基于Matlab的双馈风力发电系统动态仿真.docx

研 究 与 开 发

基于 Matlab 的双馈风力
发电系统动态仿真

刘芳宇 1 李艳春 2
( 1.太原理工大学理学院，太原 030024 ； 2.山西电力科学研究院，太原 030001)

摘要 本文以双馈风力发电系统为研究对象，建立了双馈风力发电系统的动态数学模型，包 括风速、风力机、双馈发电机以及补偿电容器四个部分。利用 Matlab/Simulink 建立了仿真系统模 型,详细论述了仿真的方法和过程，并对风电场接入电力系统进行了动态稳定分析，论文同时就如 何提高风电系统短路故障后的动态稳定性进行了研究。
关键词： 风电场；双馈风力发电系统； Matlab ；动态仿真
Dynamic Simulation of Doubiy-fed
Wind Power System Based on Matlab

Liu Fangyu Li Yanchun
(Taiyuan University of Technology , Taiyuan 030024)

Abstract Taking doubly-fed wind power system as an object, the paper presents the dynamic
model of doubly-fed wind power system, including wind speed, windmill, doubly-fed generator and
capacitor. The method and process of the dynamic simulation based on Matlab/Simulink are discussed in detail, and the dynamic stability on the wind-farm connected to power system is analyzed. At the same time, the thesis studies how to improve dynamic stability of wind power system after the short-circuit
fault is occurred.
Key words： wind farm； doubly-fed wind power system ； Matlab； dynamic simulation

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1 引言
随着我国风力发电事业的不断发展，新建风电 场的规模越来越大。由于电场的输出功率会随着风 速变化而不断地变化，所以当大型风电场并网运行 时，这种功率波动将会对系统的稳定性和可靠性造 成一定的影响。
随着风电在系统中的比例越来越高，风电场并 网运行会带来许多问题 ,其中包括系统节点电压、 系 统频率的波动和偏差，还有系统安全稳定性受到的 影响 [1]。 因此， 对大型风电场并网运行所造成的系统 电能质量和动态稳定性问题进行分析是十分必要的。
双馈风力发电机组是目前我国广泛使用的风电 设备，由于它的运行特性不同于常规发电机组，当 其并网运行时会对电力系统造成一定的影响。本文

以双馈风力发电系统作为研究对象， 通过 MATLAB
仿真的方法分析其并网运行特性。
2 动态数学模型
建立了双馈风力发电系统的动态数学模型，包括 风速、风力机、双馈异步发电机以及补偿电容器四个 部分；包含风电场的电力系统动态仿真程序中除了双 馈异步风力发电机组外，还包括同步发电机、励磁系 统、 转速控制器[2]， 下面将逐一介绍它们的数学模型。 2.1 风速模型
本文采用国内外使用较多的风速四分量模型， 各分量分别为基本风 V 、阵风VWG 、渐变风VWR 、随 机噪声风 VWN。
模拟实际作用在风力机上的风速 VW为：
V = V +V +V + R ()1
W WG WR WN

⎪ψ = X I + x I
⎨⎪ψ X r(s)r(s)Id(q)r(s) + xm(m)Id(q)s(r)
⎪⎩ψqr = Xrr Iqr + xm Iqs
(4)
T = ⎨⎪ C ⋅ 1 ⋅ A ⋅ Vw ⋅ QN ⋅ 10−3 V V V (2)
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在暂态研究中，由于电力系统故障时间较短， 可认为在暂态过程(故障从发生到恢复)中，通过 风轮机的风速保持不变。
2.2 风力机模型
风能与机械转矩 TW 的关系为：
⎪ V < V
⎧ 0

W P 2 0(Ω) PN m Vout Vw out

其中， T 为风力机叶片的输出转矩； V 为风速，
w w
Vin、Vout 分别为风力机的切入风速和切出风速； ρ 为 空气密度； Ω为风力机的机械角速度； A = π R 2 为
w
风力机叶片的扫掠面积； Rw 为叶片半径； ΩN 与 PN 分别为风力机的额定机械角速度和额定功率； C 是
P
风力机的风能利用系数。
2.3 传动机构的模型
轮毂用于连接叶片和齿轮箱， 具有较大的惯性， 其两边的转矩可用一阶惯性环节来模拟。
传动部分的动态模型为：
dTmdt = 1τw(Tw − Tm ) (3)
其中， τ 为风力机的惯性时间常数； T 为风力
w w
机叶片的输出转矩； T 为输入异步发电机的转矩。
m
2.4 双馈电机动态数学模型 [5]
忽略定子侧的电磁暂态过程和定子侧电阻，双 馈电机的基本方程为：
⎧ U = −ψ
⎪U ψ ds qs
⎨⎪U = dψdr − sψ + r I
⎪ dr dt qr r dr U qr − sψqr + rr Idr
⎪ ds ss ds m dr
⎧ψ = X I + x I
(5)

经推导，双馈电机的动态方程可以表示为：
⎩ U.s = jx' Is + E.
⎨dt(dE.) jU.r X(x)rr(m) − T 0 ss s ] (6)

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暂态过程中双馈电机的转速变化主要取决于转 子轴上不平衡转矩的大小，当机械转矩一定时，双 馈电机的电磁转矩就是产生不平衡转矩的主要原 因。因而，当风电机组的转速发生偏差，或运行状 态发生变化需要调速时，要通过调节双馈电机的电 磁转矩来调节转速。通过调节发电机转子的外接电
源 U 、 U ，可以改变该数学模型中的输出电磁转
dr qr
矩 T ，起到调速的作用。
e
在矢量控制下， 控制双馈电机转子侧电流的 dq 轴分量可以控制双馈电机转速和无功功率，但双馈
电机的控制变量是转子侧电压 U 、 U ，所以必须
dr qr
得出转子电压和电流之间的关系，才能将对电流分 量的控制转化为对电压分量的控制。
其他补偿电容器、同步发电机、励磁系统、转 速控制器已经有很成熟的模型， 在此不做详细介绍。
3 动态仿真程序设计 [3,4]
考虑到风电系统的特殊性，设计包含风电场系 统的动态仿真程序流程框图，如图 1 所示。

N

N

常规机组微分 代数方程求解
输入原始数据

计算初始潮流
确定风电系统异步发电机
和其他常规机组的初始状态
设置仿真时间

t<=Tmax
Y
Y
有无故障或操作
N
处理故障和操作
Y
是否风电机组
读入t时刻风速

风电系统微分 代数方程求解

进行网络方程计算

t=t+∆t

结束

图 1 动态仿真程序流程框图
4 动态仿真程序实现
本文基于 Matlab 软件环境下的 S 函数文件以及 Simulink 基本模块实现了双馈异步风力发电系统并

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网运行的动态仿真程序。
双馈异步风力发电系统并网运行动态仿真程序 主要包括：
(1) 原始数据的录入。 包括仿真系统的节点电 压信息、支路信息、同步发电机参数、励磁系统参 数、 发电机转速控制器参数、 双馈异步发电机参数、 风力机参数、以及风速四分量模型的参数。它基于 M 文件实现。
(2) 包含风电场的电力系统潮流计算。 它基于 M 文件实现。
(3)系统各个元件初始值的计算以及扰动条件 的设定。其中初值计算包括同步发电机、双馈异步 发电机、励磁系统、风力机以及风速。它基于 M 文 件实现。
(4)动态仿真计算。每一步长 ∆T 内,整个仿真
系统各元件之间的变量传递关系如图 2。

图 2 单一仿真步长内各元件之间变量传递关系

图 3 系统仿真图

图 3 中，同步机模块包括三阶实用模型，基于 S 函数实现；励磁系统、转速控制器基于 Simulink 基本模块库实现。风电机组模块包括异步发电机三 阶模型、风能转换模型，基于 S 函数实现；传动装 置模型基于 Simulink 基本模块库实现；风速四分量 模型中的阵风、渐变风、随机风模型都基于 S 函数 实现，某几个分量的组合则基于 Simulink 基本模块 库实现。整个网络代数方程的求解基于 S 函数实现。
5 实例计算
算例系统的接线图如图 4 所示，是一个典型的

风电场接入配电网的实例。风电场接在配电网的末 端，通过双回联络线与电网相连。将 220kV 以上电 压等级的外部系统简化为等值电源与等值阻抗，电 源电压即节点 1 的电压，节点 1-2 之间的阻抗为外 部系统等值阻抗。 节点 10 是风电场的接入点， 节点 2 和节点 10 之间是风电场附近地区的电网和负荷。
风电场所选单机容量为 600kW 的双馈异步发 电机，计算所用的容量基值为 100MVA ，单台机组 参数：额定容量 600kW ，额定出口电压 690V，定 子电抗 x1 = 0.09985 ，定子电阻 r1 =0.00833 ，转子电 抗 x2 = 0.10906 ，转子电阻 r2 =0.00373 ，励磁电抗 xm=
N
3.54708， 额定转差 s = -0.004 ，风机出口升压变
xT =0.033 ，额定功率因数 cos ϕ N= 0.89。

图 4 系统接线图
计算条件为：风电场总装机容量为 60MW，按
PFC
C =29.7% 投切电容器，定桨距，联络线路阻抗比
x / r = 3， 风能转换模型中风力机的切入和切出风速 分别为 4m/s、 25m/s，额定风速为 15m/s。
5.1 阵风情况
基本风为 16m/s 情况下， 在 1s 启动， 周期为 5s， 阵风最大值为 6m/s，仿真时间为 10s。图 5~图 8 分别为风速、风电场出口电压、风电场有功出力以 及无功出力的仿真曲线。
由风速曲线可以看出这种情况下没有超过风力 机的停机风速，风速初始值在额定值附近，由于风 电机组特性，风电场有功出力变化不大。由仿真图 易知： 风电场的有功出力会随着风速的上升而增加， 下降而减小，但由于风力机的惯性，有一个时间上 的滞后。当风电场有功出力增加时，它所吸收的无 功功率也增加，导致风电场出口电压下降，这符合 风电场的运行特性。

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图 5 阵风风速图

图 6 阵风下风电场电压

图 7 阵风下风电场有功功率

图 8 阵风下风电场无功功率
5.2 风电场出口处短路故障
故障设置为：风电场出口(节点 10)在 t=0.2s 发生三相短路故障，经过 7 个周波(0. 14s )后切除 联络线(节点 9- 10)的一回线路。图 9、图 10 分别
为风电场出口电压、异步发电机滑差的仿真曲线。

图 9 风电场出口短路故障下的风电场电压

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图 10 风电场出口短路故障下的异步机滑差
由曲线可知，该计算条件下的系统在故障发生 后失去稳定。
其余条件不变，若将线路阻抗比变为 x / r = 1， 风电场出口电压、异步发电机滑差的仿真曲线如图 11、图 12 所示。

图 11 风电场出口短路故障下的风电场电压

图 12 风电场出口短路故障下的异步机滑差
由仿真图可以看出，此条件下故障后的系统又 恢复稳定。
仿真结果表明：双馈异步风力发电系统并网运 行过程中，当电网发生短路故障时，整个系统的稳 定性与联络线(风电场出口处与系统连接点之间的
传输线路)的阻抗参数，以及并联电容器的补偿量 有很大关系。 如果采用 x / r 较小的联络线或适当提 高电容器的补偿量，都有助于提高短路故障后风电 系统的稳定性。
6 结论
本文基于 Matlab/Simulink 软件实现了双馈风力 发电系统并网运行的动态仿真程序，对某一实际的 风电系统进行了仿真分析，结果表明，采用 Matlab 软件环境下的 S 函数文件和 Simulink 基本模块相结 合的方法可以有效地实现电力系统的分析与计算。
本文就如何提高风电系统短路故障后的动态稳定性 (下转第 57 页)

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图 2 输出电压仿真波形
图 2 中，深色曲线为 30℃下的电路输出波形； 浅色曲线为 -35℃下的电路输出波形。
使用高低温试验箱对实际电路进行不同温度下 的试验，分别在 30℃和 -35℃下维持大于 5h 后实测 输出波形如图 3、图 4。
从仿真和实测波形对比可以看出，两者反映的 输出电压在不同温度下变化趋势一致。 在-35℃条件 下的输出电压稳定值要略低于 30℃时的值。由于在 低温条件下，负载侧支撑电容值减小，负载电阻值 减小，导致电容充放电速度加快，启动时电压上升 斜率较常温时大。

图 3 30 ℃下输出实测波形


图 4 -35 ℃下输出实测波形
4 结论
对于电路和器件低温特性的研究，有助于我们 根据电路工作的具体环境选择合适的电路拓扑和器 件，保证电路在不同的温度条件下正常运行，保持 良好的输出特性。试验结果证明本文采用的基于 PSpice 仿真软件的器件建模仿真方法能够体现出器 件及电路在不同温度下的工作特性，是一种有效的 试验方法。
参考文献
[1] 郑琼林 ,李威 ,郝荣泰 .8K 型电力机车 IGBT 辅助逆变
器的控制与驱动 [J].铁道学报 ,2002, (2).
[2] 赵雅兴 .PSpice 与电子器件模型 [M]. 北京:北京邮电大
学出版社 ,2004
[3] 黄先进 ,孙湖 ,郑琼林 .8K 型电力机车辅助 IGBT 逆变
器耐低温控制系统研究 [J].机车电传动 ,2006, (5).
[4] 周鹏 ,冯一军 .CMOS 电路低温特性及其仿真 [J]. 低温
物理学报 ,2005, (4).

(上接第 48 页)
进行了研究，提出了一些改善措施如采用较小的联 络线或适当提高电容器的补偿量，这都有助于提高 短路故障后风电系统的稳定性的改善措施。这些基 础性的研究对在山西建立风电场具有很重要的参考 价值和一定的指导作用。
参考文献
[1] 孙建锋. 风电场建模和仿真研究[D]. 清华大学, 2004. [2] 吴俊玲 . 大型风电场并网运行的若干技术问题研究
[D]. 清华大学 , 2004.


[3] 李晶 . 变速恒频双馈风电机组动态模型及并网控制
策 略 的 研 究 , [ 博 士 学 位 论 文 ] 华 北 电 力 大 ,
2004.10.
[4] Vladislav Akhmatov, Variable-speed Wind Turbine
with Double-Fed Induction Generators,Part
I:Modeling in Dynamic Simulation Tools, Wind Engineering. 2002. 26,(2).
[5] Feijoo A E, Cidras J. Modeling of wind farms in the
load flow analysis[J]. IEEE Trans on power systems.
2000, 15(1):110- 115.