜止坐標系下的電壓、電流等物理量轉換到兩相旋轉坐標系下，從而簡化數(shù)學模型的表達和分析。在兩相旋轉坐標系下，雙饋異步發(fā)電機的電壓方程可以表示為：u_{sd}=R_si_{sd}+p\psi_{sd}-\omega_1\psi_{sq}，u_{sq}=R_si_{sq}+p\psi_{sq}+\omega_1\psi_{sd}，u_{rd}=R_ri_{rd}+p\psi_{rd}-(\omega_1-\omega_r)\psi_{rq}，u_{rq}=R_ri_{rq}+p\psi_{rq}+(\omega_1-\omega_r)\psi_{rd}，其中u_{sd}、u_{sq}分別為定子d、q軸電壓，i_{sd}、i_{sq}分別為定子d、q軸電流，\psi_{sd}、\psi_{sq}分別為定子d、q軸磁鏈，R_s為定子電阻，\omega_1為同步角速度，u_{rd}、u_{rq}分別為轉子d、q軸電壓，i_{rd}、i_{rq}分別為轉子d、q軸電流，\psi_{rd}、\psi_{rq}分別為轉子d、q軸磁鏈，R_r為轉子電阻，\omega_r為轉子角速度，p為微分算子。磁鏈方程可以表示為：\psi_{sd}=L_si_{sd}+L_{m}i_{rd}，\psi_{sq}=L_si_{sq}+L_{m}i_{rq}，\psi_{rd}=L_{m}i_{sd}+L_ri_{rd}，\psi_{rq}=L_{m}i_{sq}+L_ri_{rq}，其中L_s為定子自感，L_m為定轉子互感，L_r為轉子自感。轉矩方程為：T_e=n_pL_m(i_{sq}i_{rd}-i_{sd}i_{rq})，其中T_e為電磁轉矩，n_p為電機極對數(shù)。在不同的運行狀態(tài)下，雙饋異步發(fā)電機具有不同的特性。在亞同步運行狀態(tài)下，發(fā)電機的轉速低于同步轉速，此時轉子從電網(wǎng)吸收電能作為勵磁功率，定子向電網(wǎng)輸出有功功率。由于轉子轉速較低，轉子繞組中感應的電動勢頻率也較低，需要通過雙饋變流器向轉子提供合適頻率的勵磁電流，以保證發(fā)電機的正常運行。在這種狀態(tài)下，發(fā)電機的無功功率可以通過調(diào)節(jié)轉子勵磁電流的相位來控制，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。在超同步運行狀態(tài)下，發(fā)電機的轉速高于同步轉速，轉子不僅從電網(wǎng)吸收勵磁功率，還向電網(wǎng)輸出一部分有功功率。此時，轉子繞組中感應的電動勢頻率較高，雙饋變流器需要反向工作，將轉子輸出的電能回饋到電網(wǎng)中。在超同步運行狀態(tài)下，發(fā)電機的有功功率和無功功率同樣可以通過調(diào)節(jié)轉子勵磁電流來控制，以滿足電網(wǎng)的需求。在同步運行狀態(tài)下，發(fā)電機的轉速等于同步轉速，轉子勵磁電流為直流，此時轉子只從電網(wǎng)吸收少量的勵磁功率，定子將機械能轉化為電能，向電網(wǎng)輸出有功功率。在同步運行狀態(tài)下，發(fā)電機的運行特性類似于同步發(fā)電機，其輸出的電能頻率和相位與電網(wǎng)一致，無功功率的調(diào)節(jié)相對較為簡單。2.3.3換流器與控制模型換流器在雙饋型風電機組中起著關鍵作用，它連接著發(fā)電機的轉子和電網(wǎng)，實現(xiàn)了電能的雙向流動和控制。雙饋型風電機組中的換流器通常采用雙PWM變流器，由轉子側變流器（RSC）和電網(wǎng)側變流器（GSC）組成，它們通過直流母線連接。轉子側變流器主要負責控制發(fā)電機轉子的勵磁電流，實現(xiàn)對發(fā)電機有功功率和無功功率的獨立控制。其工作原理是通過調(diào)節(jié)轉子勵磁電流的幅值、頻率和相位，來改變發(fā)電機的電磁轉矩和定子輸出電壓的幅值、頻率和相位。當需要調(diào)節(jié)發(fā)電機的有功功率時，轉子側變流器可以通過改變轉子勵磁電流的相位，來改變發(fā)電機的電磁轉矩，從而實現(xiàn)對有功功率的控制。當需要調(diào)節(jié)發(fā)電機的無功功率時，轉子側變流器可以通過改變轉子勵磁電流的幅值，來改變發(fā)電機的無功功率輸出。電網(wǎng)側變流器則主要控制直流母線電壓，并確保變流器運行在統(tǒng)一功率因數(shù)，實現(xiàn)與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接。它通過調(diào)節(jié)自身的開關狀態(tài)，將直流母線電壓穩(wěn)定在設定值，并根據(jù)電網(wǎng)的需求，調(diào)節(jié)輸出電流的相位和幅值，使變流器輸出的電能與電網(wǎng)的電壓和頻率相匹配，實現(xiàn)與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接。當電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，電網(wǎng)側變流器可以通過調(diào)節(jié)輸出電流的相位和幅值，來維持直流母線電壓的穩(wěn)定，并向電網(wǎng)提供或吸收無功功率，以維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。為了實現(xiàn)對換流器的精確控制，需要構建相應的控制模型。常用的控制策略包括矢量控制和直接功率控制等。矢量控制策略通過將定子電流和轉子電流分解為勵磁分量和轉矩分量，分別對其進行獨立控制，從而實現(xiàn)對發(fā)電機有功功率和無功功率的精確調(diào)節(jié)。在矢量控制中，首先需要對定子電壓和電流進行采樣和計算，得到定子磁鏈的估計值。然后，根據(jù)定子磁鏈的方向，將定子電流和轉子電流分解為勵磁分量和轉矩分量。通過調(diào)節(jié)轉子勵磁電流的幅值和相位，可以分別控制發(fā)電機的有功功率和無功功率。當需要增加發(fā)電機的有功功率輸出時，可以增大轉子勵磁電流的轉矩分量；當需要調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)時，可以調(diào)節(jié)轉子勵磁電流的勵磁分量。直接功率控制策略則直接對發(fā)電機的有功功率和無功功率進行控制，通過檢測發(fā)電機的輸出功率和電網(wǎng)電壓等信號，直接計算出所需的控制信號，實現(xiàn)對換流器的控制。這種控制策略具有響應速度快、控制簡單等優(yōu)點，但對系統(tǒng)參數(shù)的變化較為敏感。在直接功率控制中，首先需要檢測發(fā)電機的輸出功率和電網(wǎng)電壓等信號，然后根據(jù)這些信號計算出所需的控制信號，通過調(diào)節(jié)換流器的開關狀態(tài)，實現(xiàn)對發(fā)電機有功功率和無功功率的控制。換流器的控制對雙饋型風電機組的運行具有重要影響。通過精確控制換流器，可以實現(xiàn)對發(fā)電機有功功率和無功功率的快速調(diào)節(jié)，提高風電機組的動態(tài)響應性能。當風速發(fā)生突變時，換流器能夠迅速調(diào)整發(fā)電機的輸出功率，保持風電機組的穩(wěn)定運行。換流器還可以通過控制無功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在電網(wǎng)電壓波動較大時，換流器可以向電網(wǎng)提供或吸收無功功率，維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，減少電壓波動對電網(wǎng)設備的影響。2.4電壓波動2.4.1電壓波動的定義電壓波動是指電網(wǎng)電壓有效值（方均根值）的快速變動。在電力系統(tǒng)中，電壓波動通常表現(xiàn)為電壓幅值在一定范圍內(nèi)的有規(guī)則變動，或工頻電壓包絡線的周期性變化，也可能是電壓幅值不超過一定范圍（如0.9-1標幺值）的一系列隨機變化。電壓波動值以用戶公共供電點在時間上相鄰的最大與最小電壓方均根值之差對電網(wǎng)額定電壓的百分值來表示，即：\DeltaU\%=\frac{U_{max}-U_{min}}{U_N}\times100\%，其中\(zhòng)DeltaU\%為電壓波動值，U_{max}和U_{min}分別為時間上相鄰的最大與最小電壓方均根值，U_N為電網(wǎng)額定電壓。從物理現(xiàn)象角度來看，電壓波動會導致電氣設備的工作狀態(tài)發(fā)生變化。對于照明設備，電壓波動可能會引起燈光的閃爍，影響人的視覺感受，長時間處于這種環(huán)境中可能會導致眼睛疲勞、頭痛等不適癥狀。對于電子設備，如計算機、精密儀器等，電壓波動可能會導致設備工作異常，數(shù)據(jù)丟失，甚至損壞設備。在工業(yè)生產(chǎn)中，電壓波動可能會影響產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。在一些對電壓穩(wěn)定性要求極高的場合，如醫(yī)院的手術室、金融機構的交易系統(tǒng)等，電壓波動可能會危及生命安全或造成重大經(jīng)濟損失。2.4.2電壓波動的限值為了保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和各類電氣設備的正常工作，國內(nèi)外均制定了嚴格的電壓波動標準和限值要求。國際電工委員會（IEC）在相關標準中對電壓波動做出了明確規(guī)定。對于公共連接點（PCC），短期電壓變動（在3s內(nèi)的電壓變動）的限值根據(jù)不同的電壓等級和負荷類型有所差異。在低壓系統(tǒng)中，電壓變動限值一般要求在±4%以內(nèi)；在中壓系統(tǒng)中，限值通常為±3%左右；在高壓系統(tǒng)中，限值相對更嚴格，一般在±2%左右。長期電壓變動（超過3s的電壓變動）的限值也有相應規(guī)定，以確保電力系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。中國也根據(jù)自身電網(wǎng)特點和電氣設備要求，制定了一系列電壓波動標準。在國家標準GB/T12326-2008《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》中規(guī)定，對于公共連接點，在系統(tǒng)正常運行的較小方式下，以一周（168h）為測量周期，所有長時間閃變值Plt的95%概率大值不應超過1.0，短時閃變值Pst的95%概率大值不應超過1.0。對于不同電壓等級的電網(wǎng)，具體的電壓波動限值也有所不同。在35kV及以上電壓等級的電網(wǎng)中，電壓波動限值一般要求在±2%以內(nèi)；在10kV及以下電壓等級的電網(wǎng)中，電壓波動限值一般為±3%-±5%。這些標準和限值要求是基于大量的理論研究和實際運行經(jīng)驗制定的，旨在平衡電力系統(tǒng)運行成本和電氣設備正常運行的需求。如果電壓波動超出這些限值，不僅會影響電氣設備的正常運行，還可能導致電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，增加電網(wǎng)故障的風險。在一些電壓波動較大的地區(qū)，由于未能滿足標準要求，頻繁出現(xiàn)電氣設備損壞、生產(chǎn)中斷等問題，給企業(yè)和用戶帶來了巨大的經(jīng)濟損失。嚴格遵守電壓波動標準和限值要求對于保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和用戶的正常用電至關重要。2.4.3電壓波動的產(chǎn)生原因雙饋型風電機組并網(wǎng)導致電壓波動的原因是多方面的，可分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要與雙饋型風電機組自身的特性和運行狀態(tài)密切相關。風速的隨機性和間歇性是導致雙饋型風電機組輸出功率波動的直接原因。風速的變化是不規(guī)則的，可能在短時間內(nèi)發(fā)生大幅變化。當風速突然增大時，風電機組捕獲的風能增加，輸出功率隨之上升；反之，當風速突然減小時，輸出功率則會下降。這種功率的快速變化注入電網(wǎng)后，會引起電網(wǎng)電壓的波動。風電機組自身的控制策略也對電壓波動有著重要影響。以最大功率跟蹤控制策略為例，其目的是使風電機組在不同風速下都能捕獲最大風能，將風能轉化為電能。在實現(xiàn)最大功率跟蹤的過程中，風電機組的轉速和槳距角會不斷調(diào)整，這可能導致輸出功率的波動。當風速發(fā)生變化時，為了保持最大功率跟蹤，風電機組需要快速調(diào)整轉速和槳距角，這種快速調(diào)整可能會引起輸出功率的突變，進而導致電網(wǎng)電壓波動。無功功率控制策略同樣會對電壓波動產(chǎn)生影響。雙饋型風電機組可以通過調(diào)節(jié)無功功率來維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，但如果無功功率控制不當，反而會加劇電壓波動。當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動時，風電機組需要快速調(diào)整無功功率輸出，以維持電壓穩(wěn)定。如果無功功率的調(diào)節(jié)速度過慢或調(diào)節(jié)量不準確，就無法及時有效地抑制電壓波動，甚至可能使電壓波動進一步加劇。外部因素主要涉及電網(wǎng)的結構和參數(shù)。電網(wǎng)的短路容量是一個關鍵參數(shù)，它反映了電網(wǎng)承受負荷變化的能力。短路容量較小的電網(wǎng)，對風電機組輸出功率波動的承受能力較弱。當雙饋型風電機組并網(wǎng)后，其輸出功率的波動會對電網(wǎng)電壓產(chǎn)生較大影響，容易導致電壓波動超出允許范圍。在一些偏遠地區(qū)的電網(wǎng)，由于短路容量較小，當接入一定規(guī)模的雙饋型風電機組后，電網(wǎng)電壓波動問題明顯加劇，嚴重影響了當?shù)氐墓╇娰|(zhì)量。線路阻抗也會對電壓波動產(chǎn)生影響。線路阻抗包括電阻和電感，當電流通過線路時，會在線路上產(chǎn)生電壓降。雙饋型風電機組輸出功率的波動會導致電流的變化，進而使線路上的電壓降發(fā)生變化，引起電網(wǎng)電壓波動。較長的輸電線路或阻抗較大的線路，電壓降的變化更為明顯，電壓波動問題也更為突出。在一些遠距離輸電的風電場，由于線路阻抗較大，風電機組輸出功率的波動在傳輸過程中被放大，導致電網(wǎng)電壓波動加劇。2.4.4電壓波動的抑制方法為了有效抑制雙饋型風電機組并網(wǎng)引起的電壓波動，可從多個方面采取措施。在風電機組側，改進控制策略是關鍵?；谥悄芩惴ǖ淖畲蠊β矢櫩刂剖且环N有效的方法。傳統(tǒng)的最大功率跟蹤控制策略在應對復雜多變的風速時，可能存在響應速度慢、跟蹤精度低等問題，導致輸出功率波動較大。而基于智能算法的最大功率跟蹤控制，如采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等，可以根據(jù)實時的風速、機組轉速等信息，更準確地計算出最佳的控制參數(shù)，實現(xiàn)對最大功率的快速、精確跟蹤，從而減少輸出功率的波動，降低對電網(wǎng)電壓的影響。通過模糊控制算法，根據(jù)風速的變化率和當前風速值，動態(tài)調(diào)整風電機組的槳距角和轉速，使風電機組能夠更快速地適應風速變化，保持穩(wěn)定的輸出功率。自適應無功功率控制也是一種重要的抑制方法。風電機組可以根據(jù)電網(wǎng)電壓的實時變化，自動調(diào)整無功功率輸出，以維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。當電網(wǎng)電壓下降時，風電機組自動增加無功功率輸出，提高電網(wǎng)電壓；當電網(wǎng)電壓上升時，風電機組減少無功功率輸出，防止電網(wǎng)電壓過高。通過這種自適應控制方式，可以有效抑制電壓波動，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在電網(wǎng)側，采用無功補償裝置是常用的手段。靜止無功補償器（SVC）是一種廣泛應用的無功補償裝置，它通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，快速改變自身的無功功率輸出，以補償電網(wǎng)中的無功功率缺額或過剩，從而維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。SVC具有響應速度快、調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點，能夠有效地抑制電壓波動。在一些風電場接入的電網(wǎng)中，安裝SVC后，電網(wǎng)電壓波動明顯減小，電能質(zhì)量得到顯著提高。靜止同步補償器（STATCOM）也是一種先進的無功補償裝置，它采用全控型電力電子器件，能夠更快速、精確地調(diào)節(jié)無功功率。STATCOM可以看作是一個可控的無功電流源，能夠根據(jù)電網(wǎng)的需求，實時提供或吸收無功功率，對電壓波動的抑制效果更為顯著。與SVC相比，STATCOM具有響應速度更快、補償精度更高、占地面積小等優(yōu)勢，在一些對電壓穩(wěn)定性要求較高的場合得到了廣泛應用。還可以通過優(yōu)化電網(wǎng)的調(diào)度策略來抑制電壓波動。合理安排風電和其他電源的出力，使電力系統(tǒng)的總功率輸出保持穩(wěn)定，減少因功率波動引起的電壓波動。在風電大發(fā)時，適當降低其他電源的出力，避免電力系統(tǒng)總功率過高導致電壓波動；在風電出力不足時，增加其他電源的出力，保證電力系統(tǒng)的正常供電。通過優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度策略，可以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，降低電壓波動的風險。2.5本章小結本章深入探討了雙饋型風電機組并網(wǎng)原理與系統(tǒng)模型以及電壓波動相關理論。在風力發(fā)電機組及其分類方面，介紹了風力發(fā)電機組按風輪軸位置、功率大小、控制技術等不同標準的分類，重點闡述了雙饋型風電機組的組成及優(yōu)勢，其在能源轉換效率、動態(tài)響應能力、電能質(zhì)量和成本等方面表現(xiàn)出色，是當前風電領域的主流機型。雙饋型風力發(fā)電機組原理部分，詳細剖析了其組成，包括機械部分、電氣部分和控制部分，各部分協(xié)同工作實現(xiàn)風能到電能的轉換。變速恒頻控制的基本原理通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉子勵磁電流，使機組在不同風速下實現(xiàn)恒頻發(fā)電。同時，明確了雙饋型異步風力發(fā)電機組在亞同步、超同步和同步運行狀態(tài)下定子、轉子功率的流向及特點。雙饋型風電機組并網(wǎng)建模理論依據(jù)方面，闡述了風力機基本理論，如風能利用系數(shù)與葉尖速比、風速的關系，以及風力機的功率特性和啟動風速等。建立了雙饋異步發(fā)電機的數(shù)學模型，包括電壓方程、磁鏈方程和轉矩方程，并分析了其在不同運行狀態(tài)下的特性。還介紹了換流器的工作原理和控制策略，換流器由轉子側變流器和電網(wǎng)側變流器組成，常用的控制策略有矢量控制和直接功率控制，其控制對雙饋型風電機組的運行至關重要。在電壓波動部分，明確了電壓波動的定義，即電網(wǎng)電壓有效值的快速變動，闡述了其對電氣設備和電力系統(tǒng)的影響。介紹了國內(nèi)外關于電壓波動的限值標準，這些標準是保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和設備正常工作的重要依據(jù)。分析了雙饋型風電機組并網(wǎng)導致電壓波動的原因，包括內(nèi)部因素如風速的隨機性和間歇性、風電機組自身控制策略，以及外部因素如電網(wǎng)的短路容量和線路阻抗等。提出了從風電機組側改進控制策略，如基于智能算法的最大功率跟蹤控制和自適應無功功率控制，以及在電網(wǎng)側采用無功補償裝置，如靜止無功補償器和靜止同步補償器，優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度策略等抑制電壓波動的方法。本章內(nèi)容為后續(xù)研究雙饋型風電機組并網(wǎng)引起的電網(wǎng)電壓波動提供了堅實的理論基礎，有助于深入理解雙饋型風電機組的運行特性和電壓波動的產(chǎn)生機制，為提出有效的抑制策略奠定了基礎。三、雙饋型風力發(fā)電機組并網(wǎng)建模3.1風速的數(shù)學模型與建模風速作為雙饋型風電機組運行的關鍵輸入，其特性對風電機組的輸出功率和電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性有著深遠影響。風速具有高度的隨機性和間歇性，在不同的時間尺度和空間范圍內(nèi)呈現(xiàn)出復雜的變化模式。為了準確研究雙饋型風電機組并網(wǎng)引起的電網(wǎng)電壓波動，建立精確的風速模型至關重要。在實際風電場中，風速受到多種因素的影響，如地形地貌、大氣環(huán)流、季節(jié)變化等。在山區(qū)，由于地形起伏較大，風速會受到山體阻擋和加速效應的影響，呈現(xiàn)出復雜的變化規(guī)律；在沿海地區(qū)，海風的周期性變化以及與陸地風的相互作用，也會導致風速的不穩(wěn)定。這些復雜的因素使得風速的變化難以準確預測，增加了風電機組運行的不確定性。常用的風速模型包括陣風模型、漸變風模型、隨機風模型等。這些模型從不同角度描述了風速的變化特性，通過合理組合這些模型，可以構建出更接近實際自然風的仿真風速模型。陣風模型主要用于描述風速的突然變化，漸變風模型則側重于體現(xiàn)風速的緩慢變化過程，隨機風模型用于模擬風速的隨機波動。將這些模型進行有機組合，可以更全面地反映風速的真實變化情況，為研究雙饋型風電機組在不同風速條件下的運行特性提供更準確的輸入。3.1.1陣風仿真風速曲線陣風是風速在短時間內(nèi)的突然變化，其特性對雙饋型風電機組的運行有著顯著影響。陣風的數(shù)學模型通常采用余弦函數(shù)來描述，具體公式為：v_g(t)=\begin{cases}0,&t<t_{g1}\\\frac{\Deltav_g}{2}(1-\cos(\frac{\pi(t-t_{g1})}{T_g})),&t_{g1}\leqt\leqt_{g1}+T_g\\0,&t>t_{g1}+T_g\end{cases}其中，v_g(t)為陣風風速，\Deltav_g為陣風風速的變化幅值，T_g為陣風持續(xù)時間，t_{g1}為陣風開始時間。為了深入研究陣風對雙饋型風電機組的影響，利用MATLAB軟件進行仿真分析。在仿真過程中，設定相關參數(shù)如下：基本風速v_0=8m/s，陣風風速變化幅值\Deltav_g=4m/s，陣風持續(xù)時間T_g=5s，陣風開始時間t_{g1}=10s。通過這些參數(shù)設置，模擬出陣風風速隨時間的變化情況，如圖1所示。[此處插入陣風仿真風速曲線，橫坐標為時間t(s)，縱坐標為風速v(m/s)，曲線在10s時開始出現(xiàn)陣風，風速從8m/s逐漸上升到12m/s，在15s時陣風結束，風速恢復到8m/s]從圖1中可以清晰地看出，在10s時陣風開始，風速迅速從基本風速8m/s上升到12m/s，在15s時陣風結束，風速又快速恢復到基本風速。這種風速的突然變化會對雙饋型風電機組的輸出功率產(chǎn)生直接影響。當陣風發(fā)生時，風電機組捕獲的風能迅速增加，導致輸出功率大幅上升。由于風速的快速變化，風電機組的控制系統(tǒng)需要快速響應，調(diào)整發(fā)電機的轉速和槳距角，以適應風速的變化。如果控制系統(tǒng)的響應速度不夠快，就會導致輸出功率的波動加劇，進而對電網(wǎng)電壓產(chǎn)生較大影響。在實際運行中，陣風引起的輸出功率波動可能會導致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)瞬間的上升或下降，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。3.1.2漸變風仿真風速曲線漸變風是指風速在較長時間內(nèi)緩慢變化的一種風速特性，它對雙饋型風電機組的運行特性同樣有著重要影響。漸變風的數(shù)學模型可以表示為：v_r(t)=\begin{cases}v_0,&t<t_{r1}\\v_0+\frac{\Deltav_r(t-t_{r1})}{t_{r2}-t_{r1}},&t_{r1}\leqt\leqt_{r2}\\v_0+\Deltav_r,&t>t_{r2}\end{cases}其中，v_r(t)為漸變風風速，v_0為初始風速，\Deltav_r為漸變風風速的變化幅值，t_{r1}為漸變風開始時間，t_{r2}為漸變風結束時間。在MATLAB仿真中，設置初始風速v_0=6m/s，漸變風風速變化幅值\Deltav_r=3m/s，漸變風開始時間t_{r1}=5s，漸變風結束時間t_{r2}=15s。得到的漸變風仿真風速曲線如圖2所示。[此處插入漸變風仿真風速曲線，橫坐標為時間t(s)，縱坐標為風速v(m/s)，曲線在5s時開始逐漸上升，從6m/s逐漸上升到9m/s，在15s時達到9m/s后保持穩(wěn)定]從圖2可以看出，在5s時漸變風開始，風速從6m/s開始逐漸上升，在15s時達到9m/s后保持穩(wěn)定。這種風速的緩慢變化過程對雙饋型風電機組的運行特性產(chǎn)生了獨特的影響。隨著漸變風風速的逐漸增加，風電機組捕獲的風能也逐漸增多，輸出功率相應上升。由于風速變化較為緩慢，風電機組的控制系統(tǒng)有相對充足的時間進行調(diào)整，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉速和槳距角，使風電機組能夠在不同風速下保持較好的運行狀態(tài)。相比陣風，漸變風引起的輸出功率波動相對較小，對電網(wǎng)電壓的影響也相對緩和。在實際運行中，漸變風條件下雙饋型風電機組的輸出功率能夠較為平穩(wěn)地變化，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。3.1.3隨機風仿真風速曲線隨機風是風速特性中最具不確定性的部分，它的存在使得風速的變化更加復雜，對雙饋型風電機組的輸出功率和電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生了重要影響。隨機風的模擬通常采用隨機噪聲來實現(xiàn)，通過一定的算法生成符合特定統(tǒng)計特性的隨機數(shù)，再將其與基本風速相結合，從而得到隨機風風速。在MATLAB中，可以利用randn函數(shù)生成符合正態(tài)分布的隨機數(shù)，然后通過適當?shù)淖儞Q將其轉化為風速的隨機分量。假設基本風速為v_0，隨機風風速的標準差為\sigma，則隨機風風速v_n(t)可以表示為：v_n(t)=v_0+\sigma\cdotrandn(1)在仿真過程中，設定基本風速v_0=7m/s，隨機風風速的標準差\sigma=1m/s。通過多次仿真得到的隨機風仿真風速曲線如圖3所示。[此處插入隨機風仿真風速曲線，橫坐標為時間t(s)，縱坐標為風速v(m/s)，曲線呈現(xiàn)出無規(guī)則的波動，圍繞基本風速7m/s上下波動]從圖3中可以看出，隨機風風速呈現(xiàn)出無規(guī)則的波動，圍繞基本風速7m/s上下波動。這種隨機波動會導致雙饋型風電機組的輸出功率也隨之產(chǎn)生隨機波動。由于隨機風的不確定性，風電機組的控制系統(tǒng)難以準確預測風速的變化，從而增加了控制的難度。隨機風引起的輸出功率波動會對電網(wǎng)電壓產(chǎn)生隨機擾動，可能導致電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定。在實際運行中，隨機風可能會使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)頻繁的小幅度波動，影響電網(wǎng)中其他設備的正常運行。為了降低隨機風對電網(wǎng)電壓的影響，需要采取有效的控制策略，如采用先進的功率預測技術和無功補償措施，提高風電機組的抗干擾能力和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。3.1.4自然風仿真風速模型的建立自然風是一個復雜的動態(tài)過程，其風速包含了多種成分，如基本風速、陣風、漸變風以及隨機風等。為了更真實地模擬自然風，需要綜合考慮這些成分，建立自然風仿真風速模型。自然風仿真風速模型可以表示為：v(t)=v_b+v_g(t)+v_r(t)+v_n(t)其中，v(t)為自然風風速，v_b為基本風速，v_g(t)為陣風風速，v_r(t)為漸變風風速，v_n(t)為隨機風風速。在建立自然風仿真風速模型時，需要根據(jù)實際風電場的風速數(shù)據(jù)，確定各個成分的參數(shù)。通過對大量實際風速數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可以得到基本風速的平均值和變化范圍，以及陣風、漸變風、隨機風的相關參數(shù)，如幅值、持續(xù)時間、標準差等。利用MATLAB搭建自然風仿真風速模型的實現(xiàn)步驟如下：確定基本風速v_b，可以根據(jù)風電場的歷史數(shù)據(jù)或平均風速來設定。根據(jù)陣風的數(shù)學模型，設置陣風的參數(shù)，如\Deltav_g、T_g、t_{g1}，并生成陣風風速曲線v_g(t)。依據(jù)漸變風的數(shù)學模型，設定漸變風的參數(shù)，如\Deltav_r、t_{r1}、t_{r2}，生成漸變風風速曲線v_r(t)。按照隨機風的模擬方法，設置隨機風的參數(shù)，如標準差\sigma，生成隨機風風速曲線v_n(t)。將基本風速、陣風風速、漸變風風速和隨機風風速相加，得到自然風仿真風速曲線v(t)。通過建立自然風仿真風速模型，可以更準確地模擬實際風電場的風速變化情況，為研究雙饋型風電機組在自然風條件下的運行特性和對電網(wǎng)電壓的影響提供更真實的輸入。利用該模型進行仿真分析，可以更深入地了解雙饋型風電機組并網(wǎng)引起的電網(wǎng)電壓波動問題，為制定有效的抑制策略提供有力的支持。在實際應用中，自然風仿真風速模型可以幫助風電場運營商更好地評估風電機組的性能，優(yōu)化風電場的布局和運行管理，提高風電并網(wǎng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。3.2風輪機的模型及參數(shù)設定3.2.1風輪機性能參數(shù)風輪機作為雙饋型風電機組捕獲風能的關鍵部件，其性能參數(shù)對風電機組的運行效率和穩(wěn)定性有著至關重要的影響。風輪機的主要性能參數(shù)包括葉片長度、額定功率、額定風速、切入風速、切出風速、風能利用系數(shù)等，這些參數(shù)相互關聯(lián)，共同決定了風輪機的性能表現(xiàn)。葉片長度是風輪機的重要幾何參數(shù)，它直接影響風輪機的掃掠面積和捕獲風能的能力。一般來說，葉片越長，掃掠面積越大，能夠捕獲的風能也就越多。對于一臺葉片長度為50米的風輪機，其掃掠面積可達7850平方米，相比葉片長度為40米的風輪機，掃掠面積增加了約56.25%，在相同風速條件下，能夠捕獲更多的風能，輸出功率也相應提高。葉片長度的增加也會帶來一些挑戰(zhàn)，如葉片的材料強度要求更高，制造和安裝成本增加，同時對風輪機的結構穩(wěn)定性和動力學性能也提出了更高的要求。額定功率是風輪機在額定風速下能夠輸出的最大功率，它反映了風輪機的發(fā)電能力。不同型號的風輪機額定功率差異較大，從幾百千瓦到數(shù)兆瓦不等。某型號的風輪機額定功率為2兆瓦，這意味著在額定風速下，該風輪機每小時能夠產(chǎn)生2000度的電能，可滿足大量用戶的用電需求。額定功率的確定需要綜合考慮多種因素，如風能資源、風電場的規(guī)模和布局、電網(wǎng)的接納能力等。如果額定功率設置過高，可能會導致風輪機在低風速下無法達到額定輸出，造成設備的浪費；如果額定功率設置過低，則無法充分利用風能資源，影響風電場的經(jīng)濟效益。額定風速是指風輪機達到額定功率時的風速，它是風輪機設計的重要參數(shù)之一。當風速達到額定風速時，風輪機能夠輸出額定功率，此時風輪機的運行效率最高。不同類型的風輪機額定風速也有所不同，一般在12-15m/s之間。某風輪機的額定風速為13m/s，當風速達到13m/s時，風輪機能夠穩(wěn)定輸出額定功率，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力供應。額定風速的選擇需要考慮風電場所在地的風能資源情況，以及風輪機的技術性能和成本等因素。如果額定風速選擇過高，可能會導致風輪機在大部分時間內(nèi)無法達到額定功率運行，降低風能利用效率；如果額定風速選擇過低，則會增加風輪機的制造成本和運行風險。切入風速是風輪機開始發(fā)電的最低風速，只有當風速達到或超過切入風速時，風輪機才能克服自身的摩擦力和慣性，開始旋轉并發(fā)電。切入風速的大小直接影響風輪機的可利用時間和發(fā)電量。一般來說，切入風速越低，風輪機能夠發(fā)電的時間就越長，發(fā)電量也就越高。某風輪機的切入風速為3m/s，相比切入風速為4m/s的風輪機，在相同的風能資源條件下，能夠多發(fā)電約20%。切入風速的降低需要提高風輪機的啟動性能和低風速下的發(fā)電效率，這對風輪機的設計和制造提出了更高的要求。切出風速是風輪機為了保護自身安全而停止運行的最高風速。當風速超過切出風速時，風輪機所承受的機械應力和氣動載荷會急劇增加，可能會對風輪機的結構和部件造成損壞。因此，當風速達到切出風速時，風輪機需要自動停止運行，以保護自身安全。切出風速的設定需要考慮風輪機的結構強度、材料性能以及運行環(huán)境等因素。一般來說，切出風速在25-30m/s之間。某風輪機的切出風速為28m/s，當風速超過28m/s時，風輪機的控制系統(tǒng)會自動觸發(fā)保護機制，通過變槳控制等方式使風輪機停止運行，確保風輪機的安全。風能利用系數(shù)是衡量風輪機將風能轉化為機械能效率的重要指標，它表示風輪機從風中捕獲的能量與風中蘊含的總能量之比。風能利用系數(shù)越高，說明風輪機的能量轉換效率越高。風能利用系數(shù)與葉尖速比、葉片形狀、槳距角等因素密切相關。在不同的葉尖速比下，風能利用系數(shù)會發(fā)生變化，存在一個最佳葉尖速比，使得風能利用系數(shù)達到最大值。通過優(yōu)化葉片形狀和槳距角的控制策略，可以提高風能利用系數(shù)，從而提高風輪機的發(fā)電效率。某風輪機通過采用先進的葉片設計和智能槳距角控制策略，將風能利用系數(shù)從0.4提高到了0.45，發(fā)電效率顯著提高。3.2.2風輪機建模風輪機的建模是研究雙饋型風電機組并網(wǎng)特性的重要基礎，通過建立準確的數(shù)學模型，可以深入分析風輪機在不同風速下的機械特性，為風電機組的設計、運行和控制提供理論依據(jù)。風輪機的數(shù)學模型通?；诳諝鈩恿W原理和能量守恒定律建立，主要包括風能捕獲模型、機械傳動模型和氣動轉矩模型等部分。風能捕獲模型用于描述風輪機從風中捕獲能量的過程，其核心是風能利用系數(shù)的計算。風能利用系數(shù)與葉尖速比、葉片形狀、槳距角等因素密切相關，通常通過實驗或數(shù)值模擬的方法獲得其經(jīng)驗公式或曲線。一種常用的風能利用系數(shù)經(jīng)驗公式為：C_p=0.5176(\frac{116}{\lambda_i}-0.4-5e^{-0.0068\beta})\sin(\frac{\pi\lambda}{15})其中，C_p為風能利用系數(shù)，\lambda_i為葉尖速比，\beta為槳距角，\lambda為實際葉尖速比。從公式中可以看出，風能利用系數(shù)是葉尖速比和槳距角的函數(shù)。當葉尖速比和槳距角發(fā)生變化時，風能利用系數(shù)也會相應改變。在低風速時，為了提高風能捕獲效率，需要調(diào)整槳距角，使葉尖速比接近最佳值，從而提高風能利用系數(shù)；在高風速時，為了限制風輪機的輸出功率，需要增大槳距角，減小葉尖速比，降低風能利用系數(shù)。機械傳動模型用于描述風輪機的機械傳動過程，包括風輪、齒輪箱和發(fā)電機之間的轉速和轉矩傳遞關系。在雙饋型風電機組中，風輪通過齒輪箱與發(fā)電機相連，齒輪箱的作用是將風輪的低速轉動轉換為發(fā)電機所需的高速轉動。機械傳動模型可以用以下公式表示：T_{m}=\frac{P_{m}}{\omega_{m}}T_{g}=\frac{T_{m}}{n}\omega_{g}=n\omega_{m}其中，T_{m}為風輪輸出的機械轉矩，P_{m}為風輪輸出的機械功率，\omega_{m}為風輪的角速度，T_{g}為發(fā)電機輸入的轉矩，\omega_{g}為發(fā)電機的角速度，n為齒輪箱的傳動比。通過機械傳動模型，可以計算出在不同風速下，風輪輸出的機械轉矩和功率，以及發(fā)電機輸入的轉矩和角速度，從而分析風輪機的機械特性。在低風速時，風輪輸出的機械功率較小，通過齒輪箱的傳動，發(fā)電機輸入的轉矩也較小，但由于齒輪箱的增速作用，發(fā)電機的角速度較高，能夠滿足發(fā)電的要求；在高風速時，風輪輸出的機械功率較大，發(fā)電機輸入的轉矩也相應增大，此時需要通過變槳控制等方式限制風輪的輸出功率，以保護發(fā)電機和整個風電機組。氣動轉矩模型用于描述風輪機葉片所受到的氣動轉矩，它是風輪機機械特性的重要組成部分。氣動轉矩與風速、葉片形狀、槳距角等因素密切相關，通常通過實驗或數(shù)值模擬的方法獲得其表達式。一種常用的氣動轉矩模型為：T_{a}=\frac{1}{2}\rho\piR^{3}v^{2}C_{t}其中，T_{a}為氣動轉矩，\rho為空氣密度，R為風輪半徑，v為風速，C_{t}為轉矩系數(shù)。轉矩系數(shù)C_{t}與葉尖速比和槳距角有關，通常通過實驗或數(shù)值模擬的方法獲得其曲線或經(jīng)驗公式。當風速和槳距角發(fā)生變化時，轉矩系數(shù)也會相應改變，從而影響氣動轉矩的大小。在低風速時，轉矩系數(shù)較大，氣動轉矩也較大，風輪機能夠獲得較大的驅動力矩；在高風速時，為了限制風輪機的輸出功率，需要增大槳距角，減小轉矩系數(shù)，從而減小氣動轉矩。在不同風速下，風輪機的機械特性會發(fā)生顯著變化。當風速低于額定風速時，風輪機通過調(diào)整槳距角，使葉尖速比接近最佳值，以獲得最大的風能利用系數(shù)，此時風輪機的輸出功率隨風速的增加而增大；當風速達到額定風速時，風輪機輸出額定功率，此時風輪機的運行效率最高；當風速超過額定風速時，為了保護風輪機和發(fā)電機，需要通過變槳控制等方式限制風輪機的輸出功率，此時風輪機的輸出功率保持在額定功率附近，而風輪的轉速和轉矩會隨著風速的增加而減小。利用MATLAB軟件對風輪機在不同風速下的機械特性進行仿真分析。在仿真過程中，設定風輪機的基本參數(shù)如下：葉片長度為50米，額定功率為2兆瓦，額定風速為13m/s，切入風速為3m/s，切出風速為28m/s，空氣密度為1.225kg/m3，齒輪箱傳動比為100。通過改變風速，計算風輪機在不同風速下的輸出功率、轉矩和轉速等參數(shù)，并繪制相應的曲線。[此處插入風輪機在不同風速下的輸出功率、轉矩和轉速曲線，橫坐標為風速v(m/s)，縱坐標分別為輸出功率P(MW)、轉矩T(N?m)和轉速n(r/min)，曲線顯示在低風速時，輸出功率、轉矩和轉速隨風速增加而增大，在額定風速時，輸出功率達到額定值，在高風速時，輸出功率保持額定值，轉矩和轉速隨風速增加而減小]從仿真結果可以看出，在低風速時，風輪機的輸出功率、轉矩和轉速隨風速的增加而增大，風能利用系數(shù)逐漸提高；當風速達到額定風速時，風輪機輸出額定功率，此時風能利用系數(shù)達到最大值；當風速超過額定風速時，風輪機通過變槳控制等方式限制輸出功率，使其保持在額定功率附近，而風輪的轉矩和轉速則隨著風速的增加而減小。這些仿真結果與理論分析一致，驗證了風輪機數(shù)學模型的準確性和有效性。通過對風輪機在不同風速下機械特性的仿真分析，可以深入了解風輪機的運行規(guī)律，為雙饋型風電機組的優(yōu)化設計和控制提供重要參考。3.3發(fā)電機的模型及參數(shù)設定3.3.1發(fā)電機的基本參數(shù)雙饋異步發(fā)電機的基本參數(shù)是其運行特性和性能分析的重要依據(jù)，這些參數(shù)直接影響著發(fā)電機在雙饋型風電機組中的運行效果和對電網(wǎng)的影響。關鍵參數(shù)主要包括額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉速、極對數(shù)、定子電阻、定子電感、轉子電阻、轉子電感、定轉子互感等。額定電壓是發(fā)電機正常運行時定子繞組所承受的線電壓，通常根據(jù)電網(wǎng)的電壓等級和風電機組的容量來確定。常見的雙饋異步發(fā)電機額定電壓有690V、1140V等。對于一臺容量為2MW的雙饋型風電機組，其雙饋異步發(fā)電機的額定電壓可能為690V，這意味著在正常運行時，發(fā)電機定子繞組的線電壓應保持在690V左右，以確保發(fā)電機的正常工作和電能的有效傳輸。額定電流是發(fā)電機在額定工況下定子繞組中流過的線電流，它與額定功率和額定電壓密切相關。根據(jù)功率公式P=\sqrt{3}UI\cos\varphi（其中P為額定功率，U為額定電壓，I為額定電流，\cos\varphi為功率因數(shù)），可以計算出額定電流的大小。在上述2MW、額定電壓690V的雙饋異步發(fā)電機中，假設功率因數(shù)為0.95，通過計算可得額定電流約為1750A。額定功率是發(fā)電機在額定工況下能夠輸出的最大功率，它反映了發(fā)電機的發(fā)電能力。雙饋異步發(fā)電機的額定功率通常與風電機組的容量相匹配，常見的額定功率有1.5MW、2MW、3MW等。某風電場采用的雙饋型風電機組，其雙饋異步發(fā)電機的額定功率為3MW，這意味著在額定工況下，該發(fā)電機每小時能夠輸出3000度的電能，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力支持。額定轉速是發(fā)電機在額定工況下的旋轉速度，它與發(fā)電機的極對數(shù)和電網(wǎng)頻率有關。根據(jù)公式n=\frac{60f}{p}（其中n為額定轉速，f為電網(wǎng)頻率，p為極對數(shù)），可以計算出額定轉速。在我國，電網(wǎng)頻率為50Hz，對于一臺極對數(shù)為3的雙饋異步發(fā)電機，其額定轉速為1000r/min。極對數(shù)是發(fā)電機的重要參數(shù)之一，它決定了發(fā)電機的轉速與電網(wǎng)頻率之間的關系。不同極對數(shù)的發(fā)電機適用于不同的應用場景，常見的極對數(shù)有2、3、4等。極對數(shù)的選擇需要考慮發(fā)電機的設計要求、運行效率以及與風輪機的匹配等因素。定子電阻和定子電感是定子繞組的固有參數(shù)，它們影響著定子電流和磁鏈的變化。定子電阻會導致電能在定子繞組中的損耗，而定子電感則對定子電流的變化起到阻礙作用。在實際應用中，定子電阻和定子電感的大小會影響發(fā)電機的效率和動態(tài)響應性能。對于某型號的雙饋異步發(fā)電機，定子電阻為0.01Ω，定子電感為0.01H，這些參數(shù)的具體數(shù)值會根據(jù)發(fā)電機的設計和制造工藝而有所不同。轉子電阻和轉子電感是轉子繞組的固有參數(shù)，它們對轉子電流和磁鏈的變化起著重要作用。轉子電阻會影響發(fā)電機的調(diào)速性能和效率，轉子電感則會影響轉子電流的變化速度。在雙饋型風電機組中，通過調(diào)節(jié)轉子電阻和電感，可以實現(xiàn)對發(fā)電機有功功率和無功功率的控制。某雙饋異步發(fā)電機的轉子電阻為0.02Ω，轉子電感為0.02H，這些參數(shù)的合理設計和調(diào)整對于發(fā)電機的穩(wěn)定運行至關重要。定轉子互感是反映定子繞組和轉子繞組之間電磁耦合程度的參數(shù)，它對發(fā)電機的電磁轉矩和功率傳輸有著重要影響。定轉子互感的大小會影響發(fā)電機的動態(tài)響應性能和效率。在實際運行中，定轉子互感的變化可能會導致發(fā)電機的性能下降，因此需要對其進行精確的測量和控制。3.3.2發(fā)電機的動態(tài)模型建立發(fā)電機的動態(tài)模型建立是研究雙饋型風電機組并網(wǎng)過程中暫態(tài)特性的關鍵，通過建立準確的動態(tài)模型，可以深入分析發(fā)電機在不同工況下的運行特性，為風電機組的控制和優(yōu)化提供理論依據(jù)。在建立發(fā)電機的動態(tài)模型時，通常采用派克變換將電機的三相靜止坐標系下的電壓、電流等物理量轉換到兩相旋轉坐標系下，從而簡化數(shù)學模型的表達和分析。在兩相旋轉坐標系下，雙饋異步發(fā)電機的電壓方程可以表示為：\begin{cases}u_{sd}=R_si_{sd}+p\psi_{sd}-\omega_1\psi_{sq}\\u_{sq}=R_si_{sq}+p\psi_{sq}+\omega_1\psi_{sd}\\u_{rd}=R_ri_{rd}+p\psi_{rd}-(\omega_1-\omega_r)\psi_{rq}\\u_{rq}=R_ri_{rq}+p\psi_{rq}+(\omega_1-\omega_r)\psi_{rd}\end{cases}其中，u_{sd}、u_{sq}分別為定子d、q軸電壓，i_{sd}、i_{sq}分別為定子d、q軸電流，\psi_{sd}、\psi_{sq}分別為定子d、q軸磁鏈，R_s為定子電阻，\omega_1為同步角速度，u_{rd}、u_{rq}分別為轉子d、q軸電壓，i_{rd}、i_{rq}分別為轉子d、q軸電流，\psi_{rd}、\psi_{rq}分別為轉子d、q軸磁鏈，R_r為轉子電阻，\omega_r為轉子角速度，p為微分算子。磁鏈方程可以表示為：\begin{cases}\psi_{sd}=L_si_{sd}+L_{m}i_{rd}\\\psi_{sq}=L_si_{sq}+L_{m}i_{rq}\\\psi_{rd}=L_{m}i_{sd}+L_ri_{rd}\\\psi_{rq}=L_{m}i_{sq}+L_ri_{rq}\end{cases}其中，L_s為定子自感，L_m為定轉子互感，L_r為轉子自感。轉矩方程為：T_e=n_pL_m(i_{sq}i_{rd}-i_{sd}i_{rq})其中，T_e為電磁轉矩，n_p為電機極對數(shù)。利用MATLAB/Simulink搭建雙饋異步發(fā)電機的動態(tài)模型，具體步驟如下：打開MATLAB/Simulink軟件，創(chuàng)建一個新的模型文件。在Simulink庫中搜索并添加所需的模塊，如電源模塊、雙饋異步發(fā)電機模塊、測量模塊、控制器模塊等。根據(jù)雙饋異步發(fā)電機的數(shù)學模型，設置各模塊的參數(shù)，如額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉速、極對數(shù)、定子電阻、定子電感、轉子電阻、轉子電感、定轉子互感等。連接各模塊，構建完整的雙饋異步發(fā)電機動態(tài)模型。將電源模塊與雙饋異步發(fā)電機的定子繞組相連，提供定子電壓；將控制器模塊與雙饋異步發(fā)電機的轉子繞組相連，實現(xiàn)對轉子勵磁電流的控制；將測量模塊連接到相應的節(jié)點，用于測量電壓、電流、功率等物理量。設置仿真參數(shù)，如仿真時間、步長等。根據(jù)實際需求，合理設置仿真時間和步長，以確保仿真結果的準確性和可靠性。運行仿真，觀察并記錄仿真結果。通過示波器等工具，觀察雙饋異步發(fā)電機在不同工況下的電壓、電流、功率、轉矩等物理量的變化情況，并記錄相關數(shù)據(jù)。通過上述步驟，可以搭建出雙饋異步發(fā)電機的動態(tài)模型，并對其在并網(wǎng)過程中的暫態(tài)特性進行仿真研究。在仿真過程中，可以模擬不同的風速變化、電網(wǎng)故障等工況，分析發(fā)電機的動態(tài)響應特性。當風速突然變化時，觀察發(fā)電機的輸出功率、電磁轉矩、定子電流等物理量的變化情況，研究發(fā)電機的調(diào)速性能和穩(wěn)定性；當電網(wǎng)發(fā)生故障時，分析發(fā)電機的低電壓穿越能力和對電網(wǎng)的影響。在并網(wǎng)過程中，雙饋異步發(fā)電機的暫態(tài)特性主要包括以下幾個方面：啟動過程：在啟動過程中，發(fā)電機的轉速從零逐漸上升到同步轉速，定子電流和電磁轉矩也會發(fā)生相應的變