基于Matlab的双馈风力发电系统动态仿真.docx

研 究 与 开 发基于 Matlab 的双馈风力发电系统动态仿真刘芳宇 1 李艳春 2( 1.太原理工大学理学院，太原 030024 ； 2.山西电力科学研究院，太原 030001)摘要 本文以双馈风力发电系统为研究对象，建立了双馈风力发电系统的动态数学模型，包 括风速、风力机、双馈发电机以及补偿电容器四个部分。利用 Matlab/Simulink 建立了仿真系统模 型,详细论述了仿真的方法和过程，并对风电场接入电力系统进行了动态稳定分析，论文同时就如 何提高风电系统短路故障后的动态稳定性进行了研究。关键词： 风电场；双馈风力发电系统； Matlab ；动态仿真Dynamic Simulation of Doubiy-fedWind Power System Based on MatlabLiu Fangyu Li Yanchun(Taiyuan University of Technology , Taiyuan 030024)Abstract Taking doubly-fed wind power system as an object, the paper presents the dynamicmodel of doubly-fed wind power system, including wind speed, windmill, doubly-fed generator andcapacitor. The method and process of the dynamic simulation based on Matlab/Simulink are discussed in detail, and the dynamic stability on the wind-farm connected to power system is analyzed. At the same time, the thesis studies how to improve dynamic stability of wind power system after the short-circuitfault is occurred.Key words： wind farm； doubly-fed wind power system ； Matlab； dynamic simulation452007 年第 11 期1 引言随着我国风力发电事业的不断发展，新建风电 场的规模越来越大。由于电场的输出功率会随着风 速变化而不断地变化，所以当大型风电场并网运行 时，这种功率波动将会对系统的稳定性和可靠性造 成一定的影响。随着风电在系统中的比例越来越高，风电场并 网运行会带来许多问题 ,其中包括系统节点电压、 系 统频率的波动和偏差，还有系统安全稳定性受到的 影响 1。 因此， 对大型风电场并网运行所造成的系统 电能质量和动态稳定性问题进行分析是十分必要的。双馈风力发电机组是目前我国广泛使用的风电 设备，由于它的运行特性不同于常规发电机组，当 其并网运行时会对电力系统造成一定的影响。本文以双馈风力发电系统作为研究对象， 通过 MATLAB仿真的方法分析其并网运行特性。2 动态数学模型建立了双馈风力发电系统的动态数学模型，包括 风速、风力机、双馈异步发电机以及补偿电容器四个 部分；包含风电场的电力系统动态仿真程序中除了双 馈异步风力发电机组外，还包括同步发电机、励磁系 统、 转速控制器2， 下面将逐一介绍它们的数学模型。 2.1 风速模型本文采用国内外使用较多的风速四分量模型， 各分量分别为基本风 V 、阵风VWG 、渐变风VWR 、随 机噪声风 VWN。模拟实际作用在风力机上的风速 VW为：V = V +V +V + R ()1W WG WR WN = X I + x I X r(s)r(s)Id(q)r(s) + xm(m)Id(q)s(r)qr = Xrr Iqr + xm Iqs(4)T = C 1 A Vw QN 103 V V V (2)研 究 与 开 发 在暂态研究中，由于电力系统故障时间较短， 可认为在暂态过程(故障从发生到恢复)中，通过 风轮机的风速保持不变。2.2 风力机模型风能与机械转矩 TW 的关系为： V V 0W P 2 0() PN m Vout Vw out其中， T 为风力机叶片的输出转矩； V 为风速，w wVin、Vout 分别为风力机的切入风速和切出风速； 为 空气密度； 为风力机的机械角速度； A = R 2 为w风力机叶片的扫掠面积； Rw 为叶片半径； N 与 PN 分别为风力机的额定机械角速度和额定功率； C 是P风力机的风能利用系数。2.3 传动机构的模型轮毂用于连接叶片和齿轮箱， 具有较大的惯性， 其两边的转矩可用一阶惯性环节来模拟。传动部分的动态模型为：dTmdt = 1w(Tw Tm ) (3)其中， 为风力机的惯性时间常数； T 为风力w w机叶片的输出转矩； T 为输入异步发电机的转矩。m2.4 双馈电机动态数学模型 5忽略定子侧的电磁暂态过程和定子侧电阻，双 馈电机的基本方程为： U = U ds qsU = ddr s + r I dr dt qr r dr U qr sqr + rr Idr ds ss ds m dr = X I + x I(5)经推导，双馈电机的动态方程可以表示为： U.s = jx Is + E.dt(dE.) jU.r X(x)rr(m) T 0 ss s (6)462007 年第 11 期暂态过程中双馈电机的转速变化主要取决于转 子轴上不平衡转矩的大小，当机械转矩一定时，双 馈电机的电磁转矩就是产生不平衡转矩的主要原 因。因而，当风电机组的转速发生偏差，或运行状 态发生变化需要调速时，要通过调节双馈电机的电 磁转矩来调节转速。通过调节发电机转子的外接电源 U 、 U ，可以改变该数学模型中的输出电磁转dr qr矩 T ，起到调速的作用。e在矢量控制下， 控制双馈电机转子侧电流的 dq 轴分量可以控制双馈电机转速和无功功率，但双馈电机的控制变量是转子侧电压 U 、 U ，所以必须dr qr得出转子电压和电流之间的关系，才能将对电流分 量的控制转化为对电压分量的控制。其他补偿电容器、同步发电机、励磁系统、转 速控制器已经有很成熟的模型， 在此不做详细介绍。3 动态仿真程序设计 3,4考虑到风电系统的特殊性，设计包含风电场系 统的动态仿真程序流程框图，如图 1 所示。NN常规机组微分 代数方程求解输入原始数据计算初始潮流确定风电系统异步发电机和其他常规机组的初始状态设置仿真时间t=TmaxYY有无故障或操作N处理故障和操作Y是否风电机组读入t时刻风速风电系统微分 代数方程求解进行网络方程计算t=t+t结束图 1 动态仿真程序流程框图4 动态仿真程序实现本文基于 Matlab 软件环境下的 S 函数文件以及 Simulink 基本模块实现了双馈异步风力发电系统并 研 究 与 开 发472007 年第 11 期网运行的动态仿真程序。双馈异步风力发电系统并网运行动态仿真程序 主要包括：(1) 原始数据的录入。 包括仿真系统的节点电 压信息、支路信息、同步发电机参数、励磁系统参 数、 发电机转速控制器参数、 双馈异步发电机参数、 风力机参数、以及风速四分量模型的参数。它基于 M 文件实现。(2) 包含风电场的电力系统潮流计算。 它基于 M 文件实现。(3)系统各个元件初始值的计算以及扰动条件 的设定。其中初值计算包括同步发电机、双馈异步 发电机、励磁系统、风力机以及风速。它基于 M 文 件实现。(4)动态仿真计算。每一步长 T 内,整个仿真系统各元件之间的变量传递关系如图 2。图 2 单一仿真步长内各元件之间变量传递关系图 3 系统仿真图图 3 中，同步机模块包括三阶实用模型，基于 S 函数实现；励磁系统、转速控制器基于 Simulink 基本模块库实现。风电机组模块包括异步发电机三 阶模型、风能转换模型，基于 S 函数实现；传动装 置模型基于 Simulink 基本模块库实现；风速四分量 模型中的阵风、渐变风、随机风模型都基于 S 函数 实现，某几个分量的组合则基于 Simulink 基本模块 库实现。整个网络代数方程的求解基于 S 函数实现。5 实例计算算例系统的接线图如图 4 所示，是一个典型的风电场接入配电网的实例。风电场接在配电网的末 端，通过双回联络线与电网相连。将 220kV 以上电 压等级的外部系统简化为等值电源与等值阻抗，电 源电压即节点 1 的电压，节点 1-2 之间的阻抗为外 部系统等值阻抗。 节点 10 是风电场的接入点， 节点 2 和节点 10 之间是风电场附近地区的电网和负荷。风电场所选单机容量为 600kW 的双馈异步发 电机，计算所用的容量基值为 100MVA ，单台机组 参数：额定容量 600kW ，额定出口电压 690V，定 子电抗 x1 = 0.09985 ，定子电阻 r1 =0.00833 ，转子电 抗 x2 = 0.10906 ，转子电阻 r2 =0.00373 ，励磁电抗 xm=N3.54708， 额定转差 s = -0.004 ，风机出口升压变xT =0.033 ，额定功率因数 cos N= 0.89。图 4 系统接线图计算条件为：风电场总装机容量为 60MW，按PFCC =29.7% 投切电容器，定桨距，联络线路阻抗比x / r = 3， 风能转换模型中风力机的切入和切出风速 分别为 4m/s、 25m/s，额定风速为 15m/s。5.1 阵风情况基本风为 16m/s 情况下， 在 1s 启动， 周期为 5s， 阵风最大值为 6m/s，仿真时间为 10s。图 5图 8 分别为风速、风电场出口电压、风电场有功出力以 及无功出力的仿真曲线。由风速曲线可以看出这种情况下没有超过风力 机的停机风速，风速初始值在额定值附近，由于风 电机组特性，风电场有功出力变化不大。由仿真图 易知： 风电场的有功出力会随着风速的上升而增加， 下降而减小，但由于风力机的惯性，有一个时间上 的滞后。当风电场有功出力增加时，它所吸收的无 功功率也增加，导致风电场出口电压下降，这符合 风电场的运行特性。研 究 与 开 发 图 5 阵风风速图图 6 阵风下风电场电压图 7 阵风下风电场有功功率图 8 阵风下风电场无功功率5.2 风电场出口处短路故障故障设置为：风电场出口(节点 10)在 t=0.2s 发生三相短路故障，经过 7 个周波(0. 14s )后切除 联络线(节点 9- 10)的一回线路。图 9、图 10 分别为风电场出口电压、异步发电机滑差的仿真曲线。图 9 风电场出口短路故障下的风电场电压482007 年第 11 期图 10 风电场出口短路故障下的异步机滑差由曲线可知，该计算条件下的系统在故障发生 后失去稳定。其余条件不变，若将线路阻抗比变为 x / r = 1， 风电场出口电压、异步发电机滑差的仿真曲线如图 11、图 12 所示。图 11 风电场出口短路故障下的风电场电压图 12 风电场出口短路故障下的异步机滑差由仿真图可以看出，此条件下故障后的系统又 恢复稳定。仿真结果表明：双馈异步风力发电系统并网运 行过程中，当电网发生短路故障时，整个系统的稳 定性与联络线(风电场出口处与系统连接点之间的传输线路)的阻抗参数，以及并联电容器的补偿量 有很大关系。 如果采用 x / r 较小的联络线或适当提 高电容器的补偿量，都有助于提高短路故障后风电 系统的稳定性。6 结论本文基于 Matlab/Simulink 软件实现了双馈风力 发电系统并网运行的动态仿真程序，对某一实际的 风电系统进行了仿真分析，结果表明，采用 Matlab 软件环境下的 S 函数文件和 Simulink 基本模块相结 合的方法可以有效地实现电力系统的分析与计算。本文就如何提高风电系统短路故障后的动态稳定性 (下转第 57 页) 研 究 与 开 发572007 年第 11 期图 2 输出电压仿真波形图 2 中，深色曲线为 30下的电路输出波形； 浅色曲线为 -35下的电路输出波形。使用高低温试验箱对实际电路进行不同温度下 的试验，分别在 30和 -35下维持大于 5h 后实测 输出波形如图 3、图 4。从仿真和实测波形对比可以看出，两者反映的 输出电压在不同温度下变化趋势一致。 在-35条件 下的输出电压稳定值要略低于 30时的值。由于在 低温条件下，负载侧支撑电容值减小，负载电阻值 减小，导致电容充放电速度加快，启动时电压上升 斜率较常温时大。图 3 30 下输出实测波形图 4 -35 下输出实测波形4 结论对于电路和器件低温特性的研究，有助于我们 根据电路工作的具体环境选择合适的电路拓扑和器 件，保证电路在不同的温度条件下正常运行，保持 良好的输出特性。试验结果证明本文采用的基于 PSpice 仿真软件的器件建模仿真方法能够体现出器 件及电路在不同温度下的工作特性，是一种有效的 试验方法。参考文献1 郑琼林 ,李威 ,郝荣泰 .8K 型电力机车 IGBT 辅助逆变器的控制与驱动 J.铁道学报 ,2002, (2).2 赵雅兴 .PSpice 与电子器件模型 M. 北京:北京邮电大学出版社 ,20043 黄先进 ,孙湖 ,郑琼林 .8K 型电力机车辅助 IGBT 逆变器耐低温控制系统研究 J.机车电传动 ,2006, (5).4 周鹏 ,冯一军 .CMOS 电路低温特性及其仿真 J. 低温物理学报 ,2005, (4).(上接第 48 页)进行了研究，提出了一些改善措施如采用较小的联 络线或适当提高电容器的补偿量，这都有助于提高 短路故障后风电系统的稳定性的改善措施。这些基 础性的研究对在山西建立风电场具有很重要的参考 价值和一定的指导作用。参考文献1 孙建锋. 风电场建模和仿真研究D. 清华大学, 2004. 2 吴俊玲 . 大型风电场并网运行的若干技术问题研究D. 清华大学 , 2004.3 李晶 . 变速恒频双馈风电机组动态模型及并网控制策 略 的 研 究 , 博 士 学 位 论 文 华 北 电 力 大 ,2004.10.4 Vladislav Akhmatov, Variable-speed Wind Turbinewith Double-Fed Induction Generators,PartI:Modeling in Dynamic Simulation Tools, Wind Engineering. 2002. 26,(2).5 Feijoo A E, Cidras J. Modeling of wind farms in theload flow analysisJ. IEEE Trans on power systems.2000, 15(1):110- 115.