基于Matlab的水电_风电系统动稳仿真_李凤婷.docx

机电与金属结构

文章编号

水 力 发 电

第

卷第 期
年 月

基于 的水电风电
系统动稳仿真

李凤婷 晁 勤 童 菲
新疆大学电气工程学院新疆乌鲁木齐
西安理工大学自动化学院陕西西安

关键词水电风电系统动态仿真稳定性
摘 要建立风力发电机组的数学模型利用 搭建了含励磁和调频系统的同步发电机以及随
风速变化的异步发电机系统的仿真模块以新疆布尔津水电风电网络为实例对投入和切除风机、风力发电机端 口三相短路故障、增大风速、增大风机容量比例这五种运行状态进行了动态稳定仿真。仿真结果表明当风电容量占
系统总容量比例达到 时风电系统稳定性被破坏。

中图分类号

文献标识码

由于风能的随机性和间歇性的特点 风电对电网稳定性 的影响随着风电规模的不断扩大而增大。国内外研究表明 为保证电能质量风电穿越功率不宜超过 。因此电网中风 力 发 电 装 机 容 量 与 系 统 安 全 稳 定 运 行 的 关 系 是 目 前 国 内 外 研 究的热点。而现代电力系统是一个超高压、大容量、跨区域的巨 大联合电力系统 许多大型电力科研实验的实际条件难以满 足且系统的安全运行也不允许进行实验。目前电力系统稳定 分析和新装置 研制几乎都离不开仿真研究。本研究选 用 软件以新疆布尔津水电风电网为实例针对风电对水 电风电系统动态稳定性所造成的影响进行动态仿真 旨在分
析风电容量占水电风电互补式电网总容量的最佳比例。
水电风电系统的数学与仿真建模
布尔津风电系统网络模型
布尔津电网是一个典型的水电风电互补系统由 台

和 台 的 水 力 发 电 机 及 台 的
风力发电机组成。为了易于 动态仿真对布 尔津风电网络进行了必要的简化 消去了大部分的联络节 点并将网络损耗并入电网负荷使得电网中节点数和支路
数大大减少简化后的布尔津网络模型如图 所示。图 中
号为同步水力发电机总容量为 ～ 号为异
步风力发电机总容量为 风电容量占电网总容量

收稿日期
基金项目新疆教育厅优秀学者奖励项目
作者简介李凤婷 一 女河北平山人博士研究生副教
授硕士生导师主要从事并网型风力发电系统研究晃勤
女湖南宁乡人教授博士生导师主要从事并网型风力发电系统 研 究 童 菲 — 女山东运城人本科生主要研究方向为电子
信息和数据处理

94-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.

第

卷 第 期

李 凤 婷 等 基 于

的水电 风电系统动稳仿真

机电与金属结构

比 例 约 为
数学模型
图 中 的 ～号机为考虑 "、 "的 阶同步发电机动 态数学模型并计及励磁和调速系统的作用 ～ 号风力发
电机组采用下述数学模型未考虑电容无功补偿。

35kV母线 十负荷

6.3kV 6.3kY 64kY

1号2号 3 号 4～10号

图 1 布尔津风电系统网络模型示意

风力异步发电机电磁暂态数学模型
— φ φ

φ (φ

c ()φ’

(()φ’
′— φ'

__
′ φ’

式中 为电压 为电阻 为电流φ为磁链 u 为角频率
其中下标 和 分别表示发电机定子量和转子量下标 和
分别表示发电机直轴量和交轴量。
风力异步发电机机械暂态数学模型
pφ φ

()

δ ()

式 中 为电磁转矩 p 为 空 气 密 度 ) 为 同 步 电 角 速 度
为惯性时间常数 为阻尼系数 为齿轮箱侧转矩δ为电
角位移 为滑差率。
风力机及轮毂数学模型

Q λ
——π p

式中 。为叶片侧转矩 为轮毂惯性时间常数 p为空气密
度 为风力机功率系数 为叶片直径 为作用于风力
机的风速λ为叶间速率比 Q 为风力机额定机械角速度
为风力机额定功率。
布尔津水电风电系统动态仿真模型
确定了风电系统的数学模型和网络模型后采用
搭建了各子系统的仿真模型并将各子系统进行连
接构建了新疆布尔津风电系统仿真模型 。
水电风电系统的动态仿真与结果

在 构 建 系 统 仿 真 模 型 的 基 础 上 选 取 为
环境对布尔津风电系统进行了动态仿真重点研究了系统运

行 时投入和切除风机、风力发电机端口三项短路故障、风 速 从 跃变到 、风机容量比例从实际运行的
增至规划的 种运行状态动态稳定仿真并从同步
发电机的功角曲线和电压曲线分析了风电系统的暂态稳定。
风电机组突然投入电网的仿真分析
系统运行 时突然投入风电机组 同步发电机 号和 号之间的相对功角动态仿真曲线如图 所示同步发电机 定子电压幅值动态曲线如图 所示负荷侧母线电压的动态
曲线如图 所示。

图 4 投入风机前后负荷侧母线电压的动态曲线
由图 所示的仿真结果可知在 ～ 的动态仿真过程 中风力发电机投入同步发电机相对功角有波动但变化最
大值均小于 °由动稳判据可知该风电系统动态稳定。
由 图 可知当风力发电机突然投入时系统受到干扰 由于风机未加无功补偿同步发电机定子电压有一个较大的 下降经过同步机励磁调节恢复为接近额定值。同理由于风 力发电机需要从电网吸收无功功率负荷侧母线电压经过短
暂的降低暂态过程趋于稳定如图 所示。
从电网中突然切除风力发电机仿真分析
在系统运行时突然将风电机组从系统中切除同步发
电机 号和 号之间的相对功角动态仿真结果表明风力发

?1994-2015 China AcademicJournal Electronic Publishing House.Allrights reserved. ki.

功 角 / ( " )
水 力
机电与金属结构

电机切除前后同步发电机相对功角变化最大值均小于
与图 类 似 略 风电系统动态稳定。
风力发电机端口故障仿真分析
图 是风力发电机端口三相短路故障时动态仿真曲线
故障时间是从 到 。由同步发电机 号和 号之间的
相对功角动态仿真曲线可见当故障发生和切除时同步发
电机相对功角变化的最大值均小于 °由此判定风电系统
动态稳定。

时间/s

图 5 风力发电机端口有故障时功角动态曲线
风速从 跃变到 的动态仿真分析
为了真实地模拟风速变化时风电机组输出有功功率变
化情况在 仿真模块中搭建了图 所示的风
速变化风电机组出力动态变化曲线模块。

系统运行 时 风 速 从 跃变为 时 仿 真
结果如图 所示。从图 中可看出风速增大时系统波动增
大 但同步发电机 号和 号之间的相对功角并未超过
风电系统动态稳定功角动态曲线如图 所示。

风机容量比例增大的动态仿真分析
当布尔津风电系统运行 时 将风电机组总容量增
加到 时 即每 台机组容量为 号同步
发电机容量减小为 此时风机总容量约占系统总

发 电
年 月

容量的 功角动态仿真曲线如图 所示。从图 中可以
看出风机总容量突然增加到 同步机之间的相对功角
差超过 °风电系统失稳定。

结 语
利用 里的 建立仿真模块并以新疆 布尔津水电风电互补式电网为实例进行水电风电系统的
动态仿真通过对仿真曲线的分析得出
布尔津风电容量占系统总容量 时 无 论 风 机 投切、系统故障还是风速在规定范围内 变 化 同
步发电机功角均小于 °水电风电系统稳定。
布尔津风电容量占系统总容量比例增加到 时 水电风电系统稳定性被破坏。由此说明风电容量不能太大 当风电容量占系统总容量的比例超过到一定上限时就会引 起系统的不稳定。风电容量占系统总容量的最佳比例有待进
一步研究探讨。
仿真结果与实际电网运行情况相符验证了仿真模
块的正确性。
电压仿真结果表明风机必须装设一定容量的无功补
偿电容器所搭建的仿真模块有待改进。
仿真模块中的参数可根据不同电力网络的实际情况 调节进行不同电力网络的动态仿真分析有一定的灵活性。
参考文献

康严文李智勇王维庆基于 风能自校正自调整
模糊控制器仿真研究 水力发电
姚俊马松辉 建模与仿真 西安西安电子科技大
学出版社

黄家裕陈礼义孙德昌 电力系统数字仿真 北京中国电
力出版社
马昕霞宋明中李永光等风力发电并网技术及若干问题的 研究 吉林电力
薛定宇陈阳泉基于 的系统仿真 技术
与应用院 北京清华大学出版社
郑国强 鲍海陈树勇基于近似线性规划的风电场穿透功率 极限优化的改进算法 中国电机工程学报

雷亚洲王伟胜印永华等基于机会约束规划的风电穿越功 率极限计算 中国电机工程学报

994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.