基于psse自愈的風電系統空氣動力學建模與應用

為了研究風發(fā)電對電氣系統運行和穩(wěn)定的影響，有必要建立風裝置及其相關數學模型，并進行數字模擬。電力系統仿真軟件PSS/E中提供了幾種不同類型風力發(fā)電機及其相關元件的模型,但其通用模型庫中的空氣動力模型均為線性化模型本文利用PSS/E的自定義功能,以FORTRAN語言編寫了詳細的空氣動力學模型及3種類型(陣風、斜坡風和隨機風)的風速模型子程序,通過編譯、鏈接后生成動態(tài)鏈接庫文件供PSS/E主程序調用,然后通過算例驗證了本文自定義的風速模型及空氣動力模型有效性。1基于dfig的風壓機目前基于DFIG的VSCF風力發(fā)電機組是風力發(fā)電的主流機型DFIG在VSCF風力發(fā)電系統中占有重要地位,它將風力機轉換來的機械能轉化為電能。DFIG由繞線轉子異步發(fā)電機和交流勵磁變頻器組成的,其定子與電網直接連接,轉子通過變流器與電網連接,從而實現功率的雙向流動。DFIG向電網輸出的功率由2部分組成:通過變頻器從轉子輸出的功率和直接從定子輸出的功率本文著重介紹與空氣動力部分、機械傳動部分和風力發(fā)電部分相關的模型。1.1機械傳動數學模型典型的風力發(fā)電機組軸系一般可經等效為2~3個質量塊。文獻[3]指出,變速風力發(fā)電機組由于采用解耦控制策略,機械傳動模型對網側特性影響很小。因此,本文給出的機械傳動軸的2質塊模型如圖2所示。傳動軸的2質塊模型由2部分組成,第1質塊表示傳動軸上風力機部分的旋轉運動,第2質塊表示傳動軸上發(fā)電機部分的旋轉運動。若采用單質塊軸系模型,則表示將傳動軸上所有部件集中為單一質量塊。第1質塊的運動方程為式中:H式中:H1.2風力發(fā)電系統的風速模型風速模型是一個作用于風輪機的風速信號源,決定了風機的動態(tài)特性。根據風速的變化情況,一般將風速分為4種模型:基本風、斜坡風、陣風和隨機風基本風反映了風電場中的平均風速變化,決定了風力發(fā)電機的輸出功率。在進行動態(tài)仿真時,可以根據穩(wěn)態(tài)計算結果,由初始化時計算出基本風的初始風速V1.2.1斜風模型斜坡風的數學模型主要由以下3個參數描述:起始時間t式中,D1.2.2矩陣模型陣風的數學模型主要由以下3個參數描述:起始時間t1.2.3隨機風模型隨機風的數學模型表達式如式(5)所示。式中:φ1.3空氣動力學模型1.3.1標準空氣動力學模型空氣動力模型用來計算風力機輸出的機械功率P式中:R為風輪半徑,ρ為空氣密度,C功率系數C1.3.2空氣動力學的線性模型線性化的空氣動力模型為式中:ΔP=β(β-β2pss-e的自定義功能和風速模型2.1基于pss/e的動態(tài)系統的仿真PSS/E有自定義功能,用戶還可以根據自己的需求來定義相應的模型。為了保證主程序對自定義模型的調用,在書寫自定義模型子程序時,將程序分成8個部分,由標志量MODE(取值1~8)來表示。用PSS/E提供的PSS/EEnvironmentManager圖形化程序進行編譯/鏈接CONEC.flx、CONET.flx文件,生成動態(tài)鏈接庫文件(*.dll文件,默認的文件名為dsusr.dll)。將生成的*.dll文件放在PSS/E主程序起始位置的文件夾中或加載到PSS/E的動態(tài)元件模型庫中,在啟動該PSS/E進行動態(tài)仿真過程中就會自動加載*.dll文件中用戶自定義的模型。以發(fā)電機相關設備的自定義模型為例,自定義模型在動態(tài)輸入文件(*.dyr)中的格式如下其中:BUSID為母線編號;IM為機組序號;modelname為自定義模型名稱;IC、IT分別為CONEC、CONET調用碼;NI、NC、NS、NV分別為自定義模型中ICONs、CONs、STATEs、VARs的數目;datalist為ICONs、CONs的參數列表。2.2初始風速的求解下面討論陣風的風速PSS/E自定義模型。陣風模型如式(3)所示,其中的輸入量和輸出量分別為V在MODE取值1時,初始化過程中根據潮流計算結果進行求解初始風速;在MODE取值2時,根據式(3)編寫相應的代碼;在MODE取值3時,將MODE取值2過程中計算的風速賦值給PSS/E內部風速數組WVLCTY。陣風數學模型中不涉及微分方程,可以不進行MODE取值4時狀態(tài)變量指針更新。3dfig的仿真本節(jié)采用的算例由WECC提供,如圖3所示;與母線5連接的風機是一個等效的DFIG,實際輸出功率100MW。母線1為無窮大母線,與其連接的發(fā)電機采用經典2階模型,發(fā)電機慣性為無窮大,忽略阻尼系數。系統基準容量為100MW。線路、變壓器的參數如表2,其中L3和T2為風電場等效的線路和變壓器。在仿真過程中空氣動力模型采用本文自定義的詳細模型,DFIG模型采用PSS/E自帶的WT3G2,有功和無功控制為WT3E1,傳動軸模型采用PSS/E中的2質塊模型。母線1處的電壓為U從圖4—圖6可見,由于DFIG具有較好的轉速控制,無論何種風速的情況,經過4s的風速變化后,風機的輸出功率能夠較快的恢復到原來的狀態(tài)或達到一個新的狀態(tài)。當風速增大時風機轉速增加,槳距角控制系統通過增大槳距角來抑制輸出功率的增加,使得發(fā)電機的輸出功率并不是隨著風速的增加而一直增大。與電網接口的物理量P4pss/e自適應在WECC提供的單機無窮大系統上利用本文所建立的PSS/E自定義模型進行仿真驗證,結果表明采用DFIG的風力發(fā)電系統在不同的風速下都能快速恢復或達到新的穩(wěn)定運行