基于MATLAB的并网风电场动态仿真分析

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1Baidu Nhomakorabea
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10 12 Q1_3 (Mvar)
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图8 风电场出口三相短路时35kV母线上的电压、 传输的有功、无功曲线
式中 ：下表 d 表示直轴量，下表 q 交轴量 ； x 表示同 步 电 抗，x=x1+xm ； x' 表 示 暂 态 电 抗， 值； T0' 表示转子时间常数， ；
渐变风起始时间为 4s，终止时间为 7s，保持时间为 13s，渐变风风速由 6m/s 渐变至 9m/s，仿真时间为 20s， 仿真过程中各变量的波动曲线如图 3 和图 4 所示。 随着风速的变化风力机发出的有功也不断增长，最 后到达风力机额定值 3MW，风力机转速由 1.000pu 增至 1.005pu，风力机桨距角保持在 0°，随着风力机输出有功 的增加，其吸收的无功也在不断增加。当风速为 9m/s 时， 35kV 母线上输出的有功为 9MW，此时母线电压下降为 0.945pu。 （2）故障情况。 1）风电场出口单相短路情况。风速保持在 8m/s，仿 真时间为 10s，风电场出口处于 5s 发生单相短路，0.1s 内 故障切除，仿真结果如图 5 和图 6 所示。 2）风电场出口三相短路情况。风速保持在额定风速
风电场接入电力系统的
分析是风电场规划设计和运行中不可缺少的内容，是风力 发电技术的三大课题之一。早期风电的单机容量较小，大 多采用结构简单、并网方便的异步发电机，直接和配电网 相连。而风电场所在地区往往人口稀少，处于供电网络的 末端，承受冲击的能力很弱，因此，风电很有可能给配电 网带来谐波污染、电压波动及闪变问题，风电的随机性给 发电和运行计划的制定带来很多困难。尽管欧美的风电大 国对风力发电的建设和运行已经有一些实际经验和技术规 定，但由于和我国电网结构的实际情况差别很大，并不能 完全适合我国的情况。 本文基于 MATLAB 构建了由异步风力发电机组构成 的并网风力发电系统的仿真模型，并对此系统进行了动态 仿真，分析了风电场在各种扰动情况下的动态性能。 一、风力发电机组动态数学模型 风力发电机组动态数学模型应包括风速模型、风力机 模型、传动机构模型以及异步发电机模型，见图 1。[4]
x1、x2 分别为定子和转子漏抗标么值，xm 为激磁电抗标么 ； 异步机暂态电势 ； ； s 表示异步发电机的滑差（电动机惯例） f 为系统频率基值。 发电机转子运动方程为 ： (7) 式中 ： Tm 表示机械转矩，Te 表示电磁转矩，Tj 表示发 电机转子惯性时间常数。 发电机电磁转矩方程为 ：
(8) 式中 ： Pe 为发电机出力，定子电流 发电机转子转速。 4. 补偿电容器模型 异步发电机端装有分组投切的并联电容器，称作 PFC （Power Factor Connector） ，运行过程中按照机组出力的 大小进行控制。该电容器组可以补偿异步发电机所需要的部 分激磁无功， 同时也提高了功率因数。其模型可由下式表示： (9) 式中 ： Q' 是异步发电机实际从系统吸收的无功功率， Qcomp 是电容器组补偿的无功功率，Q 是异步发电机自身要 吸收的无功功率。 二、仿真分析 1. 简化网络图 对于并网运行的风电机组，可能的扰动来自两方面 ： 一种是风扰动，另一种是系统侧扰动。[8] 本文以渐变风扰 动和系统侧某节点处发生短路故障为例，对并网风电场运 行特性以及整个系统中关键节点进行了动态仿真分析。其 ，ωe 为
风电场
��背
[7]
中，算例系统简化等值线路如图 2 所示，是一个典型的风 电场接入配电网的实例。风电场由 6 台单机容量为 1.5MW 的异步风力发电机组成，出线连接 35kV 系统，然后通过 25km 馈线与 110kV 无穷大系统相连。
35kv
图2 算例系统简化等值图
35kV
架空线L=25km
鲂帗旴L=25km
Vabc_B35 (pu) 7 8 9 10 5 6 P_B35 (MW) 9 10 5 6 Q_B35 (Mvar) 9 10
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8 10 12 V_B25 pos. seq. (pu)
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4 2 0 -2 4 2 0 -2 1.01 1 0.99 10 8 6 0 1 0 -1 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 10 12 wind1_3 (m/s) P1_3 (MW)
P1_3 (MW)
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图7 风电场出口三相短路时风电场机组有功、无功、 风机转速、风速、桨距角仿真曲线

2 1 0 10 0 -10 10 0 -10
Vabc_B35 (pu) 2 1 4 0 5 6 0 (MW) 1 P_B35 10 0 -10 4 5 6 0 (Mvar) 1 Q_B35 10 0 -10 4
中国电力教育
2010年管理论丛与技术研究专刊
基于 MATLAB 的并网风电场动态仿真分析
孙金龙*1 田海峰2
（1.国华（锡林郭勒）新能源有限公司，内蒙古 锡林郭勒 026000； 2.山西大同供电分公司继电保护所，山西 大同 037008） 摘 要 ： 应用 MATLAB 构建了基于变桨距风机和鼠笼型异步发电机的并网风电场动态仿真模型，并对此风力发电系 统在风速扰动、系统某处发生故障情况下的各种运行状态进行了动态仿真。 关键词 ： 异步风力发电机 ； MATLAB ； 风电场 ； 动态仿真
1.5 1 0.5 0 10 5 0 -5 15 10 5 0 Vabc_B35 (pu)
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8 10 12 V_B25 pos. seq. (pu)
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图3 35kV母线上电压、传输的有功以及无功功率图
110kv 无穷大系统 110kV
陌�弥��
2. 风电系统仿真分析 本文的仿真模型是在 MATLAB 上实现的，根据上述 简化网络图，设计了风电系统模型图。不考虑风电场各台 风电机组地理位置对风速的影响，认为该风电机组吸收的 风能只与机型有关。[9] 风电场总装机容量为 9MW，每组风
(6)
力机配备 400kvar 投切电容器，风力机的切入和切出风速 分别 5m/s、15m/s，额定风速为 9m/s。 （1）阵风扰动情况。
风速模型 V 风力机 模型 TW 传动轴 Tm 异步发电 模型 机模型 Pe 电网 Qe
式中 ： Ω 为风力机的机械角速度，TT 为输入齿轮箱的 机械转矩，Tm 为齿轮箱输出转矩 , 也是输入异步发电机的 转矩，τT 为齿轮箱的惯性时间常数。通常我们认为风力机 转速基本保持不变，因此近似为 TT 和 Tm 相等。 则传动部分的模型为 ： （4） 式中： Tm 为传动机构输出转矩； Tw 为传动机构输入转矩； τw 为风力机惯性时间常数。在简化模型中，齿轮箱位理想 的刚性齿轮组，传动轴的惯量等效到发电机转子中。 （3）桨距角控制系统。风轮机风能转换效率系数是叶 尖速率比和桨距角的函数。当风速变化时，风轮机运行点 将发生变化，为了保证风能的转换效率和风轮机的平稳输
* 作者简介 ： 孙金龙，男，国华（锡林郭勒）新能源有限公司，助理工程师。
422
基于MATLAB的并网风电场动态仿真分析
出，需要对风轮机的桨距进行调整。[6] 本文介绍一种通过转 速控制的变桨距调节模型， 它通过风力机转速偏差量来调 节。其模型为 ： （5） 式中 ： β 为桨距角，λ 为调节装置的惯性时间常数（包 括测量环节的延迟效应） ，kpp 为增益系数，ΔΩ=Ω-Ω0， 为风力机的转速偏差。 3. 异步电机的模型 计及转子绕组电磁暂态时，以三阶模型建立异步发电 机的数学模型。以定子量表示的异步发电机数学模型如下 ：
图1 风力发电机组基本模块
1. 风速模型 风力发电机组受自然界风的驱动，由于风速的易变性 和不可控性，风力发电机组几乎时刻遭受到较大程度的扰 动，这种扰动无论对机组本身还是对与之相连的电力系统， 都将产生一定程度的影响。因此，风力发电系统动态仿真 等研究就需要建立与之相适应的风速模型，从而能够对风 速的变化进行模拟，进而研究在一定风速条件下系统的性 能。风速模型一般采用四分量模型，即基本风、渐变风、 阵风和随机风。 2. 风力机及传动部分模型 （1）风能转换模型。风轮机主要由叶片、轮毂、齿轮
基于MATLAB的并网风电场动态仿真分析

P1_3 (MW) 5 0 4 -5 5 6 0 (Mvar) 1 Q1_3 5 0 4 -5 5 6 0 1 wr1_3 (pu) 1.2 1 40.8 5 6 0 1 wind1_3 (m/s) 9 8 4 7 5 6 0 1 pitch1_3 (deg) 1 0 -1 4 P1_3 (MW) 7 8 9 10 5 6 Q1_3 (Mvar) 9 10 5 6 wr1_3 (pu) 5 0 -5
作为一种新型清洁可再生能源，风力发电早已受到各 国政府的重视，成为世界能源的重要组成部分。大规模的 风力发电必须要实现并网运行。
[1-3]
箱和传动轴等传动装置组成。[5] 叶片的主要作用是将风能转 换成作用在轮毂上的机械转矩。风力机的机械转矩如下 ： （1） 式中 ： TW 为风力机的机械转矩 ； ρ 为空气密度 ； R λ 为叶尖速比， 为叶片半径 ； VW 为作用于叶片的风速 ； R 为叶片半径，m ； ω 为风力机转速， λ=ωR/VW（其中 ： rad/s） ； CP 为风力机转换效率系数，它是风轮机叶尖速比 λ 和桨距角 β 的非线性函数。 （2）传动机构的模型。风力机组的传动机构由轮毅、 传动轴和齿轮箱组成。轮毅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 ： （2） 式中 ： TT 为齿轮箱输入侧的转矩 ； τh 为轮毂的惯性时 间常数。 齿轮箱和联轴器传递风力机和异步发电机之间的转矩 , 其动态方程如下 ： （3）
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5 图4 渐变风下风电场机组有功、无功、风机转速、风速、桨距角图 0 5 5 0 0 -5 -5 0 0 5 1.04 0 1.02 -5 10 0 1.04 9 1.02 8 1 70 0 9 1 8 0 7 -1 0 0 1 0 -1 0 0 -5 1 2 3 4 P1_35(MW) 6 Q1_3 (Mvar) 4 5 6 4 Q1_3 5 (Mvar) 6 wr1_3 (pu) 4 5 6 4 wr1_3 5 (pu) 6 wind1_3 (m/s) 4 5 6 4wind1_3 5 (m/s)6 pitch1_3 (deg) 4 5 6 4pitch1_3 5 (deg)6 Time 4 5 Time 6 7 8 9 10
9m/s，仿真时间为 10s，风电场出口处于 5s 发生三相短路， 0.1s 内故障切除，仿真结果如图 7、图 8 所示。风电场出口 处发生单相短路时，在 0.1s 内故障切除，对系统没有大的 影响，35kV 母线上的电压，传输的有功、无功仅出现微小 的变化，不影响系统的稳定运行。风电场出口处发生三相 短路是最严重情况， 当出现三相短路故障时， 保护装置动作， 整个风电场与系统解裂，35kV 母线上的电压升高，风电场 向系统传输的有功为零。