风电场并网建模与仿真分析

风电场并网建模与仿真分析

1风特性模型随着风力发电产业的快速发展，风力发电在能源系统中的份额不断增加，lan和lans相互连接给主要电网带来了很大的不确定性。文献就以上所指出的风能特性对风场输出电能质量的影响,本文在MATLAB/SIM-ULINK中搭建了能够表征自然风的风特性模型,包括基本风分量、阵风分量、渐变风分量、随机风分量2dfig模型原理2.1风力发电机模型作为风力发电系统中最重要的部件,风力发电机是将风能转化为电能的重要环节,由空气动力学的相关知识可得出其输出的机械转距及功率分别如下上式:P2.2d彪电机的数学模型双馈电机稳定状态下其磁链方程、电压方程在dq0坐标下的数学方程如下上式中:r3风特性分析在对风速的建模与仿真过程中,国内外比较普遍的方法是将自然风看成是由基本风、随机风、阵风、以及渐变风自由组合下所形成的,即风速四分量,或者说是风特性。不同情况下可以将四分量中的一种或多种分量相叠加来模似想要的风速模型,从而能够更加精确的描述出自然风状态的间歇性以及波动性的特点。3.1基本风格风特性中基本风做为风力机获得风能的最基础的风速分量。决定了风机的输出功率基调,理论上是由威布尔分布推导出来的,其数学方程为上式中:v3.2配置阵风的特点为在不确定的情况下,风速突然发生变化,它的数学方程描述为上式中:v3.3斜风吹渐变风的特点为其随时间呈线性变化,或按着某种规律变化的风速分量,其数学方程描述为上式中:T3.4随机风风特性中有一种风速分量无任何变化规律可寻,风速的大小随机变化,这部分分量为随机风,其数学方程描述为上式中:N代表取样点个数;ω3.5输入风速模型的建立自然界中真实的风就是将以上提到的几种风特性相组合,得出想要的输入风速模型,真实风速可以由其中的一种或几种组合得到,通过调节各种风特性所占的比重不同,在仿真过程中对实际风况进行化简,自然风的数学方程描述如下4尾流效应及时下降自然风通过风机后,风电机组吸收风能将其转化成为机械能进而转化成电能,这时自然风所携带能量有所下降,处于下风向的风机的输入风速就会相应的减小,将风能转化为机械能的能力也相应减弱,这种现像就叫做尾流效应关于尾流效应的理论建模,比较成熟的有适用于平坦地势以及复杂地势下的尾流效应模型,分别是Jensen模型、Lissaman模型4.1jenen模型图1中X是两台风机之间的距离,R、R风机的推力系数C尾流效应的衰减因子经验公式如下其中,A≈0.5,Z4.2lissan模型很多情况下风电场都会建设在地形比较复杂的山区,风电场内各机组接收到的风速是会随着其所处的高度的不同而变化,这时选用Lissaman模型来分析有损耗的非均匀风电场内尾流效应假设两台风机接收到的初始风速均为v其中α代表地面摩擦系数,如果是平坦的地形,一般α的取值为0.15如果x=0处有风电机,则应考虑尾流效应,x=X处风速为式中d上式中m是引入的中间参数。将无损贝努利方程进行线性化处理将以上公式整理得4.3风机输出的延迟时间大型风电场的占地面积很大,风穿过整个风电场需要经历数分钟,相距较远的两台风机的输入风速就会存在时滞现像,这同样会对风电场的整体输出造成影响,其延时时间的数学表达式为其中t代表风速的延时时间;5简化机关内装,简化设备,实现风机间连接仿真目的是验证在尾流效应、风特性以及风速时滞的影响下对风场输出的影响,借助MATLAB/SIMULINK平台中搭建了能够表征自然风的风特性模型,包括基本风、阵风、渐变风、随机风假设风电场处于复杂地形,由20台风机按5排4列整齐布置,每台风机的额定功率为750kW,采用一机一变的方式,由机端变压器(35KV/690V)升压后,在经由风场主变压器(110KV/35KV)与PCC点连接。由于风电机组都安装有偏航控制系统,所以可以确保每台风机的迎风面都垂直于来风风向,为了方便分析假设来风风向与风机排列方式垂直,这样处于同一排的风机的输入风速可认为基本相同、运行状态步调一致,可以将同一排的风机看成一台风机,这样风电场被简化成4台风机顺着来风风向依次排列。风机之间的距离为300米,选取一种特殊的复杂地形,简化后的每台风机高度逐渐升高,相邻的两台风机高度差为20米,如图4,更加复杂的地势仿真其原理相同。中第3部分关于尾流效应的介绍根据相关公式算出简化后的各台风机的输入风速如表1。5.1种风特性对风电场无功功率影响为了考虑不同风特性对风场输出能力的影响,在12～14秒时间段内考虑三种风速分量叠加到基本风之上分别作用于风场,基本风速为12.5m/s;三种风特性的最大幅值均为1m/s,各风特性的仿真图形如图5所示,不同风特性所引起的有功功率变化如图6。仿真后的结果可以看出,三种风特性对风电场的有功输出能力影响有所区别,其中渐变风与基本风叠加后作用于风机使得其有功功率输出量增加最大;随机风与基本风叠加后作用于风机其有功功率输出量增加最少,并且输出功率随着风速的变化波动,输出有功不稳定;阵风与基本风叠加后作用于风机使得其有功功率输出幅值波动最剧烈。5.2尾流效应模型的建立为了验证尾流效应与风能传播过程中的时滞对风电场输出所带来的影响,分别选取渐变风以及随机风为例,在MATLAB/SIMULINK仿真平台上建立了忽略尾流效应以及时滞(NWETD)、只考虑时滞(TD)作用、将尾流与时滞效应(WETD)均考虑在内的三种模型。5.2.1尾流效应下风电场功率输出影响这里为了体现尾流效应与时滞的作用,设定在尾流效应作用时,等效后的4台风机输入风速如表1,设定在时滞效应作用下,下游风机较上游风机输入风速延时20s。图7为三种情况下,风电场机端变压器出口处(MV)有功功率输出对比图。由仿真结果可以得出结论,在忽略尾流效应与时滞时,风电场输出功率以较快的速度升高,当不考虑尾流效应时,输出功率将会高于实际情况下的输出功率值,也就是说尾流效应会使风场的有功功率输出能力下降,同时风速传播的时滞使得输出有功变得平滑。因此想要得到较为准确的风电场模型,必须将尾流效应及时滞所带来的影响考虑在内。5.2.2时滞及尾流效应时响应特性仿真在仿真条件不变的情况下,将输入风速变为随机风,验证尾流效应及时滞对风场输出口处电压及有功功率的影响。得到仿真图形如图8、9。由仿真结果可得出,在时滞及尾流效应的作用下,风电场出口处的电压、有功功率振幅都要底于忽略时滞及尾流效应时的输出结果。所以尾流效应与时滞会在一定程度上改善风电场的输出性能。5.3风电场出口的动态特性仿真条件不变,假设在12s时电网出现三相短路故障,经过0.15s后故障排除。考虑时滞和尾流效应对风电场动态特性的影响由仿真结果可以得出,在是否考虑时滞及尾流效应两种情况下,风电场各机组的输入风速不同,在电网发生短路故障前,两种情况下的输出特性不同,致使故障排除后,风电场出口处的有功及无功功率动态特性也不同。忽略时滞及尾流效应时有功功率波动较大,需要较长的时间恢复到新的稳定状态,因此时滞与尾流效应可以优化风电场的动态特性表现。6风场输出的能力下降本文通过仿真分析得出了风能特性、时滞以及尾流效应对风电场输出性能的影响,并得出以下结论:三种峰值相同的风速风量分别叠加于同