風機接入電網(wǎng)模型設計與MATLAB仿真研究摘要眾所周知，人類的每一次的進步和發(fā)展都是離不開能源的，能源直接影響著人類的生存與發(fā)展。隨著社會和全球經(jīng)濟快速發(fā)展進步的情勢，能源的損耗同時也在劇增。世界的能源結構已經(jīng)以柴火為主,在以煤為主、以石油為主的時代,現(xiàn)在逐漸向以天然氣為主轉變。另外，水力發(fā)電、光能、太陽光等可再生資源也被廣泛應用，風怎么刮也使不完。雖然與國外相比,中國的風能利用時間較短,但據(jù)統(tǒng)計,我們可以了解到,現(xiàn)階段我國可利用或可開發(fā)的地上、海上風電儲能容量已達10億千瓦。而且,根據(jù)國家新一輪新基建規(guī)劃等一系列法律法規(guī)的頒布實施,風能的開發(fā)利用將大大增強。同時，風力發(fā)電的領域有很多需要盡早解決的問題。例如，對電能品質的影響，電網(wǎng)的穩(wěn)定性等。本畢業(yè)設計研究風力發(fā)電并網(wǎng)的影響。利用MATLAB中的PSAT工具箱，將風力機接入三節(jié)點和九節(jié)點電力系統(tǒng)，通過改變風力機的風型來調節(jié)系統(tǒng)分析了九節(jié)點系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性。關鍵詞:風力發(fā)電;風速模型;風機模型;建模與仿真;靜態(tài)穩(wěn)定性;暫態(tài)穩(wěn)定性目錄TOC\o"1-3"\h\u1、引言 引言1.1論文研究的背景和意義

能源是整個世界發(fā)展的保障和經(jīng)濟持續(xù)增長的源動力,是人類賴以生存的基礎。世界能源結構先后發(fā)展了柴火、煤、石油的時代,現(xiàn)在逐漸向天然氣轉移,水電、光、電能、太陽能等可再生資源也在廣泛應用。新物質能源的概念：新物質能源又被稱之為非普通型能源，指的是舊有傳統(tǒng)類型的能源以外的多種方式的能源。指的是才開始研發(fā)或者正在積極主動分析研究并且要求宣傳推廣的能源。多種方式的新物質能源都會直接性或者間接性地出自太陽或者地球形成的總熱量[[][]貴州九鼎新能源.新能源的開發(fā)現(xiàn)狀及意義[N].2018.11.16與核電、火電相比,風能儲量豐富，用之不竭,是一種可再生資源。因此，使用風力發(fā)電的話，以前的資源的使用會大幅度節(jié)約。同時，伴隨著專業(yè)技術的快速發(fā)展進步，風力能源發(fā)電的工作效率逐步追上了之前的能源發(fā)電。而且，能源需要連續(xù)增長的經(jīng)濟社會可以更加迅速地發(fā)展進步。在同樣的實際狀況下,當火電廠建設成為投入運用要求幾年時光，核電要求十幾年時光的時候，風電僅僅只需要使用數(shù)月時間。與此同時，風力能源發(fā)電的投資建設發(fā)展總體規(guī)模大小，更為靈活多樣，根據(jù)網(wǎng)絡站點的資源狀況，能夠選用恰當?shù)念愋团c有效容量，能夠在陸地上投資建設發(fā)展，也能夠在海上投資建設發(fā)展，比其他模式更簡易快捷。而且,風力發(fā)電的運行和維護成本較低。[[][]邱歡.關于新能源發(fā)電風力發(fā)電技術的探討[J].科技風,2020(25):135-136.重要的是，因為地球上煤炭儲量日漸減少降低，開采作業(yè)愈來愈困難，煤炭市場價格提高，火力能源發(fā)電污染了環(huán)境，脫硫處理、脫氮全面處理花費增加，火力能源發(fā)電市場價格提高。風力能源發(fā)電伴隨著專業(yè)技術的提升有效容量加大，風力機設備的大型生產(chǎn)加工逐漸發(fā)展成為了最為便宜的工作電源之一。和其他新物質能源與可再生利用能源對比，風力能源發(fā)電的成本費用也非常差，因此風力能源發(fā)電在新物質能源與可再生利用能源里也十分優(yōu)秀。伴隨著專業(yè)技術商品的改善與交易市場的逐漸擴張，風力能源發(fā)電最近幾年以來增加快速[[]HuGang,LiuFengxi,XieKeetal.EfficiencyofCylindricalWindEnergyCollectorwithDifferentRodAccessories[C].//InternationalWindEnergyEngineeringAssociation%ChinaCivilEngineeringSociety%BeijingJiaotongUniversity%TongjiUniversity.Proceedingsofthe15thInternationalConferenceonWindEngineering(ICWE15)(15thInternationalConferenceonWindEngineering)][]HuGang,LiuFengxi,XieKeetal.EfficiencyofCylindricalWindEnergyCollectorwithDifferentRodAccessories[C].//InternationalWindEnergyEngineeringAssociation%ChinaCivilEngineeringSociety%BeijingJiaotongUniversity%TongjiUniversity.Proceedingsofthe15thInternationalConferenceonWindEngineering(ICWE15)(15thInternationalConferenceonWindEngineering)[]國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司促進新能源發(fā)展白皮書（2016）[R].2016因為風能是一類通常所見的清潔衛(wèi)生能源，世界各國對此都給予了更多的關注。經(jīng)過數(shù)十年的積極，全球風力能源發(fā)電專業(yè)技術日益成熟穩(wěn)定，風力能源發(fā)電機設備的裝機設備有效容量愈來愈大，風力能源發(fā)電正在以超凡的速率朝前發(fā)展進步[[]高敏.基于新能源發(fā)電風力發(fā)電技術的探討[J].科技創(chuàng)新與應用,2018(30):137-138.]，德國可再生利用能源發(fā)電量最高達到了1560億千瓦的時候，占據(jù)德國總發(fā)電量的27.30%；與此同時，美國二零一五太陽光能新加裝機設備有效容量為6500兆瓦，相比同時間增加36.0%，風力能源發(fā)電新加有效容量為1.254GW，僅用3個季度就超越了前兩年新加風力能源發(fā)電水平的加和；日本政府管理部門也全面支持保障新物質能源的發(fā)展進步，2013日本太陽光能發(fā)電新加裝機設備有效容量實現(xiàn)500萬千瓦，這比上一年[]高敏.基于新能源發(fā)電風力發(fā)電技術的探討[J].科技創(chuàng)新與應用,2018(30):137-138.[]趙亞鵬.基于新能源協(xié)同發(fā)展的電網(wǎng)規(guī)劃關鍵技術研究[J].華東科技(綜合),2019,000(012):P.1-1.1.2風力發(fā)電在國內外研究現(xiàn)狀我國同時也是使用風力能源研發(fā)風力能源發(fā)電最開始的國家之一?？裳邪l(fā)使用的風能物質資源僅僅落后于蘇聯(lián)與美國，居全球第3位，中國的風力發(fā)電大部分源于政府管理部門對風力能源發(fā)電的充分關注，裝機設備有效容量持續(xù)增多。根據(jù)最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，臺灣省具有1850臺風力能源發(fā)電設備機組與五十九個風工作電場，目前,國內正在研發(fā)最高有效容量為600kW的MW級風力能源發(fā)電設備機組?，F(xiàn)如今，我國的規(guī)劃是風力能源發(fā)電，二零一五年實現(xiàn)7GW。但是因為專業(yè)技術落后，與國際相比,尤其是和美國的風電專業(yè)技術對比，中國還較為落后，總有效容量是美國二十年前的有效容量，和風能物質資源裝機設備對比，遠離印度,我國在風能物質資源整體上還十分陳舊落后，所以約束我國風電裝機設備有效容量的主要問題和矛盾許多。不過,國家在新能源發(fā)電方面不斷投資,比如包括新能源在內的新一輪新基建。截至當前，發(fā)改委正在定制發(fā)展目標規(guī)劃，進入大高壓傳輸電網(wǎng)，根據(jù)大發(fā)展基地投資建設發(fā)展的多種要求，歷時十幾年在多個地區(qū)都產(chǎn)生了數(shù)千千瓦級風力能源發(fā)電發(fā)展基地完成了1億千瓦的2020工作電源安裝設置規(guī)定要求方式。[[][]孫靜.風力發(fā)電與風電并網(wǎng)技術的現(xiàn)狀與展望[J].中國新技術與產(chǎn)品，2016，(3):74.海外風力發(fā)電較早開始，技術法規(guī)比較成熟。美國是當代風力能源發(fā)電的最早起源地，同時也是定制了激勵風力能源發(fā)電（主要包含：其他可再生利用能源發(fā)電）發(fā)展的法律的第一個國家之一。1978年布基納法索（PURPA）經(jīng)過了公共電力操作控制國家管理政策來保護風力能源發(fā)電的交易市場實際需要。PURPA是美國一九七八年建立的“國家能源法”的五個尤其法案之一。1978年布基納法索(PURPA)經(jīng)過的公共電力操作控制國家管理政策為風力能源發(fā)電的交易市場實際需要供應了法治保障。PURPA激勵獨立發(fā)電企業(yè)與小微型發(fā)電企業(yè)投資建設發(fā)展與運營管理火力發(fā)電廠與可再生利用能源發(fā)電廠。上述發(fā)電設備設施被稱之為合格發(fā)電設備設施，風力能源發(fā)電是在這其中，之一。這個法案需求公共基礎事業(yè)企業(yè)用"完全免費"的市場價格購置合格的發(fā)電設備設施形成的電力。德國在1991年公布了可再生能源購買法（Feed.inlaw）。公共電力企業(yè)有法律義務以90.0%的零售市場價格購置可再生利用能源電力。[[][]梁志鵬:解決可再生能源發(fā)展中的深層次問題[J]。供暖和制冷，2012:8.近年來，國外海上風電場也在不斷發(fā)展。從發(fā)展趨勢看，目前，在海外海上風力發(fā)電項目中，其風電場不斷向更遠的水域發(fā)展，越來越高。設備容量的發(fā)展。根據(jù)我們的對應數(shù)據(jù)，海上風力發(fā)電的累計容量在2015年達到14838mw，裝置容量預計在2020年倍增。國外海上風電場的建設也給了我們很多啟示。使用海上風能是人類使用自然能源的高效渠道。但是，伴隨著人民群眾對風工作電場投資建設發(fā)展需要的增長，這促使風工作電場不管是離岸有效實際距離還是整個機器設備的綜合深化設計均在持續(xù)提升[[]陜進龍.國外海上風電機組發(fā)展趨勢分析[J].企業(yè)改革與管理,2018,(11):209,220[]陜進龍.國外海上風電機組發(fā)展趨勢分析[J].企業(yè)改革與管理,2018,(11):209,2201.3本次論文的主要工作本次畢業(yè)設計的主要問題是：利用MATLAB中的電力系統(tǒng)分析工具箱PSAT，通過構建單機三節(jié)點系統(tǒng)和三機九節(jié)點系統(tǒng)，讓風電機組與上述兩個節(jié)點進行比較，通過改變風型和DFIG容量，模擬了模型的風速。對三機九母線系統(tǒng)進行了靜態(tài)和暫態(tài)（三相短路）仿真分析，得到仿真結果，得到最終的穩(wěn)定性結果。本文涉及的3節(jié)點和IEEE9節(jié)點系統(tǒng)如圖1-1、圖1-2所示。圖STYLEREF1\s1SEQ圖\*ARABIC\s11三節(jié)點系統(tǒng)圖圖STYLEREF1\s1SEQ圖\*ARABIC\s12三機九節(jié)點系統(tǒng)圖2、風電概述以及風電并網(wǎng)的影響2.1風力發(fā)電技術簡介在現(xiàn)如今大量新物質能源里，風能以其清潔、沒有環(huán)境污染、物質資源充分豐富、分散廣泛等特征，逐漸發(fā)展成為了新物質能源行業(yè)領域的領軍人物。今天，替代傳統(tǒng)能源發(fā)電的前景特別廣闊，引起了世界各國的關注。利用風能發(fā)電也將在我國新能源發(fā)電中占據(jù)重要地位[[][]汪旭旭,劉毅,江娜,段延芳.風力發(fā)電技術發(fā)展綜述[J].電氣開關,2013,51(03):16-19.TEM葉片設備具備優(yōu)良的氣動外形，風輪在形成氣原始推動力時機械旋轉，把機械能轉化成為電能，原理上最優(yōu)等的風力機設備最高只可以把60.0%的風能轉化成為機械能。在這個階段，風力機設備的工作效率能夠實現(xiàn)40.0%及其以上，也就是在風力機設備自動輸出實現(xiàn)功率以前，其額定功率和實際風速的立方，為反比例關系，也就是實際風速實現(xiàn)前一個實際風速的2倍，而且自動輸出額定功率能夠實現(xiàn)第1個風力機設備的8倍，你能夠發(fā)現(xiàn)風力渦輪機設備的工作效率和當?shù)氐膶嶋H風速有巨大相互關系。風力能源發(fā)電最為經(jīng)典的優(yōu)勢，是具備優(yōu)良的環(huán)境收益，不對外排放每一個有毒有害氣體與廢棄物質，因此一定程度上能將環(huán)境污染降到最低，符合當今社會的要求。即使風工作電場耗用土地實際有效面積相對比較多，但是風力能源發(fā)電基礎的運用實際有效面積較低。一方面風電為人們所用,另一方面旅游業(yè)也發(fā)達,一舉兩得。風力能源有著與其他很多能源不能比較的優(yōu)點，不過，風力能源是不持續(xù)的能源，因此這一風力能源發(fā)電專業(yè)技術有隨機設備性，變化性，間歇周期性等的特點。因為風電的額定功率輸出與風速的變化和風速的大小密切相關,風力預測必須在風電項目的調查階段進行?，F(xiàn)階段,風力預測的主要方法是氣象模擬。氣象模擬方法簡單地說就是利用現(xiàn)代天氣預報技術,建立局部風速變化的虛擬模型來預測風況。如今,該方法已成為主要的風預測方法,并廣泛應用于風電廠的設計、風電場的選址以及工程建設的全過程。2.2風力發(fā)電系統(tǒng)的分類以及發(fā)展趨勢2.2.1按發(fā)電機運行方式劃分根據(jù)發(fā)電機設備的運行工作模式風力能源發(fā)電體系，可以被劃分為恒速恒頻風力能源發(fā)電體系與變速恒頻風力能源發(fā)電體系[[][]張揚.風力發(fā)電技術概述[J].信息記錄材料,2017,18(06):9-10.第一，恒速恒頻風力能源發(fā)電體系是根據(jù)異步發(fā)電機設備的恒速恒頻型，是截至當前，使用最為廣泛的風力能源發(fā)電體系，其組成結構如下示意圖2-1所示。其基本的理論是經(jīng)過操控管理體系對實際風速展開實時在線實時監(jiān)視。當平均實際風速高于開啟實際風速的時候，操控管理體系開始運行工作，使風扇發(fā)電。這類發(fā)電模式具有操作控制專業(yè)技術簡易、作用功能可靠的優(yōu)勢，缺點不足是風力物質資源的使用效率低。如今,為了經(jīng)過運用恒速恒頻風力能源發(fā)電體系提升風能的使用效率，一般采用兩種大小不同的系統(tǒng)協(xié)調配合發(fā)電。風速低的情況下，使用小容量的風機發(fā)電，大風機和小風機在風速高的時候同時發(fā)電。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s11恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

第二，變速恒頻風力能源發(fā)電體系的工作基本理論是令其隨實際風速的改變而自由改變，不人為干擾風車的速度,然后用其他方法進行調頻。電機設備與風機設備在這類風力能源發(fā)電體系里的實際轉速改變作用范圍比較多。當實際風速改變的時候，能夠實時在線調節(jié)控制風扇實際轉速，進而最大程度地使用風能，所以，能夠優(yōu)化提高設備機組的運行工作基本條件，提升體系的發(fā)電工作效率。截至當前，全球已建設成為或者在建的風力能源發(fā)電體系通常都是應用這類模式。圖2-2顯示了其中一種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s12變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)2.2.2按變換器技術劃分根據(jù)逆變器技術能被分為ac-ac系統(tǒng)、ac-dc-ac系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。與ac-ac系統(tǒng)和ac-dc-ac系統(tǒng)相比，沒有中間的DC鏈路。目前的ac-ac系統(tǒng)由三組可逆整流器組成，可以與電源交換能量，它是一個四象限交換器。該開關系統(tǒng)可靠性好，安全率高。但是，由于諧波電流較大，逆變器在運行中要吸收大量的無功功率，因此功率因數(shù)相對較低。其次，由于系統(tǒng)結構復雜，零部件數(shù)量多，限制了風力發(fā)電系統(tǒng)中它的應用。Ac-dc-ac系統(tǒng)采用電壓源型通用頻率轉換器，不操作控制自動輸入工作電流，直接整流直流工作電壓，自動輸出側，展開直流調壓和頻次，符合載荷需求。高壓傳輸電網(wǎng)會形成振蕩諧波作用效應的主要原因是自動輸入側工作電流是額定功率因子低的非正弦工作電流。相對而言，體系沒有四象限特征，機器設備非常多，混亂，成本較高，簡單損害，因此可能會降低系統(tǒng)依賴性?；旌瞎╇娤到y(tǒng)是一種并聯(lián)工作的電流模式和電壓轉換系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含四個可控轉換。電流變換器是系統(tǒng)的主變換器，副轉換器為電壓變換器。具有靈活的控制系統(tǒng)，高質量的功率輸出，以及實現(xiàn)電機矢量調節(jié)等優(yōu)點，但是這種類型的變流器需要大量的儀器，復雜的拓撲結構，導致設備價格過高，控制系統(tǒng)難以設計。2.2.3按照槳葉受力方式不同可以把風機分為“升力風機”和“阻力風機”。

2.2.4按照葉片數(shù)量分類可以分為"單葉片"、"雙葉片設備"、"三葉片設備"與"多葉片設備"型風機設備；葉片設備數(shù)目由很多種不同影響因素判斷，主要包含：氣動工作效率、復雜性、成本費用、噪聲、美學需求等。大型風力渦輪機可以用1、2或者三個葉片設備構成。葉片設備比較少的風力渦輪機設備噪聲相對比較大，是由于一般要求比較大的速率來從風里選取能量。如果刀片太多,它們會互相作用,使系統(tǒng)的效率降低。目前,3葉片風力電機是主流。從美觀的角度來看，三片葉片的風電機組顯得更加美觀均衡2.2.5按照風機接受風方向分類通常要求一類分布方向調節(jié)控制設備來維持風機設備的葉輪部件迎風。而順風風機設備能夠自動智能對準風向，節(jié)省掉了分布方向調節(jié)控制設備。然而,針對順風風機設備，因為組成部分空氣經(jīng)過塔架設備，之后吹向葉輪部件，塔架設備和流經(jīng)葉片設備的氣流產(chǎn)生互相干預，產(chǎn)生通常所說的塔影作用效應，從而降低了性能。2.2.6按照不同的功率傳遞機械連接風機設備能夠經(jīng)過機械設備鏈接的差異，被劃分為"固定齒輪箱式風機設備"和"無固定齒輪箱的直接聯(lián)動式風機設備"，固定齒輪箱式風機設備的葉片設備能夠經(jīng)過固定齒輪箱，或者快速中心軸和萬向彈性聯(lián)中心軸控制器設備將彎曲扭矩傳給發(fā)電機設備的聯(lián)動中心軸，這個聯(lián)中心軸控制器設備具有優(yōu)良的特征，能夠吸收阻尼和震動，并且能夠吸收適度的徑向、中心軸向，而且所述聯(lián)中心軸控制器設備預防機械設備電流過載。另一方面,直驅風扇采用了不同的方法,并且應用了很多先進專業(yè)技術。葉片設備的彎曲扭矩，能夠直接自動傳遞給發(fā)電機設備的機械傳動中心軸，而不需要增長變速控制箱的實際轉速，這樣風扇產(chǎn)生的電能可以連接到電網(wǎng)。這一綜合系統(tǒng)設計簡約化了設備的結構，與此同時，減少了問題故障的幾率，有很多優(yōu)點，現(xiàn)在被大型機組廣泛使用。2.3風力機的分類2.3.1按發(fā)電容量劃分如圖2-1所示:表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s11按發(fā)電容量設備機組種類小微型設備機組中型設備機組大規(guī)模設備機組巨型設備機組容量大小0.1-1000W1-1000KW1-10MW10MW以上2.3.2按照風輪中心軸的安裝設置模式區(qū)分（1）垂直式風力發(fā)電機在20世紀30年代中,垂直軸風力渦輪機的出現(xiàn)是比水平軸風力渦輪機晚的。垂直風力發(fā)電機是垂直的能量驅動系統(tǒng)。第一種是利用工作空氣阻力做功,第二種是利用機翼升力做功。第一種風力發(fā)電機由兩根軸組成是半圓柱形s型風力發(fā)電機。它的主要優(yōu)點是在啟動時具有較大的扭矩。第二種風扇的典型結構是Darrieus型風力渦輪機,常見的有diamond型、Φ型和H型。（2）水平式風力發(fā)電機水平中心軸風力能源發(fā)電機設備作為截至當前，使用得最為廣泛、且技術最熟練的風力發(fā)電機，其水平氣動單元包括塔身和塔頂?shù)囊砼?。機翼上有發(fā)電機、齒輪箱和轉子。風力能源發(fā)電機設備的葉片設備通常都是2-3片。葉片通常呈機翼形狀。翼型風力機設備開啟時有巨大的旋轉力矩，風的使用參數(shù)非常高。為了使風扇的頁面(掃面)可以處于風的最佳位置,通常水平風力渦輪機還需要配備轉向裝置。2.3.3按輸出功率調節(jié)形式不同劃分（1）變槳距型風速用于控制螺旋槳的角度,供應額定數(shù)值周圍的額定功率自動輸出。發(fā)電機設備轉差不單單由槳距操作控制，還由發(fā)電機設備的固定轉子工作電流來操作控制，使發(fā)電機設備在一定作用范圍內機械旋轉得更加迅速，并吸收風能,使自動輸出額定功率分布曲線更為穩(wěn)定。（2）定漿距型風速用于控制螺旋槳的角度,供應額定數(shù)值周圍的額定功率自動輸出。發(fā)電機設備轉差不單單由槳距操作控制，還由發(fā)電機設備的固定轉子工作電流來操作控制，使發(fā)電機設備在一定作用范圍內機械旋轉得更加迅速，并吸收風能,使自動輸出額定功率分布曲線更為穩(wěn)定。2.4電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分類電力體系穩(wěn)定安全性的定義在全球也不完全一致。全球電氣電子工程技術責任人學會(IEEE)對電力體系的穩(wěn)定安全性確定為："電力體系的穩(wěn)定安全性指的是在既定的初始運行工作控制條件里，電力體系被物理影響擾動后自動恢復調整運動平衡分布狀態(tài)的水平，并且體系的很多變化量都是有限的，因此整個系統(tǒng)實際上保持不變。"電力體系的穩(wěn)定安全性被IEEE劃分為了三種：功角穩(wěn)定安全性、工作電壓穩(wěn)定安全性以及頻次穩(wěn)定安全性。勵磁體系通常都是提升電力體系的穩(wěn)定安全性，經(jīng)過提升工作電壓的穩(wěn)定安全性，第二是額定功率角的穩(wěn)定安全性。頻次穩(wěn)定是通過速度調節(jié)控制器設備與頻次調節(jié)控制器設備實現(xiàn)了的。運行工作角的穩(wěn)定安全性能夠劃分為三大類型：靜態(tài)穩(wěn)定安全性、實時動態(tài)穩(wěn)定安全性以及暫態(tài)穩(wěn)定安全性。2.4.1功角穩(wěn)定性運行工作角的穩(wěn)定安全性，也被稱之為實時同步穩(wěn)定安全性。電力系統(tǒng)由大量的同步發(fā)電機并行運行。所有的同步發(fā)電機都以相同的速度運行的狀況被稱為穩(wěn)定運行。電力體系實時同步穩(wěn)定安全性的主要問題和矛盾，是電力體系在運行工作過程里受到輕微或者比較多影響干擾之后，體系里實時同步發(fā)電機設備相互之間，是否可以不斷維持實時同步運行工作的主要問題和矛盾。發(fā)電機不能保持同步的話，發(fā)電機的旋轉速度會不同，電力角（功角）會不穩(wěn)定;如果發(fā)電機不能保持同步,則發(fā)電機轉速將不相同,功率角不穩(wěn)定。2.4.2電壓穩(wěn)定性工作電壓穩(wěn)定安全性指的是在規(guī)定要求的初始動作控制條件里，在電力體系受到外界影響干擾之后，使每一個所有母連接線穩(wěn)定工作電壓的水平。它依靠于保持或者自動恢復調整電力體系里荷載需要與荷載提供相互之間平衡的水平。當產(chǎn)生工作電壓不固定的時候，高壓傳輸電網(wǎng)里某一些母連接線上的工作電壓有可能會降低或者提高，進而造成體系里的荷載經(jīng)濟損失，輸電連接線路跳閘，級聯(lián)停電與發(fā)電機設備喪失實時同步。電力體系里的無功額定功率的多和少，確定了工作電壓是不是安全、穩(wěn)定。如果系統(tǒng)能夠提供足夠的無功功率,那么系統(tǒng)電壓平衡將相對容易實現(xiàn)。2.4.3頻率穩(wěn)定性電力體系的頻次改變會對客戶、發(fā)電廠與電力體系自身形成很多不利干擾影響，所以頻次需要維持在額定數(shù)值50.0赫茲上下，偏移作用量不應該超越一定作用范圍。并且，每一個機器設備都參考依據(jù)額定頻次綜合系統(tǒng)設計。假如體系頻次降低，會直接影響多個產(chǎn)業(yè)。頻次太低的話，體系總體崩潰瓦解，也有可能導致大規(guī)模停電。因此，在電力系統(tǒng)中，頻次修改調配被區(qū)別為1次頻次修改調配、二次頻次修改調配與3次頻次修改調配。1次頻次由發(fā)電機設備的速度調節(jié)控制器設備實現(xiàn)了，變化量小，對周期短的負荷調整差;次排列級別調節(jié)頻率由發(fā)電機設備的調節(jié)頻率控制器設備展開，變化量大,長周期負載進行無差異調整;三頻調制是根據(jù)優(yōu)化標準有規(guī)律變化的第三種負載。2.5風電并網(wǎng)對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響雖然風能具有清潔、無污染、資源豐富等一系列優(yōu)勢,但風電并網(wǎng)仍存在一些問題,不僅導致風能利用率低,而且影響電網(wǎng)的穩(wěn)定,嚴重時,整個系統(tǒng)將解體[[][]韓彬.風電發(fā)展與并網(wǎng)技術探究[J].化工管理,2020(02):113.（1）系統(tǒng)調峰由于風擁有隨機性和反調節(jié)性[[][]白銳.大規(guī)模風電接入電網(wǎng)的相關問題及措施[J].居舍,2018(12):152.（2）系統(tǒng)調頻一般當風機沒有連接到電網(wǎng)時，通常電網(wǎng)在可以控制的范圍內。但是由于風是隨機的、易變的和間歇性的[[]劉文學,梁正堂,鄭碩碩,麻常輝,楊冬.基于PSAT的電力系統(tǒng)分叉分析[J].農(nóng)村電氣化,2019(12):40-43.]，因為它很難預測，所以會對電網(wǎng)中的頻率調制產(chǎn)生非常嚴重的影響。盡管在智能電網(wǎng)中已經(jīng)有一些自主的方法來解決這個問題，并且已經(jīng)取得了積極的效果，但是傳播仍然很少。[]劉文學,梁正堂,鄭碩碩,麻常輝,楊冬.基于PSAT的電力系統(tǒng)分叉分析[J].農(nóng)村電氣化,2019(12):40-43.[]劉文學，梁正堂，鄭碩碩，馬長輝，楊東.基于PSAT的電力系統(tǒng)分岔分析[J].農(nóng)村電氣化，2019(12):40-43.（3）低電壓穿越低電壓穿越[[][]包文鵬.大型風電場并網(wǎng)運行的若干技術問題研究[J].通信電源技術,2020,37(02):242-243.3、MATLAB和電力系統(tǒng)分析工具PSAT概要仿真軟件是電氣系統(tǒng)研究的重要組成部分。目前，全國分析研究組織機構與電力企業(yè)運用的電力體系仿真模擬操作應用軟件劃分為電磁暫態(tài)與機電設備暫態(tài)。電磁暫態(tài)仿真模擬操作應用軟件主要包含：PSCAD、EMTP等，機電設備暫態(tài)仿真模擬操作應用軟件通常主要包含：SIMPOW、BPA、PSS/E等，但這些軟件大多用于商業(yè)目的，具有全面、廣泛的優(yōu)勢、可靠性計算的好處;同時,軟件通常是專業(yè)化的,不利于傳播和普及。這些程序雖然大多具有自定義模型的功能，但其結構復雜，移植和繼承非常地困難。隨著各種新設備、新技術的出現(xiàn)和不停地電力系統(tǒng)的發(fā)展。這些仿真軟件很難完成最新的仿真內容。在過去的二十年里，MATLAB已經(jīng)邁入人們的視野，成為了仿真軟件的領導者。3.1MATLAB概述Matlab集研發(fā)運算方法、數(shù)據(jù)信息研究分析、數(shù)據(jù)信息智能可視化與有效數(shù)值運算為一體，是一類高級的專業(yè)技術編程語言與交互環(huán)境。它是通過MathWorks研發(fā)的商業(yè)數(shù)學操作應用軟件。可實現(xiàn)矩陣計算、數(shù)值計算、科學數(shù)據(jù)可視化和非線性動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真,可在窗口環(huán)境下實現(xiàn),主要被應用在項目工程運算、圖片全面處理、數(shù)據(jù)信號全面處理、操作控制綜合系統(tǒng)設計、數(shù)據(jù)信號測試、金融建立模型綜合系統(tǒng)設計和研究分析等行業(yè)領域[[]常永吉.PSAT在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真中的應用[J].電氣應用,2008(14):61-64.[]常永吉.PSAT在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真中的應用[J].電氣應用,2008(14):61-64.由于MATLAB軟件功能強大,仿真靈活,所以被大量應用在每一個行業(yè)領域的多種科學研究項目。MATLAB因為其完善改進的圖像全面處理作用功能、針對分布矩陣的程序編譯特征與圖像化仿真模擬頁面(Simulink)，能夠完成對大多數(shù)電力體系矛盾問題的研究分析。如今,MATLAB經(jīng)過一次次的完善,逐漸發(fā)展成為了每一個專業(yè)學科與主要運行工作應用平臺的仿真模擬操作應用軟件。在分析研究國家政府機關組織部門、綜合系統(tǒng)設計院等第二產(chǎn)業(yè)職能部門，MATLAB廣泛應用在科學分析研究以及處理和解決多種矛盾問題。3.2PSAT概述隨著MATLAB的發(fā)展和進步，仿佛為了響應命運的號召，形成了一整套對于電力體系研究分析的工具設備。MatPower、SPS(SinPowerSystem)16]等，這些軟件在功能上都有各自的特點。對用模擬軟件模擬電力系統(tǒng)，進行仿真，判斷該系統(tǒng)是否穩(wěn)定是分析電力系統(tǒng)最重要的基本目的和任務。這個畢業(yè)設計使用了PSAT工具包,這是一個2002年意大利醫(yī)生費德里科米蘭諾研發(fā)的完全免費電力體系研究分析工具設備包。應用程序的源程序代碼在MATLAB應用平臺上完全對外開放，客戶常常會運用與再研發(fā)。與此同時，有一個十分可靠的圖像客戶頁面與電氣體系單線圖編輯控制器設備，它能夠保障運用指定的數(shù)據(jù)信息儲存格式展開仿真模擬，同時,在PSAT里創(chuàng)立的實驗模型系數(shù)能夠儲存在數(shù)據(jù)信息資料文件里，它可以準確地模擬各種圖形和結果,使分析和研究更加方便和簡潔。在PSAT里能夠展開發(fā)展潮流運算(PF)、持續(xù)發(fā)展潮流運算(CPF)、最為合理發(fā)展潮流運算(OPF)、小影響干擾穩(wěn)定研究分析、及時有效域仿真模擬(TimeDomainSimulation)[[]劉文學,梁正堂,鄭碩碩,麻常輝,楊冬.基于PSAT的電力系統(tǒng)分叉分析[J].農(nóng)村電氣化,2019(12):40-43.]。每一個以上作用功能，都能夠在客戶人機設備頁面(GUI)上展開，[]劉文學,梁正堂,鄭碩碩,麻常輝,楊冬.基于PSAT的電力系統(tǒng)分叉分析[J].農(nóng)村電氣化,2019(12):40-43.PSAT的中心應用程序是發(fā)展潮流運算，它把初始變化量轉化為初始發(fā)展潮流，為之后的靜態(tài)/實時動態(tài)研究分析打下堅實的基礎。為了提升電力體系研究分析的確定性，PSAT具有優(yōu)良的兼容性能，主要包含：多種靜態(tài)設備元件實驗模型與實時動態(tài)設備元件實驗模型，例如母連接線、輸電連接線路、連接線路問題故障、斷路控制器設備、p-v節(jié)點、p-q節(jié)點、平衡控制節(jié)點、電機設備、負載、操作控制、控制開關操作應用、調壓變壓調節(jié)器、風力能源發(fā)電實驗模型等。[[]Lima,F.K.A.,Watanabe,E.H.,Rodriguez,P.,Luna,A..Asimplifiedmodelforwindturbinebasedondoublyfedinductiongenerator[[]Lima,F.K.A.,Watanabe,E.H.,Rodriguez,P.,Luna,A..Asimplifiedmodelforwindturbinebasedondoublyfedinductiongenerator[C].ElectricalMachinesandSystems(ICEMS),2011InternationalConferenceon,2011.目前,世界上約有50個國家正在使用PSAT進行仿真,因為MATLAB的強大背景和大量的模型庫足以完成各種仿真和計算。未來,PSAT一定會發(fā)展得越來越好。3.3PSAT的應用(1)安裝MATLAB,將PSAT添加到MATLAB工作路徑中,在MATLAB界面中輸入PSAT,并啟動PSAT;(2)新建模型窗口,在圖形模型編輯器中選擇您需要的模型并將其拖到模型窗口中,然后連接線,雙擊每個模塊修改參數(shù),單擊Save.mdl文件;(3)從主界面打開新建的模型,選擇潮流計算按鈕,進行潮流計算;(4)根據(jù)需要,在主界面上選擇進行其它類型的仿真和計算;(5)輸出仿真結果和圖形文件,并進行最后的分析。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s11PSAT主界面3.4PSAT中風速模型PSAT中的風速為4分量模型,每個分量為基本風、梯度風、陣風、隨機噪聲風,因此復合風速為:（3-1）從上面的公式可以看出，除了初始風速是之前設定的，與時間無關外，其余的風速都與時間有關[19]。(1)基本風：應用在描述表達風工作電場的平均實際風速。它存在于風力渦輪機設備的整個運行工作過程里，能夠表現(xiàn)平均實際風速的改變。發(fā)揮著影響風力機設備自動傳輸額定功率的判斷性因素,基本風一般是恒定的。(2)漸進風：由于風速漸進變化，所以漸進風是風速維持恒定變化速度持續(xù)一段時間的特征。(3)陣風:風速是可變的,是在很短的時間內風速變化的速度。這個特征可以用陣風來描述。其可以模擬風速不穩(wěn)定且變化快的情況下風力發(fā)電場的動態(tài)特性。(4)噪音風：隨機風被用于描述表達實際風速改變的隨機性，噪音風一般被用于描述表達實際風速的隨機性本畢業(yè)設計采用威布爾風速模型、墨西哥草帽風速模型和復合風速模型。3.5PSAT中的DIFG雙饋風力能源發(fā)電機設備通常都是由風力能源發(fā)電機設備、固定齒輪箱、變流控制器設備、雙饋自動感應發(fā)電機設備與操控管理體系五組成部分構成，如下示意圖所示。它的穩(wěn)固定子繞組構件直接鏈接到電力體系，固定轉子繞組構件經(jīng)過集中電循環(huán)回路與轉換器設備鏈接到電力體系。風力能源發(fā)電機設備作為發(fā)電體系里能量交換的重要組成部件，把一些風能轉化成為機械能，完成固定轉子側變流控制器設備聯(lián)動的作用雙向能量流,固定轉子側逆變控制器設備完成了設備機組有功與無功額定功率的解耦操作控制，追蹤實際風速改變到更寬的實際轉速作用范圍，最大程度地吸收風能，最大程度地使用風能。當體系產(chǎn)生低頻振蕩的時候，操控管理體系不會轉變應用程序，僅有穩(wěn)固定子能夠測試體系的電量改變。所以,在固定轉子側自動感應振蕩工作電流以形成阻尼扭轉力矩；但是，因為發(fā)電機設備內部之間的小額定電阻，阻尼扭轉力矩遏制振蕩的水平受到嚴格限制。圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s12雙饋風力發(fā)電機PSAT工具設備包是5階風機設備實驗模型，在這其中，直中心軸工作電流，交叉中心軸工作電流，實際風速，風輪角速率與風扇額定功率角依次是五個狀態(tài)變化量[[][]馮占穩(wěn).電氣化鐵路及風電對電網(wǎng)電能質量的影響分析[D].天津大學,2009.圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s13轉速控制圖圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s14電壓控制圖圖STYLEREF1\s3SEQ圖\*ARABIC\s15漿距角控制圖4、建模與仿真本畢業(yè)設計是在MATLAB中的工具包PSAT，建立、仿真三節(jié)點與三機九節(jié)點（IEEE9）的模型，不同的風型和不耐性下的系統(tǒng)風的變化我們研究了IEEE9系統(tǒng)的小擾動分析和三相短路時域仿真。為了得到更具有普遍性、更準確的規(guī)律本仿真中使用的系統(tǒng)是對國產(chǎn)1.5mw雙饋風力發(fā)電機組的參數(shù)進行設定和校正，通過潮流計算和時域仿真得到最終結果并進行相應的分析。4.1風力發(fā)電機接入三節(jié)點系統(tǒng)中的仿真首先，在MatlabPSAT工具集中創(chuàng)建一個模型圖，如圖4-1所示。打開設備圖形框，在其中找到您需要的設備，拖動它，連接它，并根據(jù)中國1.5兆瓦雙饋風力渦輪機的電氣參數(shù)進行設置和保存。之后，引入主界面并進行功率流計算，動態(tài)模擬不同風型下風機的角速度和功率。Bus1是PV節(jié)點，初始風速設置為10m/s。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s11單機三節(jié)點系統(tǒng)圖4.1.1風力發(fā)電機參數(shù)設置中國某一臺1.5兆瓦雙饋風力能源發(fā)電設備機組的系數(shù)設立(如表4-1所示):有三片葉片，有效長度為37.5m；輪轂核心實際高度為65m；固定齒輪箱速比為104.5：1；功率為1500kW，電壓電平為690V[21]。表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11雙饋風力發(fā)電機參數(shù)變量變量描述單位參數(shù)值Sn額定功率MVA1.5Vn額定電壓KV0.69fn額定頻率Hz50rS定子電阻p.u0.0101xS定子電抗p.u0.0747rR轉子電阻p.u0.0031xR轉子電抗p.u0.0098xm勵磁電抗p.u5.6903Hm風輪轉動慣量kWs/kVA3Km變槳控制增益-200Tn變槳控制時間常數(shù)s2KV電壓控制增益-0.1Tζ功率控制時間常數(shù)s0.01R風輪半徑m37.5p發(fā)電機極數(shù)Int4nb槳葉數(shù)量Int3ηGB齒箱速比-1/104.5Pmax最大有功功率p.u.1.2Pmin最小有功功率p.u.-0.1Qmax最大無功功率p.u.0.8Qmin最小無功功率p.u.-PSAT運行結果與仿真(1)當風速服從weibull分布,風速為威布爾風。將平均風速設定為7.5m/s，形狀因子為2。PSAT中潮流計算的方法是newton-Raphson方法。功率流計算后，進行時域仿真，風速、功率和角速度的仿真圖如下圖所示?？梢钥闯觯旓L速是具有威布爾分布的隨機風時，發(fā)電機的角速度和功率以相似的形式變化，并且都在正常范圍內變化。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s12威布爾風下的風速、功率、角速度（2）當風速為陣風,或墨西哥草帽風時,它描述了一種趨勢,以驗證極端情況下的風速和風扇速度以及功率。將陣風設置為從4日開始,并在16日結束時保持12日。所有更改如下圖所示?？梢钥闯?風速在4s左右開始變化,并在16s左右趨于穩(wěn)定,這與設置一致。發(fā)電機的角速度先延遲上升,然后迅速下降,最后上升到平衡,功率和角速度的變化有一定的延遲,當風速穩(wěn)定時,功率和角速度無長期擾動或振蕩,這可以證明系統(tǒng)也是穩(wěn)定的。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s13陣風下的風速、功率、角速度（3）當風速為混風時，風速從4s開始變化，先逐漸增大，再減小一段時間，最后直線上升，直到17s趨于穩(wěn)定，以便在圖上更直觀地看到變化趨勢，在PSAT主界面上將結束時間設置為30s，變化圖如圖所示;當風速開始變化時，發(fā)電機的功率和角速度也開始變化并波動。當風速趨于穩(wěn)定時，功率和角速度將不再振蕩并趨于平衡，并且都在合理范圍內。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s14混合風下的風速、角速度、功率4.2風力發(fā)電機接入3機9節(jié)點系統(tǒng)中的仿真類似于上述的步驟，在PSAT中，如圖4-5所示，構建三機9節(jié)點模型。Bus1是平衡節(jié)點，且Bus2和Bus3是PV節(jié)點。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s15IEEE9系統(tǒng)接線圖4.2.1參數(shù)設置與單機3節(jié)點中的雙饋風力發(fā)電機參數(shù)相同，請對照表4-1。4.2.2PSAT運行結果及分析在改變風的類型后，對每個風模型進行牛頓-拉夫森潮流計算后，對風機的功率和角速度進行了仿真分析。(1)當風速服從weibull分布,風速為威布爾風。設定平均風速為7.5m/s，形狀因子為2。功率流計算后，進行時域仿真，風速、功率和角速度的仿真圖如下圖所示?？梢钥闯?，當風為威布爾風時，發(fā)電機的角速度和功率相似，并且都在正常范圍內變化，并且沒有大的振蕩。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s16威布爾風下的風速、角速度、功率(2)當風速為陣風時，將陣風的開始時間設置為4s，持續(xù)12s，在第16s結束。變化圖如下?？梢钥闯?，風速在4s左右開始波動，在16s左右恢復。轉子角速度和功率也隨著風速的變化有一定的延遲變化，但當風速穩(wěn)定時，上述兩個參數(shù)仍在變化，但設定功率為1.5MW。因為最大功率限制，風機的功率不超過最大功率。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s17陣風下的風速、角速度、功率(3)當風為混風時，初始風速為1m/s，風速在4s左右變化。先增大后減少一段時間，最后迅速上升，直到走向穩(wěn)定；轉子角速度和功率也隨風速的變化而變化。轉子角速度的變化具有延遲，由于最大功率的限制，功率的變化最高可達1.5MW。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s18混合風下的風速、角速度、功率4.3接入風機的3機9節(jié)點系統(tǒng)在小擾動下的研究分析從第三章可以看出，雙饋風力能源發(fā)電設備機組在穩(wěn)固定子側和體系相互連接，固定轉子與變流控制器設備能夠完成能量的作用雙向流動，并且完成固定轉子側有功與無功額定功率的解耦，它能在一定程度上削弱阻尼[[][]石鵬.基于頻率響應法的風電并網(wǎng)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析[D].浙江大學,20小擾動分析采用的原理與模型用于小擾動分析的模型仍然是上述IEEE9模型，風扇參數(shù)設置同上。當Bus2連接到雙饋式感應發(fā)電機時，連接到Bus3的Bus2和G3是PV節(jié)點，而Bus1是平衡節(jié)點。PSAT中電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性分析的方法是特征值法。4.3.2運行結果與分析首先將IEEE9模型導入PSAT，在主界面進行潮流計算，然后點擊小擾動分析按鈕進行仿真。特征值可以清晰地顯示在圖形上，如圖所示。圖STYLEREF1\s4SEQ圖\*ARABIC\s19小擾動下結果電力體系靜態(tài)穩(wěn)定判定里的小影響干擾研究分析模式的基本原理是李亞普洛夫原理，其運動特征能夠用一階非線性關聯(lián)微分運算方程式組來描述表達： (4-1)初始啟動點泰勒展開忽略高階項后獲得的偏移的線性狀態(tài)方程如下: