基于Matlab的双馈风力发电系统动态仿真

基于Matlab的双馈风力 发电系统动态仿真

刘芳宇 李艳春

( 1.太原理工大学理学院，太原 030024 ；2.山西电力科学研究院，太原 030001)

摘要 本文以双馈风力发电系统为研究对象，建立了双馈风力发电系统的动态数学模型，包括风速、风力机、双馈发电机以及补偿电容器四个部分。利用Matlab/Simulink建立了仿真系统模型,详细论述了仿真的方法和过程，并对风电场接入电力系统进行了动态稳定分析，论文同时就如何提高风电系统短路故障后的动态稳定性进行了研究。

关键词：风电场；双馈风力发电系统；Matlab；动态仿真

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Dynamic Simulation of Doubiy-fed Wind Power System Based on Matlab

Liu Fangyu Li Yanchun

(Taiyuan University of Technology , Taiyuan 030024)

Abstract Taking doubly-fed wind power system as an object, the paper presents the dynamic model of doubly-fed wind power system, including wind speed, windmill, doubly-fed generator and capacitor. The method and process of the dynamic simulation based on Matlab/Simulink are discussed in detail, and the dynamic stability on the wind-farm connected to power system is analyzed. At the same time, the thesis studies how to improve dynamic stability of wind power system after the short-circuit fault is occurred.

Key words：wind farm；doubly-fed wind power system；Matlab；dynamic simulation

以双馈风力发电系统作为研究对象，通过MATLAB

1 引言

仿真的方法分析其并网运行特性。 随着我国风力发电事业的不断发展，新建风电场的规模越来越大。由于电场的输出功率会随着风速变化而不断地变化，所以当大型风电场并网运行时，这种功率波动将会对系统的稳定性和可靠性造成一定的影响。

随着风电在系统中的比例越来越高，风电场并网运行会带来许多问题,其中包括系统节点电压、系统频率的波动和偏差，还有系统安全稳定性受到的影响[1]。因此，对大型风电场并网运行所造成的系统电能质量和动态稳定性问题进行分析是十分必要的。

双馈风力发电机组是目前我国广泛使用的风电设备，由于它的运行特性不同于常规发电机组，当其并网运行时会对电力系统造成一定的影响。本文

2 动态数学模型

建立了双馈风力发电系统的动态数学模型，包括风速、风力机、双馈异步发电机以及补偿电容器四个部分；包含风电场的电力系统动态仿真程序中除了双馈异步风力发电机组外，还包括同步发电机、励磁系统、转速控制器[2]，下面将逐一介绍它们的数学模型。 2.1 风速模型

本文采用国内外使用较多的风速四分量模型，各分量分别为基本风V、阵风VWG、渐变风VWR、随机噪声风VWN。

模拟实际作用在风力机上的风速VW为：

VW=V+VWG+VWR+RWN （1）

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研究与开发

暂态过程中双馈电机的转速变化主要取决于转子轴上不平衡转矩的大小，当机械转矩一定时，双馈电机的电磁转矩就是产生不平衡转矩的主要原因。因而，当风电机组的转速发生偏差，或运行状态发生变化需要调速时，要通过调节双馈电机的电磁转矩来调节转速。通过调节发电机转子的外接电

⎧ 0

VwVwQN1⎪−3

⋅10 Vm≤Vw可认为在暂态过程（故障从发生到恢复）中，通过风轮机的风速保持不变。 2.2 风力机模型

风能与机械转矩TW的关系为：

⎪2ΩPN⎪⎩ 0 Vout≤Vw其中，Tw为风力机叶片的输出转矩；Vw为风速，

Vin、Vout分别为风力机的切入风速和切出风速；ρ为

空气密度；Ω为风力机的机械角速度；A=πR2w为

风力机叶片的扫掠面积；Rw为叶片半径；ΩN与PN

分别为风力机的额定机械角速度和额定功率；CP

是

风力机的风能利用系数。 2.3 传动机构的模型

轮毂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。

传动部分的动态模型为：

dTmdt=1

τ(Tw−Tm) （3）

w其中，τw为风力机的惯性时间常数；Tw为风力

机叶片的输出转矩；Tm为输入异步发电机的转矩。 2.4 双馈电机动态数学模型[5]

忽略定子侧的电磁暂态过程和定子侧电阻，双馈电机的基本方程为： ⎧⎪Uds=−ψqs⎪Uqs=ψds

⎪

⎨=

dψdr

）

⎪U

drdt−sψqr+rrIdr （4 ⎪⎪⎪⎩

Uqr=dψqrdt−sψqr+rrIdr

⎧⎪ψds=XssIds+xmIdr ⎪⎨

ψqs

=XssIqs+xmIqr （5）

⎪ψdr=XrrIdr+xmIds⎪⎩

ψqr=XrrIqr+xmIqs

经推导，双馈电机的动态方程可以表示为： ⎧dE󰀅 ⎪⎨dt

jUr󰀅xmX−jsE󰀅−1'

[E󰀅−󰀅j(Xss−x')I󰀅s]⎪rrTd0 （6） ⎩U󰀅s=jx'Is+E

󰀅46

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在矢量控制下，控制双馈电机转子侧电流的dq

轴分量可以控制双馈电机转速和无功功率，但双馈

电机的控制变量是转子侧电压Udr、Uqr，所以必须得出转子电压和电流之间的关系，才能将对电流分量的控制转化为对电压分量的控制。 其他补偿电容器、同步发电机、励磁系统、转速控制器已经有很成熟的模型，在此不做详细介绍。 3 动态仿真程序设计[3,4]

考虑到风电系统的特殊性，设计包含风电场系统的动态仿真程序流程框图，如图1所示。

输入原始数据计算初始潮流确定风电系统异步发电机和其他常规机组的初始状态设置仿真时间Nt<=TmaxY有无故障或操作YN处理故障和操作N是否风电机组Y读入t时刻风速常规机组微分代数方程求解风电系统微分代数方程求解进行网络方程计算t=t+∆t结束 图1 动态仿真程序流程框图

4 动态仿真程序实现

本文基于Matlab软件环境下的S函数文件以及Simulink基本模块实现了双馈异步风力发电系统并

网运行的动态仿真程序。

双馈异步风力发电系统并网运行动态仿真程序主要包括：

（1）原始数据的录入。包括仿真系统的节点电压信息、支路信息、同步发电机参数、励磁系统参数、发电机转速控制器参数、双馈异步发电机参数、风力机参数、以及风速四分量模型的参数。它基于M文件实现。

（2）包含风电场的电力系统潮流计算。它基于M文件实现。

（3）系统各个元件初始值的计算以及扰动条件的设定。其中初值计算包括同步发电机、双馈异步发电机、励磁系统、风力机以及风速。它基于M文件实现。

（4）动态仿真计算。每一步长∆T内,整个仿真系统各元件之间的变量传递关系如图2。

图2 单一仿真步长内各元件之间变量传递关系

图3 系统仿真图

图3中，同步机模块包括三阶实用模型，基于S函数实现；励磁系统、转速控制器基于Simulink基本模块库实现。风电机组模块包括异步发电机三阶模型、风能转换模型，基于S函数实现；传动装置模型基于Simulink基本模块库实现；风速四分量模型中的阵风、渐变风、随机风模型都基于S函数实现，某几个分量的组合则基于Simulink基本模块库实现。整个网络代数方程的求解基于S函数实现。

5 实例计算

算例系统的接线图如图4所示，是一个典型的

研究与开发

风电场接入配电网的实例。风电场接在配电网的末端，通过双回联络线与电网相连。将220kV以上电压等级的外部系统简化为等值电源与等值阻抗，电源电压即节点1的电压，节点1-2之间的阻抗为外部系统等值阻抗。节点10是风电场的接入点，节点2和节点10之间是风电场附近地区的电网和负荷。

风电场所选单机容量为600kW的双馈异步发电机，计算所用的容量基值为100MVA ，单台机组参数：额定容量600kW，额定出口电压690V，定子电抗x1= 0.09985，定子电阻r1=0.00833，转子电抗x2= 0.10906，转子电阻r2=0.00373，励磁电抗xm= 3.54708， 额定转差sN = -0.004，风机出口升压变xT =0.033，额定功率因数cosϕN= 0.。

图4 系统接线图

计算条件为：风电场总装机容量为60MW，按

CPFC=29.7%投切电容器，定桨距，联络线路阻抗比x/r=3，风能转换模型中风力机的切入和切出风速分别为4m/s、25m/s，额定风速为15m/s。 5.1 阵风情况

基本风为16m/s情况下，在1s启动，周期为5s，阵风最大值为6m/s，仿真时间为10s。图5～图8分别为风速、风电场出口电压、风电场有功出力以及无功出力的仿真曲线。

由风速曲线可以看出这种情况下没有超过风力机的停机风速，风速初始值在额定值附近，由于风电机组特性，风电场有功出力变化不大。由仿真图易知：风电场的有功出力会随着风速的上升而增加，下降而减小，但由于风力机的惯性，有一个时间上的滞后。当风电场有功出力增加时，它所吸收的无功功率也增加，导致风电场出口电压下降，这符合风电场的运行特性。

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研究与开发

图5 阵风风速图

图6 阵风下风电场电压

图7 阵风下风电场有功功率

图8 阵风下风电场无功功率

5.2 风电场出口处短路故障

故障设置为：风电场出口（节点10）在t=0.2s发生三相短路故障，经过7个周波（0.14s）后切除联络线（节点9-10）的一回线路。图9、图10分别为风电场出口电压、异步发电机滑差的仿真曲线。

图9 风电场出口短路故障下的风电场电压

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图10 风电场出口短路故障下的异步机滑差

由曲线可知，该计算条件下的系统在故障发生后失去稳定。

其余条件不变，若将线路阻抗比变为x/r=1，风电场出口电压、异步发电机滑差的仿真曲线如图11、图12所示。

图11 风电场出口短路故障下的风电场电压

图12 风电场出口短路故障下的异步机滑差

由仿真图可以看出，此条件下故障后的系统又恢复稳定。

仿真结果表明：双馈异步风力发电系统并网运行过程中，当电网发生短路故障时，整个系统的稳定性与联络线（风电场出口处与系统连接点之间的传输线路）的阻抗参数，以及并联电容器的补偿量有很大关系。如果采用x/r较小的联络线或适当提高电容器的补偿量，都有助于提高短路故障后风电系统的稳定性。

6 结论

本文基于Matlab/Simulink软件实现了双馈风力发电系统并网运行的动态仿真程序，对某一实际的风电系统进行了仿真分析，结果表明，采用Matlab软件环境下的S函数文件和Simulink基本模块相结合的方法可以有效地实现电力系统的分析与计算。本文就如何提高风电系统短路故障后的动态稳定性

（下转第57页）

研究与开发

图2 输出电压仿真波形

图2中，深色曲线为30℃下的电路输出波形；浅色曲线为-35℃下的电路输出波形。

使用高低温试验箱对实际电路进行不同温度下的试验，分别在30℃和-35℃下维持大于5h后实测输出波形如图3、图4。

从仿真和实测波形对比可以看出，两者反映的输出电压在不同温度下变化趋势一致。在-35℃条件下的输出电压稳定值要略低于30℃时的值。由于在低温条件下，负载侧支撑电容值减小，负载电阻值减小，导致电容充放电速度加快，启动时电压上升斜率较常温时大。

图4 -35℃下输出实测波形

4 结论

对于电路和器件低温特性的研究，有助于我们根据电路工作的具体环境选择合适的电路拓扑和器件，保证电路在不同的温度条件下正常运行，保持良好的输出特性。试验结果证明本文采用的基于PSpice仿真软件的器件建模仿真方法能够体现出器件及电路在不同温度下的工作特性，是一种有效的试验方法。

参考文献

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[3] 黄先进,孙湖,郑琼林.8K型电力机车辅助IGBT逆变

器耐低温控制系统研究[J].机车电传动,2006, (5). [4] 周鹏,冯一军.CMOS电路低温特性及其仿真[J].低温

图3 30℃下输出实测波形

（上接第48页）

物理学报,2005, (4).

进行了研究，提出了一些改善措施如采用较小的联络线或适当提高电容器的补偿量，这都有助于提高短路故障后风电系统的稳定性的改善措施。这些基础性的研究对在山西建立风电场具有很重要的参考价值和一定的指导作用。

参考文献

[1] 孙建锋. 风电场建模和仿真研究[D]. 清华大学, 2004. [2] 吴俊玲. 大型风电场并网运行的若干技术问题研究

[D]. 清华大学, 2004.

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