基于Matlab的水电_风电系统动稳仿真_李凤婷

１．３ 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 Ｍａｔｌａｂ／
Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 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［３， ４］。
２ 水电－ 风电系统的动态仿真与结果［５－ ７］
ｄ ｄｔ
φｄｓ－ ωφｑｓ
（ ２）
Ｕｑｒ′＝Ｒｒ′ｉｑｒ′＋
ｄ ｄｔ
φｑｒ′＋（ω－ ωｒ）φｄｒ′
（ ３）
Ｕｄｒ′＝Ｒｒ′ｉｄｒ′＋
ｄ ｄｔ
φｄｒ′＋（ω－ ωｒ）φｑｒ′
（ ４）
式 中 ， Ｕ 为 电 压 ； Ｒ 为 电 阻 ； ｉ 为 电 流 ； φ为 磁 链 ； ω为 角 频 率 ；
其中下标 ｓ 和 ｒ 分别表示发电机定子量和转子量， 下标 ｄ 和
图 ５ 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 ４ ｓ 到 ４．５ ｓ。由同步发电机 １ 号和 ３ 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 １８０°， 由此判定风电系统 动态稳定。
容量的 １５％） ， 功角动态仿真曲线如图 ８ 所示。从图 ８ 中可以 看 出 ， 风 机 总 容 量 突 然 增 加 到 １５％， 同 步 机 之 间 的 相 对 功 角 差超过 １８０°， 风电系统失稳定。
第 ３３ 卷第 ７ 期
李凤婷， 等： 基于 Ｍａ ｔｌａ ｂ 的水电 － 风电系统动稳仿真
机电与金属结构
比例约为 １３．９％。 １．２ 数学模型［２］
图 １ 中的 １～３ 号机为考虑 Ｅｑ″、Ｅｄ″的 ６ 阶同步发电机 动 态 数 学 模 型Байду номын сангаас并 计 及 励 磁 和 调 速 系 统 的 作 用 ， ４～１０ 号 风 力 发 电机组采用下述数学模型（ 未考虑电容无功补偿） 。
２．２．３ 风力机及轮毂数学模型
ｄＭＴ ｄｔ
＝１ Ｔｈ
（Ｍω－ Ｍｒ）
（ ８）
Ｍω＝
１ ２
πρＣｐＲ３ＶＷ３ΩＮ／λＰＮ
（ ９）
式中， Ｍω为叶片侧转矩； Ｔｈ 为轮 毂 惯 性 时 间 常 数 ； ρ为 空 气 密 度 ； Ｃｐ 为 风 力 机 功 率 系 数 ； Ｒ 为 叶 片 直 径 ； ＶＷ 为 作 用 于 风 力 机的 风 速 ； λ为 叶 间 速 率 比 ； ΩＮ 为 风 力 机 额 定 机 械 角 速 度 ； ＰＮ 为风力机额定功率。
２．５ 风机容量比例增大的动态仿真分析［８， ９］ 当布尔津风电系统运行 ５．２ ｓ 时， 将风电机组 总 容 量 增
加到 １．１５５ ＭＷ 时 （ 即每 １ 台机组容量 为 １６５ ｋＷ， ３ 号 同 步 发电机容量减小为 ２．３９５ ＭＷ， 此时风机总容量约占系统总
行 ３ ｓ 时投入和切除风机、风力发电机端口三项短路故障、风 速 从 １０ ｍ／ｓ 跃 变 到 ２０ ｍ／ｓ、 风 机 容 量 比 例 从 实 际 运 行 的 １３．９％增至规划的 １５％ ５ 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。 ２．１ 风电机组突然投入电网的仿真分析
在系统运行时， 突然将风电机组从系统中切除， 同步发 电机 １ 号和 ３ 号之间的相对功角动态仿真结果表明风力发
Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ Ｖｏｌ．３３． Ｎｏ．７ ６７
机电与金属结构
水力发电
２００７年 ７ 月
电 机 切 除 前 后 同 步 发 电 机 相 对 功 角 变 化 最 大 值 均 小 于 １８０° （ 与图 ２ 类似， 略） ， 风电系统动态稳定。 ２．３ 风力发电机端口故障仿真分析
２．４ 风速从 １０ ｍ／ｓ 跃变到 ２０ ｍ／ｓ 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 ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ 仿 真 模 块 中 搭 建 了 图 ６ 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 ５ ｓ 时 ， 风 速 从 １０ ｍ／ｓ 跃 变 为 ２０ ｍ／ｓ 时 ， 仿 真 结果如图 ７ 所示。从图 ７ 中可看出， 风速增大时， 系统波动增 大， 但同步发电机 １ 号和 ３ 号之间的相对功角并未超过 １８０°， 风电系统动态稳定， 功角动态曲线如图 ７ 所示。
中图分类号： ＴＭ７４３
文献标识码： Ａ
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 １０％［１］。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（ ＦＡＣＴＳ） 研制， 几乎都离不开仿真研究。本研究选 用 Ｍａｔｌａｂ 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。
１ 水电－ 风电系统的数学与仿真建模
１．１ 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 ２ 台
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２ ０００ ｋＷ 和 １ 台 ２ ５００ ｋＷ 的水力发电机及 ７ 台 １５０ ｋＷ 的 风力发电机组成。为了易于 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 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 １ 所示。图 １ 中 １～３ 号为同步水力发 电机 ， 总 容 量 为 ６ ５００ ｋＷ； ４～１０ 号 为 异 步风力发 电 机 ， 总 容 量 为 １ ０５０ ｋＷ； 风 电 容 量 占 电 网 总 容 量
收稿日期： ２００７－ ０６－ １０ 基金项目： 新疆教育厅优秀学者奖励项目（ ＸＪＥＤＵ２００４Ｅ０３） 作者简介： 李凤婷（ １９６５—） ， 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（ １９５９—） ， 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（ １９８６—） ， 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．
系统运行 ３ ｓ 时突然投入风电机组， 同步发电机 １ 号和 ３ 号之间的相对功角动态仿真曲线如图 ２ 所示， 同步发电机 定子电压幅值动态曲线如图 ３ 所示， 负荷侧母线电压的动态 曲线如图 ４ 所示。
１．２．１ 风力异步发电机电磁暂态数学模型
Ｕｑｓ＝Ｒｓｉｑｓ＋
ｄ ｄｔ
φｑｓ＋ωφｄｓ
（ １）
Ｕｄｓ＝Ｒｓｉｄｓ＋
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ － Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｔｌａｂ Ｌｉ Ｆｅｎｇｔｉｎｇ１， Ｃｈａｏ Ｑｉｎ１， Ｔｏｎｇ Ｆｅｉ２
（１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｕｒｕｍｃｈｉ Ｘｉｎｊｉａｎｇ ８３０００８； ２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｚａｔｉｏｎ， Ｘｉ′ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉ′ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７１００４８） Ｋｅｙ Ｗｏｒ ｄｓ： ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ； ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｓｔａｂｉｌｉｔｙ； Ｍａｔｌａｂ Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｕｎｉｔ ａｎｄ ｕｓｅｓ ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ． Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｂｕ′ｅｒｊｉｎ ｗａｔｅｒ－ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆ Ｘｉｎｊｉａｎｇ ａｓ ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ， ｗｅ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｉｖｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ： ｐｕｔ ｉｎｔｏ ｏｒ ｃｕｔ ｏｆｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ， ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｐｏｒｔ ｉｎ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ３ ｐｈａｓｅｓ， ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ， ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃａｐａｃｉｔｙ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ′ｓ ｃａｐａｃｉｔｙ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｏ １５％．
机电与金属结构
文章编号： ０５５９－ ９３４２（ ２００７） ０７－ ００６６－ ０３
水力发电
第 ３３ 卷第 ７ 期 ２００７ 年 ７ 月
基于 Ｍａ ｔｌａ ｂ 的水电－ 风电 系统动稳仿真
李凤婷 １， 晁 勤 １， 童 菲 ２