变桨矩风机并网仿真

变桨矩风机并网仿真 摘要 利用风力发电已越来越成为风能利用的主要形式 受到世界各国的高度重视 而且发展速度最快 大力发展风力发 电 补充和逐步代替部分常规能源 缓解电力供应紧张的矛盾 应以发展并网型中大型风力发电场 本文利用 Matlab Simulink软件建立风电场模型 主要介绍建立仿真的原理 关键词 风力发电机 模型 原理 CHANGE PROPELLER MOMENT WIND TURBINE SIMULATION Abstract Use of wind power has become the main form of the wind power use the fastest developing speed and more attention of the countries all over the world Developing wind power and Instead of conventional energy and relieve tension power supply so it need development of grid medium wind farm These paper use of Matlab Simulink to build wind farms model and Introduces the principle of the building simulation Key words wind driven generator model principle 中图分类号 文献标识 文章编号 0 引言 变桨矩型风力发电机组以其优越的性能越来 越受到人们的青睐 而变桨矩系统又是变桨矩风 力机组的关键部分 为了使变桨矩系统能安全 稳定的运行 必须在变桨矩系统实施运行前 对 其运行特性和控制规律有充分的了解 本文主要 是通过Matlab Simulimk软件对电力系统中的变桨 矩风力发电机系统建立仿真模型并对仿真结果进 行研究和分析 在风力机空气动力学特性分析的 基础上 讨论了变桨矩风力发电机组在不同风速 模型中的运行特性 以及机组在低于额定风速和 高于额定风速阶段的不同控制策略 Simulink为用户提供了用方框图进行建模的 模型接口 它与传统的仿真软件包用微分方程和 差分方程建模相比 具有更直观 方便 灵活的 优点 并且用Simulink创建的模型可以具有递阶结 构 用户可以用从上到下或从下到上的结构创建 模型 电力系统工具箱 Power System Blockset以 下简称PSB 在Simulink环境下使用 电力系统工 具箱提供了一个现代化的设计工具 它使科学家 工程师能迅速建立模型 并立即仿真 不但电路 模型能够快速建立起来 而且与之相联系的机械 热力 控制系统及其它设备规律的分析均包含在 其中 采用变桨矩调节方式 风机输出功率曲线平滑 在阵风时 塔筒 叶片 基础受到的冲击较失速 调节型风力发电机要小很多 可减少材料使用率 降低整机重量 1 MATLAB 软件简介 MATLAB语言是MathWorks公司在80年代推 向市场的一种数值型计算软件 MATLAB具有编 程效率高 程序设计灵活 图形功能强等优点 它已经发展成为适合多学科 多种工作平台的功 能强劲的大型软件 MATLAB提供的Simulink工具 箱是一个用来对动态系统进行建模 仿真和分析 的软件包 它支持连续 离散及两者混合的线性 和非线性系统 也支持多种采样速率的多速率系 统 由于在仿真实验中用到了大量的模块 如果 不做专门的说明 这些模块所表示的内容是比较 不容易理解和阅读的 所以需要专门的对电力系 统工具箱中的那些常用的模块做一个简单的介绍 利用开始 Start 导航区启动电力系统工具 箱 首先单击开始按钮 选择仿真 Simulink 命 令 在弹出的子命令中选择电力系统仿真 SimPowerSystem 然后在弹出的菜单中选择 电力系统工具箱 单击该命令即可启动电力系统 工具箱对话框 在电力系统工具箱对话框中包含了多种电力 系统元件的图标 按照类别的提示可以进行各种 操作 电力系统工具箱包括10类库元件 分别是 电源元件 Electrical Sources 线路元件 Elements 电力电子元件 Power Electronics 电机元件 Machines 电路测量 仪器 Measurements 应用库 Application Libraries 附加元件 Extras 演示教程 Demos 电力图形用户接口 Powergui 等 在应用库中 在本次设计中主要用到的是风 力发电机模块 该模块存在与应用库中 如图1 双击分布式电源 Distributed Resources Library 在该电源中显示了风力发电 Wind Generation 如图2所示 应用库 分布式电源 在该图中的Wind Generation内包含了风机模型 感 应发电机风机模型和同步发电机模型三类模型 2 利用Matlab Simulink软件建立风电场模型 及变桨矩控制系统概述 风轮机工质是低速 低温空气 精确地讲 风轮机流场是一个可压缩 有黏性的非定常流场 实际应用时对不同的场合 还可对压缩性 黏性 作某些简化 流场的数值解可通过求解流体力学 的控制方程组完成 流体力学的控制方程包括连续方程 动量方 程和能量方程 这些方程是流体力学三个基本物 理定律的数学描述 这三个基本的物理定律是质 量守恒定律 牛顿第二定律和能量守恒定律 4 1风速模型风速模型 风电机组以风作为原动力 风速直接决定了 风电机组的动态特性 风速模型一般包含3类即渐 变风 阵风和随机风 如图4 1所示 迄今为止 对自然界风能的研究已经取得了 许多研究成果 能够相当准确地预测某地区风能 的分布规律 根据对风速观测结果的统计 风速 的分布规律接近于Raylieghl分布 其数学表达式为 式中 V一风速 m s V 一平均风速 m s 2 2风力机模型风力机模型 风所具有的能量可近似表示为 式 4 2 风能的转换效率随所采用的风力机和发 电机的型式而异 一般而言 风力机从风中 捕获的机械功率的表达式为 式中 为空气密度 kg m 为风轮机的掠风面积 V为上游风速 为风能利用系数 由上述可见 风力机捕获的风能正比于掠风 面积 风速V立方和风能利用系数 的乘积 风轮在不同风速中的状态 用桨叶的叶尖圆 周速度与风速之比来衡量 其比值称为风力机的 叶尖速比 表达式如下 式中 为风力机风轮角速度 rad s R为叶片半径 m 为叶尖线速度 m s Cp 风能利用系数 是风力机叶尖速比 的函数 如图所示 风力机的性能曲线 对定桨矩风力机 用一条曲线就能表示它作 为 的函数的性能和表示从风能中获取的最大风能 对变桨矩风力机 曲线还是桨叶节矩角 的 函数 当桨叶节矩角由零逐渐增加时 曲线 将显著地缩小 当风速一定时 风力机机械功率 的大小取决于 的大小 与桨矩角 叶尖速率比 的非线性 Cp 关系如图 与和的关系 Cp 本文采用六台1 5 MW风机组成一个风电场 在仿真模型中 将六台1 5 MW风机用三组风机模 型表示 每组代表实际的两台风机 在风机模型中 发电机为鼠笼型感应发电机 采 用变桨距调速 且每组风机都配有风机保护 机 端处都安装了电容器 并且经过变压器升压到 35kv 下图为该风场在Matlab Simulink软件平台下建立的 模型 2 3 变桨矩控制系统概述 20 世纪 80 年代中期进入风电市场的定桨矩 风力发电机组 主要解决了风力发电机组的并网 问题和运行的安全性和可靠性问题 采用了软并 网技术 空气动力刹车技术 偏航与自动解缆技 术 这些都是并网运行的风力发电机组需要解决 的最基本的问题 由于功率输出是由桨叶自身的 性能限制 桨叶的节矩角在安装时已经固定 因 此 只要在允许的风速范围内 定桨矩风力发电 机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引 起输出能量的变化是不作任何控制的 2 3 12 3 1变桨矩风力发电机组的特点变桨矩风力发电机组的特点 其中输出功率特性 变桨矩风力发电机组与 定桨矩风力发电机组相比 具有在额定功率点以 上输出功率平稳的特点 功率曲线的比较见下图 变桨矩风力机功率曲 变桨矩风力发电机组的功率调节不完全依靠 叶片的气动特性 当功率在额定功率以下时 控 制器将叶片节矩角置于 0 附近 不作变化 可认 为等同于定桨矩风力发电机组 发电机的功率根 据叶片的气动性能随风速的变化而变化 当功率 超过额定值时 变桨矩开始工作 调整叶片节矩 角 将发电机的输出功率限制在额定值附近 定桨矩风力机功率曲线 变桨矩风力发电机组与定桨矩风力发电机组 相比 在相同的额定功率点 额定风速比定桨矩 风力发电机组要低 对于定桨矩风力发电机组 一般在低风速段的风能利用系统较高 当风速接 近额定点时 风能利用系数开始大幅下降 因为 这时随着风速的提高 功率上升已趋缓 而过了 额定点 桨叶已开始失速 风速升高 功率反而 开始下降 对于变桨矩风力发电机组 由于桨叶 节矩可以控制 无需担心风速超过额定点后的功 率问题 可以使得额定功率点仍然具有较高的功 率系数 由于变桨矩风力发电机组的桨叶节矩角是根 据发电机输出功率的反馈信号来控制的 它不受 气流密度变化的影响 无论是由于温度变化还是 海拔引起空气密度的变化 变桨矩系统都能通过 调整叶片角度 使之获得额定功率输出 这时对 于功率输出完全依靠桨叶气动性能的定桨矩风力 发电机组来说 具有明显的优越性 它的起动性能和制动性能 变桨矩风力发电 机组在低风速时 桨叶节矩可以转动到合适的角 度 使风轮具有最大的起动力矩 从而使变桨矩 风力发电机组比定桨矩风力发电机组更容易起动 在变桨矩风力发电机组上 一般不再设计电动机 起动的程序 当风力发电机组需要脱离电网时 变桨矩系统可以先转动叶片使之减小功率 在发 电机与电网断开之前 功率减小至 O 这意味着 当发电机与电网脱开时 没有转矩作用于风力发 电机组 避免了在定桨矩风力发电机组上每次脱 网时所要经历的突甩负载的过程 2 3 22 3 2变桨矩风力发电机组的运行状态变桨矩风力发电机组的运行状态 变桨矩风力发电机组根据变矩系统所起的作 用可分为三种运行状态 即风力发电的起动状态 转速控制 欠功率状态 不控制 和额定功率状态 功率控制 其中起动状态 变矩风轮的桨叶在静止时 节矩角为 90 这时气流对桨叶不产生转矩 整 个桨叶实际上是一块阻尼板 桨叶向 0 方向转动 直到气流对桨叶产生一定的攻角 风轮开始起动 在发电机并入电网前 变桨矩系统的节矩给定值 由发电机转速信号控制 转速控制器按一定速度 上升斜率给出速度参考值 变桨矩系统根据给定 的速度参考值 调整节矩角 进行速度控制 为 了确保并网平稳 对电网产生尽可能小的冲击 变桨矩系统可以在一定时间内 保持发电机的转 速在同步速度附近并网 转速控制的给定值是恒 定的 即同步转速 转速反馈信号与给定值进行 比较 当转速超过同步转速时 桨叶节矩就向迎 风面积增大的方向转动一个角度 当转速在同步 转速附近保持一定时间后发电机即并入电网 欠功率状态是指发电机并入电网后 由于风 速低于额定风速 发电机在额定功率以下的低功 率状态运行 为了改善低风速时桨叶的气动性能 采用了 Optitp 技术 即根据风速的大小 调整发 电机的转差率 使其尽量运行在最佳叶尖速比上 以优化功率输出 这种优化弥补了变桨矩风力发 电机组在低风速时的不足 额定功率状态是当风速达到或超过额定风速 时 风力发电机组进入额定功率状态 在传统的 变桨矩控制方式中 将转速控制切换到功率控制 变桨矩系统开始根据发电机的功率信号进行控制 传统的变桨矩风力发电机的控制框图 控制信号的给定值是恒定的 即额定功率 功率反馈信号与给定值进行比较 当功率超过额 定功率时 桨叶节矩就向迎风面积减小的方向转 动一个角度 反之则向迎风面积增大的方向转动 一个角度 3 风电场中的模块设置原理 3 1 发电机模块发电机模块 感应发电机也称异步发电机 即可作为发电 机 也可作为电动机 由于异步发电机具有结构 简单 价格便宜 坚固耐用 维修方便 启动容 易 并网简单等特点 在大中型风力发电机组中 得到广泛应用 在软件环境中发电机的参数设置 图6 2 感应发电机输入参数 3 2 风速模块风速模块 空气流动的动能作用在风轮上 引起风轮的 转动 且风速越大风轮的转动越快 控制作用在 风机模块上风速的大小 通常要用到风速模块 在该风场模型中 作用在三台风机模块上的风速 分别由三个风速模块提供 下图所示为一号风机 上的风速模块 图6 3 风速模块 在软件环境中风速设置 图6 4 风速输入参数 由图可知 风速的起始值为8m s 在2秒后 开始作用在对应的风机上 在随后的3秒内达到 11m s 并一直稳定在此状态上 2号和3号风速模 块的参数设置相同 但它们作用在对应的风机上 的时间分别晚1号模块2秒和4秒 3 3建立并网型发电系统模型建立并网型发电系统模型 几台甚至几百台千瓦级风力发电机组成风电 场联合向电网供电 这是应用现代技术大规模开 发利用风能资源的一个壮举 目前 风力发电系统 主要以并网型发电系统为主 本设计就是建立一个并网型发电系统仿真模 型 并对其发电机运行特性进行分析 图6 5 9 MW风电场并网模型 9 MW风电场并网模型的建立 利用上节已建的9 MW风电场升压到35kv 然 后并入35kv系统中 最后再通过25km输电线路连 接到110kv电源 在该并网型发电系统模型中添加了 STATCOM 无功补偿器 目的是用来补偿电网 中无功的不足 4 对系统进行仿真分析 设定系统仿真时间为20s 在系统中安装下列 测量仪表 可以观察到风机在仿真过程中的运行 情况 图6 6 风机测量仪表 开始仿真 观察风机示波器上的信号 4 1渐变风时发电机组的运行特性渐变风时发电机组的运行特性 下图为风机示波器 该示波器显示了5项 分 别是每台风机的有功功率 无功功率 发电机转 速 风速 桨矩角 表格中绿 粉 蓝三种不同 颜色曲线分别代表1 3号风机 渐变风输出结果 仿真结果及分析 在该风机示波器中 每项中的三条曲线变化 规律相同 但由于它们接受风能的时间不同 三 条曲线依次相差两秒 每台风机接受风能规律如图所示 随着风速 的增加 风机输出的有功功率增加 在接近8s的时 候 1号风机的有功功率达到额定值3MW 并且稳 定在此额定值上运行 在此过程中发电机转速 1 0028pu增加到1 0047pu 变得稳定 观察风机吸 收的无功功率 也随着有功功率的增加而增加 最后每台风机的吸收功率稳定在1 47Mvar 另外由图可以看出 在8秒之前 风机的功率 和转速都是不稳定的 其中输出的有功功率已经 超出额定值3MW 这主要是由于风速超出了额定 风速9m s 致使风机输出的功率超出额定值 这 样运行是不安全的 这时就需要调速装置 使风轮运行在额定转 速下 在该系统中配置了可变桨距调速装置 当输 入风速超过了额定值时 它通过增加桨距角 由 0 增加到8 使叶片接受的风能减少 维持 风轮运行在额定转速范围内 所以系统可以稳定 的运行 4 2阵风时发电机组的运行特性阵风时发电机组的运行特性 下图为风机示波器 图 6 8 阵风输出结果 仿真结果及分析 由图6 8可看出阵风的特点 就像阶跃信号一 样 在某一时间突然有一个冲量 基于阵风的这 个特点 可观察到发电机的有功功率 无功功率 转速的变化都呈阶跃式变化 变桨风机在静止时 节矩角为90 此时气 流对桨叶不产生转矩 整个桨叶相当于一个阻尼 板 桨叶向0 方向转动 直到气流对桨叶产生一 定的攻角 风轮开始启动 当风机正常运行时 采用改变桨矩角来限制功率 阵风时 叶片变桨 反应滞后 会产生能量损失 以至于最佳攻角在 部分负荷运行时 无法达到稳定的调节 风机受 到阵风作用时风速超出了额定风速 此时有功功 率和无功功率也超出了额定功率 这样运行很不 安全 变桨风力机在额定风速及以上有很高的风 能利用系数 由图可知 此时变桨系统开始工作 它通过增加桨矩角 从0 连续增加到10 从而 使受到的风力减小 以降低转速 虽然转速在起 始阶段有阶跃式的变化 但很快达到了稳定转速 1 0047pu 起始阶段有功功率增加 为了保持功率 平衡 发电机吸收的无功功率也相应增加 转速 稳定后 有功功率和无功功率也相应降低 当桨 矩角降低到8 时 有功功率达到额定值3MW 风 机在额定功率范围稳定的运行 当功率在额定功 率时 控制器将叶片节矩角置于8 附近 不作变 化 4 3混合风时发电机组的运行特性混合风时发电机组的运行特性 下图为风机示波器 图6 9混合风速模型输出结果 如图6 9中所示风速模型是一个简易的小阵风 模型 其运行时间只有10s 在这10s中 风速从 4m s上升到20m s 又从20m s又减速到最初状态 在4s到8s之间 风机的转速从1 pu上升到1 8 pu 然后又逐渐降低 此时有功功率逐渐上升到 5MW 在5s时降到0MW 在风机转动期间存储能 量 无功功率也缓慢上升 同样在5s时降到0 Mvar 桨矩角从0 增加到5 又从5 降到0 风速明显超出额定风速 此时变桨矩风机驱动桨 矩角变化 以此来控制风机转速的变化 将功率 限制在额定功率之内 这样运行是安全的 可实 现无冲击并网 由图6 9可知在4s时 有功功率超出了额定功 率 转速也很快 运行很不稳定 经过变桨系统 的调节 风机运行几乎趋于平稳 总结 鉴于变桨矩 变速恒频双馈风力发电机组的 有功功率 无功功率 转速和桨矩角随风速变化 的特点 对变桨矩风力机驱动感应发电机运行特 性进行了初步的研究 采用Matlab Simulimk建立 9MW风力发电机组模型 通过将风速改变为渐变 风模型 阵风模型 以及随机风的模型对变桨矩 风力发电机组的运行特性进行分析 以及对启机 时和达到稳定时功率 转速和桨矩角的变化的分 析 通过对变桨矩风力发电机组运行特性的分析 得出变桨矩控制的规律 在风速低于额定风速时 利用变速恒频技术对发电机转子转速进行控制 是桨叶保持最优捕风位置 最大限度的捕获风能 当风速高于额定风速时 增大桨叶节矩角 使发 电机输出功率降低 当输出功率低于额定功率时 减小桨叶节矩角 使输出功率增大 最终维持功 率在额定功率左右 从空气动力学角度考虑 当 风速过高时 可以通过调整桨叶节矩 改变气流 对叶片攻角 从而改变风力发电机组获得的空气 动力转矩 使输出功率保持稳定 采用变桨矩调 节方式 风机输出功率曲线平滑 在阵风时 塔 筒 叶片 基础受到的冲击较失速调节型风力发 电机要小很多 可减少材料使用率 降低整机重 量 其缺点是需要一套复杂的变桨矩机构 要求 对阵风的响应速度足够快 减小风的波动引起的 功率脉动 参考文