基于Matlab的含风电电网建模与仿真_王纯琦

在 风 力 发 电 场 的 出 口 侧 有 一 个 ５００ ｋＷ 的 阻 性
负载。
图 ２ 含风电的电网主接线图
２．２ 基于 Ｍａｔｌａｂ７．０ 的仿真模块 图 ３ 为利用 Ｍａｔｌａｂ７．０ 搭建的针对含风电网
的仿真模块。图 ４ 为 ２ ＭＶＡ 用电设备的仿真模 块， 将其封装后置于电网的仿真模块中。
###Ｕｑｒ＝ＲｓＩｑｒ＋
$
ｄ ｄｔ
· (ｑｒ＋)ｒ(ｄｒ
# # # #
’
!##(ｄｓ＝ＬｓＩｄｓ＋ＭＩｄｒ
% # #
###(ｑｓ＝ＬｓＩｑｓ＋ＭＩｑｒ
# ##
"
&
###(ｄｒ＝ＬｒＩｄｒ＋ＭＩｄｓ
# # #
$##(ｑｒ＝ＬｒＩｑｒ＋ＭＩｑｓ
## ’
（ ４） （ ５）
Ｔｍ＝Ｔｅ＋Ｊ
ｄ% ｄｔ
＋ｆ%
（ ６）
可再生能源 ２００６．５（ 总第 １２９ 期）
研究与试验
图 ３ 含风电电网仿真模块图
图 ４ ２ ＭＶＡ 用电设备仿真模块
２．３ 仿真结果及分析 本文将针对这个系统进行 ３ 个方面的仿真。
２．３．１ 风速突然变化 在图 ３ 所示的仿真模块中， 将初始风速设置
为 ８ ｍ／ｓ， 当时间达到 ５ ｓ 后， 设定风速突然上升到 １４ ｍ／ｓ。将风力发电机组分别设置为“电压控制” 和“ 无 功 控 制 ”进 行 仿 真 。 监 测 风 电 机 的 电 压 、电 流、有功功率、无功功率和风机转速。仿真结果如 图 ５， 图 ６ 所示。
力 发 电 机 组 组 成 的 。它 通 过 一 条 ３５ ｋｍ 长 、电 压
等 级 为 ３５ ｋＶ 的 输 电 线 路 与 同 步 发 电 机 组 相
连 。 有 电 压 等 级 为 ６ ｋＶ、容 量 ２ ＭＶＡ 的 用 电 设
备连接在这个电网中。这些用电设备包括一台
１．６８ ＭＷ 的 异 步 电 动 机 和 ２００ ｋＷ 的 阻 性 负 载 。
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研究与试验
ＲＥＮＥＷＡＢＬＥ ＥＮＥＲＧＹ Ｎｏ．５ ２００６ （１２９ Ｉｓｓｕｅ ｉｎ Ａｌｌ）
双馈异步发电机又称交流励磁发电机， 其最 大特点是它的异步发电机转子通过交－ 直－ 交变 频器与电网相连。交－ 直－ 交变频器可以分为转子 侧 变 频 器 （ Ｃｒｏｔｏｒ） 和 电 网 侧 变 频 器 （ Ｃｇｒｉｄ） 两 部 分， 定子直接接入系统。电压控制或者无功控制是 依靠控制转子端的变频器输出或者吸收无功功
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｗｉｔｈ Ｍａｔｌａｂ７．０． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ａｓｐｅｃｔｓ： ａ ｓｕｄｄｅｎｌｙ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ， ａ ｖｏｌｔａｇｅ ｓａｇ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ － ｔｏ－ ｇｒｏｕｎｄ ｆａｕｌｔ ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗ ｔｈｅ Ｄｏｕｂｌｙ－ Ｆｅｄ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ （ ＤＦＩＧ） ｗｉｔｈ Ｖａｒｉａｂｌｅ － Ｓｐｅｅｄ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｉｓ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｓｍｏｏｔｈｌｙ． Ｔｈｅ ＤＦＩＧ ａｌｓｏ ｃａｎ ｓｔａｂｉｌｉｚｅ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｅｘｔｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ； ＤＦＩＧ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； Ｍａｔｌａｂ
率。 １．１ 双馈式异步发电机组各部分数学模型 １．１．１ 风力机数学模型
风力机主要由叶片、轮毂、齿轮箱和联轴器等
传动装置组成。风力机通过叶片捕获风能，将风能 转换为作用在轮毂上的机械转矩， 风速与转矩之 间的关系：
Ｔ!＝
１ ２
"#Ｃｐ
Ｒ３Ｖｗ２ $
%Ｎ ＰＮ
×１０－ ３
（ １）
式中： Ｔ!— ——风力机叶片转矩； #— ——空气密度；
模型， 在 ｄ－ ｑ－ ０ 坐标系下的基本方程如下：
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!
###Ｕｄｓ＝ＲｓＩｄｓ＋
#
ｄ ｄｔ
· (ｄｓ－ )ｓ(ｑｓ
% # # # #
# #
##Ｕｑｓ＝ＲｓＩｑｓ＋
#
ｄ ｄｔ
· (ｑｓ＋)ｓ(ｄｓ
# # # # #
"
&
#
###Ｕｄｒ＝ＲｒＩｄｒ＋
#
ｄ ｄｔ
(ｄｒ－ )·ｒ(ｑｒ
# # # # #
#
Ｔｅ＝－
Ｐ
Ｍ Ｌｓ
（ (ｑｓＩｄｒ－ (ｄｓＩｑｒ）
（ ７）
式 中 ： Ｕｓ， Ｕｑｓ， Ｕｄｒ， Ｕｑｒ— ——分 别 为 定 子 绕 组 和 转 子
绕组电压的 ｄ 轴和 ｑ 轴分量；
Ｉｄｓ， Ｉｑｓ， Ｉｄｒ， Ｉｑｒ— ——分 别 为 定 子 绕 组 和 转 子 绕 组电流的 ｄ 轴和 ｑ 轴分量；
通过仿真图形发现： 当风电场在“电压控制” 模式下运行， 在电压突然下降时， 风电场发出了 ６ ＭＷ 的无功功率。使用电设备的电压高于启动保 护的阀值（ ０．８５ ｐｕ） ， 而不至于脱离电网。在电压下 降期间， 用电设备的最低电压为 ０．８８ ｐｕ。
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研究与试验
ＲＥＮＥＷＡＢＬＥ ＥＮＥＲＧＹ Ｎｏ．５ ２００６ （１２９ Ｉｓｓｕｅ ｉｎ Ａｌｌ）
(ｄｓ， (ｑｓ， (ｄｒ， (ｑｒ— ——分 别 为 定 子 绕 组 和 转 子 绕组合成磁链的 ｄ 轴和 ｑ 轴分量；
Ｔｍ， Ｔｅ— ——为机械转矩和电磁转矩。 ２ 含风电的电网模型仿真
２．１ 含风电的电网主接线
图 ２ 所示由双馈异步风力发电机组组成的
风电场和一台同步发电机构成的分布式发电系
统 ， 其 中 风 电 场 是 由 ６ 套 １．５ ＭＷ 双 馈 异 步 风
在这部分仿真中， 令风速保持不变； ６ ｋＶ 的 同步发电机发出的电压在 ５ ｓ 的时候突然下降， 下降的幅度为 ０．１５ ｐｕ， 经过 ０．５ ｓ 后电压恢复正 常。我们来观测用电设备的反应。将风力发电机组 分 别 设 置 为“ 电 压 控 制 ”和“ 无 功 控 制 ”进 行 仿 真 。 仿真结果如图 ７，图 ８ 所示。
０ 引言 我国投入运行的风力发电机组， 绝大部分为
兆瓦级以下的异步发电机组， 而欧美等发达国家 的大型风电项目多数都采用兆瓦级以上的双馈式 异步风力 发电机的最大特点就是可以变速运行， 这样可以 降低风机所承受的机械压力， 减少噪音， 对节距角 控制的要求不高， 能提高风力发电机的效率。另 外， 电力电子变频器可以在很大程度上控制风电 机输出的电压， 控制发出和吸收的无功功率［１］～［３］。
本文对由变速风力机驱动双馈式异步风力发 电机组构成的含风电的电网进行动态仿真， 为含风 电电网的运行提供了依据， 对国内双馈式异步风力
发电机组的生产和入网具有一定的参考价值。 １ 变速风力机驱动双馈式异步风力发电机组数
学模型 双馈式异步风力发电机组主要是由风力机和 双馈式异步发电机构成， 其结构如图 １ 所示。
Ｃｐ— ——风力机功率系数； Ｒ— ——叶片半径；
Ｖｗ— ——作用于风力机的风速； $— ——叶尖速率比；
%— ——叶片机械角速度；
%Ｎ— ——风力机额定机械角速度； ＰＮ— ——风力机额定功率。 轮毂具有较大的惯性， 可用一阶惯性环节来
表示：
ｄＭＴ ｄｔ
＝
１ ＴＨ
（ Ｍ!－ ＭＴ）
（ ２）
式中： ＭＴ— ——齿轮箱侧转矩； Ｍ!— ——叶片侧转矩； ＴＨ— ——轮毂惯性时间常数。
图 ７ 系统电压突然下降情况（“电压控制”模式）
图 ８ 系统电压突然下降情况（“电压控制”模式）
当风电场在“无功控制”模式下运行， 在 ５．２２ ｓ 时， 由于探测到电压低于启动保护的阀值已经 超过 ０．２ ｓ， 用电设备保护启动。当用电设备电流 降至 ０ 以后， 电动机转速逐渐下降至 ０。用电设备 被脱离出电网后， 有大约 １．２ ＭＷ 的由风电场产 生的电能输入至电网中。 ２．３．３ 含风电的电网发生故障
１．１．２ 变桨距控制系统数学模型
为了保证风能的转换效率和风轮机的平稳输
出， 变桨距控制系统会对风力机的桨距进行调节。 桨距控制系统表达为：
ｄ& ｄｔ
＝
１ ’&
（ &０－ &）
（ ３）
式中： &— ——桨距角；
’&— ——桨距控制系统的惯性时间常数。
１．１．３ 双馈式异步发电机数学模型
经过推导和化简得出了双馈式异步机的数学
图 ５ 风速突然变化情况（“电压控制”模式）
图 ６ 风速突然变化情况（“无功控制”模式）
通过图形可以看出， 风机产生的有功功率 在前 ５ ｓ 没有变化， 在 ５ ｓ 后同风机转速一起保 持 平 稳 增 长 ， 用 了 差 不 多 １５ ｓ 的 时 间 达 到 了 额 定 功 率 ９ ＭＷ。 在 这 段 时 间 内 ， 风 机 转 速 从 ０．８ ｐｕ 增 长 到 １．２１ ｐｕ， 节 距 角 也 慢 慢 调 解 到 ０．７５ ｐｕ。 在 电 压 控 制 模 式 下 ， 达 到 额 定 功 率 的 时 候 ， 风 机 吸 收 了 ０．８ ｐｕ 的 无 功 功 率 来 维 持 电 压 在 １ ｐｕ。 而 在 无 功 控 制 模 式 下 ， 达 到 额 定 功 率 的 时 候 ， 电 压 增 长 到 １．０２ ｐｕ。 两 种 模 式 下 的 其 他 几 项数值相同。 ２．３．２ 系统电压突然下降