恒速恒频风力发电系统原理及仿真

1、恒速恒频风力发电系统原理及仿真摘要：介绍了两种恒速恒频发电系统的基本原理，然后在建立的数学模型的基础上进行了包 含风电场的电力系统动态仿真，结合实例从多个方面对风力发电系统进行分析。关键词：恒速恒频发电系统MATLAB-SIMULINK动态仿真0引言在风力发电中，当风力发电机组与电网并网时，要求风电的频率与电网的频率保持一致。在 风力发电过程中，保持风车的转速(也即发电机的转速)不变，从而得到恒频的电能的方式称 为恒速恒频发电系统。由于风速的变化，异步风力发电机组输出的有功功率和吸收的无功功 率也要随之发生变化，使得风力发电机组始终处于一个动态过程，与其相连的电网将持续受 到风电场波动功率源的

2、干扰。因此，当风电场容量发展到一定规模时，风电对系统的影响在 严重情况下可能会导致系统动态失去稳定。1-21恒速恒频发电机系统的构成恒速恒频发电机系统的电机部分分为两种：一种是同步电机作为发电机，同步风力发电装机 在风电发展初期曾被广泛利用，但因其特性给并网带来了很大的困难，因此逐渐被取代。由 于同步发电机本身固有的特性，将其移植到风电机组中使用时，效果不甚理想，这是由于风速 随机变化，作用在转子上的转矩很不稳定，使得并网时其调速性能很难达到期望的精度，若不 进行有效地控制,常会发生严重的振荡和失步，对系统造成严重影响。同步发电机的并网控制 如下：当风速超过切入风速时，启动风电机组，当发电机被

3、带到接近同步速时，启动励磁调 节器，给发电机励磁，使发电机的端电压接近电网电压。在几乎达到同步速时,检测出断路器 两侧电位差，当其为零或非常小时，合闸并网，此时只要接近同步转速就可使并网瞬态电流 减至最小，因而发电机组和电网受到的冲击也最小。但要求风力发电机组调节器调节转速， 使发电机频率偏差达到容许值时方可并网，因此对调节器的要求较高。另一种是异步电机，因为其构造简单，并网容易，所以被大量使用，其组成的发电系统结构 如图13图1异步风机风电场结构图2恒速恒频系统MATLAB-SIMULINK仿真2.1风速模型基本风+渐变风模拟仿真仿真中，采用基本风和基本风+渐变风模拟风速，基本风为8m/s，

4、渐变风为从2s到5s线性 增加，渐变风风速最大值3m/s。，其中仿真时间为20秒。如图2所示。图2风速图2.2异步发电机模型计及转子绕组电磁暂态时，以三阶模型建立异步发电机的数学模型。以定子量表示的异步发 电机数学模型如下：(3-7)其中，下标d、q分别表示直轴、交轴量；x为同步电抗，为暂态电抗，分别为定子和转 子漏抗标幺值，为励磁电抗标幺值；表示转子时间常数，；异步机暂态电势；s表示异步发 电机的滑差(按电动机惯例)；为系统频率基值。发电机转子运动方程为：(3-8)其中，表示机械转矩，电磁转矩，发电机转子惯性时间常数。发电机电磁转矩方程为(3-9)其中，为发电机出力，定子电流，为发电机转子转

5、速。2.3 STATCOM 模型图3 STATCOM与系统连接图STATCOM与系统的连接如图34所示。由于STATCOM采用了电压型桥式电路，因此必须通 过连接电抗器或者变压器并入系统，连接电抗器的作用是将逆变器与交流母线这两个电压不 等的电源连接；另一个作用是可以抑制电流中的高次谐波。因此其电感值不需要很大。图中 电抗等值于变压器漏抗或连接电抗，电阻等值铜耗和STATCOM引起的有功损耗。STATCOM 被表示成一台理想同期调相机。以系统电压为参考相量，则逆变器输出电压的基波分量幅值 为，设其相位滞后系统电压的角度为。记，不难导得逆变器从系统吸收的有功功率为：(3-10)STATCOM送入

6、系统的无功功率为：(3-11)在稳定状态下，逆变器既不吸收也不发出有功功率，据此由上式，令P为零可得：(3-12)由此可得：(3-13)(3-14)由以上两式可见，若保持脉宽不变只调整相位角即可改变STATCOM向系统输入的无功功率， 同时电容电压将随之改变;若同时调整和则可以使电容电压保持常数而只调整无功功率3仿真计算风况为基本风+渐变风情况。在t=15s时，2号机组发生双相断线故障，持续时间0.1s， STATCOM出力响应曲线如图4。图4 25kV电压以及STATCOM出力响应曲线图在渐变风情况下发生风电场内单台机组出口端两相断线时，保护装置动作，故障机组解列， 其它机组恢复正常运行。系

7、统的运行数据与风力增加前相似。此种情况下，故障极限切除时 间为0.15s,。当t=15s时发生故障，故障时间持续到t=15.16s时系统开始不能恢复稳定，风 电场出口处25kV母线电压和传输线潮流响应曲线如图5，STATCOM出力响应曲线如图6。图5传输线有功以及无功功率曲线（失稳状态）图6 25kV电压以及STATCOM出力响应曲线图（失稳状态）4结论利用MATLAB软件对异步风力发电系统并网运行的动态仿真建模，通过仿真可以发现，异步 风机发电时，需投入大量无功补偿，切除无功补偿后，随着风速的渐强，系统所需无功越来 越多。风速继续增大时，系统崩溃。发生故障功时，异步风电机组容易被解列，当故障结束 后，不容易恢复运行。参考文献：赵群，王永泉，李辉.世界风力发电现状与发展趋势.J.机电工程，2006，23（2）: 6-18Global Wind 2008 Report. EWEC（GLOBE WIND ENERGY COUNCIL）. 2008.Wind