电气工程自动化专业毕业设计论文双馈风力发电机电压跌落仿真.docx
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电气工程自动化专业毕业设计论文双馈风力发电机电压跌落仿真
工学学士学位论文
双馈风力发电机电压跌落仿真
专业名称电气工程及其自动化
学生姓名XX
指导老师XX
XX大学
20XX年6月
摘要
本文通过简述当今世界面临的能源危机及环境危机指出开发新能源的重要性。
从而指出，开发并利用好风能这种可再生的洁净能源，对全人类的进步与发展有着重大的意义。
同时，对国内外风力发电机的发展现状与趋势作出了说明。
在数学模型建立阶段，本文从a-b-c坐标系中的电机方程式的推导开始，以双馈风力发电机电磁暂态方程为基础，通过d-q坐标转换建立起较为简单的dq0系统下的双馈风力发电机的数学模型。
为仿真试验阶段中仿真模型的建立做好准备。
在仿真实验阶段，本文首先简要的介绍了MATLAB软件中simulink的功能及仿真原理,并且分类简单介绍了simulink中的一些常用模块。
接着根据已建立起的数学模型构建仿真模型。
在建立起仿真模型并选定参数之后，针对并网运行下电压跌落情形进行仿真并对得出的仿真图形进行讨论。
关键词：
双馈风力发电机；并网；暂态模型；仿真
Abstract
Thispaperthroughtheworldenergycrisisandtheenvironmentalcrisisinthefacethattheimportanceofdevelopingthenewenergy.Thus,thedevelopmentandusethatgoodwindthisrenewablecleanenergy,Haveagreatsignificancetohumanprogressanddevelopment.Atthesametime,explainthedevelopmentofwindturbinegeneratorsfordomesticsituationandtrends.
Inmathematicalmodelestablishmentstage,thepaperbeginswiththederivationforthemotorequationsina-b-ccoordinate;takethedouble-fedwind-drivengeneratorelectromagnetismtransitionconditionequationasthefoundation.Establishcomparativelysimpledoubly-fedgridwindgeneratorsmathematicalmodelunderdq0systembyd-qcoordinatetransformation.Prepareforthesimulationmodelestablishmentinthesimulationexperimentalstage.
Insimulationexperimentstage,thisarticlefirstinbriefintroductionthefunctionandsimulationprincipleofMATLAB/simulink,andclassifiedsimplyintroducedinsimulinksomecommonlyusedmodules.Thenestablishesthesimulationmodelwhichaccordingtothemathematicalmodel.Afterestablishesthesimulationmodelanddesignatestheparameter,carriesonthesimulationandwhichdiscusstothesimulationgraphinviewofsituationsasstatorsidestringreactance,shortcircuitandvoltageforcedlanding.
Keywords:
double-fedwindgenerator;Incorporation;transientmodel;simulation
1、绪论
1.1引言
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。
其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。
本章将从能源危机和环境危机说起，引出开发新能源的紧迫性和研究风力发电的重要性。
紧接着将对风力发电机的现状与研究趋势、风力发电系统常用的研究方法以及并网风力发电机的研究现状和研究意义做出阐述。
1.2新能源的开发
1.2.1能源危机引发的新能源开发
能源是现代社会和经济发展的基础。
从全球能源消耗来看，87%的能源来自化石燃料，6%来自核电，其余的7%来自可再生能源（主要是水利和风力发电）。
当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油和煤炭等矿物燃料为主要能源。
随着世界经济的快速发展，对能源的需求量不断增加，不可再生能源的储量越来越少。
据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目前的技术水平和采掘速度计算，煤炭还可维持34年，天然气还可使用60年。
能源危机越来越严重，已成为人类进一步发展的阻力。
能源危机十分明显的表现就是近几年来严重困扰人民生活和生产的电力紧张。
近年来，我国很多地区出现了大面积拉闸限电限电。
究其原因既有经济快速增长，高耗能产业急速发展的因素，也有能源结构不合理，新能源、可再生能源开发不足方面的因素。
我国目前的电力供应主要以水力发电和火力发电为主，一旦干旱严重或煤炭供应紧张，电力供应就会受到很大的影响。
自首次发生石油危机以来，世界各地都在认真探索能源多样化的途径，寻找替代化石燃料的能源，加大对开发新能源和可再生能源的投入。
在诸多新能源和可再生能源中，风能和太阳能最具代表性，风力发电和太阳能发电技术受到世界各国的高度重视。
1.2.2环境危机引发的新能源开发
随着能源的大量消耗而来的是地球环境的日益恶化。
仅20世纪100年，全球能源消耗规模扩大了约20倍，已经达到阻碍地球生态系统自律功能正常运转的程度。
CO2气体的温室效应引起的全球变暖，是这方面最初的征兆。
我国燃煤释放的SO2占全国总排量的85%，CO2占85%，烟尘占70%。
对农业和生态造成了严重的影响。
近年来，我国酸雨区域正迅速扩大，破坏了陆地上的植被，进而造成水土流失、珍贵动植物资源日益减少甚至消失。
环境的恶化进一步导致了干旱、洪涝、飓风等严重的自然灾害，时刻威胁着人类的生命和财产安全。
风能是一种洁净的自然能源，在转换成电能的过程中，只降低了气流的速度，不存在常规能源和核电对环境造成的污染问题。
近年来，随着风力发电技术日臻成熟，产品实现批量生产，质量不断提高，年利用率从80年代的不足60%提高到95%，有的甚至能达到98%~99%，这不仅节约了大量的矿物燃料，还能减少对环境的污染。
可以认为风力发电是一种安全可靠的发电方式。
1.3风力发电的现状与发展趋势
1.3.1风力发电在国外的现状和发展趋势
因为风能已经成为新能源发电中最便宜的能源，并且风能也符合环境保护计划的要求，所以很多国家以国家计划和经济激励的方式促进风力发电技术的发展。
在14个国家（奥地利、加拿大、丹麦、芬兰、德国、意大利、日本、荷兰、新西兰、挪威、西班牙、瑞典、英国和美国）的基金支持下，国际能源机构（IEA）支持在风能发展上的联合研究项目和信息交换。
到1995年初，IEA会员国已经有超过25000台并网型风力机在运行，额定总容量总计3500兆瓦。
2001年，世界范围内风力发电装机容量约25000兆瓦。
根据全球风能理事会的统计，全球的风力发电产业正以惊人的速度增长，在过去10年平均年增长率达到28%，2007年年底，全球装机总量达到了9400万千瓦，每年新增2000万千瓦。
2008年是风电发展具有标志性的一年：
风电成为非水电可再生能源中第一个全球装机超过1亿千瓦的电力资源。
风电作为能源领域增长最快的行业，共为全球提供了近20万个就业机会，仅2006年风电场建设投资就接近170亿欧元。
在风电市场中欧洲和美国占统治地位，其中德国是目前风电装机最大的国家，装机容量超过2000万千瓦；美国和西班牙也都超过了1000万千瓦；印度是除美国和欧洲之外新装机容量最大的国家，装机总容量也超过600万千瓦。
风力发电是世界上可再生能源发电中的中坚，即便如此，风力发电仍然是总装机容量中的很小一部分。
2004年，在全球发电总装机容量3000000兆瓦中，风力发电只有45000兆瓦（约占1.5%）。
从风力发电具有巨大发展潜力的前景看，风力发电的增长和成熟仍然有很长的路要走。
然而，风力发电已经开始朝这个方向迅速发展了。
国内外对变速恒频双馈风力发电系统空载并网控制的策略：
（1）基于定子磁场定向的开环并网控制策略；
这种控制策略是以矢量控制为基础，实现转子电流的开环控制。
原理清晰，实现简单，是一种较为理想的实现方案。
（2）基于PI控制器的矢量变换控制空载并网控制策略；
这种控制策略是以定子磁链定向为基础，以转子M轴电流为控制对象，通过PI调节对转子励磁电压控制实现空载并网。
（3）基于矢量控制与自抗扰控制相结合的控制策略。
将矢量控制技术与自抗扰控制器（ADRC）结合起来应用于变速恒频双馈发电机空载并网控制上，得到了种新刑并网控制策略。
该控制方案不需要精确电机参数就可以实现并网，控制器的设计也不需要建立精确的数学模型。
控制器对电机模型的不确定性和外部扰动变化具有较强的鲁棒性，并网控制系统具有优良的动态性能。
（4）基于滑模变结构控制的并网控制策略。
将滑模变结构控制与矢量控制相结合的控制策略。
变速恒频双馈风力发电系统空载并网动态响应好，过渡平稳，并网后无需更改控制器参数即可顺利进入最大风能追踪阶段。
与传统PI控制相比，该控制策略能够有效抑制参数摄动及外部扰动对双馈风力发电系统的影响，具有较强的全局鲁棒性。
1.3.2风力发电在我国的现状和发展趋势
我国风能资源及其丰富，仅次于美国和苏联，居世界第三年位。
风力发电发展潜力巨大。
我国风能理论量为32.26亿千瓦，实际可开发量为2.5亿千瓦，近海可利用风能7.5亿千瓦。
我国政府将风力发电作为改善能源结构、应对气候变化和能源安全问题的主要替代能源技术之一，给予了有力的扶持。
在国家《可再生能源发展“十一五”规划》中提出对风电技术的要求是：
提高风电技术研发能力，将自主创新与技术引进和消化吸收再创新相结合，建立和形成以国内制造为主的风电装备能力。
支持引进国外先进技术，并进行消化吸收和再创新，逐步形成具有自主知识产权的风电技术和产品。
2007年，全球风电资金中15%投向了中国，总额达340亿人民币，即34亿欧元左右，中国真正成为全球最大的风电市场。
我国从20世纪70年代开始进行并网型风力发电的尝试。
1983年山东荣成引进3台丹麦55kW风力发电机组，开始了并网型风力发电技术的试验与示范。
1989年内蒙古安装了5台美国100千瓦风力发电机组，开始了我国风电场的运行实验与示范。
1996年底总装机容量为57.676兆瓦，1997年在国家有关优惠政策和国家计委“乘风计划”的推动下，年总装机容量跃至108.8兆瓦，另有155000台微型风力机在牧区和山区使用，2001年我国风电装机容量达403.2兆瓦。
2004年，我国新装的风力发电机容量为197兆瓦，总装机容量为760兆瓦。
但是，我国并网风力发电技术的研究和开发与世界先进水平相比，还有很大差距，风力发电仅占全国总装机容量的0.14%，远远落后于我国风电场建设的要求。
目前，我国的并网型风力发电机主要是：
Bonus,Vestas,NEG-Micon,Nordtank,Nordex,Games等国外厂家提供的，在风机制造水平上，已经成为国际主流机型的兆瓦级机型在中国还处于研发阶段。
到2005年底，我国已建成风电场62座，累计运行风力发电机组1864台，总容量达126.6千瓦，预计到2010年全国风电装机容量达到400万千瓦，2020年全国风电装机容量达到2000万千瓦，占全国总装机容量的2%左右。
为了促进我国风电产业发展，国家计委一直在研究和制定新的可再生能源政策，风电电价是风电行业投资行为中不可忽视的因素，风电电价的高低直接影响投资效益。
如果国家继续出台多种优惠政策，则风电的上网电价会大大降低。
在资源条件好的内地，风电上网电价可能降低到0.25元/（千瓦.时）,在资源条件相对差的东部沿海，上网电价可能在0.35元/（千瓦.时）水平以下。
这样，风电的上网电价将可能低于煤电电价，从而在电力市场上开始具有很强的竞争力，风电发展势头强劲。
1.4研究电压跌落的意义
1.4.1电压跌落的概念
电网电压跌落是电网运行中的常见故障之一，当电网出现故障导致电压跌落后，会使风力发电机组出现过电压、过电流或转速上升等问题，对于风力发电机本身及其控制系统的安全运行产生影响。
所谓电网电压的跌落（VoltageDip）通常是指电力系统中某个点的电压突然跌10%一90%，并且持续0.5s周波到1s的时间。
电压跌落的原因主要有三类，即电网故障引起的电压跌落、大电机的起动引起的电压跌落和电机的再加速引起的电压跌落。
对于由电网故障引起的电压跌落，其电压跌落和恢复时间较短，几乎瞬时发生;对于由其它电机起动造成的电网电压跌落，电压恢复所需时间较长，通常需要几百毫秒到几秒的时间;对于由电机再加速引起的电压跌落，在电压跌落的开始阶段，由于电机的惯性，使其类似于一个电压源，从而阻止了电网电压的跌落速度，而在电网电压恢复时，由于电机的再加速过程和吸收无功功率的增加又阻碍了电网电压的恢复。
与其它两种电压跌落相比，电网故障引起的电压跌落通常伴随有电压相位的突变及三相电压的不对称等问题。
针对电网故障引起的电网电压跌落，按照跌落后电压对称与否，又可以将其分为对称电压跌落和不对称电压跌落两种情况。
对于不对称电压跌落的故障，又可分为单相跌落故障、两相跌落故障。
1.4.2电压跌落的原因
大部分电压跌落是由于雷击和输电线路短路故障引起的。
感应电动机的起动等也会引起电压跌落,但这种电压跌落一般并不严重,通过采取适当的措施,可有效消除电机起动所引起的电压跌落的不利影响。
雷击所引起的绝缘子闪络和线路对地放电是造成系统电压跌落的主要原因。
由于电力系统中的大多数设备是暴露在露天的,在雨季或多雷击地区,暴露在露天的运行设备很容易受雷击干扰。
因雷击引发的电压跌落影响范围大,持续时间超过5个周期。
系统故障是引起电压跌落的另一重要原因。
目前配电系统中的线路主保护一般是分段式电流保护,该保护的最大缺陷就是在线路故障时不能做到无延时地切除故障。
即使是无延时保护,其固有动作时间也要6～9个周期。
因此在故障期间,线路上的敏感负荷将被迫退出工作。
如线路上装有重合闸装置时,由此引发的电压跌落次数将成倍增加。
故障引发的电压跌落的幅值大部分都在30%额定值以下。
按输电线路故障类型可分为三相短路、单相接地短路、相间短路3种情况。
对三相短路而言,电压跌落是对称的;但对于不对称故障,各相电压幅值、相角跳变不相同,因此,电压跌落还伴随着不对称现象,而且,由于供电端变压器绕组连接方式的不同以及负荷连接方式的不同,使得同一故障点产生的电压跌落由输电线路送到不同负荷时产生的电压跌落类型也不同。
输配电系统中的多数故障为单相接地故障。
1.4.3电压跌落的危害
近20年来,随着计算机应用技术、自动化控制技术和大功率电力电子技术等高新技术的迅速发展,基于计算机、微处理器的管理、分析、检测、控制的高性能、高度自动化的新型用电设备和各种电力电子设备在电力系统中大量投入使用,它们对系统干扰非常敏感,比传统用电设备对电能质量的要求苛刻得多。
不论系统是处于正常稳态还是故障暂态,均需保证幅值偏差很小（如只允许在额定值的±10%或更小的范围内波动）的基波正弦电力的可使用性,即高动态恒定特性,几个周期的电压跌落都将影响这些设备的正常工作，造成巨大的经济损失。
有资料表明,在欧美等国家,一次电压跌落造成的经济损失至少在数百万美元以上。
近10多年来,在电能质量问题的各种现象中,电压跌落是造成电压敏感设备不能正常工作的主要原因,通常可认为电压跌落引起70%～90%电能质量问题。
如英国1995年就电能质量问题对容量超过1MW的100家用户做了调查,结果显示:
在监测的12个月里,69%的用户的生产过程因电能质量问题受到破坏,且83%的事故是由电压跌落引起的。
目前在工业化国家,电压跌落已经上升为最重要的电能质量问题之一,成为各方面关注的焦点。
据报道,在欧洲,由电压跌落引起的用户投诉占整个电能质量问题的80%以上,而由谐波等引起的电能质量问题投诉不到20%。
电压跌落已成为威胁现代社会各用电设备正常、安全工作的主要干扰,并且成为威胁信息化社会供电质量不可忽视的因素,其危害性主要表现在以下几个方面:
（1）电压跌落轻则造成工作、生活上的不便。
例如电压跌落可能造成个人用计算机程序紊乱,数据丢失等。
中国国际广播电台曾报道,美国《商业周刊》的一名编辑因供电系统突然降压1s造成电梯故障而被困在电梯内长达40h,以心理和身体受到严重伤害为由向相关部门提出索赔2500万美元的要求。
此次电梯故障是由于供电系统突然降压1s造成的。
（2）电压跌落影响面宽,造成的经济损失大,因而带来的严重影响与危害表现得尤其突出,几个周期的供电电压跌落都将影响一些设备的正常运行,造成产品质量下降,甚至使生产线程序紊乱或中断,且电压跌落后的无序起动比计划断电后的有序恢复造成的危害及损失大得多。
例如,上海浦东某电子有限公司是一家以生产0.29～0.5μm硅晶片为主的高科技企业,该厂有一部分负荷对电压变动十分敏感,当电压跌至正常电压的80%,持续时间超过20ms时,其内部的部分设备就会停机。
据该厂粗略估算,每发生一次类似事件,造成的直接经济损失在200万元以上。
（3）电压跌落不仅造成经济损失,还可能造成人员伤亡和设备毁坏。
比如医院中的一些医疗保健设备,用计算机进行的脑外科、心血管外科、眼科手术等,当发生电压跌落而造成设备不能正常工作时将造成严重后果。
与长时间供电中断事故相比,电压跌落有发生频率高、事故原因不易察觉的特点,处理起来比较困难。
电压跌落会引起敏感控制器的误动作（引起跳闸）,造成包括计算机系统失灵、自动化装置停顿或误动、变频调速器停顿等;引起接触器脱扣或低压保护起动,造成电动机、电梯等停顿;引起高温光源（碘钨灯）熄灭,造成公共场所失去照明。
1.4.4电压跌落的标准
随着风力发电容量的急剧增大，风力发电系统对电网的影响变得不能忽略。
这种影响主要如下：
当所有的风力发电机组在故障时切除，风力发电机并不能像传统发电厂一样在电网故障期间和随后的时间内维持电网电压和电网频率恒定，这将导致系统失去稳定性。
因此，许多国家规定在电网电压跌落处于一定范围内时风电机组必须保持与电网相连。
因此双馈感应发电机组低电压穿越（LVRT）已成为国内外学者的研究热点之一。
风力发电技术领先的国家已经相继发布了故障穿越的定量标准，以下是国内外低电压穿越标准：
（1）各国风电场/风电机组低电压穿越标准
以下针对电力部门对风力发电LVRT特性的要求，给出几个国家较为典型的低电压运行规定，其主要区别在于电压跌落度和持续运行时间的要求不同，具体如图1——图6所示：
图1.英国国家电网
图2.德国E-ON对1型发电厂的要求
图3.德国E-ON对2型发电厂的要求
图4.丹麦Ekrafi和Eltra对风力发电的要求
图5.加拿大CanWEA对风力发电的要求
图6.西班牙REDElectricaDeEspana的要求
在图1——图6中分别给出了几个国家电力部门的几种典型的对风力发电机LVRT特性的要求，这些特性曲线的含义为:
当电网电压处在图中低电压线以上时，风力发电机不得脱离电网，并且必须按要求向电网提供有功功率和无功功率的支持。
图7.德国E.ON公司2型发电厂的LVRT要求
比较典型的是德国E.ON公司推出的LvRT要求，先现重画于图7中。
图中是对应于2型发电厂，即包括风力发电厂的LvRT曲线。
1imitline1对应的是三相短路或对称故障时情况。
对于其他电网故障情况，在1imitline2以上时就应该保持与电网的连接，或者与电网公司协商后可以短暂脱网，要求不得超过2s，而且再并网后必须至少以每秒10%额定有功功率速度发出有功功率。
在1imitline2以下时可以短暂脱网，具体要求可以与电网公司协商。
电网电压跌落后如果风电机组能够并网，就必须最少以每秒20%额定功率的速度发送无功功率。
而且无功补偿必须在电网跌落20ms之内开始，并电压每跌落l%就要至少补偿2%的无功功率。
在图中的点阴影区域，风电机组就可以根据具体情况断开电网。
（2）我国风电场/风电机组低电压穿越相关现状
由于我国风力发电事业起步较晚，相比于欧美一些国家，我国相关的风电并网制度相对落后。
我国自“十五”期间己对交流励磁DFIG风力发电机组理想电网条件下的运行控制进行了较为深入的分析和研究，而研究电网故障下DGIG的行为、特性，提高风力发电机组对这种故障的适应能力，己成为目前国外研究的热点，国内对此研究很少。
但随着我国风电装机容量的不断增加，我国也已开始制定相关风电场并网准则。
于2009年由国家电网公司组织编制的《国家电网公司风电场接入电网技术规定（修订版）））规定风电场在任何运行方式下，应保证其无功功率有一定的调节容量;当风电场并网点的电压偏差在正负10%之间时，风电场内的风电机组应能正常运行;风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行0.625s低电压穿越能力。
目前，我国吉林省龙源双龙风电场部分1.5兆瓦风电机组进行了改造，并按照吉林省电力公司要求进行了国内首次风力发电机组在线低电压穿越性能测试。
该项测试工作开创了国内风电机组低电压穿越测试的先河，填补了国内在此方面工作的空白。
1.5风力发电系统常用的研究方法
风力发电系统的控制室十分复杂的，要想提高其控制性能，必须进行风力发电技术的研究，最理想的研究方法是将发电机和风力机相连，在现场做实验。
但这样的实验往往受各种条件所限制，风力发电的实验研究需要风力机等各种设备，而且风速的变化也不容易控制，在实验室使用显得十分不便。
如果在风力发电研究中，使用模拟风力机，就可以使研究变得比较容易，而且还可以再一台模拟机上模拟出不同特性的风力机，风速的变化也可以随意设定。
当前主要采用的方法有：
一、采用风力机模拟器
风力机模拟器装置主要包括：
一个实时软件模拟器，来执行风力机的数学模型；一个基点随动系统，主要是接受实时软件模拟器的输出型号，提供一个可以测量的输出变量，作为系统对实时软件模拟器的响应。
主要思想是通过电动机来模拟实际风力机的输出特性，从而拖动发电机得出系统的动态性能。
二、采用仿真软件进行模拟：
仿真就是模拟实验，是通过对系统模型进行实验来研究一个存在的或设
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