CN103744298B - 风力柴油联合独立发电系统的仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种风力柴油联合独立发电系统的仿真方法，包括首先建立由风机、柴油机、发电机、控制器、负荷等组成的风力柴油联合独立发电系统的数学仿真模型，再对该系统进行技术可行性和对风力柴油联合独立发电系统进优化设计，最后得出仿真系统的各项可靠性能指标，其仿真方法包括如下步骤：1.确定系统组成，2.建立系统模型，3.进行系统仿真；该方法可以对独立电网准确稳定供电，提高整个发电系统的效率；系统运行时电网电压的幅度保持稳定，频率变化不大，具有良好的幅度、频率稳定性；异步电机转速稍微高于同步转速，可获得很好的风能电能转换效率；仿真结果表明，本系统实现了风能的最大捕获，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，具有良好的稳定性、适应性、可靠性和动态响应性能，对实际的设计和优化有可靠的参考价值。

Description

风力柴油联合独立发电系统的仿真方法

技术领域

本发明涉及一种风力柴油联合独立发电系统的仿真方法，属于能源技术领域。

背景技术

环境和能源是当今全人类面临的两大亟需解决的问题，开发绿色能源、实行可持续发展战略是世界各国解决能源问题、优化能源结构的正确选择。风能是一种普遍的绿色能源，储量巨大，世界各国对此都比较重视。经过多年的努力，世界风力发电技术越来越成熟，风力发电机组装机容量越来越大，从定桨距控制到变桨距控制，从恒速恒频到变速恒频，从陆地到海上，风力发电正以前所未有的速度发展。变速恒频风力发电系统由于具有许多恒速恒频风力发电系统无法比拟的优点，正逐步成为当今风力发电技术研究的热点。对于变速恒频系统，国内外研究较多的有绕线式交流励磁双馈风力发电系统和无刷双馈风力发电系统，研究成果也很多；

目前，在大电网难以达到的边远或孤立地区，通常的办法是采用柴油发电机组来提供必要的生活和生产用电。由于柴油价格高，加之运输方面的困难，造成发电成本相当高，并且由于交通不便和燃料供应的紧张，往往不能保证电力的可靠供应。而这些边远地区特别是海岛大部分有较丰富的风能资源，随着风电技术的日趋成熟，其电能的生产成本已经低于柴油发电的成本。因此，如何采用风力发电机组和柴油发电机组联合运行，为电网达不到的地区提供稳定可靠的、符合电能质量(电压、频率等)标准的电力，最大限度地节约柴油并减少对环境的污染，是世界各国在风能利用与开发研究中颇受瞩目的方向之一，特别是对发展中国家，由于电网尚不够普及，更具有广阔的应用前景。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种风力柴油联合独立发电系统的仿真方法，用以实现风力发电机组和柴油发电机组联合运行，为电网达不到的地区提供稳定可靠的、符合电能质量标准的电力，最大限度地节约柴油并减少对环境的污染。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案是：为优化风力柴油联合独立发电系统设计和改善控制系统，本发明所述风力柴油联合独立发电系统的仿真方法包括：首先建立由风机、柴油机、发电机、控制器、负荷组成的风力柴油联合独立发电系统的数学仿真模型，再对该系统进行技术可行性和优化设计，最后得出风力柴油联合独立发电系统的各项可靠性能指标(准确、稳定等性能)，其特征是：其仿真方法包括如下步骤：步骤一、.确定系统组成，步骤二、建立系统模型，步骤三、进行系统仿真；其中步骤一：所述确定系统组成，该风力柴油联合独立发电系统设计为由柴油机、同步电机、柴油机控制器、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；

其中步骤二：所述建立系统模型，是根据风力柴油联合独立发电系统的原理图，在MATLAB软件中应用SIMULINK建立系统模型，分别建立柴油机、同步电机、柴油机控制器、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的模型；以下对柴油机、风机、变桨距控制系统、频率控制器、异步电机、同步电机模型进行介绍：

A. 柴油机的传递函数为公式(1)：

G(S)=(K(1+T₁S)/(S(1+T₂S)(1+T₃S))) ×exp(-ST_D) (1)

公式(1)中，K——增益；T₁、T₂、T₃——时间常数；T_D——延迟时间；

B．风机的机械功率的模型为公式(2)：

P_w= P_v C_p (β,λ)=1/2×ρSv³ C_p (β,λ) (2)

公式(2)中，P_w——风机实际获得的机械输出功率；P_v——风机的输入功率；C_p——风机的风能利用系数；β——桨距角；λ——叶尖速比；ρ——空气密度；S——风轮的扫风面积；v——风速；

叶尖速比λ表示为公式(3)：

λ=2πR n /v= ωR /v (3)

公式(3)中，n——风轮的转速；ω——风轮角频率；R——风轮半径；v——作用于风机的迎面风速，

对于给定的叶尖速比λ和桨距角β，计算风能利用系数的公式为公式(4)：

C_p(β,λ) =0.22×(116/λ_i-0.4β-5.0) ×exp(-12.5/λ_i) (4)

其中，λ_i=1/(1/(λ+0.08β)-0.035/(β³+1)) ，

由公式(4)可根据不同的β、λ计算得到对应的C_p；

C.变桨距控制系统的模型:

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，变桨距控制系统在不同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β保持在0°附近，当β为0°时，C_p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；

D.频率控制器的模型:

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，而且以1.75kW进行步进，从而提高风力柴油联合独立发电系统的频率质量，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化处理，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，从而达到参与校正风力柴油联合独立发电系统频率的目的;

E.异步电机的模型:

建立在二相坐标系上的异步电机方程为：

电压方程为公式 (5)：

U_qs=R_s i_qs+dψ_qs/dt+ωψ_ds

U_ds=R_s i_ds+dψ_ds/dt-ωψ_ds

U_qr ^’= R_qr ^’i_qr ^’+dψ_qr ^’/dt+(ω-ω_r)ψ_dr ^’

U_dr ^’= R_dr ^’i_dr ^’+dψ_dr ^’/dt-(ω-ω_r)ψ_qr ^’ (5)

其中

ψ_qs=L_s i_qs+L_m i_qr ^’

ψ_ds= L_s i_ds+L_m i_qr ^’

ψ_qr ^’= L_r ^’i_qr ^’+L_mi_qs

ψ_dr ^’= L_r ^’i_dr ^’+L_mi_ds

L_s= L_ls+L_m

L_r ^’= L_lr ^’+L_m

电磁转矩为公式(6)：

T_e=1.5p(ψ_ds i_qs-ψ_qs i_ds) (6)

机械方程为公式(7)：

dω_m /dt=1/(2H)×(T_e-Fω_m-T_m)

dθ_m /dt=ω_m (7)

公式（5）、（6）、（7）中，R _s、L _ls——为定子电阻和定子漏感；L _lr ´——为转子漏感；L _m——为定转子互感；L _s、L _r ´——为定子自感和转子自感；U _qs、i _qs——为定子电压和定子电流在q轴上的分量；U _qr ´、i _qr ´——为转子电压和转子电流在q轴上的分量；U _ds、i _ds——为定子电压和定子电流在d轴上的分量；U _dr ´、i _dr ´——为转子电压和转子电流在d轴上的分量；Ψ _qs、Ψ _ds——为定子磁链的q轴和定子磁链的d轴分量；Ψ _qr ´、Ψ _dr ´——为转子磁链的q轴分量和转子磁链的d轴分量；ω _m——为转子角速度；θ _m——为转子位置角；p——为电机极对数；ω _r——为转子角频率；T _e——为电磁转矩；T _m——为机械转矩；H——为转子和负载的惯性常数；F——为摩擦系数；ω——风轮角频率；R _qr ´——为转子电阻的q轴分量；R _dr ´——为转子电阻的d轴分量；

F.同步电机的模型:

同步电机的数学模型建立在二相旋转d q坐标系上，模型反映了定子磁场和阻尼绕组的动态过程；

同步电机的电压方程为公式(8)：

u_d= R_si_d+ dψ_d/dt-ω_rψ_q

u_q= R_si_q+ dψ_q/dt+ω_rψ_d

u_fd ^’= R_fd ^’i_fd ^’+ dψ_fd ^’/dt

u_kd ^’= R _kd ^’i _kd ^’+ dψ_kd ^’/dt

u_kq1 ^’= R _kq1 ^’i _kq1 ^’+ dψ_kq1 ^’/dt

u_kq2 ^’= R _kq2 ^’i _kq2 ^’+ dψ_kq2 ^’/dt(8)

同步电机的磁链方程为公式(9)：

ψ_d= L_d i_d+ L_md(i_fd ^’+ i _kd ^’)

ψ_q= L_q i_q+ L_mq i _kq ^’

ψ_fd ^’= L _fd ^’i _fd ^’+ L_md(i_d+ i _kd ^’)

ψ_kd ^’= L_kd ^’i _kd ^’+ L_md(i_d+ i _fd ^’)

ψ_kq1 ^’= L _kq1 ^’i _kq1 ^’+ L_mqi_q

ψ_kq2 ^’= L _kq2 ^’i _kq2 ^’+ L_mqi_q (9)

公式(8)、(9)中，u_d——为电压在d轴上的分量；R_s——为定子电阻；i_d——为电流在d轴上的分量；ψ_d——为磁链的d轴分量；ω _r——为转子角频率；ψ_q——为磁链的q轴分量；u_q——为电压在q轴上的分量；i_q——为电流在q轴上的分量；u_fd ^’、u_kd ^’——为磁场和阻尼绕组电压在d轴上的分量；R_fd ^’、R _kd ^’——为磁场和阻尼绕组电阻在d轴上的分量；i_fd ^’、i_kd ^’——为磁场和阻尼绕组电流在d轴上的分量；ψ_fd ^’、ψ_kd ^’——为磁场和阻尼绕组磁链在d轴上的分量；u_kq1 ^’、u_kq2 ^’——为阻尼绕组电压1和电压2在q轴上的分量；R _kq1 ^’、R _kq2 ^’——为阻尼绕组电阻1和电阻2在q轴上的分量；i_kq1 ^’、i_kq2 ^’——为阻尼绕组电流1和电流2在q轴上的分量；ψ_kq1 ^’、ψ_kq2 ^’——为阻尼绕组磁链1和磁链2在q轴上的分量；L_d、L_q——为电感在d轴上的分量和q轴上的分量；L_md、L_mq——为励磁电感在d轴上的分量和q轴上的分量；L_fd ^’——为磁场电感在d轴上的分量；i _kq ^’——为阻尼绕组电流在q轴上的分量；

其中步骤三：所述进行风力柴油联合独立发电系统仿真，是根据步骤二建立的各个模型，建立系统的各个子模块，通过MATLAB软件中的SIMULINK对该系统进行仿真计算，各个子模块的主要参数为：

1) 柴油机发电模块：

模块中柴油机与同步电机的主要参数为：额定容量为300kVA，额定线电压为480V，极对数为2，额定功率因数为0.8，定子电阻为0.017pu，d轴同步电抗为3.23pu，d轴暂态电抗为0.21pu，d轴次暂态电抗为0.15pu，q轴同步电抗为2.79pu，q轴暂态电抗为1.03pu，q轴次暂态电抗为0.37pu，漏抗为0.09pu，d轴励磁绕组定子开路时间常数为1.7s，d轴阻尼D绕组定子开路时间常数为0.008s，电机转子q轴阻尼g绕组定子开路时间常数为0.213s，q轴阻尼Q绕组定子开路时间常数为0.004s，转子和负载的惯性常数为2s，模块中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：

模块中风机与异步电机的主要参数为：额定风速为12m/s，额定容量为275kVA，额定线电压为480V，极对数为2，额定功率因数为0.8，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，转子和负载的惯性常数为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3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1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60kW，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1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30kW，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，模块中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1.75kW，初始有功功率为50kW；模块中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；

当风速为11m/s时，对系统进行仿真；在0~0.4s期间，固定负荷为主要负荷60kW，0.4s时接入次要负荷30kW，固定负荷变为主要负荷与次要负荷之和90kW,仿真采用ode23tb算法，仿真时间为3s。

与现有技术相比，本发明有如下特点和进步：由于本风力柴油联合独立发电系统的仿真方法，建立了由风机、柴油机、发电机、控制器、负荷等组成的风力柴油联合独立发电系统的数学仿真模型，然后在MATLAB软件中应用SIMULINK对系统进行了建模仿真。因此该方法可以对独立电网准确稳定供电，可大大提高整个发电系统的效率；系统运行时电网电压的幅度保持稳定，频率变化不大，具有良好的幅度、频率稳定性；异步电机转速稍微高于同步转速，可获得很好的风能电能转换效率。仿真结果表明，风力柴油联合独立发电系统实现了风能的最大捕获，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，该系统具有良好的稳定性、适应性、可靠性和动态响应性能，对实际的设计和优化有可靠的参考价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的系统原理方框图；

图2是本发明的仿真原理方框图；

图3是本发明系统运行时的异步电机转速图；

图4是本发明系统运行时的电网电压图；

图5是本发明系统运行时的控制负荷图；

图6是本发明系统运行时的固定负荷图。

具体实施方式

参照附图：设计出的风力柴油联合独立发电系统的仿真方法包括如下步骤：1.确定系统组成：所述风力柴油联合独立发电系统，由柴油机、同步电机、柴油机控制器、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；在风速较低、风机捕获的能量无法满足负荷时，柴油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；在风速较高、风机捕获的能量可满足负荷时，关闭柴油机，同步电机空载运行，异步电机单独对负荷进行供电。风机采用变桨距控制，当风速小于额定风速时，桨距角为0º，采用最大功率跟踪策略来实现最大风能的捕捉；当风速增加到大于额定风速时，变桨距装置动作，桨距角逐渐变大，将发电机的输出功率限制在额定功率附近。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，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；

2.建立系统模型：根据风力柴油联合独立发电系统的原理图，在MATLAB软件中应用SIMULINK建立系统模型，分别建立柴油机、同步电机、柴油机控制器、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的模型；以下对柴油机、风机、变桨距控制系统、频率控制器、异步电机、同步电机模型进行介绍：

A. 柴油机的传递函数为公式(1)：

G(S)=(K(1+T₁S)/(S(1+T₂S)(1+T₃S))) ×exp(-ST_D)(1)

公式(1)中，K——增益；T₁、T₂、T₃——时间常数；T_D——延迟时间；

B．风机的机械功率的模型为公式(2)：

P_w= P_v C_p (β,λ)=1/2×ρSv³ C_p (β,λ) (2)

公式(2)中，P_w——风机实际获得的机械输出功率；P_v——风机的输入功率；C_p——风机的风能利用系数；β——桨距角；λ——叶尖速比；ρ——空气密度；S——风轮的扫风面积；v——风速；

叶尖速比λ表示为公式(3)：

λ=2πR n /v= ωR /v (3)

公式(3)中，n——风轮的转速；ω——风轮角频率；R——风轮半径；v——作用于风机的迎面风速，

对于给定的叶尖速比λ和桨距角β，计算风能利用系数的公式为公式(4)：

C_p(β,λ) =0.22×(116/λ_i-0.4β-5.0) ×exp(-12.5/λ_i) (4)

其中，λ_i=1/(1/(λ+0.08β)-0.035/(β³+1)) ，

由公式(4)可根据不同的β、λ计算得到对应的C_p；

C.变桨距控制系统的模型:

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，变桨距控制系统在不同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β保持在0°附近，当β为0°时，C_p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；

D.频率控制器的模型:

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，而且以1.75kW进行步进，从而提高风力柴油联合独立发电系统的频率质量，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化处理，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，从而达到参与校正风力柴油联合独立发电系统频率的目的;

E.异步电机的模型:

建立在二相坐标系上的异步电机方程为：

电压方程为公式 (5)：

U_qs=R_s i_qs+dψ_qs/dt+ωψ_ds

U_ds=R_s i_ds+dψ_ds/dt-ωψ_ds

U_qr ^’= R_qr ^’i_qr ^’+dψ_qr ^’/dt+(ω-ω_r)ψ_dr ^’

U_dr ^’= R_dr ^’i_dr ^’+dψ_dr ^’/dt-(ω-ω_r)ψ_qr ^’ (5)

其中

ψ_qs=L_s i_qs+L_m i_qr ^’

ψ_ds= L_s i_ds+L_m i_qr ^’

ψ_qr ^’= L_r ^’i_qr ^’+L_mi_qs

ψ_dr ^’= L_r ^’i_dr ^’+L_mi_ds

L_s= L_ls+L_m

L_r ^’= L_lr ^’+L_m

电磁转矩为公式(6)：

T_e=1.5p(ψ_ds i_qs-ψ_qs i_ds) (6)

机械方程为公式(7)：

dω_m /dt=1/(2H)×(T_e-Fω_m-T_m)

dθ_m /dt=ω_m (7)

公式（5）、（6）、（7）中，R _s、L _ls——为定子电阻和定子漏感；L _lr ´——为转子漏感；L _m——为定转子互感；L _s、L _r ´——为定子自感和转子自感；U _qs、i _qs——为定子电压和定子电流在q轴上的分量；U _qr ´、i _qr ´——为转子电压和转子电流在q轴上的分量；U _ds、i _ds——为定子电压和定子电流在d轴上的分量；U _dr ´、i _dr ´——为转子电压和转子电流在d轴上的分量；Ψ _qs、Ψ _ds——为定子磁链的q轴和定子磁链的d轴分量；Ψ _qr ´、Ψ _dr ´——为转子磁链的q轴分量和转子磁链的d轴分量；ω _m——为转子角速度；θ _m——为转子位置角；p——为电机极对数；ω _r——为转子角频率；T _e——为电磁转矩；T _m——为机械转矩；H——为转子和负载的惯性常数；F——为摩擦系数；ω——风轮角频率；R _qr ´——为转子电阻的q轴分量；R _dr ´——为转子电阻的d轴分量；

F.同步电机的模型:

同步电机的数学模型建立在二相旋转d q坐标系上，模型反映了定子磁场和阻尼绕组的动态过程；

同步电机的电压方程为公式(8)：

u_d= R_si_d+ dψ_d/dt-ω_rψ_q

u_q= R_si_q+ dψ_q/dt+ω_rψ_d

u_fd ^’= R_fd ^’i_fd ^’+ dψ_fd ^’/dt

u_kd ^’= R _kd ^’i _kd ^’+ dψ_kd ^’/dt

u_kq1 ^’= R _kq1 ^’i _kq1 ^’+ dψ_kq1 ^’/dt

u_kq2 ^’= R _kq2 ^’i _kq2 ^’+ dψ_kq2 ^’/dt(8)

同步电机的磁链方程为公式(9)：

ψ_d= L_d i_d+ L_md(i_fd ^’+ i _kd ^’)

ψ_q= L_q i_q+ L_mq i _kq ^’

ψ_fd ^’= L _fd ^’i _fd ^’+ L_md(i_d+ i _kd ^’)

ψ_kd ^’= L_kd ^’i _kd ^’+ L_md(i_d+ i _fd ^’)

ψ_kq1 ^’= L _kq1 ^’i _kq1 ^’+ L_mqi_q

ψ_kq2 ^’= L _kq2 ^’i _kq2 ^’+ L_mqi_q (9)

公式(8)、(9)中，u_d——为电压在d轴上的分量；R_s——为定子电阻；i_d——为电流在d轴上的分量；ψ_d——为磁链的d轴分量；ω _r——为转子角频率；ψ_q——为磁链的q轴分量；u_q——为电压在q轴上的分量；i_q——为电流在q轴上的分量；u_fd ^’、u_kd ^’——为磁场和阻尼绕组电压在d轴上的分量；R_fd ^’、R _kd ^’——为磁场和阻尼绕组电阻在d轴上的分量；i_fd ^’、i_kd ^’——为磁场和阻尼绕组电流在d轴上的分量；ψ_fd ^’、ψ_kd ^’——为磁场和阻尼绕组磁链在d轴上的分量；u_kq1 ^’、u_kq2 ^’——为阻尼绕组电压1和电压2在q轴上的分量；R _kq1 ^’、R _kq2 ^’——为阻尼绕组电阻1和电阻2在q轴上的分量；i_kq1 ^’、i_kq2 ^’——为阻尼绕组电流1和电流2在q轴上的分量；ψ_kq1 ^’、ψ_kq2 ^’——为阻尼绕组磁链1和磁链2在q轴上的分量；L_d、L_q——为电感在d轴上的分量和q轴上的分量；L_md、L_mq——为励磁电感在d轴上的分量和q轴上的分量；L_fd ^’——为磁场电感在d轴上的分量；i _kq ^’——为阻尼绕组电流在q轴上的分量；

其中步骤三：所述进行风力柴油联合独立发电系统仿真，是根据步骤二建立的各个模型，建立系统的各个子模块，通过MATLAB软件中的SIMULINK对该系统进行仿真计算，各个子模块的主要参数为：

1) 柴油机发电模块：

模块中柴油机与同步电机的主要参数为：额定容量为300kVA，额定线电压为480V，极对数为2，额定功率因数为0.8，定子电阻为0.017pu，d轴同步电抗为3.23pu，d轴暂态电抗为0.21pu，d轴次暂态电抗为0.15pu，q轴同步电抗为2.79pu，q轴暂态电抗为1.03pu，q轴次暂态电抗为0.37pu，漏抗为0.09pu，d轴励磁绕组定子开路时间常数为1.7s，d轴阻尼D绕组定子开路时间常数为0.008s，电机转子q轴阻尼g绕组定子开路时间常数为0.213s，q轴阻尼Q绕组定子开路时间常数为0.004s，转子和负载的惯性常数为2s，模块中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：

模块中风机与异步电机的主要参数为：额定风速为12m/s，额定容量为275kVA，额定线电压为480V，极对数为2，额定功率因数为0.8，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，转子和负载的惯性常数为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3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1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60kW，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1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30kW，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，模块中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1.75kW，初始有功功率为50kW；模块中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；

当风速为11m/s时，对系统进行仿真；在0~0.4s期间，固定负荷为主要负荷60kW，0.4s时接入次要负荷30kW，固定负荷变为主要负荷与次要负荷之和90kW,仿真采用ode23tb算法，仿真时间为3s。

Claims (1)

1.一种风力柴油联合独立发电系统的仿真方法，包括首先建立风力柴油联合独立发电系统的数学仿真模型，再对该系统进行技术可行性和优化设计，最后得出风力柴油联合独立发电系统的各项可靠性能指标，其特征是：其仿真方法包括如下步骤：步骤一、确定系统组成，步骤二、建立系统模型，步骤三、进行系统仿真；

其中步骤一：所述确定系统组成，该风力柴油联合独立发电系统设计为由柴油机、同步电机、柴油机控制器、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；

其中步骤二：所述建立系统模型，是根据风力柴油联合独立发电系统的原理图，在MATLAB软件中应用SIMULINK建立系统模型，分别建立柴油机、同步电机、柴油机控制器、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的模型；以下对柴油机、风机、变桨距控制系统、频率控制器、异步电机、同步电机模型进行介绍：

A. 柴油机的传递函数为公式(1)：

G(S)=(K(1+T₁S)/(S(1+T₂S)(1+T₃S))) ×exp(-ST_D) (1)

公式(1)中，K——增益；T₁、T₂、T₃——时间常数；T_D——延迟时间；

B．风机的机械功率的模型为公式(2)：

P_w= P_v C_p (β,λ)=1/2×ρSv³ C_p (β,λ) (2)

公式(2)中，P_w——风机实际获得的机械输出功率；P_v——风机的输入功率；C_p——风机的风能利用系数；β——桨距角；λ——叶尖速比；ρ——空气密度；S——风轮的扫风面积；v——风速；

叶尖速比λ表示为公式(3)：

λ=2πR n /v= ωR /v (3)

公式(3)中，n——风轮的转速；ω——风轮角频率；R——风轮半径；v——作用于风机的迎面风速，

对于给定的叶尖速比λ和桨距角β，计算风能利用系数的公式为公式(4)：

C_p(β,λ) =0.22×(116/λ_i-0.4β-5.0) ×exp(-12.5/λ_i) (4)

公式(4)中，λ_i=1/(1/(λ+0.08β)-0.035/(β³+1)) ，

由公式(4)可根据不同的β、λ计算得到对应的C_p；

C.变桨距控制系统的模型:

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，变桨距控制系统在不同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β保持在0°附近，当β为0°时，C_p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；

D.频率控制器的模型:

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，而且以1.75kW进行步进，从而提高风力柴油联合独立发电系统的频率质量，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化处理，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，从而达到参与校正风力柴油联合独立发电系统频率的目的;

E.异步电机的模型:

建立在二相坐标系上的异步电机方程为：

电压方程为公式 (5)：

U_qs=R_s i_qs+dψ_qs/dt+ωψ_ds

U_ds=R_s i_ds+dψ_ds/dt-ωψ_ds

U_qr ^’= R_qr ^’i_qr ^’+dψ_qr ^’/dt+(ω-ω_r)ψ_dr ^’

U_dr ^’= R_dr ^’i_dr ^’+dψ_dr ^’/dt-(ω-ω_r)ψ_qr ^’ (5)

其中

ψ_qs=L_s i_qs+L_m i_qr ^’

ψ_ds= L_s i_ds+L_m i_qr ^’

ψ_qr ^’= L_r ^’i_qr ^’+L_mi_qs

ψ_dr ^’= L_r ^’i_dr ^’+L_mi_ds

L_s= L_ls+L_m

L_r ^’= L_lr ^’+L_m

电磁转矩为公式(6)：

T_e=1.5p(ψ_ds i_qs-ψ_qs i_ds) (6)

机械方程为公式(7)：

dω_m /dt=1/(2H)×(T_e-Fω_m-T_m)

dθ_m /dt=ω_m (7)

公式（5）、（6）、（7）中，R _s、L _ls——为定子电阻和定子漏感；L _lr ´——为转子漏感；L _m——为定转子互感；L _s、L _r ´——为定子自感和转子自感；U _qs、i _qs——为定子电压和定子电流在q轴上的分量；U _qr ´、i _qr ´——为转子电压和转子电流在q轴上的分量；U _ds、i _ds——为定子电压和定子电流在d轴上的分量；U _dr ´、i _dr ´——为转子电压和转子电流在d轴上的分量；Ψ _qs、Ψ _ds——为定子磁链的q轴和定子磁链的d轴分量；Ψ _qr ´、Ψ _dr ´——为转子磁链的q轴分量和转子磁链的d轴分量；ω _m——为转子角速度；θ _m——为转子位置角；p——为电机极对数；ω _r——为转子角频率；T _e——为电磁转矩；T _m——为机械转矩；H——为转子和负载的惯性常数；F——为摩擦系数；ω——风轮角频率；R _qr ´——为转子电阻的q轴分量；R _dr ´——为转子电阻的d轴分量；

F.同步电机的模型:

同步电机的数学模型建立在二相旋转d q坐标系上，模型反映了定子磁场和阻尼绕组的动态过程；

同步电机的电压方程为公式(8)：

u_d= R_si_d+ dψ_d/dt-ω_rψ_q

u_q= R_si_q+ dψ_q/dt+ω_rψ_d

u_fd ^’= R_fd ^’i_fd ^’+ dψ_fd ^’/dt

u_kd ^’= R _kd ^’i _kd ^’+ dψ_kd ^’/dt

u_kq1 ^’= R _kq1 ^’i _kq1 ^’+ dψ_kq1 ^’/dt

u_kq2 ^’= R _kq2 ^’i _kq2 ^’+ dψ_kq2 ^’/dt (8)

同步电机的磁链方程为公式(9)：

ψ_d= L_d i_d+ L_md(i_fd ^’+ i _kd ^’)

ψ_q= L_q i_q+ L_mq i _kq ^’

ψ_fd ^’= L _fd ^’i _fd ^’+ L_md(i_d+ i _kd ^’)

ψ_kd ^’= L_kd ^’i _kd ^’+ L_md(i_d+ i _fd ^’)

ψ_kq1 ^’= L _kq1 ^’i _kq1 ^’+ L_mqi_q

ψ_kq2 ^’= L _kq2 ^’i _kq2 ^’+ L_mqi_q (9)

公式(8)、(9)中，u_d——为电压在d轴上的分量；R_s——为定子电阻；i_d——为电流在d轴上的分量；ψ_d——为磁链的d轴分量；ω _r——为转子角频率；ψ_q——为磁链的q轴分量；u_q——为电压在q轴上的分量；i_q——为电流在q轴上的分量；u_fd ^’、u_kd ^’——为磁场和阻尼绕组电压在d轴上的分量；R_fd ^’、R _kd ^’——为磁场和阻尼绕组电阻在d轴上的分量；i_fd ^’、i_kd ^’——为磁场和阻尼绕组电流在d轴上的分量；ψ_fd ^’、ψ_kd ^’——为磁场和阻尼绕组磁链在d轴上的分量；u_kq1 ^’、u_kq2 ^’——为阻尼绕组电压1和电压2在q轴上的分量；R _kq1 ^’、R _kq2 ^’——为阻尼绕组电阻1和电阻2在q轴上的分量；i_kq1 ^’、i_kq2 ^’——为阻尼绕组电流1和电流2在q轴上的分量；ψ_kq1 ^’、ψ_kq2 ^’——为阻尼绕组磁链1和磁链2在q轴上的分量；L_d、L_q——为电感在d轴上的分量和q轴上的分量；L_md、L_mq——为励磁电感在d轴上的分量和q轴上的分量；L_fd ^’——为磁场电感在d轴上的分量；i _kq ^’——为阻尼绕组电流在q轴上的分量；L_kd ^’——为阻尼绕组电感在d轴上的分量；i _kd ^’——为阻尼绕组电流在d轴上的分量；L _kq1 ^’——为阻尼绕组电感1在q轴上的分量；

i _kq1 ^’——为阻尼绕组电流1在q轴上的分量；^­L _kq2 ^’——为阻尼绕组电感2在q轴上的分量；i _kq2 ^’—— 为阻尼绕组电流2在q轴上的分量；

其中步骤三：所述进行风力柴油联合独立发电系统仿真，是根据步骤二建立的各个模型，建立系统的各个子模块，通过MATLAB软件中的SIMULINK对该系统进行仿真计算，各个子模块的主要参数为：

1) 柴油机发电模块：

模块中柴油机与同步电机的主要参数为：额定容量为300kVA，额定线电压为480V，极对数为2，额定功率因数为0.8，定子电阻为0.017pu，d轴同步电抗为3.23pu，d轴暂态电抗为0.21pu，d轴次暂态电抗为0.15pu，q轴同步电抗为2.79pu，q轴暂态电抗为1.03pu，q轴次暂态电抗为0.37pu，漏抗为0.09pu，d轴励磁绕组定子开路时间常数为1.7s，d轴阻尼D绕组定子开路时间常数为0.008s，电机转子q轴阻尼g绕组定子开路时间常数为0.213s，q轴阻尼Q绕组定子开路时间常数为0.004s，转子和负载的惯性常数为2s，模块中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：

模块中风机与异步电机的主要参数为：额定风速为12m/s，额定容量为275kVA，额定线电压为480V，极对数为2，额定功率因数为0.8，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，转子和负载的惯性常数为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3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1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60kW，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1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30kW，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，模块中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1.75kW，初始有功功率为50kW；模块中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；

当风速为11m/s时，对系统进行仿真；在0~0.4s期间，固定负荷为主要负荷60kW，0.4s时接入次要负荷30kW，固定负荷变为主要负荷与次要负荷之和90kW,仿真采用ode23tb算法，仿真时间为3s。