基于Matlab的由双馈风力发电机组成的风电场仿真

基于Matlab的双馈异步风力发电机风电场仿真

这里仿真的对象是一个由6台1.5Mw双馈异步风力发电机组组成的9MW的风电场。这个风电场连接着一个25kV的分布式发电系统，它的电能通过35km长，电压等级为25kV的馈线（B25）输入到120kV的电网上。有2300kV，2MVA的用电设备也同样连接在B25这条馈线上。这些用电设备包括一台1.68MW的异步电动机和200kW的阻性负载。风电机和电动机负载都有保护系统控制着电压、电流和电动机转速。利用Matlab/Simulink建模并进行了三个方面仿真，其简化示意图及仿真模块图形见附录1。

一、双馈式风力发电机及其仿真模型简介

双馈式异步风力发电机(Doubly-Fed Induction Generator)包含有：一个绕线式转子的异步发电机和一个基于IGBT的交-直-交PWM变频器。定子绕组直接连接到频率为60Hz的电网，转子通过交-直-交变频器的反馈来调节频率。双馈电机技术可以使风力发电机组在低风速情况下，通过优化风机转速，从风吸收最大的能量。而在狂风的情况下，可以使风机承受最小的机械压力。在给定风速的情况下，最优的驱动速度产生最大的机械能。当然这些能量都是同风速成比例的。在风速低于10m/s的情况下，转子运行于“次同步转速”。在高风速下，转子运行于“超同步转速”。打开风机的菜单选择“Turbine data”，然后选择“Display wind-turbine power characteristics”（见图1）。风机机械功率作为驱动转速的功能，在风速5m/s~16.2m/s的范围内可以被显示出来。双馈电机是根据这条红曲线来控制的。最佳的驱动转速是在曲线上的B点和C点之间。双馈电机的另一个优点是电力电子变频器可以产生或者吸收无功。这样就减少了鼠笼绕组式异步风电机所需的补偿无功的电容器组。

图1、双馈式风力发电机功率特征曲线

这个风电机模型可以用来做长时间仿真的暂态稳定性研究。这个模型中，系统的观测时间长达50s。

打开风电机菜单，可以看到4组针对于风电机组（包括发电机和变频器）的菜单。这个6机组成的风电场，在仿真的过程中，是通过将一些单机的参数扩大至6倍来模拟的。

例如：

1、额定机械转矩输出：6*1.5e6watts，在Turbine data栏。

2、发电机额定功率：6*1.5/0.9MVA(6*1.5MW at0.9PF)，在Generator data栏。

3、额定直流总线电容：6*10000microfarads，在Converters data栏。

同样的，在“Control parameters”栏，"Mode of operation"被设定成为“Voltage regulation”。输出端电压将被根据一个参考电压（1pu）和电压衰减系数(Xs=0.02pu)来控制。

二、仿真过程及结果分析

1、在风速突然变化的情况下，风力发电机的反应。

首先打开“Wind Speed”来设定风速。初始风速设定为8m/s，时间到达t=5s的时候，设定风速突然增长到14m/s（见图2）。开始仿真，可以从“"Wind Turbine”的示波器监测风电机的电压、电流、有功功率和无功功率、直流总线电压和风机转速。在t=5s的时候，产生的有功功率平稳地增长（同风机转速一起），用了差不多15s的时间达到了额定的9MW 功率。在这段时间内，风机转速从0.8pu增长到1.21pu。初始的时候，叶片的节距角是0度，风机随着红色的功率特征曲线运行直到D点。节距角也由0度增加到0.76度，用来限制机械功功率。同样的，我们来看看电压和无功功率。通过调控无功功率来维持电压在1pu。在额定功率的时候，风电机吸收了0.68Mvar（也就是Q=-0.68Mvar），来控制电压使其在1 pu。如果更改“Var regulation”中的“Generated reactive power Qref”，将其设置为0。在运行结果中就将得到，在达到额定功率的时候，电压增长到1.021pu（见图3）。

图2、风速突然变化情况下输出曲线（风电机为Voltage Regulation模式）

图3、风速突然变化情况下输出曲线（风电机为Var Regulation模式）

2、120kV系统电压突然下降的仿真。

在这里，我们将看到预先设定的一次在120kV系统上的电压突然下降的影响。首先在风速模块中，不要求风速变动，将最终风速更改为8m/s。然后打开120kV电压源的菜单。在参数“Time variation of”中选择“Amplitude”。设定在0.5s的时候，发生一次大小为0.15 pu的电压下降。这时候要确保风电机的控制部分的“Var regulation”中的Qref=0。开始仿真并打开名为“Grid”的示波器（见图4）。可以看到用电设备的电压、电流以及电动机转速。注意风电场发出的功率为1.87MW。在t=5s的时候，电压下降至小于0.9pu。在t=5.22 s的时候，保护启动，因为探测到电压下降持续了0.2s。用电设备的电流降至0，电动机转速逐渐下降。而风电场继续产生1.87MW的功率。在用电设备被分离出电网之后，1.25MW 的电能被输出至电网（通过B25上的P_B25可以观测到。）

下面，将风电机的控制模式转换成“Voltage regulation”重新再仿真一次。发现这次用电设备并没有被分离出电网。这是因为在电压突然下降的时候，风电场发出了5Mvar的无功功率，来使用电设备的电压高于0.9pu这个阀值。在电压突然下降期间，用电设备的电压为0.93pu（见图5）。

3、在25-kV系统上的故障仿真。

最后，进行一次发生在25-kV线路上B25母线的单相接地短路。第一步，关闭刚才120-kV 的阶跃。打开“Fault”模块的菜单，选择“Phase A Fault”。设定故障为“9-cycle single-phase to ground fault”，故障时间为t=5s，持续时间为0.15s。

当风电机在“Voltage regulation”模式下，可以看到，在故障期间，风机输出的正序电压(V1_B575)下降到0.8pu。高于保护的阀值（0.75pu，持续0.1s以上）。所以此时风电机组依然继续运行。（见图6）

当风电机在“Var regulation”模式下并且设定“Qref=0”，这个电压下降至低于0.7pu，保护启动。我们可以看到风机转速上升。在t=40s时候，节距角变大，从而限制风电机转速。（见图7）