双馈式风力发电系统建模与仿真

双馈式风力发电系统建模与仿真

0机电暂态模型可再生清洁的新型能源。本文在分析了双馈式风力发电系统的基础上,建立各组成部件的机电暂态模型。在电力系统综合程序PSASP7.0建模系统中构建了包含有各个部件的完整的双馈式风力发电系统的UD模型,并将其应用于含双馈式风力发电的单机无穷大系统中,在PSASP中进行了含有风电的电力系统仿真分析计算。1双回风发电系统的建模双馈式风力发电系统主要由风力机、机械传动装置、双馈异步发电机、变流器、变压器和控制系统组成1.1发电机转子转速加转速风力机的功能是通过叶片捕获风能,将风能转换为作用在发电机转子上的机械能,将吸收的叶片转矩转换为作用在发电机转子上的机械转矩风力机的机械转矩式中:β为桨叶的桨距角,叶尖速比λ=ω其中,空气密度、桨叶半径、风速、风力机角速度都是可测的。三叶片水平轴风机,常用的风能利用系数C其中,1.2机械传动装置数学模型风力发电机组的传动部分主要包括风轮(轮毂及叶片)、转轴和齿轮箱式中,τ1.3双馈稳步发电机d、q轴控制器定转子n三相静止坐标系下双馈异步发电机的数学模型是一个高阶、非线性、多变量、强耦合的系统,很难进行控制系统的分析与控制由双馈异步发电机d、q轴的等效电路(图2和图3)可得定转子绕组的电压方程和定转子磁链方程等,不再赘述。双馈异步发电机数学模型还包括功率方程、转子运动方程、电磁转矩方程等,这些方程与普通三相交流电机类似。1.4机电暂态建模双馈风力发电机组的变流器是实现机组变速恒频交流励磁的核心部件,交-直-交双PWM变流器的拓扑结构如图4所示。网侧变流器一侧经阻抗与电网相连,另一侧则通过直流母线电容与转子侧的变流器相连,其主要作用是,通过调节功率管IGBT的通断来维持直流母线电压的稳定,实现转子与电网间功率的双向流动,使网侧保持单位功率因数;转子侧变流器则与发电机转子绕组相连,根据控制系统的要求向转子提供所需的交流励磁电流或电压。在机电暂态建模时,考虑到电力电子器件开关动作以及电力变流器动态过程为µs级或ms级,而机电暂态过程则为相对较慢的过程(几百毫秒),往往可以忽略直流侧电容器电压的波动和变流器的动态过程。则d-q坐标下的变流器数学模型可以用以下代数方程组来表示。2双源动力发电系统管理系统的构建双馈式异步发电机的控制是通过对转子回路双PWM变流器的控制实现的2.1桨距角控制目标桨距角控制是指借助控制技术和动力系统改变大型风力发电机轮毂叶片桨距角的大小,从而改变叶片的气动特性,控制风电机组的输出功率。桨距角控制目标主要有两个:风电机组输出功率的最优控制、高风速时限制风力机机械功率。基于此可以建立如下风力机桨距角控制模型框图,如图5所示。2.2交流风力机及发电机在前面所建立的两相旋转坐标系的双馈异步发电机数学模型中实现了定子有功功率和无功功率的d、q轴解耦。在此基础上通过坐标变换,实现转子电流有功分量与无功分量的解耦,只要控制转子电流的有功、无功分量就可以有效地实现双馈机的有功、无功功率的解耦控制,从而实现变速恒频双馈风力发电系统控制目标。根据转子侧的控制结构框图,可以得到dq轴上矢量控制流程如图6所示,从而得到转子dq轴电压指令信号在机电暂态建模时,考虑到电力电子器件开关动作以及电力变流器动态过程为µs级或ms级,而机电暂态过程则为相对较慢的过程(几百毫秒),可认为变流器的动态已经结束,故转子侧变流器模型可用代数方程描述:将控制信号同理,网侧变流器模型亦可用代数方程来描述其输出电压特性根据网侧变流器控制系统,并考虑电容器C电压与直流电流间的关系,可以得到电网侧的控制框图,并对其进行合理简化,简化后网侧的控制框图如图8所示,则dq轴分量完全分离,分别控制网侧有功功率和无功功率。3风电场建模仿真根据风力发电系统数学模型及框图,在PSASP7.0中搭建双馈式风力发电系统的用户自定义模型,对含有风电场的电力系统进行仿真计算。各个模块的PSASP的用户自定义模型(UserDefined模型,简称UD模型)模型如图9~图13。将上述各模型进行封装和整合,连接组成了整个风电系统的UD模型,如图14所示。4单台风电机1.2madg算例系统为单机无穷大系统,如图15所示。系统容量基值100MVA。风电场容量33MVA,出力30MW,单台风电机1.5MW(1.67MVA)。风电场经过两台升压变和两条交流线与系统相联。4.1阵风和渐进风扰动对电压稳定性的影响风电场在低于额定风速的状况下运行,考虑风速的变化,3s时在初始低风速的基本风上叠加强度为5m/s的阵风,持续时间为5s。典型阵风扰动下风电场风速随时间变化曲线如图16所示,风电场邻近母线电压波动曲线如图17所示。在阵风的作用下,母线2、3、4的电压都发生了波动,其中母线4的电压波动最大。(2)典型渐进风最初时刻的风速为10m/s,在t=3s时刻,叠加斜率为1m/s的渐变风,渐变风的上升时间与下降时间均为4s,在14m/s风速的保持时间为4s,渐变风速的幅值为4m/s。典型渐变风扰动下风电场风速随时间变化曲线如图18所示。风电场邻近母线电压波动曲线如图19所示。在渐进风的作用下,母线2、3、4的电压都发生了波动,其中母线4的电压波动最大。仿真结果表明,阵风和渐进风扰动对电压稳定性的影响程度与阵风持续时间、扰动强度有关,当阵风和渐进风持续时间越长,扰动强度越大,对风机的冲击越大。仿真结果与理论分析基本一致,验证了模型的有效性。4.2短路接地故障暂态结果考虑当电网在风电场近端发生严重故障时双馈式风力发电系统的动态响应。设置母线BUS3至母线BUS4线路在母线BUS4侧5%处发生三相/两相接地故障,故障持续一段时间后线路跳开。1)故障持续时间为0.12s,三相接地短路与两相接地短路情况下风电场邻近母线电压如图20、图21所示。三相短路时母线2和母线3的电压分别跌至0.9和0.4,两相短路时母线2和母线3的电压分别跌至0.95和0.65。2)故障持续时间为0.5s,三相接地短路与两相接地短路情况下风电场邻近母线电压如风电场邻近母线电压如图22、图23所示。三相短路时母线2和母线3的电压分别跌至0.8和0,两相短路时母线2和母线3的电压分别跌至0.85和0.2。仿真结果说明:短路接地故障暂态结果的严重程度与故障持续时间、故障发生地点、故障相位都相关。故障持续的时间越长,对风电场的电压稳定影响越大;故障点离风电场越近,对风电场的电压稳定影响也越大;三相故障比两相故障的后果严重。5基于psasp的双馈式风力发电系统建模(1)建立了包括风力机、机械转动装置、双馈异步发电机和变流器等各组件的双馈式风力发电系统数学模型,以及风力发电桨