2023年基于Matlab的由雙饋風力發(fā)電機組成的風電場仿真

第基于Matlab的由雙饋風力發(fā)電機組成的風電場仿真

基于Matlab的由雙饋風力發(fā)電機組成的風電場仿真

基于Matlab的雙饋異步風力發(fā)電機風電場仿真

這里仿真的對象是一個由6臺1.5Mw雙饋異步風力發(fā)電機組組成的9MW的風電場。這個風電場連接著一個25kV的分布式發(fā)電系統(tǒng)，它的電能通過35km長，電壓等級為25kV的饋線（B25）輸入到120kV的電網(wǎng)上。有2300kV，2MVA的用電設備也同樣連接在B25這條饋線上。這些用電設備包括一臺1.68MW的異步電動機和200kW的阻性負載。風電機和電動機負載都有保護系統(tǒng)控制著電壓、電流和電動機轉速。利用Matlab/Simulink建模并進行了三個方面仿真，其簡化示意圖及仿真模塊圖形見附錄1。

一、雙饋式風力發(fā)電機及其仿真模型簡介

雙饋式異步風力發(fā)電機(Doubly-FedInductionGenerator)包含有：一個繞線式轉子的異步發(fā)電機和一個基于IGBT的交-直-交PWM變頻器。定子繞組直接連接到頻率為60Hz的電網(wǎng)，轉子通過交-直-交變頻器的反饋來調節(jié)頻率。雙饋電機技術可以使風力發(fā)電機組在低風速情況下，通過優(yōu)化風機轉速，從風吸收最大的能量。而在狂風的情況下，可以使風機承受最小的機械壓力。在給定風速的情況下，最優(yōu)的驅動速度產生最大的機械能。當然這些能量都是同風速成比例的。在風速低于10m/s的情況下，轉子運行于“次同步轉速”。在高風速下，轉子運行于“超同步轉速”。打開風機的菜單選擇“Turbinedata”，然后選擇“Displaywind-turbinepowercharacteristics”（見圖1）。風機機械功率作為驅動轉速的功能，在風速5m/s~16.2m/s的范圍內可以被顯示出來。雙饋電機是根據(jù)這條紅曲線來控制的。最佳的驅動轉速是在曲線上的B點和C點之間。雙饋電機的另一個優(yōu)點是電力電子變頻器可以產生或者吸收無功。這樣就減少了鼠籠繞組式異步風電機所需的補償無功的電容器組。

圖1、雙饋式風力發(fā)電機功率特征曲線

這個風電機模型可以用來做長時間仿真的暫態(tài)穩(wěn)定性研究。這個模型中，系統(tǒng)的觀測時間長達50s。

打開風電機菜單，可以看到4組針對于風電機組（包括發(fā)電機和變頻器）的菜單。這個6機組成的風電場，在仿真的過程中，是通過將一些單機的參數(shù)擴大至6倍來模擬的。例如：

1、額定機械轉矩輸出：6x1.5e6watts，在Turbinedata欄。

2、發(fā)電機額定功率：6x1.5/0.9MVA(6x1.5MWat0.9PF)，在Generatordata欄。

基于Matlab的由雙饋風力發(fā)電機組成的風電場仿真

3、額定直流總線電容：6x10000microfarads，在Convertersdata欄。

同樣的，在“Controlparameters”欄，Modeofoperation被設定成為“Voltageregulation”。輸出端電壓將被根據(jù)一個參考電壓（1pu）和電壓衰減系數(shù)(xs=0.02pu)來控制。

二、仿真過程及結果分析

1、在風速突然變化的情況下，風力發(fā)電機的反應。

首先打開“WindSpeed”來設定風速。初始風速設定為8m/s，時間到達t=5s的時候，設定風速突然增長到14m/s（見圖2）。開始仿真，可以從“WindTurbine”的示波器監(jiān)測風電機的電壓、電流、有功功率和無功功率、直流總線電壓和風機轉速。在t=5s的時候，產生的有功功率平穩(wěn)地增長（同風機轉速一起），用了差不多15s的時間達到了額定的9MW功率。在這段時間內，風機轉速從0.8pu增長到1.21pu。初始的時候，葉片的節(jié)距角是0度，風機隨著紅色的功率特征曲線運行直到D點。節(jié)距角也由0度增加到0.76度，用來限制機械功功率。同樣的，我們來看看電壓和無功功率。通過調控無功功率來維持電壓在1pu。在額定功率的時候，風電機吸收了0.68Mvar（也就是Q=-0.68Mvar），來控制電壓使其在1pu。如果更改“Varregulation”中的“GeneratedreactivepowerQref”，將其設置為0。在運行結果中就將得到，在達到額定功率的時候，電壓增長到1.021pu（見圖3）。

圖2、風速突然變化情況下輸出曲線（風電機為VoltageRegulation模式）

基于Matlab的由雙饋風力發(fā)電機組成的風電場仿真

圖3、風速突然變化情況下輸出曲線（風電機為VarRegulation模式）

2、120kV系統(tǒng)電壓突然下降的仿真。

在這里，我們將看到預先設定的一次在120kV系統(tǒng)上的電壓突然下降的影響。首先在風速模塊中，不要求風速變動，將最終風速更改為8m/s。然后打開120kV電壓源的菜單。在參數(shù)“Timevariationof”中選擇“Amplitude”。設定在0.5s的時候，發(fā)生一次大小為0.15pu的電壓下降。這時候要確保風電機的控制部分的“Varregulation”中的Qref=0。開始仿真并打開名為“Grid”的示波器（見圖4）?？梢钥吹接秒娫O備的電壓、電流以及電動機轉速。注意風電場發(fā)出的功率為1.87MW。在t=5s的時候，電壓下降至小于0.9pu。在t=5.22s的時候，保護啟動，因為探測到電壓下降持續(xù)了0.2s。用電設備的電流降至0，電動機轉速逐漸下降。而風電場繼續(xù)產生1.87MW的功率。在用電設備被分離出電網(wǎng)之后，1.25MW的電能被輸出至電網(wǎng)（通過B25上的P_B25可以觀測到。）

下面，將風電機的控制模式轉換成“Voltageregulation”重新再仿真一次。發(fā)現(xiàn)這次用電設備并沒有被分離出電網(wǎng)。這是因為在電壓突然下降的時候，風電場發(fā)出了5Mvar的無功功率，來使用電設備的電壓高于0.9pu這個閥值。在電壓突然下降期間，用電設備的電壓為0.93pu（見圖5）。

3、在25-kV系統(tǒng)上的故障仿真。

最后，進行一次發(fā)生在25-kV線路上B25母線的單相接地短路。第一步，關閉剛才120-kV的階躍。打開“Fault”模塊的菜單，選擇“PhaseAFault”。設定故障為“9-cyclesingle-phasetogroundfault”，故障時間為t=5s，持續(xù)時間為0.15s。

當風電機在“Voltageregulation”模式下，可以看到，在故障期間，風機輸出的正序電壓(V1_B575)下降到0.8pu。高于保護的閥值（0.75pu，持續(xù)0.1s以上）。所以此時風電機組依然繼續(xù)運行。（見圖6）

當風電機在“Varregulation”模式下并且設定“Qref=0”，這個電壓下降至低于0.7pu，保護啟動。我們可以看到風機轉速上升。在t=40s時候，節(jié)距角變大，從而限