新疆布爾津地區(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建

新疆布爾津地區(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建

0風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)新疆布爾津縣位于阿拉泰地區(qū)西北部的額爾奇斯河谷風(fēng)區(qū)。這是新疆九個(gè)主要風(fēng)區(qū)之一。為了解決電網(wǎng)供電量的不足，布爾津在新疆一家德國公司的大力支持下，從德國a公司購買了七臺150噸的風(fēng)能裝置并進(jìn)行了電網(wǎng)連接，并建立了布爾津風(fēng)系統(tǒng)。風(fēng)發(fā)電由于其巨大的影響、風(fēng)容量小且不穩(wěn)定，在系統(tǒng)容量的一定比例增加后，電網(wǎng)的頻率波動。此外，由于慢采裝置必須從電網(wǎng)中吸收延遲的無效無效電流來勵(lì)磁，這使得電網(wǎng)的矩陣減弱，電網(wǎng)的電壓降低。風(fēng)、電氣工程是干擾源，影響電氣系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性。因此，有必要分析風(fēng)電容量達(dá)到一定比例的風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。新疆風(fēng)能公司己完成對布爾津風(fēng)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)觀測,實(shí)驗(yàn)結(jié)果及可靠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證實(shí):在風(fēng)電容量超過電網(wǎng)容量13.9%的情況下(一般電力系統(tǒng)將風(fēng)電的比例限制在10%以下),風(fēng)電系統(tǒng)仍然具有靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性.為此還需從理論分析的角度對其進(jìn)行研究,以便為實(shí)驗(yàn)及運(yùn)行提供理論依據(jù).1擾動前運(yùn)行情況的影響電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中經(jīng)常受到各種小的擾動,例如:個(gè)別負(fù)荷的接入、切除或負(fù)荷大小的變化,風(fēng)速的變化等等,在擾動作用下,系統(tǒng)將出現(xiàn)暫態(tài)過程.當(dāng)擾動足夠微小時(shí),暫態(tài)過程可能有兩種不同的結(jié)果:一種是經(jīng)過暫態(tài)過程系統(tǒng)仍然回復(fù)到擾動前的運(yùn)行情況(或者說,與擾動前運(yùn)行情況的偏移無限微小而接近于零);另一種是在擾動后系統(tǒng)發(fā)生較大變化而偏離了擾動前的運(yùn)行情況,并甚至使發(fā)電機(jī)間失去同步.顯然,對于第一種情況,系統(tǒng)是靜態(tài)穩(wěn)定的,而第二種情況則是靜態(tài)不穩(wěn)定的.本文首先建立了適合靜穩(wěn)計(jì)算用的風(fēng)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,然后根據(jù)小振蕩法原理,采用Matlab語言編程對布爾津風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)穩(wěn)定性分析計(jì)算,通過全系統(tǒng)微分方程系數(shù)矩陣的特征根情況來判斷系統(tǒng)是否靜態(tài)穩(wěn)定.1.1數(shù)學(xué)模型1.1.1同步機(jī)的數(shù)學(xué)模型同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型采用機(jī)電暫態(tài)模型(已很成熟,這里不重復(fù)).1.1.2風(fēng)機(jī)數(shù)學(xué)模型(1)電壓平衡方案Uq=-r1Ιq-x′Ιd+E′qUd=-r1Ιd+x′Ιq+E′d}.(1)(2)id+sd0e2d0peqΤ′d0pE′d=-E′d-(x′-x)iq-sΤ′d0E′q?2πf0Τ′d0pE′q=-E′q-(x′-x)id+sΤ′d0E′q?2πf0}.(2)(3)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動方程pδ=ω0sΤJps=-Ds+ΜΤ-ΜE},(3)其中D為阻尼系數(shù),ω0=2πf0.(4)電機(jī)的直流電軸ΜE=E′qΙq+E′dΙd+ΙqE′q+ΙdE′d.(4)(5)風(fēng)力機(jī)方程dΜΤdt=1Τh(Μω-ΜΤ),(5)Μω=(V/VΝ)2.(6)1.1.3負(fù)荷抗壓強(qiáng)度的測定負(fù)荷特性模擬方法是采用恒定阻抗.即根據(jù)正常運(yùn)行方式下負(fù)荷點(diǎn)的電壓VHO和功率SHO=PHO+jQHO,用下式求出負(fù)荷的阻抗值:ΖΗΟ=VΗΟ2ΡΗΟ-jQΗΟ,(7)并假定暫態(tài)過程中該阻抗值不變.1.1.4直接連系各發(fā)電機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)方程當(dāng)電力系統(tǒng)遭受擾動后,各節(jié)點(diǎn)電壓和電流都要發(fā)生相應(yīng)的變化,即相對于其正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行值發(fā)生偏移.列出以偏移量形式表示的網(wǎng)絡(luò)方程:ΔΙΝ=YΝ?ΔVΝ,(8)以上方程的階數(shù)等于網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)N.在進(jìn)行電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定計(jì)算時(shí),應(yīng)該消去網(wǎng)絡(luò)中所有的聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和負(fù)荷節(jié)點(diǎn),并且從公共坐標(biāo)軸(X、Y軸)變換到d、q、o坐標(biāo)系統(tǒng),則直接連系各發(fā)電機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)方程為:ΔΙF+Y′FF?ΔVF+ΚYΔδm=0,(9)方程式的階數(shù)等于網(wǎng)絡(luò)中發(fā)電機(jī)的個(gè)數(shù)F.1.2全系統(tǒng)微分方程組及系數(shù)矩陣對電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定問題進(jìn)行比較嚴(yán)格地計(jì)算時(shí),可以采用小振蕩法.所謂小振蕩法,就是首先列出描述系統(tǒng)運(yùn)動的微分方程組,這一微分方程組通常是非線性的,然后將它們進(jìn)行線性化,得出所謂“一次近似”的線性微分方程組,再根據(jù)其特征方程式根的性質(zhì)來判斷其穩(wěn)定性.由以上整個(gè)電力系統(tǒng)各元件的數(shù)學(xué)方程式,可以得出全系統(tǒng)的微分和代數(shù)方程組:其中I為單位矩陣,虛線以上的部分為全系統(tǒng)的微分方程組,而虛線以下的部分則為代數(shù)方程組.[pΔδmpspΔs′pΔELpΔEnpΔEmpΔΜΜpΔΜn00]=[0Ωm000000000ΝΝ000ΝFΝΜ0ΝΙ00000Ν′F00Ν′ΜΝ′Ι0000LL0000LΙLV00FΝ0F′F000F′Ι0000FL0FF00FΙ00ΜΝ0000ΜΜ0000000000Μ′Μ000Ρ000Q00ΖFΙΚυ0000000ΙY′FF][ΔδΜsΔs′ΔELΔEnΔEmΔΜΜΔΜnΔΙmΔVm],(10)現(xiàn)將式(10)按照所畫的虛線分開,寫成下列分塊矩陣形式:[ΔX0]=[AxxAxyAyxAyy][ΔXΔY],(11)從式中消去代數(shù)方程,即從中解出ΔY,并回代消去ΔY,便可得到全系統(tǒng)的微分方程組:pΔX=[Axx-AxyA-1yyAyx]ΔX.(12)其系數(shù)矩陣為:A=Axx-AxyA-1yyAyx.(13)2理論依據(jù)及程序新疆布爾津風(fēng)電系統(tǒng)主要由托洪臺水電站供電,水電總裝機(jī)容量為6500kW(其中1#、2#發(fā)電機(jī)為2000kW水輪同步發(fā)電機(jī)組,3#發(fā)電機(jī)為2500kW水輪同步發(fā)電機(jī)組).電站建于布爾津河上,有一個(gè)庫容8060萬m3,可調(diào)庫容579萬m3的調(diào)節(jié)水庫.同時(shí)已建成投運(yùn)裝機(jī)容量為7×50=1050kW(分別為4#—10#風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)組)的風(fēng)電場,與水電站并網(wǎng)運(yùn)行.整個(gè)電網(wǎng)共18個(gè)節(jié)點(diǎn),19條支路,其網(wǎng)絡(luò)接線圖簡化如圖l所示.本文應(yīng)用MATLAB語言編程對布爾津風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)穩(wěn)定計(jì)算,計(jì)算程序的組成分以下幾個(gè)部分:(1)進(jìn)行潮流計(jì)算,求出電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的電壓、電流和功率的穩(wěn)態(tài)值.(2)計(jì)算各發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值.(3)計(jì)算全系統(tǒng)的微分和代數(shù)方程組系數(shù)矩陣中的各個(gè)元素,求出系數(shù)矩陣Axx、Axy、Ayx及Ayy.(4)計(jì)算系數(shù)矩陣A,判斷系統(tǒng)是否靜態(tài)穩(wěn)定.此次靜穩(wěn)計(jì)算中,運(yùn)用MATLAB編制了一個(gè)主程序FZCX,兩個(gè)子程序C和CS,還自定義了19個(gè)函數(shù),分別為Nn、Nf、Nm、Ni、Ll、Li、Lv、Fn、Fl、Ff、Fi、Mn、Mm、p、Q、Zf、I1、I2、Yf,是全系統(tǒng)的微分和代數(shù)方程組系數(shù)矩陣中的小的分塊矩陣.子程序CS根據(jù)布爾津電網(wǎng)潮流計(jì)算結(jié)果,完成了各發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)態(tài)值的運(yùn)算;子程序C建立了只包含發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)方程的系數(shù)矩陣Y′FF和KY.主程序FZCX由各函數(shù)形成了全系統(tǒng)的微分和代數(shù)方程組的系數(shù)矩陣Axx、Axy、Ayx及Ayy,計(jì)算出系數(shù)矩陣A,求出矩陣A的特征根如圖2所示.從上述程序計(jì)算結(jié)果來看,全系統(tǒng)微分方程系數(shù)矩陣的特征根全部都有負(fù)的實(shí)部(負(fù)實(shí)根或?qū)嵅繛樨?fù)的復(fù)根),即全部位于復(fù)平面的左半S平面).根據(jù)自動控制原理,可以判定布爾津風(fēng)電系統(tǒng)是靜態(tài)穩(wěn)定的.3靜態(tài)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果本文建立了風(fēng)電