【风机接入电网模型研究13000字（论文）】

风机接入电网模型研究摘要众所周知，人类的每一次的进步和发展都是离不开能源的，能源直接影响着人类的生存与发展。伴随着社会与世界经济高速发展的情势，能源的消耗也在一天天的剧增。世界的能源结构已经以柴火为主,在以煤为主、以石油为主的时代,现在逐渐向以天然气为主转变。另外，水力发电、光能、太阳光等可再生资源也被广泛应用，风怎么刮也使不完。虽然与国外相比,中国的风能利用时间较短,但据统计,我们可以了解到,现阶段我国可利用或可开发的地上、海上风电储能容量已达10亿千瓦。而且,根据国家新一轮新基建规划等一系列法律法规的颁布实施,风能的开发利用将大大增强。同时，风力发电的领域有很多需要尽早解决的问题。例如，对电能品质的影响，电网的稳定性等。本毕业设计研究风力发电并网的影响。利用MATLAB中的PSAT工具箱，将风力机接入三节点和九节点电力系统，通过改变风力机的风型来调节系统分析了九节点系统的静态和暂态稳定性。关键词:风力发电;风速模型;风机模型;建模与仿真;静态稳定性;暂态稳定性目录TOC\o"1-3"\h\u131021、引言 引言1.1论文研究的背景和意义

能源是整个世界发展的保障和经济持续增长的源动力,是人类赖以生存的基础。世界能源结构先后发展了柴火、煤、石油的时代,现在逐渐向天然气转移,水电、光、电能、太阳能等可再生资源也在广泛应用。新能源的定义:新能源又称非常规能源,是指传统能源以外的各种形式的能源。指刚刚开始开发或正在积极研究并需要推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。各种形式的新能源都直接或间接地来自太阳或地球产生的热量。包括太阳能、风能、生物质能、地热能、水能和海洋能,以及生物燃料和源自可再生能源的氢产生的能量[[][]贵州九鼎新能源.新能源的开发现状及意义[N].2018.11.16与核电、火电相比,风能储量丰富，用之不竭,是一种可再生资源。因此，使用风力发电的话，以前的资源的使用会大幅度节约。同时，随着技术的不断进步，风力发电的效率逐渐追上了以往的能源发电。而且，能源需求持续增加的经济社会能够更快地发展。在同样的情况下,当火电厂建成投入使用需要几年时间,核电需要十几年时间时,风电仅仅只用几个月时间。同时风力发电的建设规模大小更加灵活,根据网络站点的资源状况，可以选择合适的型号和容量，可以在陆地上建设,也可以在海上建设,比其他方式更简单便捷。而且,风力发电的运行和维护成本较低。[[][]邱欢.关于新能源发电风力发电技术的探讨[J].科技风,2020(25):135-136.重要的是，由于地球上煤炭储量日益减少，开采越来越困难，煤炭价格上升，火力发电污染了环境，脱硫、脱氮处理费用增高，火力发电价格上升。风力发电随着技术的提高容量增大，风力机的大规模生产成为最便宜的电源之一。与其他新能源和可再生能源相比，风力发电的成本也比较低，所以风力发电在新能源和可再生能源中也非常优秀。随着技术产品的改进和市场的不断扩大,风力发电近年来增长迅速[[]胡刚，刘凤喜，谢克等。具有不同杆形附件的圆柱式风能采集机的效率[C]。//国际风能工程协会%中国土木工程学会%北京交通大学%同济大学。第15届国际风力工程会议论文集(ICWE15)(第15届国际风力工程会议)。]。根据国家电网公司发布的《国家电网公司促进新能源发展白皮书(2016)》最新统计结果[[[]胡刚，刘凤喜，谢克等。具有不同杆形附件的圆柱式风能采集机的效率[C]。//国际风能工程协会%中国土木工程学会%北京交通大学%同济大学。第15届国际风力工程会议论文集(ICWE15)(第15届国际风力工程会议)。[]国家电网公司.国家电网公司促进新能源发展白皮书（2016）[R].2016由于风能是一种常见的清洁能源,储量巨大,世界各国对此都给予了更多的关注。经过多年的努力,世界风力发电技术日趋成熟,风力发电机的装机容量越来越大,从固定桨距控制到变桨距控制,从陆地到海洋,从定速恒频到变速恒频,风力发电正在以超凡的速度向前发展[[]高敏.基于新能源发电风力发电技术的探讨[J].科技创新与应用,2018(30):137-138.]，德国可再生能源发电量高达1560亿千瓦时,占德国总发电量的27.3%;同时美国2015太阳能新增装机容量为6500兆瓦,同比增长36%,风力发电新增容量为1.254GW,仅用三个季度就超过了前两年新增风力发电能力的总和;日本政府也大力支持新能源的发展,2013日本太阳能发电新增装机容量达到500万千瓦,这比上一年[[][]高敏.基于新能源发电风力发电技术的探讨[J].科技创新与应用,2018(30):137-138.[]赵亚鹏.基于新能源协同发展的电网规划关键技术研究[J].华东科技(综合),2019,000(012):P.1-1.1.2风力发电在国内外研究现状中国也是利用风力能源开发风力发电最早的国家之一。可开发利用的风能资源仅次于苏联和美国,居世界第三位,中国的风力发电大部分源于政府对风力发电的重视,装机容量不断增加。据统计,台湾省拥有1850台风力发电机组和59个风电场,目前,全国正在开发最大容量为600kW的MW级风力发电机组。现在，中国的计划是风力发电，2015年达到7GW。但由于技术落后,与国际相比,特别是与美国的风电技术相比,我国还比较落后,总容量是美国20年前的容量,与风能资源装机相比,远离印度,中国在风能资源总体上还非常落后,因此制约中国风电装机容量的问题很多。风能资源发电不同于煤炭发电,因为风能发电资源的不确定性大,会导致风力发电机组输出功率产生波动,进而影响电能质量,我们说电压波动和闪变是影响电网质量的主要不利因素。不过,国家在新能源发电方面不断投资,比如包括新能源在内的新一轮新基建。国家发改委目前正在制定目标计划，融入大电网，按照大基地建设的要求，历时十几年在甘肃、内蒙古自治、河北、江苏等地形成了数千千瓦级风力发电基地实现了1亿千瓦的2020电源安装规定模式。[[][]孙静.风力发电与风电并网技术的现状与展望[J].中国新技术与产品，2016，(3):74.海外风力发电较早开始，技术法规比较成熟。美国是现代风力发电的起源地，也是制定了鼓励风力发电（包括其他可再生能源发电）发展的法律的第一个国家之一。1978年布基纳法索（PURPA）通过了公共电力控制政策来保护风力发电的市场需求。PURPA是美国1978年成立的“国家能源法”的5个特别法案之一。1978年布基纳法索(PURPA)通过的公共电力控制政策为风力发电的市场需求提供了法律保护。PURPA鼓励独立发电公司和小型发电公司建设和运营火力发电厂和可再生能源发电厂。这些发电设施被称为合格发电设施,风力发电是其中之一。该法案要求公用事业公司用"免费"的价格购买合格的发电设施产生的电力。德国在1991年公布了可再生能源购买法（Feed.inlaw）。公共电力公司有义务以90%的零售价格购买可再生能源电力。[[][]梁志鹏:解决可再生能源发展中的深层次问题[J]。供暖和制冷，2012:8.近年来，国外海上风电场也在不断发展。从发展趋势看，目前，在海外海上风力发电项目中，其风电场不断向更远的水域发展，越来越高。设备容量的发展。根据我们的对应数据，海上风力发电的累计容量在2015年达到14838mw，装置容量预计在2020年倍增。国外海上风电场的建设也给了我们很多启示。利用海上风能是人类利用自然能源的有效途径。但是,随着人们对风电场建设需求的增加,这使得风电场无论是离岸距离还是整个设备的设计都在不断提高[[]陕进龙.国外海上风电机组发展趋势分析[J].企业改革与管理,2018,(11):209,220[]陕进龙.国外海上风电机组发展趋势分析[J].企业改革与管理,2018,(11):209,2201.3本次论文的主要工作本次毕业设计的主要问题是：利用MATLAB中的电力系统分析工具箱PSAT，通过构建单机三节点系统和三机九节点系统，让风电机组与上述两个节点进行比较，通过改变风型和DFIG容量，模拟了模型的风速。对三机九母线系统进行了静态和暂态（三相短路）仿真分析，得到仿真结果，得到最终的稳定性结果。本文涉及的3节点和IEEE9节点系统如图1-1、图1-2所示。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s11三节点系统图图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s12三机九节点系统图

2、风电概述以及风电并网的影响2.1风力发电技术简介在现在众多新能源中,风能以其清洁、无污染、资源丰富、分布广泛等特点,成为新能源领域的佼佼者。今天，替代传统能源发电的前景特别广阔，引起了世界各国的关注。利用风能发电也将在我国新能源发电中占据重要地位[[][]汪旭旭,刘毅,江娜,段延芳.风力发电技术发展综述[J].电气开关,2013,51(03):16-19.空气运动产生的能量被定义为风能。每单位面积单位时间内通过的风能称为风能密度。我国的风能资源非常丰富，主要分布在内蒙古、新疆和沿海地区。风力发电是利用风力能源发电，风力发电机是将风力能源转化为电能，风力发电机中最重要的部件是风轮，风轮由叶和轮毂构成。TEM叶片具有良好的气动外形，风轮在产生气动力时旋转，将机械能转化为电能，理论上最佳的风力机最大只能将60%的风能转化为机械能。在这个阶段，风力机的效率可以达到40%以上，即在风力机输出达到额定功率之前，其功率与风速立方成反比，即风速达到前一个风速的两倍，并且输出功率可以达到第一个风力机的八倍，你可以看到风力涡轮机的效率与当地的风速有很大关系。风力发电最典型的优点是具有良好的环境效益，不排放所有有害气体和废弃物，因此一定程度上能将环境污染降到最低，符合当今社会的要求。虽然风电场占用土地面积相对较大,但风力发电基础的使用面积较小,不影响牧场和农田的正常工作生产。许多地方的风电场都建在高山、草原或荒滩上。一方面风电为人们所用,另一方面旅游业也发达,一举两得。风力能源有着与其他很多能源不能比较的优点，不过，风力能源是不连续的能源，所以这个风力发电技术有随机性，变动性，间歇性等的特征。由于风电的功率输出与风速的变化和风速的大小密切相关,风力预测必须在风电项目的调查阶段进行。现阶段,风力预测的主要方法是气象模拟。气象模拟方法简单地说就是利用现代天气预报技术,建立局部风速变化的虚拟模型来预测风况。如今,该方法已成为主要的风预测方法,并广泛应用于风电厂的设计、风电场的选址以及工程建设的全过程。2.2风力发电系统的分类以及发展趋势2.2.1按发电机运行方式划分按照发电机的运行方式风力发电系统可被分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统[[][]张扬.风力发电技术概述[J].信息记录材料,2017,18(06):9-10.第一，恒速恒频风力发电系统是基于异步发电机的恒速恒频型，是目前应用最广泛的风力发电系统，其结构如图2-1所示。其基本的原理是通过控制系统对风速进行实时监视。当平均风速大于启动风速时，控制系统开始运行，使风扇发电。这种发电方式拥有控制技术简单、性能可靠的优点，缺点是风力资源的利用率低。如今,为了通过使用恒速恒频风力发电系统提高风能的利用率,一般采用两种大小不同的系统协调配合发电。风速低的情况下，使用小容量的风机发电，大风机和小风机在风速高的时候同时发电。图STYLEREF1\s2-SEQ图\*ARABIC\s11恒速恒频风力发电系统

第二，变速恒频风力发电系统的工作原理是令其随风速的变化而自由变化，不人为干扰风车的速度,然后用其他方法进行调频。电机和风机在这种风力发电系统中的转速变化范围较大。当风速变化时,可以实时调节风扇转速,从而最大限度地利用风能,因此,可以优化机组的运行条件,提高系统的发电效率。目前国内外已建成或在建的风力发电系统大多采用这种方式。图2-2显示了其中一种变速恒频发电系统。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12变速恒频发电系统2.2.2按变换器技术划分根据逆变器技术能被分为ac-ac系统、ac-dc-ac系统和混合系统。与ac-ac系统和ac-dc-ac系统相比，没有中间的DC链路。目前的ac-ac系统由三组可逆整流器组成，可以与电源交换能量，它是一个四象限交换器。该开关系统可靠性好，安全率高。但是，由于谐波电流较大，逆变器在运行中要吸收大量的无功功率，因此功率因数相对较低。其次，由于系统结构复杂，零部件数量多，限制了风力发电系统中它的应用。Ac-dc-ac系统采用电压源型通用频率转换器，不控制输入电流，直接整流直流电压，输出侧进行直流调压与频率，满足负荷要求。电网会产生谐波效应的原因是输入侧电流是功率因数低的非正弦电流。相对而言，系统没有四象限特性，设备较多，混乱，成本较高，容易损坏，因此可能会降低系统依赖性。混合供电系统是一种并联工作的电流模式和电压转换系统。该系统包含四个可控转换。电流变换器是系统的主变换器，副转换器为电压变换器。具有灵活的控制系统，高质量的功率输出，以及实现电机矢量调节等优点，但是这种类型的变流器需要大量的仪器，复杂的拓扑结构，导致设备价格过高，控制系统难以设计。2.2.3按照桨叶受力方式不同可以把风机分为“升力风机”和“阻力风机”。

2.2.4按照叶片数量分类可以分为"单叶片"、"双叶片"、"三叶片"和"多叶片"型风机;叶片数量由多种因素决定,包括气动效率、复杂性、成本、噪音、美学要求等。大型风力涡轮机可以用1、2或3个叶片组成。叶片较少的风力涡轮机噪音相对较高，是因为通常需要较高的速度来从风中提取能量。如果刀片太多,它们会互相作用,使系统的效率降低。目前,3叶片风力电机是主流。从美观的角度来看，三片叶片的风电机组显得更加美观均衡2.2.5按照风机接受风方向分类有"顺风型"-朝向风向的叶轮(即在塔前旋转)和"迎风型"-朝向风向的叶轮,两种类型。一般需要一种方向调节装置来保持风机的叶轮迎风。而顺风风机可以自动对准风向,从而省去了方向调节装置。然而,对于顺风风机,由于部分空气通过塔架,然后吹向叶轮,塔架与流经叶片的气流发生相互干涉,形成所谓的塔影效应,从而降低了性能。2.2.6按照不同的功率传递机械连接风机可以通过机械连接的不同被分为"齿轮箱式风机"与"无齿轮箱的直接驱动式风机",齿轮箱式风机的叶片可以通过齿轮箱及其高速轴与万向弹性联轴器把扭矩传给发电机的驱动轴,该联轴器拥有良好的特性，可以吸收阻尼与振动,并可以吸收适量的径向、轴向和角度偏移,并且所述联轴器防止机械装置过载。另一方面,直驱风扇采用了不同的方法,而且采用了许多先进技术。叶片的扭矩可以直接传递给发电机的传动轴,而不需要增加变速箱的转速,这样风扇产生的电能可以连接到电网。这个设计简化了装置的构造，同时降低了故障的概率，有很多优点，现在被大型机组广泛使用。2.3风力机的分类2.3.1按发电容量划分如下图所示：不说如下图下表，要写如表２－１表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s11按发电容量机组类型小型机组中型机组大型机组巨型机组容量大小0.1-1000W1-1000KW1-10MW10MW以上2.3.2按风轮轴的安装方式划分（1）垂直式风力发电机在20世纪30年代中,垂直轴风力涡轮机的出现是比水平轴风力涡轮机晚的。垂直风力发电机是垂直的能量驱动系统。第一种是利用工作空气阻力做功,第二种是利用机翼升力做功。第一种风力发电机由两根轴组成是半圆柱形s型风力发电机。它的主要优点是在启动时具有较大的扭矩。第二种风扇的典型结构是Darrieus型风力涡轮机,常见的有diamond型、Φ型和H型。（2）水平式风力发电机水平轴风力发电机作为目前应用得最广泛、且技术最熟练的风力发电机，其水平气动单元包括塔身和塔顶的翼舱。机翼上有发电机、齿轮箱和转子。风力发电机的叶片一般是2-3片。叶片通常呈机翼形状。翼型风力机启动时有很大的力矩,风的利用系数很高。为了使风扇的页面(扫面)可以处于风的最佳位置,通常水平风力涡轮机还需要配备转向装置。2.3.3按输出功率调节形式不同划分（1）变桨距型在定桨距上发展起来的变桨距风力涡轮机。变桨距风力涡轮机叶片不再连接到轮毂,而是使用联轴器或推动轴承到达目标。风速用于控制螺旋桨的角度,提供额定值附近的功率输出。发电机转差不仅由桨距控制,还由发电机的转子电流来控制,使发电机在一定范围内旋转得更快,并吸收风能,使输出功率曲线更加稳定。（2）定浆距型在定桨距上发展起来的变桨距风力涡轮机。变桨距风力涡轮机叶片不再连接到轮毂,而是使用联轴器或推动轴承到达目标。风速用于控制螺旋桨的角度,提供额定值附近的功率输出。发电机转差不仅由桨距控制,还由发电机的转子电流来控制,使发电机在一定范围内旋转得更快,并吸收风能,使输出功率曲线更加稳定。2.4电力系统稳定性的分类电力系统稳定性的概念在国内外也不尽相同。国际电气电子工程师学会(IEEE)对电力系统的稳定性定义为:"电力系统的稳定性是指在给定的初始运行条件下,电力系统被物理扰动后恢复运动平衡状态的能力,而且系统的大多数变量都是有限的,因此整个系统实际上保持不变。"电力系统的稳定性被IEEE分为了三类:功角稳定性、电压稳定性以及频率稳定性。励磁系统主要是提高电力系统的稳定性，通过提高电压的稳定性，其次是功率角的稳定性。频率稳定是由调速器和频率调制器完成的。工作角的稳定性可以分为三种类型：静态稳定性、动态稳定性以及暂态稳定性。2.4.1功角稳定性工作角稳定性也被称为同步稳定性。电力系统由大量的同步发电机并行运行。所有的同步发电机都以相同的速度运行的状况被称为稳定运行。电力系统同步稳定性的问题是电力系统在运行过程中受到轻微或较大干扰后，系统中同步发电机之间是否能够继续保持同步运行的问题。发电机不能保持同步的话，发电机的旋转速度会不同，电力角（功角）会不稳定;如果发电机不能保持同步,则发电机转速将不相同,功率角不稳定。2.4.2电压稳定性电压稳定性是指在规定的初始动作条件下，在电力系统受到干扰后，使所有全部母线稳定电压的能力。它依赖于维持或恢复电力系统中负载需求和负载供应之间平衡的能力。当发生电压不稳定时,电网中某些母线上的电压可能会下降或上升,从而导致系统中的负载损失,输电线路跳闸,级联停电和发电机失去同步。电力系统中的无功功率的多与少主要决定了电压是否稳定。如果系统能够提供足够的无功功率,那么系统电压平衡将相对容易实现。2.4.3频率稳定性电力系统的频率变化会对用户、发电厂和电力系统本身产生许多不利影响,因此频率必须保持在额定值50hz上下,偏移量不应超过一定范围。而且,所有设备都根据额定频率设计。如果系统频率下降,会影响各行各业。频率过低的话，系统整体崩溃，也有可能导致大规模停电。因此，在电力系统中，频率调整被划分为一次频率调整、二次频率调整和三次频率调整。一次频率由发电机的调速器完成，变化量小，对周期短的负荷调整差;次级调频由发电机的调频器进行,变化量大,长周期负载进行无差异调整;三频调制是根据优化标准有规律变化的第三种负载。2.5风电并网对电网产生的影响虽然风能具有清洁、无污染、资源丰富等一系列优势,但风电并网仍存在一些问题,不仅导致风能利用率低,而且影响电网的稳定,严重时,整个系统将解体[[][]韩彬.风电发展与并网技术探究[J].化工管理,2020(02):113.（1）系统调峰由于风拥有随机性和反调节性[[]白锐.大规模风电接入电网的相关问题及措施[J].[]白锐.大规模风电接入电网的相关问题及措施[J].居舍,2018(12):152.（2）系统调频一般当风机没有连接到电网时，通常电网在可以控制的范围内。但是由于风是随机的、易变的和间歇性的[[]刘文学,梁正堂,郑硕硕,麻常辉,杨冬.基于PSAT的电力系统分叉分析[J].农村电气化,2019(12):40-43.]，因为它很难预测，所以会对电网中的频率调制产生非常严重的影响。尽管在智能电网中已经有一些自主的方法来解决这个问题，并且已经取得了积极的效果，但是传播仍然很少。[]刘文学,梁正堂,郑硕硕,麻常辉,杨冬.基于PSAT的电力系统分叉分析[J].农村电气化,2019(12):40-43.[]刘文学，梁正堂，郑硕硕，马长辉，杨东.基于PSAT的电力系统分岔分析[J].农村电气化，2019(12):40-43.（3）低电压穿越低电压穿越[[][]包文鹏.大型风电场并网运行的若干技术问题研究[J].通信电源技术,2020,37(02):242-243.

3、MATLAB和电力系统分析工具PSAT概要仿真软件是电气系统研究的重要组成部分。目前，国内研究机构和电力公司使用的电力系统仿真软件分为电磁暂态和机电暂态。电磁暂态仿真软件包括PSCAD、EMTP等，机电暂态仿真软件一般包括SIMPOW、BPA、PSS/E等，但这些软件大多用于商业目的，具有全面、广泛的优势、可靠性计算的好处;同时,软件通常是专业化的,不利于传播和普及。这些程序虽然大多具有自定义模型的功能，但其结构复杂，移植和继承非常地困难。随着各种新设备、新技术的出现和不停地电力系统的发展。这些仿真软件很难完成最新的仿真内容。在过去的二十年里，MATLAB已经迈入人们的视野，成为了仿真软件的领导者。3.1MATLAB概述Matlab集开发算法、数据分析、数据可视化和数值计算于一体，是一种高级的技术语言和交互环境。它是由MathWorks开发的商业数学软件。可实现矩阵计算、数值计算、科学数据可视化和非线性动态系统建模与仿真,可在窗口环境下实现,主要被用于工程计算、图像处理、信号处理、控制设计、信号检测、金融建模设计与分析等领域[[]常永吉.PSAT在电力系统稳定性仿真中的应用[J].电气应用,2008(14):61-64.][]常永吉.PSAT在电力系统稳定性仿真中的应用[J].电气应用,2008(14):61-64.由于MATLAB软件功能强大,仿真灵活,因此被广泛应用于各个领域的各种科研项目。MATLAB由于其完善的图形处理功能、面向矩阵的编程特性和图形化仿真界面(Simulink),可以实现对大部分电力系统问题的分析。如今,MATLAB经过一次次的完善,已经成为各个学科和主要工作平台的仿真软件。在研究机关、设计院等工业部门，MATLAB广泛应用于科学研究以及解决各种问题。3.2PSAT概述随着MATLAB的发展和进步，仿佛为了响应命运的号召，产生了一系列关于电力系统分析的工具。MatPower、SPS(SinPowerSystem)、PAT(PowerAnalysisToolbox)、PST(PowerSystemToolbox)[16]等，这些软件在功能上都有各自的特点。对用模拟软件模拟电力系统，进行仿真，判断该系统是否稳定是分析电力系统最重要的基本目的和任务。这个毕业设计使用了PSAT工具包,这是一个2002年意大利医生费德里科米兰诺开发的免费电力系统分析工具包。程序的源代码在MATLAB平台上完全开放,用户很容易使用和再开发。同时,有一个非常有用的图形用户界面和电气系统单线图编辑器,它可以保证使用指定的数据格式进行仿真,同时,在PSAT中创建的模型参数可以保存在数据文件中,它可以准确地模拟各种图形和结果,使分析和研究更加方便和简洁。在PSAT中可以进行潮流计算(PowerFlow,PF)、连续潮流计算(ContinuationPowerFlow,CPF)、最优潮流计算(OptimalPowerFlow,OPF)、小干扰稳定分析(SmallsignalStabilityAnalysis)以及时域仿真(TimeDomainSimulation)[[]刘文学,梁正堂,郑硕硕,麻常辉,杨冬.基于PSAT的电力系统分叉分析[J].农村电气化,2019(12):40-43.[]刘文学,梁正堂,郑硕硕,麻常辉,杨冬.基于PSAT的电力系统分叉分析[J].农村电气化,2019(12):40-43.PSAT的核心程序是潮流计算,它将初始变量变成初始潮流,为后续的静态/动态分析奠定基础。为了提高电力系统分析的准确性,PSAT拥有良好的兼容性,包括各种静态元件模型和动态元件模型,如母线、输电线路、线路故障、断路器、p-v节点、p-q节点、平衡节点、电机、负载、控制、开关操作、静态无功补偿器、调压变压器、风力发电模型等。[[]Lima,F.K.A.,Watanabe,E.H.,Rodriguez,P.,Luna,A..Asimplifiedmodelforwindturbinebasedondoublyfedinductiongenerator[P].[]Lima,F.K.A.,Watanabe,E.H.,Rodriguez,P.,Luna,A..Asimplifiedmodelforwindturbinebasedondoublyfedinductiongenerator[P].ElectricalMachinesandSystems(ICEMS),2011InternationalConferenceon,2011.目前,世界上约有50个国家正在使用PSAT进行仿真,因为MATLAB的强大背景和大量的模型库足以完成各种仿真和计算。未来,PSAT一定会发展得越来越好。3.3PSAT的应用(1)安装MATLAB,将PSAT添加到MATLAB工作路径中,在MATLAB界面中输入PSAT,并启动PSAT;(2)新建模型窗口,在图形模型编辑器中选择您需要的模型并将其拖到模型窗口中,然后连接线,双击每个模块修改参数,单击Save.mdl文件;(3)从主界面打开新建的模型,选择潮流计算按钮,进行潮流计算;(4)根据需要,在主界面上选择进行其它类型的仿真和计算;(5)输出仿真结果和图形文件,并进行最后的分析。图STYLEREF1\s3-SEQ图\*ARABIC\s11PSAT主界面3.4PSAT中风速模型PSAT中的风速为4分量模型,每个分量为基本风、梯度风、阵风、随机噪声风,因此复合风速为:（3-1）从上面的公式可以看出，除了初始风速是之前设定的，与时间无关外，其余的风速都与时间有关[19]。(1)基本风:用于描述风电场的平均风速。它存在于风力涡轮机的整个运行过程中,可以反映平均风速的变化。基本风起着影响风力机传输功率的决定性因素,基本风一般是恒定的。(2)渐进风：由于风速渐进变化，所以渐进风是风速维持恒定变化速度持续一段时间的特征。(3)阵风:风速是可变的,是在很短的时间内风速变化的速度。这个特征可以用阵风来描述。其可以模拟风速不稳定且变化快的情况下风力发电场的动态特性。(4)噪声风:随机风被用来描述风速变化的随机性，噪声风通常被用来描述风速的随机性本毕业设计采用威布尔风速模型、墨西哥草帽风速模型和复合风速模型。3.5PSAT中的DIFG双馈风力发电机主要是由风力发电机、齿轮箱、变流器、双馈感应发电机和控制系统五部分组成,如图所示。它的定子绕组直接连接到电力系统,转子绕组通过集成电回路和转换器连接到电力系统。风力发电机作为发电系统中能量转换的主要部件,将一部分风能转化为机械能,实现转子侧变流器驱动的双向能量流[],转子侧逆变器实现了机组有功和无功功率的解耦控制,跟踪风速变化到更宽的转速范围,最大限度地吸收风能,最大限度地利用风能。当系统出现低频振荡时,控制系统不会改变程序,只有定子可以检测系统的电量变化。所以,在转子侧感应振荡电流以产生阻尼转矩;然而,由于发电机内部的小电阻,阻尼转矩抑制振荡的能力受到限制。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s12双馈风力发电机PSAT工具包是5阶风机模型，其中直轴电流，交叉轴电流，风速，风轮角速度和风扇功率角分别为5个状态量[[][]冯占稳.电气化铁路及风电对电网电能质量的影响分析[D].天津大学,2009.图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s13转速控制图图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s14电压控制图图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s15浆距角控制图4、建模与仿真本毕业设计是在MATLAB中的工具包PSAT，建立、仿真三节点与三机九节点（IEEE9）的模型，不同的风型和不耐性下的系统风的变化我们研究了IEEE9系统的小扰动分析和三相短路时域仿真。为了得到更具有普遍性、更准确的规律本仿真中使用的系统是对国产1.5mw双馈风力发电机组的参数进行设定和校正，通过潮流计算和时域仿真得到最终结果并进行相应的分析。4.1风力发电机接入三节点系统中的仿真首先，在MatlabPSAT工具集中创建一个模型图，如图4-1所示。打开设备图形框，在其中找到您需要的设备，拖动它，连接它，并根据中国1.5兆瓦双馈风力涡轮机的电气参数进行设置和保存。之后，引入主界面并进行功率流计算，动态模拟不同风型下风机的角速度和功率。Bus1是PV节点，初始风速设置为10m/s。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s11单机三节点系统图4.1.1风力发电机参数设置我国某一台1.5兆瓦双馈风力发电机组的参数设定(如表4-1所示):有三片叶片，长度为37.5m;轮毂中心高度为65m;齿轮箱速比为104.5:1;额定功率为1500kW，电压电平为690V[21]。表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11双馈风力发电机参数变量变量描述单位参数值Sn额定功率MVA1.5Vn额定电压KV0.69fn额定频率Hz50rS定子电阻p.u0.0101xS定子电抗p.u0.0747rR转子电阻p.u0.0031xR转子电抗p.u0.0098xm励磁电抗p.u5.6903Hm风轮转动惯量kWs/kVA3Km变桨控制增益-200Tn变桨控制时间常数s2KV电压控制增益-0.1Tζ功率控制时间常数s0.01R风轮半径m37.5p发电机极数Int4nb桨叶数量Int3ηGB齿箱速比-1/104.5Pmax最大有功功率p.u.1.2Pmin最小有功功率p.u.-0.1Qmax最大无功功率p.u.0.8Qmin最小无功功率p.u.-0.74.1.2PSAT运行结果与仿真(1)当风速服从weibull分布,风速为威布尔风。将平均风速设定为7.5m/s，形状因子为2。PSAT中潮流计算的方法是newton-Raphson方法。功率流计算后，进行时域仿真，风速、功率和角速度的仿真图如下图所示。可以看出，当风速是具有威布尔分布的随机风时，发电机的角速度和功率以相似的形式变化，并且都在正常范围内变化。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s12威布尔风下的风速、功率、角速度（2）当风速为阵风,或墨西哥草帽风时,它描述了一种趋势,以验证极端情况下的风速和风扇速度以及功率。将阵风设置为从4日开始,并在16日结束时保持12日。所有更改如下图所示。可以看出,风速在4s左右开始变化,并在16s左右趋于稳定,这与设置一致。发电机的角速度先延迟上升,然后迅速下降,最后上升到平衡,功率和角速度的变化有一定的延迟,当风速稳定时,功率和角速度无长期扰动或振荡,这可以证明系统也是稳定的。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s13阵风下的风速、功率、角速度（3）当风速为混风时，风速从4s开始变化，先逐渐增大，再减小一段时间，最后直线上升，直到17s趋于稳定，以便在图上更直观地看到变化趋势，在PSAT主界面上将结束时间设置为30s，变化图如图所示;当风速开始变化时，发电机的功率和角速度也开始变化并波动。当风速趋于稳定时，功率和角速度将不再振荡并趋于平衡，并且都在合理范围内。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s14混合风下的风速、角速度、功率4.2风力发电机接入3机9节点系统中的仿真类似于上述的步骤，在PSAT中，如图4-5所示，构建三机9节点模型。Bus1是平衡节点，且Bus2和Bus3是PV节点。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s15IEEE9系统接线图4.2.1参数设置与单机3节点中的双馈风力发电机参数相同，请对照表4-1。4.2.2PSAT运行结果及分析在改变风的类型后，对每个风模型进行牛顿-拉夫森潮流计算后，对风机的功率和角速度进行了仿真分析。(1)当风速服从weibull分布,风速为威布尔风。设定平均风速为7.5m/s，形状因子为2。功率流计算后，进行时域仿真，风速、功率和角速度的仿真图如下图所示。可以看出，当风为威布尔风时，发电机的角速度和功率相似，并且都在正常范围内变化，并且没有大的振荡。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s16威布尔风下的风速、角速度、功率(2)当风速为阵风时，将阵风的开始时间设置为4s，持续12s，在第16s结束。变化图如下。可以看出，风速在4s左右开始波动，在16s左右恢复。转子角速度和功率也随着风速的变化有一定的延迟变化，但当风速稳定时，上述两个参数仍在变化，但设定功率为1.5MW。因为最大功率限制，风机的功率不超过最大功率。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s17阵风下的风速、角速度、功率(3)当风为混风时，初始风速为1m/s，风速在4s左右变化。先增大后减少一段时间，最后迅速上升，直到走向稳定；转子角速度和功率也随风速的变化而变化。转子角速度的变化具有延迟，由于最大功率的限制，功率的变化最高可达1.5MW。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s18混合风下的风速、角速度、功率4.3接入风机的3机9节点系统在小扰动下的研究分析从第三章可以看出，双馈风力发电机组在定子侧与系统相连，转子和变流器可以实现能量的双向流动，并实现转子侧有功和无功功率的解耦，它能在一定程度上削弱阻尼[[][]石鹏.基于频率响应法的风电并网电力系统小干扰稳定性分析[D].浙江大学,2019.4.3.1小扰动分析采用的原理与模型用于小扰动分析的模型仍然是上述IEEE9模型，风扇参数设置同上。当Bus2连接到双馈式感应发电机时，连接到Bus3的Bus2和G3是PV节点，而Bus1是平衡节点。PSAT中电力系统静态稳定性分析的方法是特征值法。4.3.2运行结果与分析首先将IEEE9模型导入PSAT，在主界面进行潮流计算，然后点击小扰动分析按钮进行仿真。特征值可以清晰地显示在图形上，如图所示。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s19小扰动下结果电力系统静态稳定判断中的小干扰分析方法的理论基础是李亚普洛夫理论，其运动特性可以用一阶非线性微分方程组来描述: (4-1)初始启动点泰勒展开忽略高阶项后获得的偏移的线性状态方程如下: (4-2)其中，A为雅可比矩阵。如果矩阵A的特征值的所有实数部分是负值，则系统是稳定的。然而，从上面的