双馈感应风力机并网运行的仿真.docx

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双馈感应风力机并网运行的仿真

双馈感应风电机并网运行的简单仿真

学号：

201521401036姓名：

刘香学院：

电气工程班级：

s1551

摘要：

风电场并网运行时会对电网产生一定影响。

本文首先阐述了主体双馈异步发电机的基本情况；详细阐明了风速模型的四种类型及其独立的仿真；感应发电机的并网运行；重点是基于Matlab/Simulink软件平台，建立风电场与电力系统的模型，在电压调节模式下，由风速变化、电压暂降等双馈感应风电机并网引起的常见故障进行仿真试验。

关键词：

双馈感应风力机；并网；Matlab/Simulink；

1前言

风力发电机组是实现将风能转换为电能的能量转换系统，它包括风力机和风力发电机。

经风力机风轮将风能转换成机械能；由于发电机转子的转动使机械能转化为电能。

本文中的双馈异步发电机（DFIG）是变速恒频型，电力电子频率变换设备是交-直-交型变频器。

双馈异步发电机的定子绕组与电网直接相连，转子绕组通过频率变换器供给频率可调的交流励磁电流。

2风速模型

风速为风力机提供原动力，风速模型的建立不受整个风电机组模型其它环节的影响，可以独立进行。

可以分为四分量模型：

基础风、阵风、渐变风、随机风。

2.1基础风模型

基本风对风力机的影响表现在反映风力机输出的额定功率大小，可以由风电场所测得的威布尔分布参数近似表示.

式

（1）中的A、K表示威布尔分布的尺度参数和形状参数，

代表伽马函数。

基本风风速为12.5m/s，仿真时间为0～10s，基本风始终存在，MATLAB仿真程序见附录1，仿真图如图1所示。

图1基本风仿真曲线

2.2阵风模型

风速突然变化的特性可以用阵风模型来表示，当风力机遇到突然变化的干扰可以用它来表示。

其中，式中的TG,TIG,VGmax分别表示阵风的周期（s）、启动时间（s）、最大值（m/s）。

阵风起始时间为2.5s，持续时间TG=5.5s，阵风最大风速为6.5m/s，阵风风速MATLAB仿真程序见附录2，仿真曲线图如图2所示。

图2阵风风速仿真曲线

2.3渐变风模型

风速随时间变化的特性用渐变风模型来表示。

在风电系统的动态仿真中，可以用它来表示系统受到平稳过渡的力矩时的动态特性。

其中，VRmax,TR,T1R,T2R分别表示渐变风的最大速度（m/s）、

持续时间（s）、起始时间（s）、终止时间（s）

仿真曲线的开始时刻风速为0，2.5s时开始有渐变风，经过5s的时间渐变风峰值达到最大值6.5m/s，渐变风在最大值持续2.5s之后停止。

渐变风风速MATLAB仿真程序见附录，仿真曲线如图3所示。

图3渐变风风速仿真

2.4随机风模型

风的不稳定性分量用随机性来表示，随机产生的风速用随机噪声风表示。

式中：

Ψi是0~2π之间均匀分布的随机变量；KN表示地表粗糙系数，实际工程中KN=0.004；F表示随机风的扰动范围，单位是m2；μ表示相对高度的平均风速；N表示频谱采样点数；

ωi表示各采样频率。

随机风的仿真曲线如图4所示

图4随机风风速仿真曲线

由于实际作用在风力机上的风速是4种风速模型的任意组合，因此我们用风

速模型的一般式来表示

3感应发电机并网运行

感应发电机并网运行机之后，不但要向电网输送有功功率，还须从电网吸收无功功率。

供给发电机励磁，以及补充定子和转子因漏磁消耗掉的无功功率。

这部分无功功率单靠从电网吸收是远远不够的，风力发电机组一般会在感应发电机与电网连接处并联无功补偿器，以提供一定的无功功率。

4双馈感应风电机并网运行仿真分析

4.1风力发电系统的仿真描述

本文是应用MATLAB/Simpowersysterms来开发的。

所建立的模型容量6*1.5MW的风电场,经过变压器和线路连接到25kV的配电系统中，再经30KM25kV电压等级的输电线路连接到120kV高压输电系统中。

其中额定电压为2.3KV、额定功率2MVA的发电机是由一个功率1.68MW、功率因数0.93PF的感应电动机，并联一个200kW电阻负载组成，连接在母线B25上。

500kW的负荷连接到风电场575V总线上。

双馈感应风电机组并网运行的Matlab仿真图如图所示：

图7双馈感应风电机并网运行仿真图

风力发电机和感应电动机负载有保护系统，其监测电压、电流和风力机风速，此外监测DFIG的直流线电压。

风力发电机组是由转子感应发电机和“交-直-交”IGBT基于PWM的变换器组成。

连接到母线B25节点的200MVA的地方负荷及其中的组成部分感应电动机保护系统的仿真图如图所示：

图8200MVA地方负荷与保护系统

风力发电机的保护系统如图所示：

图9风力发电机的保护系统

DFIG技术通过优化风力机调速器从低风速中提取最大能量，同时使风力机械应力最小化,达到充分利用风能的效果。

图10展示了风速在5m/s到16.2m/S时风轮机的机械功率"通过控制系统,双馈感应发电机能够沿着红色曲线运行。

图10变速恒频风力机组的功率特性曲线

4.2风电场电压调节模式仿真结果

设置一个渐变风程序，即起始风速设置为4m/s。

t=5s时，风速慢慢增加，到t=15s时，风速增加到14m/s，且假定风电场内6台风机遇到的风况相同。

风电场的运行模式为电压调节模式。

图11为风速变化时，风电场各参数的变化。

图12风速变化时风电场参数

当t=5s时，双馈感应风电机组输出的有功功率开始增大，大约在t=25s时，其输出功率达到额定值9MW。

且其输出功率的运行轨迹类似于图10所示的DFIG最大功率运行轨迹，即红线所示。

在这个时间段内，风力机转速由大概0.7pu增大到约为1.2pu.桨距角从0°增到约0.75°,开始限制风力机转速以减少输出功率。

观察风电机组输出电压和无功功率。

输出电压（B575）始终为1pu。

但是风电机组输出电流随着输出功率增大而增大，最终约为0.9pu。

风力机出力不断增加，为使风电场输口电压恒定，吸收了0.68Mvar无功功率（相当于产生的无功为Q=-0.68Mvar）。

变频器直流电压只在风速发生变化时产生一点微小的谐波

图11风速变化时电网参数

图11为风速变化时电网参数的变化情况。

当风速增大时，节点B120、B25、B575处的电压都略微有所波动。

且在t=25s之后电压水平都保持在了稳定水平。

2MW发电厂输出的有功功率开始下降，并且由开始向系统输出功率到后来从系统吸收功率。

2MW发电厂发出的无功功率增加，明该电厂由起初的从电网吸收无功功率转为了向电网输出无功功率。

4.3120kV系统发生电压暂降的仿真结果

将风电场控制模式设置为电压调节模式，观察120kV系统发生电压暂降对电网造成的影响，如图12所示，2MW厂输出电流只出现了一定的谐波扰动，没有降为0，2MW发电厂不再被切除。

发电机原动机转速没有受到影响，输出有功功率功率除出现短暂的谐波之外，幅值总体保持在一定值（0.6MW）。

无功功率下降到接近-5Mvar,表明风电场向电网输出了接近5Mvar对的无功功率。

120kV系统发生电压暂降对电网及其附属电厂没有造成太大影响，只引起了电压、电流及输出功率产生了短暂的谐波。

图12120kV系统发生电压暂降的电网参数

120kV系统出现电压暂降对风电场参数造成的影响，如图13所示

图13120kV系统发生电压暂降的风电场参数

由于风电场采用电压调节模式，使得风电场输出电压保持在了1p.u.。

的电压水平，但在电压暂降的开始和结束瞬间出现了较大的谐波电压。

风电场输出电流出现了较大范围的波动，这是由于风电场输出无功功率所致。

风力机转速没有受到电压暂降的影响，始终保持定值，因此风电场输出功率保持在1.9MW水平。

只是在电压暂降的开始和结束阶段出现了较大的谐波影响。

总结以上分析：

当大系统发生电压暂降时，并且系统缺乏无功功率的情况下，风电场采用功率补偿模式运行，会对电网上其他发电厂和用户造成影响，甚至可能造成系统电压跌落和谐波。

但如果风电场采用电压调节模式运行，就会对系统4的无功功率起到补偿的作用，这一措施可以有效地改善电网电压水平。

附录

1基本风模型仿真曲线MATLAB程序：

A=4.0215;

K=0.2893;%输入威布尔分布曲线尺度参数、形状参数

t=0:

0.01:

10;%输入仿真时间及采样时间

V=A*gamma（K）;%输入威布尔分布公式

plot（t,V,'r-'）%输入基本绘图指令

xlabel（'时间（s）'）%标注x轴名称

ylabel（'风速（m/s）'）%标注y轴名称

title（'基本风速仿真曲线'）%标注图形标题

gridon%增添网格线

legend（'VB'）%标注图例标注

text（3,12.6,'基本风\rightarrow'）%增加文本标注

2阵风模型模型仿真曲线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&t<=T1G+TG）+0.*（t>T1G+TG）;

plot（t,VG,'r'）

gridon

xlabel（'时间（s）'）

ylabel（'风速（m/s）'）

title（'阵风风速仿真曲线'）

axis（[0,10,-1,7]）

legend（'VG'）

text（2.65,3.5,'阵风\rightarrow'）

3渐变风模型仿真曲线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&t=T2R&t=T2R+T

R）;

plot（t,VR,'r'）

gridon

xlabel（'时间（s）'）

ylabel（'风速（m/s）'）

title（'渐变风风速仿真曲线'）

axis（[0,11,-0.5,8]）

legend（'VR'）

text（3.5,3.5,'渐变风\rightarrow'）

4随机风模型仿真曲线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=15

while（i<=100）%调用while循环语句

wi=（i-1/2）*dw;

Srwi=（2*Kn*F^2*abs（wi））/（pi^2*（1+（（F*wi）/（u*pi））^2）^（4/3））;

sum=2*sqrt（Srwi*dw）*cos（wi-fi）;

plot（i,sum,'r:

'）;

holdon

i=i+1;

end

gridon

xlabel（'时间（s）'）

ylabel（'风速（m/s）'）

title（'随机风风速仿真曲线'）

参考文献

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[2]李俊峰,高虎,马玲娟.我国风力发电现状和展望[J].中国科技投资，2007（11）:

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