小型风力发电机模型及其接入系统研究.pdf
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1、第 2卷第 1 期 V o l,2 No,1 2 0 0 8年 2月 F e b,2 0 0 8 南方 电网技 术 S 0UTHERN P OW ER SYSTEM TECHN0L0GY 研 究与分析 P P,3 6 6 0 Re s e a r c h&An a l y s i s 文章编号:1 6 7 4 0 6 2 9(2 0 0 8)0 1 0 0 4 1 0 5 中图分类号:T M6 1 4 文献标志码:A 小型风 力发 电机模型及其接入系统研究 廖萍,李兴源,徐娇(四 l I 大学 电气信息学院,四 l I 成都6 1 0 0 6 5)S t u d y o n W i n d P
2、o we r Ge ne r a t i o n M o de l s a nd Co n ne c t i o n S y s t e ms LI AO Pi n g,LI Xi n g y ua n,XU J i a o (Sc h o o l o f El e c t r i c a l En g i n e e r i n g a n d I n f o r ma t i o n,S i c h u a n Un i v e r s i t y,C h e n g d u,S i c h u a n 61 0 0 6 5,C h i n a Ab s t r a c t:A ri s
3、i n g p o we r g e n e r a t i o n t e c h n o l o g y-wi n d p o we r g e n e r a t i o n i s i n t r o d u c e d t o t r a d i t i o n a l p o we r s ub s t a t i o n S t a r t i n g f r o m t h e d e tai l e d mo d e l o fwi n d p o we r g e n e r a t i o n,t h e wi n d p o we r p e n e t r a t i
4、 o n l i mi t i s c a l c u l a t e d b y s i mu l a t i o n,t h e d y na mi c b e h a v i o r o f wi n d p o we r g e n e r a t i o n a n d i t s i mp a c t u p o n di s t r i b u t e d p o we r n e t wo r k a r e a n a l y z e d T he f e a s i b i l i t y o f t h e p o we r s u b s tatio n i s v e
5、 rifie d a n d t h e d i r e c t i o n o f f u r t h e r r e s e a r c h i s p r o s p e c t e d K e y wo r d s:d i s t ri b u t e d p o we r s u p p l y;p o we r s u b s tat i o n;wi nd po we r g e n e r a t i o n 摘要:将新兴的发电技术风力发电引入传统的电力变 电站,在风力发电机详细数学模型的基础上,通过仿 真求取了风 电场穿透功率极限,详细分析 了风力发电 系统的动态性能,及其对
6、配电系统的影响,证 实了该 设计方案的可行 生,并展望了今后研究工作的方向。关键词:分布式电源;电力变电站;风力发电 目前中国小型风力发电机已经实现商业化批量 生产,获得广泛应用。国家发改委的可再生能源和 新能源高技术产业化专项,其重点领域之一就是发 展风力发 电【l J。风力机功率输出随风速变化,具有很大的随机 性。由于风力机功率输 出跟风速的函数是三次方的 关系,所以风力机的功率必须通过功率调节处理才 基金项 目:国家自 然科学基金资助项目(5 0 5 7 7 0 4 4),高等学校博士学 科点专项科研基金资助项 目(2 0 0 7 0 6 1 0 1 0 9)。能接入电网。小型风力机的容
7、量通常是 1 MV A 左 右,相对大型风力发电场而言,它灵活、受 自然条 件的约束小,因而具有较广泛的应用前景。通常在含有分布式电源的电力系统仿真中,将 分布式电源作为负的负荷考虑。当分布式 电源在 电 力系统中的渗透水平低时,仿真误差不会太大。如 果分布式 电源的渗透水平较高时,需要提高分布式 电源模型的精度。本文 以研究风力发 电机的详细数学模型为基 础,通过风电作为分布式电源接入到系统中的仿真 分析,分析风力发电系统的动态性能及其对配电系 统的影响,求取风电场穿透功率极限。1 小型风 力发 电系统模 型 1 1 风速模型l j J 先不考虑风速模型,定义风速时间序列初始值 为平均风速:
8、V (t o)=(1)时域仿真中,为了模拟滤除风力机转子表面的 高频风速变化,计算风力机机械功率的实际风速是 低通滤波器(时间常数 r)的输出,即:()一 V )f (2)风速采用威布尔概率分布模型,威布尔概率分 布函数形式如下:f(v,o,c,k)=P (3)此处 v 为滤波器输出风速,C和 k为定义在风 速模型数据矩 阵中的常数,则采用威布尔分布的随 维普资讯 http:/ 4 2 南方 电网技术 2 0 0 8 年第 2卷 其 中 z(力 为随机数,z 0,1 。形状 因子 k的取 值如下:k=l 时,风速为指数分布;k=-2时,风速为 雷利分布;k 3时,风速近似于正常分布。比例因数
9、c满足:c (0,1 0),所以,风速的计 算如下:(f)=(1+(f)一 )(5)此处,是给定的平均风速初始值,是风速 的平均值。1 2 风 力发 电系统 的构成 风力发电系统有以下几种方式与电网并联运行:风力机启动双速异步发电机;风力机驱动滑差可调的 绕线式异步电动机;变速风力机驱动双馈异步发电机;风力机直接驱动低速交流发电机经变频器;变速风力 机经滑差连接器驱动同步发电机;变速风力机驱动交 流发电机经变频器【4 J。先进的同步风力发电常采用交一直交的接入方 式,即先把交流同步电机发出的变频交流变成直流,然后再逆变成工频交流接入电网,风力机可以是水平 轴变桨距控制或失速控制的定桨距风力机。
10、其优点是 发电机转速不必与电网频率要求的转速同步,是较好 的平稳并网方式。本文讨论的就是这种风力发电系统。1 3风力机模型【5。】功率调节是风力机的关键技术之一,目前投入 运行的机组主要有两类功率调节方式:定浆距失速 控制和变浆距失速控制。变速风力机驱动同步交流 发电机经换流器与系统联网,是 目前风力发电应用 中较常采用的形式,其模型如下【6 J:(1)风力机方程。采用双馈入异步电机模型:生 (6)=2 c v ,l 4,3 4 :一 2+0 0 8 +(7)(8)(9)其中,为机械转距,为风力产生的机械功 率,为转子转速,P为空气密度,A,为扫风面积,c。为风能利用系数,为叶尖速 比。调节桨
11、距角 的控制方程为:=(一 )一 )(1 0)桨距角控制仅作用于超同步转速,当转速为次同 步转速时,=0,该情形可在下面的仿真结果中看到。(2)交流同步电机方程。考虑到交流同步电机的转子和定子磁通动态 比 系统侧的动态行为要快得多,换流器的控制基本能 够将电机和系统解耦,因此,有:表示转子回路的磁通。因此,交流同步电机 的有功和无功功率如下:同步发电机转子运动方程:(一 )2 m (1 3)T:l;,d q s l;,q 定子回路方程:一 曲+V v (1 4)一X q j (3)换流器方程【。注入网络的功率 由网络侧的换流器电流决定:换流器电压是网络电压幅值和相角的函数:=V s i n(-
12、0)=V c o s(O)假设换流器没有损耗且功率因数为 1,则:Ps:,=0 (1 6)(1 7)注入 网络的无功功率通过换流器直流 电流 i d c 来控制,从而注入系统的无功功率为:一+一 一 一=卜 一 I I=卜 一 l l I 1 维普资讯 http:/ 第 l期 廖萍,等:小型风力发电机模型及其接入系统研究 4 3 Q =ld c c o s()+t a n(O)P f 1 8 1 力发电 系统输出功率跟风力机转速变化基本一致,、基本维持恒定,整个系统可以稳定运行。换流器动态高度简化,用理想电流源表示。i i i 出为状态变量,分别用于转速控制、无功功率 控制和电压控制,有如下微
13、分方程:(i qs 一 :()一 此处:一()一 (一 )=一 约束条件(1 9)(2 0)=一 i 一(2 1)ld s m=ld c m a x=一 Q m i n l d s m i n=l d c m in=一 Q m x 2 风力机接入系统仿真 2 1风力机 一无穷大系统 基于 MA T L AB P S A T工具箱 J,对风力机接入 无穷大系统进行仿真。风力机和风速均采用上述模 型,风力发电机容量为 1 MV A,电压控制增益 K v=1 0 P-u ,时间常数=1 s;桨距角控制增益 K p=1 0 P _ u ,时间常数 T。=3 s;有功和无功功率控制时间常数均 为 0 0
14、 1 s。额定风速:1 5 0 0 m s,空气密度:1 2 2 5 k g m,威布尔分布常数:K=2,C=4。风力机桨距 角曲线、风力发 电系统有功功率 曲线、风速 曲线和 风力机转子转速 曲线分别示于图 1 一 图4。风力机直接驱动低速交流发 电机经变频器与 电 网并联运行。在进行潮流计算的时候,将风力电机 节点当作 P V节点,系统基准容量为 1 0MV A,潮流 计算的结果作为动态仿真的初始值。仿真结果显示:风力发电系统母线 电压维持为 1 P _ u ,其功率输出有波动,但是变化幅度不大。风 培 基 t|s 图 1 风力机 桨距 角曲线 Fig 1 Oa r Di s t an c
15、 e Cu r v e o f W i n d T u r b i n e t|s 图 2 风 力发电系统有功功率 曲线 F i g 2 P o we r Cu rve o f W i n d Ge n e r a t ion Sy s t e m O 2 6 0 2 6 5 一0 2 7 蔷 2 7 5 薹0 2 8 0 2 8 5 O 2 9 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 t|s 图 3 风速曲线 图 4 风 力机转子转速 曲线 Fig4 Ro t o r Sp e e d Cu rve o f W i n d T u r b i n e 2 2 含 小型风 力机 的
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- 小型 风力发电机 模型 及其 接入 系统 研究
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