基于pscad的超导储能系统建模仿真研究

基于pscad的超导储能系统建模仿真研究

中国的风力斗场通常很小，大多数8500千瓦以下的风力斗场是独立发电，需要系统的大力支持。本文利用PSCAD仿真软件,搭建了风电场模型、超导储能模型以及多机电网模型,研究SMES系统在改善并网风电场出力中的应用。1风能机组的动态数学模型1.1风能机组的动力系统数学模型风力发电机组的动力系统包括风机、轮毂、齿轮箱和连轴器式中:T式中:C1.2非晶态传感器的数学模型异步发电机采用忽略定子绕组暂态过程的机电暂态模型1.3风电站等为减少计算量,将风电场内的风力发电机组等值为一台机然后令注入电网的功率相等,即式中:P2超声储能系统的结构SMES装置一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、功率变换装置、失超保护系统和监测控制系统等几个主要部分组成。超导储能装置的结构框图如图1所示。超导线圈中储存的能量W为:式中,L为超导磁体电感,I为磁体直流电流。SMES并接于电力系统可等效为幅值和相位可变的电流源。SMES对有功和无功的调节可表示为:式中E式中u3多机模型与模拟分析3.1无穷大系统分离区域引入一个多机系统来研究下这对整个电网的作用。文献[13]中所提及的4机12节点标准电力系统测试模型作为带储能的风电场并网系统。图2显示了这个包含风电场和储能元件的4机12节点系统的单线图。系统由6条230kV母线、2条345kV母线、3条22kV母线和1条13.8kV母线组成。该系统覆盖三个地理区域。区域1是主要发电区域,发电厂类型主要是水电机组(G1和G2)。因此,1号母线可以看做是无穷大母线。区域2连接主要发电区(区域1)和负载区(区域3),同时该区域有一个大型的风电场(G4)。但是所发电量还是不足以满足负载区或区域3的居民用电需求。所以在远离区域1的区域三,拥有自己的火电厂,以满足当地负载的要求。由于区域2对区域3提供的功率是有限的,所以需要通过远距离传送能量来满足区域3的需求。传输系统主要包括230kV的传输线3条,245kV的传输线1条。除了245kV的传输线外,其余的线路都用到了并联开关电容器,维持传输线的电压。除了G1是无穷大系统外,G2和G3以及风电场G4都是有固定数值的系统。具体数值设置参考文献超导储能元件放在12号母线上,利用超导元件良好的暂态响应特性,以及即能补偿有功、又能补偿无功的特性,为风电场的输出功率平波和维持母线的电压不变,从而弥补风电场出力随机的不足。3.2采用smes法测差场在风速波动下的输出由于自然风由阵风、斜坡和噪声风速叠加而成,所以分别在风电场中引入这3种风速,以此比较SMES储能加入与否对整个系统的影响。3.2.1smes机组当系统中未加入SMES元件,系统的风电场受到一个阵风风速扰动的输入,分析仿真模型中4个机组的出力:G4风电场出力、储能模型SMES出力(此时为零)、火电机组G2和G3的出力,如图3所示。可以看出未加入SMES系统前,风电场受到扰动后出力和风速正相关,而位于其他地区的另外机组也相应的受到一定程度的震荡。当加入SMES储能元件后,如图4所示。由于SMES储能元件快速的四象限调节能力,SMES储能系统快速出力,使得风电场的出力得到抑制。3.2.2发电机组的运行类似上文引入阵风风速扰动,未加入SMES储能元件,系统的风电场受到一个斜坡风速扰动的输入时,分析仿真模型中4个机组的出力:G4风电场出力、储能模型SMES出力(此时为零)、火电机组G2和G3的出力,可以得到未加入SMES前,风电场受到扰动后出力和风速正相关,而位于其他地区的另外机组也相应的受到一定程度的震荡。当加入SMES储能元件后,由于SMES储能元件快速的四象限调节能力,SMES储能系统快速出力,使得风电场的出力得到抑制,输出了一个平滑曲线。3.2.3机组出力分析类似上文引入阵风风速扰动,当系统中未加入SMES储能元件,系统的风电场受到一个阵风风速扰动的输入,噪声风速的变化没有规律,变化无常,可能对整个系统造成极其不良的影响,分析仿真模型中4个机组的出力:G4风电场出力、储能模型SMES出力(此时为零)、火电机组G2和G3的出力,可以看出在噪声风速的作用下整个系统的稳定性受到了极大的影响,当加入SMES储能元件后,由于SMES储能元件快速的四象限调节能力,把由于噪声风速造成的波动进行了调节,使得风电场的出力得到抑制,输出了一个平滑曲线。3.2.4风速随风速变化而变化由上述仿真分析可以知道:在阵风风速、斜坡风速、噪声风速的分别作用下,风电场的出力将会随着风速变化而变化。在未加入SMES储能系统前,由于风电场出力变化的影响,导致了其他两个发电机组的出力跟随风电场出力变化而同时震荡。加入SMES后,由于SMES系统的良好的四象限调节能力,风电场的出力得到了良好的抑制,整个系统的有功功率的波动得到了很好的解决。3.3风电场出口短路时仿真的仿真对机端短路的情况作出仿真分析,当机端短路的时候。对机端进行单相短路。得到的仿真图形如图5所示,风电场出口单相瞬时短路时,风电场出力有明显的跌落,整个系统也会随着故障造成相应的影响。当加入SMES系统后,如图6所示,SMES可以很好抑制风电场的出口出力跌落,同时也减小了其他两台机组的振荡。3.4引入风速扰动本节结合上提出的数学模型,在PSCAD软件中建立了建立了多机电网模型,得到的结论如下:1)本文通过引入四机三区域模型,研究了风电场接入系统的方式。2)通过把风速模型分解为阵风、斜坡、噪声三种模型的叠加,分别在风电场不加和加入SMES系统的情况下,不同的风速扰动对风电场和整个系统的影响进行分析。由仿真可知,在没有加入SMES系统时,风电场的出力变化与风速的变化正相关,导致系统造成相应的出力振荡;在加入SMES系统后,风电场那个的出力变化有了明显的抑制,输出按照设定平滑输出,同时由于风电场的出力均衡,系统出力的振荡明显受到抑制,整个系统的稳定性有了显著的提高。3)在短路的情况下,对不加入和加入SMES系统的多机电网进行了仿真比较。当加入SMES系统后,SMES可以很好抑制风电场的出口出力跌落,同时也减小了系统其他机组的振荡。4超声储能及其运行效果抑制风电引起的电压波动与闪变以及提高含风电系统的稳定性等问题成为风电并网运行中的重要问题。本文