基于Matlab的双馈风力发电系统动态仿真.docx
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1、 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 Simulat
2、ion 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 generat
3、or 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 s
4、hort-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。
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
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