CN102360182A - 风气互补发电系统的孤岛运行仿真方法 - Google Patents

风气互补发电系统的孤岛运行仿真方法 Download PDF

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Abstract

一种风气互补发电系统的孤岛运行仿真方法，该系统由燃气轮机、同步电机、励磁控制器、风机、异步电机、变桨距控制系统、无功补偿器、主要负荷、次要负荷、控制负荷和频率控制器组成，对风气互补发电系统孤岛运行进行仿真的条件是：风速为11m/s，在0-0.2s期间，固定负荷为80kW的主要负荷，0.2s时接入40kW的次要负荷，固定负荷变为主要负荷与次要负荷之和，等于120kW；仿真采用ode23tb算法，仿真时间为3s；仿真方法是先建立系统的燃气轮机发电模块、风力发电模块、无功补偿模块、主要负荷模块、次要负荷模块和控制负荷模块，然后进行仿真，仿真结果表明，该系统电网电压的幅度和频率保持稳定，整个电网的功率一直保持平衡状态，该系统具有良好的可靠性和动态响应性能。

Description

风气互补发电系统的孤岛运行仿真方法
技术领域
本发明涉及一种风气互补发电系统的孤岛运行仿真方法，属风力发电技术领域。
背景技术
风力发电技术发展迅速，目前世界主流机型MW级风机的技术已经基本成熟，并在实际中得到了广泛的应用。由于大规模风电场中的风机数量众多，输出的功率比较平滑，风速在瞬间的快速变化不会对功率的输出产生明显影响，所以紊流是可以忽略的。风场中的平均风速和风向在短时间内是确定的。作用在每台风机上的阵风和渐变风的起停时间是确定的，而且是可计算的。因此可以用一个风信号作为风电场的风速模型，取代作用在每台风机上的风速的时间序列。
目前有很多文献研究了风电场对电网的影响，归纳总结主要有以下几个方面：
1、对电能质量的影响，主要体现在对电压等的影响。风力发电对电网的影响主要有慢的(稳态)电压波动、快的电压波动(闪变)、波形畸变(谐波)、电压不平衡(负序电压)、瞬态电压波动(电压跌落和凹陷)等； 
2、对电网稳定性的影响，主要还是指电压稳定问题；主要原因是：一方面风速的波动性和随机性引起的风电场出力随时间变化且难以准确预测，而导致风电接入系统时存在安全隐患；另一方面是薄弱电网中风电注入功率过高引起的电压稳定性下降。
目前，人们为了改善风电并网的质量，做了很多能源互补的尝试，如风水互补、风光互补以及独立电网中的风柴互补等。风电-燃气轮机互补系统即风气互补系统，也是其中一种有效措施。燃气轮机发电具有建设周期短、启停迅速的特点，正好能够适应风电场由于风速大小的变化而引起的出力变化，与风力发电互补的系统必须能够满足快速启停的需要。这种互补系统是基于太阳能、风能和化石燃料能向电能、热能及机械能的转换，实现了不同能源的综合集成和能量的梯级利用。同时采用复合系统可以安全地提供电力，减少资源的浪费，降低污染物排放量，产生明显的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种风气互补发电系统的孤岛运行仿真方法，用以验证风气互补发电系统的电压稳定性和频率稳定性。
为解决其技术问题，本发明采用的技术方案是：应用变桨距控制、频率控制等运行控制策略，通过仿真分析风气互补发电系统孤岛运行时的异步电机转速、电网电压、控制负荷和固定负荷。
孤岛运行的风气互补发电系统主要组成部分为燃气轮机、同步电机、励磁控制器、风机、异步电机、变桨距控制系统、无功补偿器、主要负荷、次要负荷、控制负荷和频率控制器等。当风速较低、风机提供的能量不能满足负荷需求时，燃气轮机驱动的同步电机和风机驱动的异步电机同时给负荷提供电力；当风速较高、风机提供的能量可以满足负荷需求时，关闭燃气轮机，同步电机空载运行，异步电机单独对负荷进行供电。变桨距控制系统通过控制风机桨叶角度改变桨叶相对于风速的攻角，从而改变风机从风中捕获的风能。在频率控制器的控制下，控制负荷的大小发生改变，变化范围为0-446.25kW，并且以1.75kW进行步进，维持电网的功率平衡，从而维持系统的电网电压频率。其中：
1 .燃气轮机
式(1)为燃气轮机方程。方程中的状态变量为电机角频率                                                
Figure 194074DEST_PATH_IMAGE001
，燃料调速器输出参数
Figure 692051DEST_PATH_IMAGE002
，和燃料流量。
                 
Figure 670743DEST_PATH_IMAGE005
                   (1)
式中：
Figure 23227DEST_PATH_IMAGE006
、和
Figure 951180DEST_PATH_IMAGE008
为燃料系统转移方程系数；
Figure 699693DEST_PATH_IMAGE009
为调速器增益；
Figure 906684DEST_PATH_IMAGE010
为燃料系统时间常数，为燃料系统反馈增益；
Figure 256949DEST_PATH_IMAGE012
为转动惯量；
Figure 543573DEST_PATH_IMAGE013
为阻尼系数；
Figure 870650DEST_PATH_IMAGE014
定义为方程中的系统输入；
Figure 30367DEST_PATH_IMAGE015
为二次频率控制所设定的参考角频率；
Figure 488899DEST_PATH_IMAGE016
为过量空气系数。
2.风机
风机的输出功率为：
                                             (2)
式中：
Figure 760797DEST_PATH_IMAGE018
为空气密度；
Figure 216049DEST_PATH_IMAGE019
为风机叶片的半径；为叶片的扫掠面积；
Figure 495032DEST_PATH_IMAGE021
为风速；
Figure 531121DEST_PATH_IMAGE022
为风能利用系数，为表征风机效率的重要参数，是风机叶尖速比
Figure 219591DEST_PATH_IMAGE023
和桨叶节距角
Figure 341131DEST_PATH_IMAGE024
的函数，可表示为。
根据贝兹理论，风机最大的风能利用系数
Figure 178692DEST_PATH_IMAGE026
为0.593。此外，叶尖速比
Figure 38063DEST_PATH_IMAGE023
即叶片的叶尖线速度与风速之比，可表示为
                        
Figure 646899DEST_PATH_IMAGE027
                          (3)
式中：
Figure 367862DEST_PATH_IMAGE028
为叶片旋转的角速度。
对于给定的叶尖速比
Figure 378543DEST_PATH_IMAGE023
和桨叶节距角
Figure 408816DEST_PATH_IMAGE024
，计算风能利用系数的公式为
               
Figure 504948DEST_PATH_IMAGE029
                (4)
其中     
Figure 216552DEST_PATH_IMAGE030
由式(4)可以根据不同的
Figure 658904DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 860078DEST_PATH_IMAGE024
计算得到对应的
Figure 990976DEST_PATH_IMAGE022
。
3 .变桨距控制系统
变桨距控制系统通过控制风机桨叶角度改变桨叶相对于风速的攻角，从而改变风机从风中捕获的风能。变桨距控制在不同的情况下采用不同的策略：
(1)当风速低于额定风速时，变桨距角控制用于风电机组功率的寻优，目的是在给定风速下使风电机组发出尽可能多的电能。对于变速风电机组，其功率寻优可以通过风电机组的变速来实现，因此当风速低于额定风速时，桨距角
Figure 506271DEST_PATH_IMAGE024
通常保持在0°附近，当为0°时，
Figure 863620DEST_PATH_IMAGE022
最大。
(2)当风速超过额定风速时，变桨距装置动作，桨距角增大，将风机的机械功率限制在额定功率附近，同时能够保护风电机组机械结构不会过载以及避免风电机组机械损坏的危险。 
4 .频率控制器
通过频率控制器的控制，将控制负荷接入电网，使控制负荷在0-446.25kW内发生变化，并且以1.75kW进行步进，从而提高系统的频率质量。频率控制器对电网电压频率进行测量，将测量值与参考频率进行比较，得到频率误差，并将该频率误差通过PID控制器计算出模拟控制信号，然后由编码器对其进行数字处理，用所得到的数字量控制每组负荷的开关，从而对控制负荷进行精确的调节。频率控制器通过对控制负荷的调节，从而达到参与校正系统频率的目的。
5.同步电机
按考虑阻尼绕组精度的不同，同步电机的稳定分析模型有从2阶到6阶的多种不同形式。采用同步电机的分布式发电系统在暂态稳定分析中其动态模型与传统模型基本相同，同步电机的6阶模型为：
(1)定子电压方程
                                         (5)
式中，
Figure 33756DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 873536DEST_PATH_IMAGE033
分别为机端电压的
Figure 416513DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 974533DEST_PATH_IMAGE035
轴分量，
Figure 379101DEST_PATH_IMAGE036
、
Figure 338967DEST_PATH_IMAGE037
分别为定子电流的、
Figure 832582DEST_PATH_IMAGE035
轴分量，
Figure 227791DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 377185DEST_PATH_IMAGE039
分别为
Figure 199648DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 528998DEST_PATH_IMAGE035
轴次暂态电抗，
Figure 727898DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 209826DEST_PATH_IMAGE041
分别为
Figure 203190DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 19836DEST_PATH_IMAGE035
轴次暂态电势，
Figure 22427DEST_PATH_IMAGE042
为定子电阻。
(2)转子电磁暂态方程
               
Figure 545813DEST_PATH_IMAGE043
                   (6)
式中，
Figure 21662DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 263288DEST_PATH_IMAGE045
， 
Figure 866307DEST_PATH_IMAGE046
和
Figure 244199DEST_PATH_IMAGE047
分别为
Figure 657994DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 121336DEST_PATH_IMAGE035
轴暂态电势，
Figure 528047DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 760445DEST_PATH_IMAGE049
分别为
Figure 843676DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 794315DEST_PATH_IMAGE035
轴同步电抗，
Figure 676820DEST_PATH_IMAGE050
和分别为
Figure 34169DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 285153DEST_PATH_IMAGE035
轴暂态电抗，
Figure 971349DEST_PATH_IMAGE052
为励磁电压，
Figure 240657DEST_PATH_IMAGE053
和
Figure 354106DEST_PATH_IMAGE054
分别为
Figure 590921DEST_PATH_IMAGE034
轴励磁绕组定子开路时间常数和
Figure 815229DEST_PATH_IMAGE034
轴阻尼
Figure 204622DEST_PATH_IMAGE013
绕组定子开路时间常数，
Figure 36443DEST_PATH_IMAGE055
和
Figure 448970DEST_PATH_IMAGE056
分别为电机转子轴阻尼
Figure 720869DEST_PATH_IMAGE057
绕组定子开路时间常数和
Figure 487705DEST_PATH_IMAGE035
轴阻尼
Figure 121949DEST_PATH_IMAGE058
绕组定子开路时间常数。
(3)转子运动方程
                  
Figure 750376DEST_PATH_IMAGE059
                      (7)
其中，
Figure 52045DEST_PATH_IMAGE060
为电机转子惯性时间常数，
Figure 553564DEST_PATH_IMAGE061
为机械功率，
Figure 675104DEST_PATH_IMAGE062
为电磁功率，
Figure 356490DEST_PATH_IMAGE013
为阻尼系数，
Figure 512665DEST_PATH_IMAGE001
为同步电机角频率，
Figure 309719DEST_PATH_IMAGE063
为功角，
Figure 980872DEST_PATH_IMAGE064
为同步角频率。
6 .异步电机
异步电机的暂态稳定分析模型由三部分组成：
(1)定子电压方程
                    
Figure 888785DEST_PATH_IMAGE065
                       (8)
其中，
Figure 712516DEST_PATH_IMAGE066
、分别为机端电压的
Figure 838921DEST_PATH_IMAGE034
、轴分量，
Figure 727297DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 866155DEST_PATH_IMAGE069
分别为定子电流的
Figure 511900DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 27194DEST_PATH_IMAGE035
轴分量，
Figure 559938DEST_PATH_IMAGE046
、分别为暂态电势的
Figure 940421DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 56144DEST_PATH_IMAGE035
轴分量，
Figure 895925DEST_PATH_IMAGE070
为暂态电抗，
Figure 688169DEST_PATH_IMAGE071
为定子电阻。
(2)电磁暂态方程
                               (9)
其中，为异步电机的滑差(
Figure 594311DEST_PATH_IMAGE074
，
Figure 324501DEST_PATH_IMAGE075
为异步电机转速，
Figure 104238DEST_PATH_IMAGE076
为同步转速)，
Figure 561764DEST_PATH_IMAGE077
为同步电抗，
Figure 376136DEST_PATH_IMAGE078
为转子绕组时间常数，
Figure 198599DEST_PATH_IMAGE079
为额定频率。
(3)转子运动方程
                                             (10)
其中，为异步电机的转子惯性时间常数， 
Figure 707312DEST_PATH_IMAGE082
为机械转矩，
Figure 700676DEST_PATH_IMAGE083
为电磁转矩。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明：
图1是本发明的结构示意方框图；
图2是本发明的孤岛运行结构示意方框图；
图3是本发明的异步电机转速图；
图4是本发明的电网电压图；
图5是本发明的控制负荷图；
图6是本发明的固定负荷图。
具体实施方式
参见附图1和风气互补发电系统孤岛运行的仿真原理图2，该系统主要由燃气轮机、同步电机、励磁控制器、风机、异步电机、变桨距控制系统、无功补偿器、主要负荷、次要负荷、控制负荷和频率控制器组成，进行仿真时，对风气互补发电系统孤岛运行进行仿真的条件是：风速为11m/s，在0-0.2s期间，固定负荷为80kW的主要负荷，0.2s时接入40kW的次要负荷，固定负荷变为主要负荷与次要负荷之和等于120kW；仿真采用ode23tb算法，仿真时间为3s；对该系统进行仿真的方法是：先建立系统的各个子模块，然后进行仿真，各个子模块的主要参数为：
(1)燃气轮机发电模块，
燃气轮机与同步电机的主要参数为：额定视在功率为300kVA，额定线电压为480V，极对数为2，额定功率因数为0.85，
Figure 268055DEST_PATH_IMAGE042
为0.017pu，
Figure 5067DEST_PATH_IMAGE048
为3.23pu，
Figure 590769DEST_PATH_IMAGE050
为0.21pu，
Figure 20613DEST_PATH_IMAGE038
 为0.15pu，
Figure 262239DEST_PATH_IMAGE049
为2.79pu，
Figure 848947DEST_PATH_IMAGE051
为1.03pu，
Figure 492418DEST_PATH_IMAGE039
为0.37pu，漏抗
Figure 889901DEST_PATH_IMAGE084
为0.09pu，
Figure 618822DEST_PATH_IMAGE053
为1.7s，
Figure 510686DEST_PATH_IMAGE054
为0.008s，
Figure 8664DEST_PATH_IMAGE055
为0.213s，为0.004s，
Figure 793266DEST_PATH_IMAGE060
为2s；励磁控制器的主要参数为：低通滤波器时间常数为0.02s，主控制器增益为300，主控制器时间常数为0.001s，阻尼滤波器增益为0.001，阻尼滤波器时间常数为0.1s；
(2)风力发电模块，
风机与异步电机的主要参数为：额定风速为12m/s，额定视在功率为275kVA，额定线电压为480V, 极对数为2，额定功率因数为0.85，定子电阻为0.016pu，定子漏感为0.06pu，转子电阻为0.015pu，转子漏感为0.06pu，定转子互感为3.5pu，
Figure 987356DEST_PATH_IMAGE081
为4s；变桨距控制系统的主要参数为：桨距角比例控制常数为5，桨距角积分控制常数为25；
(3)无功补偿模块，
无功补偿模块主要由三个串联RLC负载组成，每个串联RLC负载的主要参数为：额定电压为480V，有功功率为0kW，感性无功功率为0kvar，容性无功功率为25kvar；
(4)主要负荷模块，
主要负荷模块由一个三相并联RLC负载组成，三相并联RLC负载的主要参数为：额定相电压为480V，三相有功功率为80kW，三相感性无功功率为0kvar，三相容性无功功率为0kvar；
(5)次要负荷模块，
次要负荷模块由一个三相并联RLC负载组成，三相并联RLC负载的主要参数为：额定相电压为480V，三相有功功率为40kW，三相感性无功功率为0kvar，三相容性无功功率为0kvar；
(6)控制负荷模块，
控制负荷模块主要由控制负荷与频率控制器组成，控制负荷的主要参数为：有功功率为0-446.25kW，额定线电压为480V，步进有功功率为1.75 kW，初始有功功率为50kW；频率控制器的主要参数为：相电压为460V，控制器比例控制常数为150，控制器微分控制常数为70，参考相位为1rad。
仿真结果表明，电网电压的幅度和频率保持稳定，整个电网的功率一直保持平衡状态，该系统具有良好的可靠性和动态响应性能。

Claims (1)

1.一种风气互补发电系统的孤岛运行仿真方法，包括应用变桨距控制、频率控制运行控制策略，通过仿真分析风气互补发电系统孤岛运行时的异步电机转速、电网电压、控制负荷和固定负荷；该系统的设备主要由燃气轮机、同步电机、励磁控制器、风机、异步电机、变桨距控制系统、无功补偿器、主要负荷、次要负荷、控制负荷和频率控制器组成，其特征是：对风气互补发电系统孤岛运行进行仿真的条件是：风速为11m/s，在0-0.2s期间，固定负荷为80kW的主要负荷，0.2s时接入40kW的次要负荷，固定负荷变为主要负荷与次要负荷之和等于120kW；仿真采用ode23tb算法，仿真时间为3s；对系统进行仿真的方法是：先建立系统的各个子模块，然后进行仿真，各个子模块的主要参数为：
(1)燃气轮机发电模块，燃气轮机与同步电机的主要参数为：额定视在功率为300kVA，额定线电压为480V，极对数为2，额定功率因数为0.85，                                                
Figure 434383DEST_PATH_IMAGE001
为0.017pu，
Figure 376931DEST_PATH_IMAGE002
为3.23pu，为0.21pu，
Figure 48532DEST_PATH_IMAGE004
 为0.15pu，为2.79pu，
Figure 696868DEST_PATH_IMAGE006
为1.03pu，
Figure 622099DEST_PATH_IMAGE007
为0.37pu，漏抗
Figure 157991DEST_PATH_IMAGE008
为0.09pu，为1.7s，
Figure 566156DEST_PATH_IMAGE010
为0.008s，为0.213s，
Figure 819731DEST_PATH_IMAGE012
为0.004s，为2s；励磁控制器的主要参数为：低通滤波器时间常数为0.02s，主控制器增益为300，主控制器时间常数为0.001s，阻尼滤波器增益为0.001，阻尼滤波器时间常数为0.1s；
(2)风力发电模块，风机与异步电机的主要参数为：额定风速为12m/s，额定视在功率为275kVA，额定线电压为480V, 极对数为2，额定功率因数为0.85，定子电阻为0.016pu，定子漏感为0.06pu，转子电阻为0.015pu，转子漏感为0.06pu，定转子互感为3.5pu，
Figure 253303DEST_PATH_IMAGE014
为4s；变桨距控制系统的主要参数为：桨距角比例控制常数为5，桨距角积分控制常数为25；
(3)无功补偿模块，无功补偿模块主要由三个串联RLC负载组成，每个串联RLC负载的主要参数为：额定电压为480V，有功功率为0kW，感性无功功率为0kvar，容性无功功率为25kvar；
(4)主要负荷模块，主要负荷模块由一个三相并联RLC负载组成，三相并联RLC负载的主要参数为：额定相电压为480V，三相有功功率为80kW，三相感性无功功率为0kvar，三相容性无功功率为0kvar；
(5)次要负荷模块，次要负荷模块由一个三相并联RLC负载组成，三相并联RLC负载的主要参数为：额定相电压为480V，三相有功功率为40kW，三相感性无功功率为0kvar，三相容性无功功率为0kvar；
(6)控制负荷模块，控制负荷模块主要由控制负荷与频率控制器组成，控制负荷的主要参数为：有功功率为0-446.25kW，额定线电压为480V，步进有功功率为1.75 kW，初始有功功率为50kW；频率控制器的主要参数为：相电压为460V，控制器比例控制常数为150，控制器微分控制常数为70，参考相位为1rad。
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