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    基于Matlab的由双馈风力发电机组成的风电场仿真.docx

    • 资源ID:78672003       资源大小:22.63KB        全文页数:6页
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    基于Matlab的由双馈风力发电机组成的风电场仿真.docx

    基于Matlab的由双馈风力发电机组成的风电场仿真 基于Matlab的由双馈风力发电机组成的风电场仿真 基于Matlab的双馈异步风力发电机风电场仿真 这里仿真的对象是一个由6台1.5Mw双馈异步风力发电机组组成的9MW的风电场。这个风电场连接着一个25kV的分布式发电系统,它的电能通过35km长,电压等级为25kV的馈线(B25)输入到120kV的电网上。有2300kV,2MVA的用电设备也同样连接在B25这条馈线上。这些用电设备包括一台1.68MW的异步电动机和200kW的阻性负载。风电机和电动机负载都有保护系统控制着电压、电流和电动机转速。利用Matlab/Simulink建模并进行了三个方面仿真,其简化示意图及仿真模块图形见附录1。 一、双馈式风力发电机及其仿真模型简介 双馈式异步风力发电机(Doubly-Fed Induction Generator)包含有:一个绕线式转子的异步发电机和一个基于IGBT的交-直-交PWM变频器。定子绕组直接连接到频率为60Hz的电网,转子通过交-直-交变频器的反馈来调节频率。双馈电机技术可以使风力发电机组在低风速情况下,通过优化风机转速,从风吸收最大的能量。而在狂风的情况下,可以使风机承受最小的机械压力。在给定风速的情况下,最优的驱动速度产生最大的机械能。当然这些能量都是同风速成比例的。在风速低于10m/s的情况下,转子运行于“次同步转速”。在高风速下,转子运行于“超同步转速”。打开风机的菜单选择“Turbine data”,然后选择“Display wind-turbine power characteristics”(见图1)。风机机械功率作为驱动转速的功能,在风速5m/s16.2m/s的范围内可以被显示出来。双馈电机是根据这条红曲线来控制的。最佳的驱动转速是在曲线上的B点和C点之间。双馈电机的另一个优点是电力电子变频器可以产生或者吸收无功。这样就减少了鼠笼绕组式异步风电机所需的补偿无功的电容器组。 图1、双馈式风力发电机功率特征曲线 这个风电机模型可以用来做长时间仿真的暂态稳定性研究。这个模型中,系统的观测时间长达50 s。 打开风电机菜单,可以看到4组针对于风电机组(包括发电机和变频器)的菜单。这个6机组成的风电场,在仿真的过程中,是通过将一些单机的参数扩大至6倍来模拟的。 例如: 1、 额定机械转矩输出:6*1.5e6 watts,在Turbine data 栏。 2、 发电机额定功率:6*1.5/0.9 MVA (6*1.5 MW at 0.9 PF),在Generator data栏。 基于Matlab的由双馈风力发电机组成的风电场仿真 3、 额定直流总线电容:6*10000 microfarads,在Converters data 栏。 同样的,在“Control parameters” 栏,Mode of operation 被设定成为 “Voltage regulation”。输出端电压将被根据一个参考电压(1 pu)和电压衰减系数(Xs = 0.02 pu)来控制。 二、仿真过程及结果分析 1、在风速突然变化的情况下,风力发电机的反应。 首先打开“Wind Speed”来设定风速。初始风速设定为8m/s,时间到达t=5s的时候,设定风速突然增长到14m/s(见图2)。开始仿真,可以从“Wind Turbine”的示波器监测风电机的电压、电流、有功功率和无功功率、直流总线电压和风机转速。在t=5s的时候,产生的有功功率平稳地增长(同风机转速一起),用了差不多15s的时间达到了额定的9MW功率。在这段时间内,风机转速从0.8 pu增长到1.21 pu。初始的时候,叶片的节距角是0度,风机随着红色的功率特征曲线运行直到D点。节距角也由0度增加到0.76度,用来限制机械功功率。同样的,我们来看看电压和无功功率。通过调控无功功率来维持电压在1 pu。在额定功率的时候,风电机吸收了0.68Mvar(也就是Q = -0.68 Mvar),来控制电压使其在1 pu。如果更改“Var regulation”中的“Generated reactive power Qref”,将其设置为0。在运行结果中就将得到,在达到额定功率的时候,电压增长到1.021 pu(见图3)。 图2、风速突然变化情况下输出曲线(风电机为Voltage Regulation模式) 基于Matlab的由双馈风力发电机组成的风电场仿真 图3、风速突然变化情况下输出曲线(风电机为Var Regulation模式) 2、120kV系统电压突然下降的仿真。 在这里,我们将看到预先设定的一次在120kV系统上的电压突然下降的影响。首先在风速模块中,不要求风速变动,将最终风速更改为8 m/s。然后打开120kV电压源的菜单。在参数“Time variation of”中选择“Amplitude”。设定在0.5 s的时候,发生一次大小为0.15 pu的电压下降。这时候要确保风电机的控制部分的“Var regulation”中的Qref = 0。开始仿真并打开名为“Grid”的示波器(见图4)。可以看到用电设备的电压、电流以及电动机转速。注意风电场发出的功率为1.87 MW。在t = 5 s的时候,电压下降至小于0.9 pu。在t = 5.22 s的时候,保护启动,因为探测到电压下降持续了0.2 s。用电设备的电流降至0,电动机转速逐渐下降。而风电场继续产生1.87 MW的功率。在用电设备被分离出电网之后,1.25 MW的电能被输出至电网(通过B25上的P_B25可以观测到。) 下面,将风电机的控制模式转换成“Voltage regulation”重新再仿真一次。发现这次用电设备并没有被分离出电网。这是因为在电压突然下降的时候,风电场发出了5 Mvar的无功功率,来使用电设备的电压高于0.9 pu这个阀值。在电压突然下降期间,用电设备的电压为0.93 pu(见图5)。 3、在25-kV系统上的故障仿真。 最后,进行一次发生在25-kV线路上B25母线的单相接地短路。第一步,关闭刚才120-kV的阶跃。打开“Fault”模块的菜单,选择“Phase A Fault”。设定故障为“9-cycle single-phase to ground fault”,故障时间为t = 5 s,持续时间为0.15 s。 当风电机在“Voltage regulation”模式下,可以看到,在故障期间,风机输出的正序电压(V1_B575)下降到0.8 pu。高于保护的阀值(0.75 pu,持续0.1 s以上)。所以此时风电机组依然继续运行。(见图6) 当风电机在“Var regulation”模式下并且设定“Qref = 0”,这个电压下降至低于0.7 pu,保护启动。我们可以看到风机转速上升。在t= 40 s时候,节距角变大,从而限制风电机转速。(见图7) 基于Matlab的由双馈风力发电机组成的风电场仿真 图4、120kV系统电压突然下降(风电机为Var Regulation 模式) 图5、120kV系统电压突然下降(风电机为Voltage Regulation模式)第 6 页 共 6 页

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