定速风电机组的仿真报告

定速风电机组的仿真组员：江天天 赵正严亚俊一、简介 基于普通感应发电机的定速风电机组，一般由风轮、轴系（包括低速轴 LS 高速轴 HS 和齿轮箱组成）、感应发电机组等组成，如图 1 所示。发电机转子通 过轴系与风电机组风轮连接，而发电机定子回路与电网用交流线路连接。这种 类型的风电机组一旦起动，其风轮转速是不变的（取决于电网的系统频率），与 风速无关。在电力系统正常运行的情况下，风轮转速随感应发电机的滑差变化。 风电机组在额定功率运行状态下，发电机滑差的变化范围为 1%2%，因此正常 运行时风轮转速仅在很小范围内变化。图1 ：基于普通感应发电机的定速风电机组二、工作原理：风电机组通过三叶片风轮将风能转换成机械能，风能输出的机械功率为注释：空气密度；：通过风力机叶片的风速；：叶尖速比；：叶片浆距角；：叶片旋转半径；：叶片旋转角速度；：叶片扫风面积；：功率系数（与叶尖速比以及叶片浆距角有关）。 根据不同的、取值，可得到的曲线如图 2 所示，从图中可以看出，对应某 一确定的浆距角，有一极大值存在，也就是说，当风力机运行时不能保证在所 有的风速下都能够产生最大的功率输出。的理论最大值为 0.593，这就是著名的 Betz 极限。0246 S 1(112 H 16图2：关系曲线Tifbng Puwa(PI出bti = t degf)UHD.B0V.204 O.i OB 11.21.4Tivfane speed (pu of nomnai genefor speed图3 ：风电机组功率特性首畫d呈5塔 -UEEI匸爼3a艺亠弓口 匸-绘匸定速风电机组的风轮从风中获取机械能，然后通过齿轮轴系传递给感应发 电机，感应发电机再把机械能转换成电能，输送到电网中。感应发电机向电网 提供有功功率，同时从电网吸收无功功率用来励磁。因为这种类型的感应发电 机无法控制无功功率，所以利用无功补偿器来改善风电机组的功率因数，降低 机组从电网中吸收的总的无功功率。现代定速风电机组的风轮转速为 1520r/m in，发电机转子的同步转速与电网频率对应。定速风电机组可以采用定浆距控制，也可以采用叶片角控制。其中，定浆 距控制风电机组为被动失速控制，它将叶片以固定浆距角用螺栓固定在轮毂上, 在给定风速下，风电机组风轮开始失速，失速条件始于叶片根部，并随着风速 加大逐渐发展到全部叶片长度。这种失速控制方式成本低廉，但是低风速下风 电机组发电效率较低。而叶片角控制定速风电机组为采用负浆距角的主动失速 控制方式。主动失速设置为在风速低于额定风速时优化处理，在风速超过额定 风速时限制出力为额定功率。这种主动失速控制方式能够提高风电机组的发电 效率。三、仿真模块：Three-Phase Source【三相电源模块】Three-Phase Transformer(Two Windings)【三相双绕组变压器模块】Three-Phase Fault【三相故障模块】Three-Phase PI Section Line【三相n型等值电路模块】Three-Phase V-I Measurement【三相电压电流测量元件模块-模拟母线】 Wi nd Turbi ne In duction Gen erator(Phasor Type)【风电机组模块】Goto【跳转模块】Constant【常数系数模块】From Workspace【从工作空间中输入数据模块】Bus Selector【总线选择器模块】Abs【求取绝对值模块】Scope【观测仪模块】Powergui【电力图形用户分析界面模块】四、模型仿真：一台单机容量为1.5MW的定速风电机组经过升压，通过长度为100km、电 抗为的架空输电线路与外部系统相连。参考 MATLAB 中风电机组模型建立如图 3 所示单机无穷大电源的仿真系统。图 4 为定速风电机组子系统结构(右键单 击风电机组模块Wind Turbine，然后选中下拉列表中的“Look under mask”选项, 打开后可见定速风电机组子系统结构)。图4：单机无穷大电源的仿真系统图5定速风电机组子系统结构1、参数设置【Three-Phase Source 】e Block Paramteters: ThreeSourceThree-Fhast Source Inask) (link)*Hnee-phase volt age 戈口urce in serie? with Fl brandi Patramcters Load FlowPhase-t o-phase rn.s voLtage (V):25e3Phase sngLm of phase A. (degrees) s丁Frequency (Hz);50三Intemal connect ion: Yg|V| Specify inupedancis uins shorticiTGiLit level3-phasc shortCrcLLil： level ai base volt age (VA.):lQOeBE；asu 中口 1 : age (Vine ph-ph):25e3X/R raftio:79 耳.H.dP. Apply【Three-Phase Tra nsformer(Two Windings)】号 3kck PmrmcIvrK liOkV/HSkVThE(i&-Phii3a It-ufiffDtfhAt (Trti(hast) Qluk)This black IrpLflwyrt s a EhEtt-pkaji* t l uridfDLht：: by 3：应 ttiFtt Finslr-phiF? tcanrfpcMrTSi Sort tkt wind in c rnrrclign. to 加 Than pcu vuit ts iieehxx th nau.*! xmL poairt th 严_Clide Iha AppLy oi th?huTtQii sfttr 3 chuic? Io the lritspopup 4:口 canL tn *bai utitwuhzun pac nit bfx.iTctrt 3 piradriciii | PaTutAfj：Adviociid冉mdini L ccrar-atiaTi CJBc +eTTiiriar)B T9Hiiidltij- x Lrtiiitctliaini, b ternlnal l 1.jatJiraM t col*亡Vpuiirensrrts toe. .t |DE匚皿赳HlpQ 3ln=k Paiirw1Vri: 22Dk*/y35kVThtfdA-Pha T caiitotrwt (Tyd Vindines) 1：辽反 1 ii2 . VLhdlhCj i：乩曲)thiz： blacik nspLflPnts 耳 ihrse-phas?- tiMisfc-cFwi by ufin蜃 thnji ffiiiitle-phanr- tTirsfo-meiCi Set thjj nn-dirc cxMuient ion tn Ytfi Meri yffil 彌力：to IKiZfiSS thf lifui Ffil psiTit dif Khi!: V/t.Clirl tke Apply nr th? iK tartton 3t+*r 3 chanse to the Lhiits popup to COnfiXTi Thi OEL?tElOLi PU31L4匚irzCDTff Ljurart imFxajtFtiMN | JbjvanraJViivilnt 1 comiKiiaii I1CC leLAUiilfiSB */Lndins： 2 cnnnTtian. abc tBranoiLs) : itlra sDL .JiiiiiAlLe mfbNfrlEllESSeatii |Han.【Three-Phase Fault】 电网正常运行时，Three-Phase Fault模块不用设置，即为默认，如下左图。 电网故障运行时，参数设置如下右图：Apply辛 Block Pirameiersi Thr-F+isse FaultITjc this blodi 1d prorsmi. a fault h&rt-circuitmy phuE and the ground- can drfme t h* f ault tiringdiiectl? ftui the dialog boon nr apply at estomal lofiical 5i.EnaliIf ynu chc-uk the- Eflrn.-sl cont col bos; $ thm QirteiEnal conttolinput tj.1L qjpparuFatunct cisM Phase A Fanil(ffl Phu? E Fs.ultPh：話日C FaultFault resistances Eon C(fts) ?O.OOL Giound faultG-tcoind. rL5iance Rj (ohiz-?:0. CDLI External EoorrtEcl ttf iault tia.in :TtranjitiotA status ！. -. _) !1 DTEsnitica tiner (b)sL 0.02 nr Snubber a r&3ist：iAC& 即 (otiis) Le6SnutbErz 匚apicit ance Cp CFarad)Ulf【Three-Phase PI Section Line】【Three-Phase V-I Measureme nt】【Wind Turb ine In due tion Gen erator(Phasor Type)】【Goto】【Co nsta nt】【From Workspace【Bus Selector两 Function Block Pi ra meters: Eu& ejector【Abs】 -undiort &1(kLAhsI its -T = lolHi+prrt FiTiiryiKOutpTit dbt typ&l Cnhariis Shi u LnpvlLpck crutpji darti t;nlhe ac-sinrt chan；呂 by iih finisd-poirrt toslsirhniiKE rcuiJini Bcda z |f 1O4I”SatuExfen on Lrvtfat WBrClaw| CauGHl! BtlpI: -【Scope】M iccqeBJ icope-亡忙任HE HflJtry 咧仙伯上tti=ry 嘶Aad Hosfr 5obc K-y. -HW 開e drta tiTtojfrr4ft|e： 30IP-drirt*: unt &hhC4i5sr鸟 I 1皿电朋*CdiiMj HM厶鹹OK仙闻| 毗|AwlyjEiffdl HAWfy =i*【Powergui】【Simulation Configuration Parameters】2、风电机组输出特性仿真在仿真时，由于需要风电场在某段时间内的风速数值，于是参考相关文献 1，并运用MATLAB模拟出阵风、渐变风时的风速，下面将详细介绍： 当输入为阵风时：首先，运用MATLAB模拟出阵风时的风速，程序附录一；其次，将数据导入exceI表中；接着，在MATLAB的命令窗口中输入以下程序将数据读到工作空间变量y 中：y=xlsread(D:MATLAB_R2012aworkzhenfengVwg.xls);且，由于之前已经设置好参数及相关命令，在此，可以直接仿真，得到如 下结果：File Edit Osbug Parallel Desktop Window Help1匚已 | 戛电叩 B to谷 |(DMATLAB_R2O12abir- T| Shairtculs 回 How to Add 画 Wbaf s NewCo-mmand WindowFigures - Scope,1_ ? X曰訓叵怎玉舄第茶叵ft田匚日fil回心 Start当输入为渐变风时：首先，运用MATLAB模拟出渐变风时的风速，程序附录二；其次，将数据导入exceI表中；接着，在MATLAB的命令窗口中输入以下程序将数据读到工作空间变量y 中：y=xlsread(D:MATLAB_R2012aworkjianbianVwr.xls);且，由于之前已经设置好参数及相关命令，在此，可以直接仿真，得到如 下结果：File Edit Debug Parallel Desldop Window HelpIs已 | 弟电叩 B 制理圃 辱 |&MATLAB_R2O12flbir二| 遏Shcirtculs 回 How to Add 回 Wbaf & INcwCo-mmard WindowFigures - Scope,1_ ? X曰爲|叵）制却雷第环叵A田匚日占回心Tme offset: 0卅 Start由仿真曲线可以看出，风电机组机端电压、输出有功功率和无功功率以及 风电机组转子转速都随其输入风速的变化而变化。由于定速风电机组采用感应 发电机，因此其在输出有功功率的同时，要从电网中吸收无功功率。3、电网故障时风电机组输出特性仿真利用模型中的三相故障模块设置电网在0.02S时刻发生三相短路故障，到0.1S时故障消失，仿真起始时间设置为0，终止时间设置为1S。当输入风为基本风(恒风速)时：首先，直接在exceI表中输入两列数据，一列是：时间，从0开始，间隔为 0.001S，一直取到1S为止；另一列：风速，风速全为15m/s;然后，在MATLAB的命令窗口中输入以下程序将数据读到工作空间变量y 中：y=xlsread(D:MATLAB_R2012aworkguzhangzhenfengVwggz15.xls);且，由于之前已经设置好参数及相关命令，同时将Three-Phase Fault模块 进行相应的参数设置，在此，可以直接仿真，得到如下结果：从仿真曲线可以看出，电网故障时定速风电机组的感应发电机要从电网中 吸收大量的无功功率，以维持机端电压。五、仿真总结通过本次的实验应用仿真，本小组了解到风力发电系统的基本模型，并对 各个模块的作用及参数设置有一定的认识。根据本次的仿真结果，可以得出定 速风电机组不论在正常或故障运行时，输出有功功率的同时，都要从电网中吸 收无功功率。而在仿真的过程中，需要注意到，在运行这个模型时，首先要从 Xis文件中读取风速，否则运行发生错误，无法获得最终的结果。六、参考文献1杨之俊.基于Matlab的组合风速建模与仿真J.安徽电气工程职业技术学院学 报，2008, 13（3）:74-77.附录:附录一% 阵风风速pi = 3.14;Gmax = 15; %阵风峰值 m/sTg = 30; %阵风周期 STlg = 0; %阵风开始时间t = 0:0.01:30;Vwg = (Gmax/2)*(1-cos(2*pi*(t-Tlg)/Tg);save Vwg.txt Vwg -ascii;y=xlsread(D:MATLAB_R2012aworkzhenfengVwg.xls); %读入数据 % 渐变风速Rmax = 15; %渐变风速最大值 m/sTr = 30; %渐变风保持时间 ST1r = 0; %渐变风速开始时间T2r = 30; %渐变风速结束时间t = 0:0.01:30;Vwr =Rmax*(t-T1r)/(T2r-T1r) ;save Vwr.txt Vwr -ascii;y=xlsread(D:MATLAB_R2012aworkjianbianVwr.xls ); %读入数据