雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真

雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真

0機(jī)電暫態(tài)模型可再生清潔的新型能源。本文在分析了雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,建立各組成部件的機(jī)電暫態(tài)模型。在電力系統(tǒng)綜合程序PSASP7.0建模系統(tǒng)中構(gòu)建了包含有各個(gè)部件的完整的雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的UD模型,并將其應(yīng)用于含雙饋式風(fēng)力發(fā)電的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)中,在PSASP中進(jìn)行了含有風(fēng)電的電力系統(tǒng)仿真分析計(jì)算。1雙回風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)的建模雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置、雙饋異步發(fā)電機(jī)、變流器、變壓器和控制系統(tǒng)組成1.1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速加轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)的功能是通過(guò)葉片捕獲風(fēng)能,將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能,將吸收的葉片轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為作用在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩式中:β為槳葉的槳距角,葉尖速比λ=ω其中,空氣密度、槳葉半徑、風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)角速度都是可測(cè)的。三葉片水平軸風(fēng)機(jī),常用的風(fēng)能利用系數(shù)C其中,1.2機(jī)械傳動(dòng)裝置數(shù)學(xué)模型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)部分主要包括風(fēng)輪(輪轂及葉片)、轉(zhuǎn)軸和齒輪箱式中,τ1.3雙饋穩(wěn)步發(fā)電機(jī)d、q軸控制器定轉(zhuǎn)子n三相靜止坐標(biāo)系下雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、多變量、強(qiáng)耦合的系統(tǒng),很難進(jìn)行控制系統(tǒng)的分析與控制由雙饋異步發(fā)電機(jī)d、q軸的等效電路(圖2和圖3)可得定轉(zhuǎn)子繞組的電壓方程和定轉(zhuǎn)子磁鏈方程等,不再贅述。雙饋異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型還包括功率方程、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程等,這些方程與普通三相交流電機(jī)類似。1.4機(jī)電暫態(tài)建模雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變流器是實(shí)現(xiàn)機(jī)組變速恒頻交流勵(lì)磁的核心部件,交-直-交雙PWM變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。網(wǎng)側(cè)變流器一側(cè)經(jīng)阻抗與電網(wǎng)相連,另一側(cè)則通過(guò)直流母線電容與轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器相連,其主要作用是,通過(guò)調(diào)節(jié)功率管IGBT的通斷來(lái)維持直流母線電壓的穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)間功率的雙向流動(dòng),使網(wǎng)側(cè)保持單位功率因數(shù);轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組相連,根據(jù)控制系統(tǒng)的要求向轉(zhuǎn)子提供所需的交流勵(lì)磁電流或電壓。在機(jī)電暫態(tài)建模時(shí),考慮到電力電子器件開(kāi)關(guān)動(dòng)作以及電力變流器動(dòng)態(tài)過(guò)程為μs級(jí)或ms級(jí),而機(jī)電暫態(tài)過(guò)程則為相對(duì)較慢的過(guò)程(幾百毫秒),往往可以忽略直流側(cè)電容器電壓的波動(dòng)和變流器的動(dòng)態(tài)過(guò)程。則d-q坐標(biāo)下的變流器數(shù)學(xué)模型可以用以下代數(shù)方程組來(lái)表示。2雙源動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)管理系統(tǒng)的構(gòu)建雙饋式異步發(fā)電機(jī)的控制是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子回路雙PWM變流器的控制實(shí)現(xiàn)的2.1槳距角控制目標(biāo)槳距角控制是指借助控制技術(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)改變大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂葉片槳距角的大小,從而改變?nèi)~片的氣動(dòng)特性,控制風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。槳距角控制目標(biāo)主要有兩個(gè):風(fēng)電機(jī)組輸出功率的最優(yōu)控制、高風(fēng)速時(shí)限制風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率?；诖丝梢越⑷缦嘛L(fēng)力機(jī)槳距角控制模型框圖,如圖5所示。2.2交流風(fēng)力機(jī)及發(fā)電機(jī)在前面所建立的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的雙饋異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型中實(shí)現(xiàn)了定子有功功率和無(wú)功功率的d、q軸解耦。在此基礎(chǔ)上通過(guò)坐標(biāo)變換,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流有功分量與無(wú)功分量的解耦,只要控制轉(zhuǎn)子電流的有功、無(wú)功分量就可以有效地實(shí)現(xiàn)雙饋機(jī)的有功、無(wú)功功率的解耦控制,從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制目標(biāo)。根據(jù)轉(zhuǎn)子側(cè)的控制結(jié)構(gòu)框圖,可以得到dq軸上矢量控制流程如圖6所示,從而得到轉(zhuǎn)子dq軸電壓指令信號(hào)在機(jī)電暫態(tài)建模時(shí),考慮到電力電子器件開(kāi)關(guān)動(dòng)作以及電力變流器動(dòng)態(tài)過(guò)程為μs級(jí)或ms級(jí),而機(jī)電暫態(tài)過(guò)程則為相對(duì)較慢的過(guò)程(幾百毫秒),可認(rèn)為變流器的動(dòng)態(tài)已經(jīng)結(jié)束,故轉(zhuǎn)子側(cè)變流器模型可用代數(shù)方程描述:將控制信號(hào)同理,網(wǎng)側(cè)變流器模型亦可用代數(shù)方程來(lái)描述其輸出電壓特性根據(jù)網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng),并考慮電容器C電壓與直流電流間的關(guān)系,可以得到電網(wǎng)側(cè)的控制框圖,并對(duì)其進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化后網(wǎng)側(cè)的控制框圖如圖8所示,則dq軸分量完全分離,分別控制網(wǎng)側(cè)有功功率和無(wú)功功率。3風(fēng)電場(chǎng)建模仿真根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及框圖,在PSASP7.0中搭建雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的用戶自定義模型,對(duì)含有風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。各個(gè)模塊的PSASP的用戶自定義模型(UserDefined模型,簡(jiǎn)稱UD模型)模型如圖9~圖13。將上述各模型進(jìn)行封裝和整合,連接組成了整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的UD模型,如圖14所示。4單臺(tái)風(fēng)電機(jī)1.2madg算例系統(tǒng)為單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng),如圖15所示。系統(tǒng)容量基值100MVA。風(fēng)電場(chǎng)容量33MVA,出力30MW,單臺(tái)風(fēng)電機(jī)1.5MW(1.67MVA)。風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)兩臺(tái)升壓變和兩條交流線與系統(tǒng)相聯(lián)。4.1陣風(fēng)和漸進(jìn)風(fēng)擾動(dòng)對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響風(fēng)電場(chǎng)在低于額定風(fēng)速的狀況下運(yùn)行,考慮風(fēng)速的變化,3s時(shí)在初始低風(fēng)速的基本風(fēng)上疊加強(qiáng)度為5m/s的陣風(fēng),持續(xù)時(shí)間為5s。典型陣風(fēng)擾動(dòng)下風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線如圖16所示,風(fēng)電場(chǎng)鄰近母線電壓波動(dòng)曲線如圖17所示。在陣風(fēng)的作用下,母線2、3、4的電壓都發(fā)生了波動(dòng),其中母線4的電壓波動(dòng)最大。(2)典型漸進(jìn)風(fēng)最初時(shí)刻的風(fēng)速為10m/s,在t=3s時(shí)刻,疊加斜率為1m/s的漸變風(fēng),漸變風(fēng)的上升時(shí)間與下降時(shí)間均為4s,在14m/s風(fēng)速的保持時(shí)間為4s,漸變風(fēng)速的幅值為4m/s。典型漸變風(fēng)擾動(dòng)下風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線如圖18所示。風(fēng)電場(chǎng)鄰近母線電壓波動(dòng)曲線如圖19所示。在漸進(jìn)風(fēng)的作用下,母線2、3、4的電壓都發(fā)生了波動(dòng),其中母線4的電壓波動(dòng)最大。仿真結(jié)果表明,陣風(fēng)和漸進(jìn)風(fēng)擾動(dòng)對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響程度與陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間、擾動(dòng)強(qiáng)度有關(guān),當(dāng)陣風(fēng)和漸進(jìn)風(fēng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),擾動(dòng)強(qiáng)度越大,對(duì)風(fēng)機(jī)的沖擊越大。仿真結(jié)果與理論分析基本一致,驗(yàn)證了模型的有效性。4.2短路接地故障暫態(tài)結(jié)果考慮當(dāng)電網(wǎng)在風(fēng)電場(chǎng)近端發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。設(shè)置母線BUS3至母線BUS4線路在母線BUS4側(cè)5%處發(fā)生三相/兩相接地故障,故障持續(xù)一段時(shí)間后線路跳開(kāi)。1)故障持續(xù)時(shí)間為0.12s,三相接地短路與兩相接地短路情況下風(fēng)電場(chǎng)鄰近母線電壓如圖20、圖21所示。三相短路時(shí)母線2和母線3的電壓分別跌至0.9和0.4,兩相短路時(shí)母線2和母線3的電壓分別跌至0.95和0.65。2)故障持續(xù)時(shí)間為0.5s,三相接地短路與兩相接地短路情況下風(fēng)電場(chǎng)鄰近母線電壓如風(fēng)電場(chǎng)鄰近母線電壓如圖22、圖23所示。三相短路時(shí)母線2和母線3的電壓分別跌至0.8和0,兩相短路時(shí)母線2和母線3的電壓分別跌至0.85和0.2。仿真結(jié)果說(shuō)明:短路接地故障暫態(tài)結(jié)果的嚴(yán)重程度與故障持續(xù)時(shí)間、故障發(fā)生地點(diǎn)、故障相位都相關(guān)。故障持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的電壓穩(wěn)定影響越大;故障點(diǎn)離風(fēng)電場(chǎng)越近,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的電壓穩(wěn)定影響也越大;三相故障比兩相故障的后果嚴(yán)重。5基于psasp的雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模(1)建立了包括風(fēng)力機(jī)、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、雙饋異步發(fā)電機(jī)和變流器等各組件的雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,以及風(fēng)力發(fā)電槳