雙饋感應(yīng)風(fēng)力機并網(wǎng)運行的仿真

1、雙饋感應(yīng)風(fēng)電機并網(wǎng)運行的簡單仿真學(xué)號：201521401036 姓名：劉香 學(xué)院：電氣工程 班級：s1551摘要：風(fēng)電場并網(wǎng)運行時會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定影響。本文首先闡述了主體雙饋異步發(fā)電機的基本情況；詳細(xì)闡明了風(fēng)速模型的四種類型及其獨立的仿真；感應(yīng)發(fā)電機的并網(wǎng)運行；重點是基于Matlab/Simulink軟件平臺，建立風(fēng)電場與電力系統(tǒng)的模型，在電壓調(diào)節(jié)模式下，由風(fēng)速變化、電壓暫降等雙饋感應(yīng)風(fēng)電機并網(wǎng)引起的常見故障進(jìn)行仿真試驗。關(guān)鍵詞：雙饋感應(yīng)風(fēng)力機；并網(wǎng)；Matlab/Simulink；1 前言風(fēng)力發(fā)電機組是實現(xiàn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它包括風(fēng)力機和風(fēng)力發(fā)電機。經(jīng)風(fēng)力機風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械

2、能；由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使機械能轉(zhuǎn)化為電能。本文中的雙饋異步發(fā)電機（DFIG）是變速恒頻型，電力電子頻率變換設(shè)備是交-直-交型變頻器。雙饋異步發(fā)電機的定子繞組與電網(wǎng)直接相連，轉(zhuǎn)子繞組通過頻率變換器供給頻率可調(diào)的交流勵磁電流。2 風(fēng)速模型風(fēng)速為風(fēng)力機提供原動力，風(fēng)速模型的建立不受整個風(fēng)電機組模型其它環(huán)節(jié)的影響，可以獨立進(jìn)行?？梢苑譃樗姆至磕Ｐ停夯A(chǔ)風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機風(fēng)。2.1基礎(chǔ)風(fēng)模型基本風(fēng)對風(fēng)力機的影響表現(xiàn)在反映風(fēng)力機輸出的額定功率大小，可以由風(fēng)電場所測得的威布爾分布參數(shù)近似表示. 式（1）中的A、K表示威布爾分布的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)，代表伽馬函數(shù)?；撅L(fēng)風(fēng)速為 12.5m/s，仿真時間為

3、 010s，基本風(fēng)始終存在，MATLAB 仿真程序見附錄1，仿真圖如圖1所示。圖 1 基本風(fēng)仿真曲線2.2陣風(fēng)模型風(fēng)速突然變化的特性可以用陣風(fēng)模型來表示，當(dāng)風(fēng)力機遇到突然變化的干擾可以用它來表示。 其中，式中的TG,TIG,VGmax分別表示陣風(fēng)的周期（s）、啟動時間（s）、最大值（m/s）。 陣風(fēng)起始時間為 2.5s，持續(xù)時間TG= 5.5s，陣風(fēng)最大風(fēng)速為 6.5m/s，陣風(fēng)風(fēng)速 MATLAB 仿真程序見附錄2，仿真曲線圖如圖2所示。 圖 2 陣風(fēng)風(fēng)速仿真曲線2.3漸變風(fēng)模型 風(fēng)速隨時間變化的特性用漸變風(fēng)模型來表示。在風(fēng)電系統(tǒng)的動態(tài)仿真中，可以用它來表示系統(tǒng)受到平穩(wěn)過渡的力矩時的動態(tài)特性。

4、 其中，VRmax,TR,T1R,T2R分別表示漸變風(fēng)的最大速度（m/s）、持續(xù)時間（s）、起始時間（s）、終止時間（s） 仿真曲線的開始時刻風(fēng)速為 0，2.5s 時開始有漸變風(fēng)，經(jīng)過 5s 的時間漸變風(fēng)峰值達(dá)到最大值 6.5m/s，漸變風(fēng)在最大值持續(xù) 2.5s 之后停止。漸變風(fēng)風(fēng)速MATLAB 仿真程序見附錄，仿真曲線如圖3所示。圖 3 漸變風(fēng)風(fēng)速仿真2.4隨機風(fēng)模型 風(fēng)的不穩(wěn)定性分量用隨機性來表示，隨機產(chǎn)生的風(fēng)速用隨機噪聲風(fēng)表示。式中：i是02之間均勻分布的隨機變量；KN表示地表粗糙系數(shù)，實際工程中KN=0.004；F表示隨機風(fēng)的擾動范圍，單位是m2；表示相對高度的平均風(fēng)速；N表示頻譜采樣

5、點數(shù)；i表示各采樣頻率。隨機風(fēng)的仿真曲線如圖4所示圖 4 隨機風(fēng)風(fēng)速仿真曲線 由于實際作用在風(fēng)力機上的風(fēng)速是 4 種風(fēng)速模型的任意組合，因此我們用風(fēng)速模型的一般式來表示3感應(yīng)發(fā)電機并網(wǎng)運行 感應(yīng)發(fā)電機并網(wǎng)運行機之后，不但要向電網(wǎng)輸送有功功率，還須從電網(wǎng)吸收無功功率。供給發(fā)電機勵磁，以及補充定子和轉(zhuǎn)子因漏磁消耗掉的無功功率。這部分無功功率單靠從電網(wǎng)吸收是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，風(fēng)力發(fā)電機組一般會在感應(yīng)發(fā)電機與電網(wǎng)連接處并聯(lián)無功補償器，以提供一定的無功功率。4雙饋感應(yīng)風(fēng)電機并網(wǎng)運行仿真分析4.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真描述 本文是應(yīng)用 MATLAB/Simpowersysterms 來開發(fā)的。所建立的模型容量6*1

6、.5MW的風(fēng)電場,經(jīng)過變壓器和線路連接到 25kV 的配電系統(tǒng)中，再經(jīng)30KM 25kV 電壓等級的輸電線路連接到 120kV 高壓輸電系統(tǒng)中。其中額定電壓為2.3KV、額定功率2MVA的發(fā)電機是由一個功率1.68MW、功率因數(shù)0.93PF的感應(yīng)電動機，并聯(lián)一個200kW電阻負(fù)載組成，連接在母線B25上。500kW的負(fù)荷連接到風(fēng)電場575V總線上。雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組并網(wǎng)運行的Matlab仿真圖如圖所示：圖7 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機并網(wǎng)運行仿真圖 風(fēng)力發(fā)電機和感應(yīng)電動機負(fù)載有保護(hù)系統(tǒng)，其監(jiān)測電壓、電流和風(fēng)力機風(fēng)速，此外監(jiān)測DFIG的直流線電壓。風(fēng)力發(fā)電機組是由轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機和“交-直-交”IGBT基于PW

7、M的變換器組成。連接到母線B25節(jié)點的200MVA的地方負(fù)荷及其中的組成部分感應(yīng)電動機保護(hù)系統(tǒng)的仿真圖如圖所示：圖 8 200MVA地方負(fù)荷與保護(hù)系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機的保護(hù)系統(tǒng)如圖所示： 圖 9 風(fēng)力發(fā)電機的保護(hù)系統(tǒng) DFIG技術(shù)通過優(yōu)化風(fēng)力機調(diào)速器從低風(fēng)速中提取最大能量，同時使風(fēng)力機械應(yīng)力最小化,達(dá)到充分利用風(fēng)能的效果。圖10展示了風(fēng)速在5m/s到16.2m/S時風(fēng)輪機的機械功率"通過控制系統(tǒng),雙饋感應(yīng)發(fā)電機能夠沿著紅色曲線運行。圖 10 變速恒頻風(fēng)力機組的功率特性曲線4.2風(fēng)電場電壓調(diào)節(jié)模式仿真結(jié)果 設(shè)置一個漸變風(fēng)程序，即起始風(fēng)速設(shè)置為 4m/s。t=5s 時，風(fēng)速慢慢增加，到 t=1

8、5s 時，風(fēng)速增加到 14m/s，且假定風(fēng)電場內(nèi) 6 臺風(fēng)機遇到的風(fēng)況相同。風(fēng)電場的運行模式為電壓調(diào)節(jié)模式。圖11為風(fēng)速變化時，風(fēng)電場各參數(shù)的變化。圖 12 風(fēng)速變化時風(fēng)電場參數(shù) 當(dāng)t=5s 時，雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組輸出的有功功率開始增大，大約在t=25s時，其輸出功率達(dá)到額定值 9MW。且其輸出功率的運行軌跡類似于圖 10所示的 DFIG 最大功率運行軌跡，即 紅線所示。在這個時間段內(nèi)，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速由大概0.7pu增大到約為1.2pu.槳距角從 0°增到約0.75°,開始限制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速以減少輸出功率。觀察風(fēng)電機組輸出電壓和無功功率。輸出電壓(B575)始終為1pu。但是風(fēng)電機組

9、輸出電流隨著輸出功率增大而增大，最終約為 0.9pu。風(fēng)力機出力不斷增加，為使風(fēng)電場輸口電壓恒定，吸收了 0.68Mvar 無功功率(相當(dāng)于產(chǎn)生的無功為 Q=-0.68Mvar)。變頻器直流電壓只在風(fēng)速發(fā)生變化時產(chǎn)生一點微小的諧波 圖 11 風(fēng)速變化時電網(wǎng)參數(shù) 圖11為風(fēng)速變化時電網(wǎng)參數(shù)的變化情況。當(dāng)風(fēng)速增大時，節(jié)點 B120、B25、B575 處的電壓都略微有所波動。且在t=25s之后電壓水平都保持在了穩(wěn)定水平。2MW 發(fā)電廠輸出的有功功率開始下降，并且由開始向系統(tǒng)輸出功率到后來從系統(tǒng)吸收功率。2MW 發(fā)電廠發(fā)出的無功功率增加，明該電廠由起初的從電網(wǎng)吸收無功功率轉(zhuǎn)為了向電網(wǎng)輸出無功功率。4.

10、3 120kV系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降的仿真結(jié)果 將風(fēng)電場控制模式設(shè)置為電壓調(diào)節(jié)模式，觀察120kV 系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降對電網(wǎng)造成的影響，如圖12所示，2MW廠輸出電流只出現(xiàn)了一定的諧波擾動，沒有降為0，2MW發(fā)電廠不再被切除。發(fā)電機原動機轉(zhuǎn)速沒有受到影響，輸出有功功率功率除出現(xiàn)短暫的諧波之外，幅值總體保持在一定值（0.6MW）。無功功率下降到接近-5Mvar,表明風(fēng)電場向電網(wǎng)輸出了接近5Mvar對的無功功率。120kV 系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降對電網(wǎng)及其附屬電廠沒有造成太大影響，只引起了電壓、電流及輸出功率產(chǎn)生了短暫的諧波。圖 12 120kV系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降的電網(wǎng)參數(shù)120kV 系統(tǒng)出現(xiàn)電壓暫降對風(fēng)電場參數(shù)

11、造成的影響，如圖13所示圖 13 120kV系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降的風(fēng)電場參數(shù) 由于風(fēng)電場采用電壓調(diào)節(jié)模式，使得風(fēng)電場輸出電壓保持在了1p.u.。的電壓水平，但在電壓暫降的開始和結(jié)束瞬間出現(xiàn)了較大的諧波電壓。風(fēng)電場輸出電流出現(xiàn)了較大范圍的波動，這是由于風(fēng)電場輸出無功功率所致。風(fēng)力機轉(zhuǎn)速沒有受到電壓暫降的影響，始終保持定值，因此風(fēng)電場輸出功率保持在1.9MW水平。只是在電壓暫降的開始和結(jié)束階段出現(xiàn)了較大的諧波影響。 總結(jié)以上分析：當(dāng)大系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時，并且系統(tǒng)缺乏無功功率的情況下，風(fēng)電場采用功率補償模式運行，會對電網(wǎng)上其他發(fā)電廠和用戶造成影響，甚至可能造成系統(tǒng)電壓跌落和諧波。但如果風(fēng)電場采用電壓調(diào)節(jié)

12、模式運行，就會對系統(tǒng)4的無功功率起到補償?shù)淖饔?，這一措施可以有效地改善電網(wǎng)電壓水平。附錄1基本風(fēng)模型仿真曲線MATLAB程序：A=4.0215;K=0.2893; %輸入威布爾分布曲線尺度參數(shù)、形狀參數(shù)t=0:0.01:10; %輸入仿真時間及采樣時間V=A*gamma(K); %輸入威布爾分布公式plot(t,V,'r-') %輸入基本繪圖指令xlabel('時間(s)') %標(biāo)注x軸名稱ylabel('風(fēng)速(m/s)') %標(biāo)注y軸名稱title('基本風(fēng)速仿真曲線') %標(biāo)注圖形標(biāo)題grid on %增添網(wǎng)格線legend(

13、'VB') %標(biāo)注圖例標(biāo)注text(3,12.6,'基本風(fēng)rightarrow') %增加文本標(biāo)注2陣風(fēng)模型模型仿真曲線MATLAB程序：t=0:0.01:10;T1G=2.5;TG=5.5;VGmax=6.5;y=2*pi*(t/TG)-(T1G/TG);Vcos=(VGmax/2)*1-cos(y);VG=0.*(t<T1G)+Vcos.*(t>=T1G&t<=T1G+TG)+0.*(t>T1G+TG);plot(t,VG,'r')grid onxlabel('時間(s)')ylabel(

14、9;風(fēng)速(m/s)')title('陣風(fēng)風(fēng)速仿真曲線')axis(0,10,-1,7)legend('VG')text(2.65,3.5,'陣風(fēng)rightarrow')3漸變風(fēng)模型仿真曲線MATLAB程序：t=0:0.01:11;TR=2.5;T1R=2.5;T2R=7.5;VRmax=6.5;Vr=VRmax*1-(t-T2R)/(T1R-T2R);VR=0.*(t<T1R)+Vr.*(t>=T1R&t<T2R)+VRmax.*(t>=T2R&t<T2R+TR)+0.*(t>=T2R+

15、TR);plot(t,VR,'r')grid onxlabel('時間(s)')ylabel('風(fēng)速(m/s)')title('漸變風(fēng)風(fēng)速仿真曲線')axis(0,11,-0.5,8)legend('VR')text(3.5,3.5,'漸變風(fēng)rightarrow')4隨機風(fēng)模型仿真曲線MATLAB程序：N=10;dw=0.001;f=rand(100,1);fi=2*pi*f;Kn=0.004;F=2000;u=13;i=1;sum=15while(i<=100) %調(diào)用while循環(huán)語句wi

16、=(i-1/2)*dw;Srwi=(2*Kn*F2*abs(wi)/(pi2*(1+(F*wi)/(u*pi)2)(4/3);sum=2*sqrt(Srwi*dw)*cos(wi-fi);plot(i,sum,'r:');hold oni=i+1;endgrid onxlabel('時間(s)')ylabel('風(fēng)速(m/s)')title('隨機風(fēng)風(fēng)速仿真曲線')參考文獻(xiàn)1 Matlab幫助2 李俊峰,高虎,馬玲娟.我國風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀和展望J.中國科技投資，2007(11):12-153 徐凱.國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.中國高新技術(shù)企業(yè)，2007(13):34