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-FedInductionGenerator)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“Turbinedata”，然后选择“Displaywind-turbinepowercharacteristics”（见图1）。风机机械功率作为驱动转速的功能，在风速5m/s~16.2m/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50s。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*1.5e6watts，在Turbinedata栏。2、发电机额定功率：6*1.5/0.9MVA(6*1.5MWat0.9PF)，在Generatordata栏。3、额定直流总线电容：6*10000microfarads，在Convertersdata栏。同样的，在“Controlparameters”栏，Modeofoperation被设定成为“Voltageregulation”。输出端电压将被根据一个参考电压（1pu）和电压衰减系数(Xs=0.02pu)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“WindSpeed”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“WindTurbine”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0.8pu增长到1.21pu。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1pu。在额定功率的时候，风电机吸收了0.68Mvar（也就是Q=-0.68Mvar），来控制电压使其在1pu。如果更改“Varregulation”中的“GeneratedreactivepowerQref”，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1.021pu（见图3）。图2、风速突然变化情况下输出曲线（风电机为VoltageRegulation模式）图3、风速突然变化情况下输出曲线（风电机为VarRegulation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8m/s。然后打开120kV电压源的菜单。在参数“Timevariationof”中选择“Amplitude”。设定在0.5s的时候，发生一次大小为0.15pu的电压下降。这时候要确保风电机的控制部分的“Varregulation”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1.87MW。在t=5s的时候，电压下降至小于0.9pu。在t=5.22s的时候，保护启动，因为探测到电压下降持续了0.2s。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1.87MW的功率。在用电设备被分离出电网之后，1.25MW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“Voltageregulation”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5Mvar的无功功率，来使用电设备的电压高于0.9pu这个阀值。在电压突然下降期间，用电设备的电压为0.93pu（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“PhaseAFault”。设定故障为“9-cyclesingle-phasetogroundfault”，故障时间为t=5s，持续时间为0.15s。当风电机在“Voltageregulation”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0.8pu。高于保护的阀值（0.75pu，持续0.1s以上）。所以此时风电机组依然继续运行。（见图6）当风电机在“Varregulation”模式下并且设定“Qref=0”，这个电压下降至低于0.7pu，保护启动。我们可以看到风机转速上升。在t=40s时候，节距角变大，从而限制风电机转速。（见图7）图4、120kV系统电压突然下降（风电机为VarRegulation模式）图5、120kV系统电压突然下降（风电机为VoltageRegulation模式）图6、B25母线故障时的风电场输出波形（风电机为VoltageRegulation模式）图7、B25母线故障时的风电场输出波形（风电机为VarRegulation模式）附录1附图1、仿真电网简化示意图附图2、仿真模块图形