風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法
【專利摘要】一種風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法，包括首先建立由風機、柴油機、發(fā)電機、控制器、負荷等組成的風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學仿真模型，再對該系統(tǒng)進行技術(shù)可行性和對風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)進優(yōu)化設(shè)計，最后得出仿真系統(tǒng)的各項可靠性能指標，其仿真方法包括如下步驟：1.確定系統(tǒng)組成，2.建立系統(tǒng)模型，3.進行系統(tǒng)仿真；該方法可以對獨立電網(wǎng)準確穩(wěn)定供電，提高整個發(fā)電系統(tǒng)的效率；系統(tǒng)運行時電網(wǎng)電壓的幅度保持穩(wěn)定，頻率變化不大，具有良好的幅度、頻率穩(wěn)定性；異步電機轉(zhuǎn)速稍微高于同步轉(zhuǎn)速，可獲得很好的風能電能轉(zhuǎn)換效率；仿真結(jié)果表明，本系統(tǒng)實現(xiàn)了風能的最大捕獲，電網(wǎng)電壓的幅度和頻率保持穩(wěn)定，整個電網(wǎng)的功率一直保持平衡狀態(tài)，具有良好的穩(wěn)定性、適應(yīng)性、可靠性和動態(tài)響應(yīng)性能，對實際的設(shè)計和優(yōu)化有可靠的參考價值。
【專利說明】風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法，屬于能源【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)境和能源是當今全人類面臨的兩大亟需解決的問題，開發(fā)綠色能源、實行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是世界各國解決能源問題、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的正確選擇。風能是一種普遍的綠色能源，儲量巨大，世界各國對此都比較重視。經(jīng)過多年的努力，世界風力發(fā)電技術(shù)越來越成熟，風力發(fā)電機組裝機容量越來越大，從定槳距控制到變槳距控制，從恒速恒頻到變速恒頻，從陸地到海上，風力發(fā)電正以前所未有的速度發(fā)展。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)由于具有許多恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，正逐步成為當今風力發(fā)電技術(shù)研究的熱點。對于變速恒頻系統(tǒng)，國內(nèi)外研究較多的有繞線式交流勵磁雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)和無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)，研究成果也很多；
目前，在大電網(wǎng)難以達到的邊遠或孤立地區(qū)，通常的辦法是采用柴油發(fā)電機組來提供必要的生活和生產(chǎn)用電。由于柴油價格高，加之運輸方面的困難，造成發(fā)電成本相當高，并且由于交通不便和燃料供應(yīng)的緊張，往往不能保證電力的可靠供應(yīng)。而這些邊遠地區(qū)特別是海島大部分有較豐富的風能資源，隨著風電技術(shù)的日趨成熟，其電能的生產(chǎn)成本已經(jīng)低于柴油發(fā)電的成本。因此，如何采用風力發(fā)電機組和柴油發(fā)電機組聯(lián)合運行，為電網(wǎng)達不到的地區(qū)提供穩(wěn)定可靠的、符合電能質(zhì)量(電壓、頻率等)標準的電力，最大限度地節(jié)約柴油并減少對環(huán)境的污染，是世界各國在風能利用與開發(fā)研究中頗受矚目的方向之一，特別是對發(fā)展中國家，由于電網(wǎng)尚不夠普及，更具有廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明提供一種風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法，用以實現(xiàn)風力發(fā)電機組和柴油發(fā)電機組聯(lián)合運行，為電網(wǎng)達不到的地區(qū)提供穩(wěn)定可靠的、符合電能質(zhì)量標準的電力，最大限度地節(jié)約柴油并減少對環(huán)境的污染。
[0004]為實現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:為優(yōu)化風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計和改善控制系統(tǒng)，本發(fā)明所述風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法包括:首先建立由風機、柴油機、發(fā)電機、控制器、負荷等組成的風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學仿真模型，再對該系統(tǒng)進行技術(shù)可行性和對風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)進優(yōu)化設(shè)計，最后得出仿真系統(tǒng)的各項可靠性能指標，其特征是:其仿真方法包括如下步驟:1.確定系統(tǒng)組成，2.建立系統(tǒng)模型，3.進行系統(tǒng)仿真；
其中1:所述確定系統(tǒng)組成，該風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計為由柴油機、同步電機、柴油機控制器、勵磁控制器、風機、異步電機、變槳距控制系統(tǒng)、無功補償器、主要負荷、次要負荷、控制負荷和頻率控制器組成；
其中2:所述建立系統(tǒng)模型，是根據(jù)風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的原理圖，在MATLAB軟件中應(yīng)用SMULINK建立系統(tǒng)模型，分別建立柴油機、同步電機、柴油機控制器、勵磁控制器、風機、異步電機、變槳距控制系統(tǒng)、無功補償器、主要負荷、次要負荷、控制負荷和頻率控制器的模型；以下對柴油機、風機、變槳距控制系統(tǒng)、頻率控制器、異步電機、同步電機模型進行介紹:
A.柴油機的傳遞函數(shù)的模型為附圖公式1:
式中，K——增益；1\、T2、T3——時間常數(shù)；TD——延遲時間；
B.風機的機械功率的模型為附圖公式2:
式中，Pw—風機實際獲得的機械輸出功率；PV—風機的輸入功率;cp—風機的風能利用系數(shù)；β—槳距角；λ—葉尖速比；P—空氣密度；s—風輪的掃風面積；V-風速；
葉尖速比λ可表示為附圖公式3:
式中，η—風輪的轉(zhuǎn)速；ω—風輪角頻率；R—風輪半徑；v—作用于風機的迎面風速；
對于給定的葉尖速比λ和槳距角β，計算風能利用系數(shù)的公式為附圖公式4:
由公式4可根據(jù)不同的β、λ計算得到對應(yīng)的Cp ；
C.變槳距控制系統(tǒng)的模型:
變槳距控制系統(tǒng)通過控 制風機槳葉角度改變槳葉相對于風速的攻角，從而改變風機從風中捕獲的風能；變槳距控制在不同情況下采用不同的策略；
1)當風速低于額定風速時，變槳距角控制用于風電機組功率的尋優(yōu)，目的是在給定風速下使風電機組發(fā)出盡可能多的電能，對于變速風電機組，其功率尋優(yōu)可以通過風電機組的變速來實現(xiàn)，因此當風速低于額定風速時，槳距角β通常保持在0°附近，當β為0°時，Cp最大；
2)當風速超過額定風速時，變槳距裝置動作，槳距角增大，將風機的機械功率限制在額定功率附近，同時能夠保護風電機組機械結(jié)構(gòu)不會過載以及避免風電機組機械損壞的危險；
D.頻率控制器的模型:
通過頻率控制器的控制，將控制負荷接入電網(wǎng)，使控制負荷在0-446.25kff內(nèi)發(fā)生變化，而且以1.75kff進行步進，從而提高系統(tǒng)的頻率質(zhì)量，頻率控制器對電網(wǎng)電壓頻率進行測量，將測量值與參考頻率進行比較，得到頻率誤差，并將該頻率誤差通過PID控制器計算出模擬控制信號，然后由編碼器對其進行數(shù)字處理，用所得到的數(shù)字量控制每組負荷的開關(guān)，從而對控制負荷進行精確調(diào)節(jié)；頻率控制器通過對控制負荷的調(diào)節(jié)，從而達到參與校正系統(tǒng)頻率的目的；
E.異步電機的模型:
建立在二相坐標系上的異步電機方程為:
電壓方程為附圖公式5;
電磁轉(zhuǎn)矩為附圖公式6;
機械方程為附圖公7;
F.同步電機的模型:
同步電機的數(shù)學模型建立在二相旋轉(zhuǎn)扣坐標系上，模型反映了定子磁場和阻尼繞組的動態(tài)過程；電壓方程附圖公式8;
磁鏈方程附圖公式9;
式中，變量下標d、q-為d軸和q軸分量；r、s-為轉(zhuǎn)子或定子參數(shù)、m-
為漏感或勵磁電感;f k—為磁場或阻尼繞組；
其中3:進行系統(tǒng)仿真:
根據(jù)上述原理和模型，建立系統(tǒng)的各個子模塊，通過MATLAB軟件中的SMULINK對該系統(tǒng)進行仿真計算，各個子模塊的主要參數(shù)為:
1)柴油機發(fā)電模塊:
模塊中柴油機與同步電機的主要參數(shù)為:額定容量為300kVA，額定線電壓為480V，極對數(shù)為2，額定功率因數(shù)為0.8，定子電阻為0.017pu, d軸同步電抗為3.23pu d軸暫態(tài)電抗為0.21pu，d軸次暫態(tài)電抗為0.15pu，《I軸同步電抗為2.79pu，軸暫態(tài)電抗為1.03pu,錢軸次暫態(tài)電抗為0.37pu，漏抗為0.09pu，d軸勵磁繞組定子開路時間常數(shù)為1.7s, d軸阻尼D繞組定子開路時間常數(shù)為0.008s,電機轉(zhuǎn)子1?軸阻尼S繞組定子開路時間常數(shù)為0.213s，q軸阻尼Q繞組定子開路時間常數(shù)為0.004s，轉(zhuǎn)子和負載的慣性常數(shù)為2s ;模塊中勵磁控制器的主要參數(shù)為:低通濾波器時間常數(shù)為0.02s，主控制器增益為300，主控制器時間常數(shù)為0.0Ols,阻尼濾波器增益為0.001，阻尼濾波器時間常數(shù)為0.1s ；
2)風力發(fā)電模塊:
模塊中風機與異步電機的主要參數(shù)為:額定風速為12m/s，額定容量為275kVA，額定線電壓為480V，極對數(shù)為2，額定功率因數(shù)為0.8，定子電阻為0.016pu,定子漏感為0.06pu,轉(zhuǎn)子電阻為0.015pu，轉(zhuǎn)子漏感為0.06pu，定轉(zhuǎn)子互感為3.5pu，轉(zhuǎn)子和負載的慣性常數(shù)為4s ；變槳距控制系統(tǒng)的主要參數(shù)為:槳距角比例控制常數(shù)為5，槳距角積分控制常數(shù)為25 ；
3)無功補償模塊:
無功補償模塊主要由3個串聯(lián)RLC負載組成，每個串聯(lián)RLC負載的主要參數(shù)為:額定電壓為480V，有功功率為OkW，感性無功功率為Okvar，容性無功功率為25kvar ；
4)主要負荷模塊:
主要負荷模塊由I個三相并聯(lián)RLC負載組成，三相并聯(lián)RLC負載的主要參數(shù)為:額定相電壓為480V，三相有功功率為60kW，三相感性無功功率為Okvar，三相容性無功功率為Okvar ；
5)次要負荷模塊:
次要負荷模塊由I個三相并聯(lián)RLC負載組成，三相并聯(lián)RLC負載的主要參數(shù)為:額定相電壓為480V，三相有功功率為30kW，三相感性無功功率為Okvar，三相容性無功功率為Okvar ；
6)控制負荷模塊:
控制負荷模塊主要由控制負荷與頻率控制器組成，模塊中控制負荷的主要參數(shù)為:有功功率為0~446.25kW，額定線電壓為480V，步進有功功率為1.75kW，初始有功功率為50kW ；模塊中頻率控制器的主要參數(shù)為:相電壓為460V，控制器比例控制常數(shù)為150，控制器微分控制常數(shù)為70,參考相位為Irad ;當風速為llm/s時,對系統(tǒng)進行仿真；在(T0.4s期間，固定負荷為主要負荷60kW，0.4s時接入次要負荷30kW，固定負荷變?yōu)橹饕摵膳c次要負荷之和90kW，仿真采用ode23tb算法，仿真時間為3s。
[0005]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下特點和進步:由于本風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法，建立了由風機、柴油機、發(fā)電機、控制器、負荷等組成的風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學仿真模型，然后在MATLAB軟件中應(yīng)用SMULINK對系統(tǒng)進行了建模仿真。因此該方法可以對獨立電網(wǎng)準確穩(wěn)定供電,可大大提高整個發(fā)電系統(tǒng)的效率；系統(tǒng)運行時電網(wǎng)電壓的幅度保持穩(wěn)定，頻率變化不大，具有良好的幅度、頻率穩(wěn)定性；異步電機轉(zhuǎn)速稍微高于同步轉(zhuǎn)速，可獲得很好的風能電能轉(zhuǎn)換效率。仿真結(jié)果表明，風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)了風能的最大捕獲，電網(wǎng)電壓的幅度和頻率保持穩(wěn)定，整個電網(wǎng)的功率一直保持平衡狀態(tài)，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、適應(yīng)性、可靠性和動態(tài)響應(yīng)性能，對實際的設(shè)計和優(yōu)化有可靠的參考價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明:
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理方框圖；
圖2是本發(fā)明的仿真原理方框圖；
圖3是本發(fā)明系統(tǒng)運行時的異步電機轉(zhuǎn)速圖；
圖4是本發(fā)明系統(tǒng)運行時的電網(wǎng)電壓圖；
圖5是本發(fā)明系統(tǒng)運行時的控制負荷圖；
圖6是本發(fā)明系統(tǒng)運行時的固定負荷圖；
圖7是柴油機的傳遞函數(shù)的模型為公式I ;
圖8是風機的機械功率的模型為公式2 ；
圖9是葉尖速比λ可表示為公式3:
圖10是計算風能利用系數(shù)的公式為公式4 ；
圖11是電壓方程的公式5、電磁轉(zhuǎn)矩的公式6和機械方程的公式7 ；
圖12是電壓方程的公式8;
圖13是磁鏈方程的公式9。
【具體實施方式】
[0007]參照附圖:設(shè)計出的風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法包括如下步驟:1.確定系統(tǒng)組成:所述風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)，由柴油機、同步電機、柴油機控制器、勵磁控制器、風機、異步電機、變槳距控制系統(tǒng)、無功補償器、主要負荷、次要負荷、控制負荷和頻率控制器組成；在風速較低、風機捕獲的能量無法滿足負荷時，柴油機驅(qū)動的同步電機和風機驅(qū)動的異步電機同時給 負荷提供電力；在風速較高、風機捕獲的能量可滿足負荷時，關(guān)閉柴油機，同步電機空載運行，異步電機單獨對負荷進行供電。風機采用變槳距控制，當風速小于額定風速時，槳距角為0°，采用最大功率跟蹤策略來實現(xiàn)最大風能的捕捉；當風速增加到大于額定風速時，變槳距裝置動作，槳距角逐漸變大，將發(fā)電機的輸出功率限制在額定功率附近。變槳距控制系統(tǒng)通過控制風機槳葉角度改變槳葉相對于風速的攻角，從而改變風機從風中捕獲的風能。在頻率控制器的控制下，控制負荷的大小發(fā)生改變，變化范圍為0-446.25kW，且以1.75kW進行步進，維持電網(wǎng)的功率平衡，從而維持系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓頻率；2.建立系統(tǒng)模型:根據(jù)風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的原理圖，在MATLAB軟件中應(yīng)用SMULINK建立系統(tǒng)模型，分別建立柴油機、同步電機、柴油機控制器、勵磁控制器、風機、異步電機、變槳距控制系統(tǒng)、無功補償器、主要負荷、次要負荷、控制負荷和頻率控制器的模型；以下主要對柴油機、風機、變槳距控制系統(tǒng)、頻率控制器、異步電機、同步電機模型進行介紹:
其中:A.柴油機的傳遞函數(shù)的模型為圖7所示公式1:
式中，K——增益；1\、T2, T3——時間常數(shù)；TD——延遲時間；
B.風機的機械功率的模型為圖8所示公式2:
式中，Pw—風機實際獲得的機械輸出功率；PV—風機的輸入功率;cp—風機的風能利用系數(shù)；β—槳距角；λ—葉尖速比；P—空氣密度；s—風輪的掃風面積；
V-風速；
葉尖速比λ可表示為圖9所示公式3:
式中，η—風輪的轉(zhuǎn)速；ω—風輪角頻率；R—風輪半徑；v—作用于風機的迎面風速；
對于給定的葉尖速比λ和槳距角β，計算風能利用系數(shù)的公式為圖10所示公式4;
由公式(4)可根據(jù)不同的β、λ計算得到對應(yīng)的Cp ； C.變槳距控制系統(tǒng)的模型:
變槳距控制系統(tǒng)通過控制風機槳葉角度改變槳葉相對于風速的攻角，從而改變風機從風中捕獲的風能。變槳距控制在不同情況下采用不同的策略；
1)當風速低于額定風速時，變槳距角控制用于風電機組功率的尋優(yōu)，目的是在給定風速下使風電機組發(fā)出盡可能多的電能。對于變速風電機組，其功率尋優(yōu)可以通過風電機組的變速來實現(xiàn)，因此當風速低于額定風速時，槳距角β通常保持在0°附近，當β為0°時，Cp最大；
2)當風速超過額定風速時，變槳距裝置動作，槳距角增大，將風機的機械功率限制在額定功率附近，同時能夠保護風電機組機械結(jié)構(gòu)不會過載以及避免風電機組機械損壞的危險；
D.頻率控制器的模型:
通過頻率控制器的控制，將控制負荷接入電網(wǎng)，使控制負荷在0-446.25kW內(nèi)發(fā)生變化，而且以1.75kW進行步進，從而提高系統(tǒng)的頻率質(zhì)量。頻率控制器對電網(wǎng)電壓頻率進行測量，將測量值與參考頻率進行比較，得到頻率誤差，并將該頻率誤差通過PID控制器計算出模擬控制信號，然后由編碼器對其進行數(shù)字處理，用所得到的數(shù)字量控制每組負荷的開關(guān)，從而對控制負荷進行精確調(diào)節(jié)。頻率控制器通過對控制負荷的調(diào)節(jié)，從而達到參與校正系統(tǒng)頻率的目的；
E.異步電機的模型
建立在二相坐標系上的異步電機方程為:
電壓方程為圖11所示公式5;
電磁轉(zhuǎn)矩為圖11所示公式6;
機械方程為圖11的公式7;
式中，Rs, Lls—為定子電阻和漏感；R\、LV—為轉(zhuǎn)子電阻和漏感；Lm—為定轉(zhuǎn)子互感；LS、L%——為定子和轉(zhuǎn)子自感；Uqs、iqs——為定子電壓和電流在q軸上的分量i\r—為轉(zhuǎn)子電壓和電流在q軸上的分量；Uds、ids—為定子電壓和電流在d軸上的分量；U'r、I'dr——為轉(zhuǎn)子電壓和電流在d軸上的分量；Ψqs、Ψds——為定子磁鏈的q軸和d軸分量；Ψqr—為轉(zhuǎn)子磁鏈的q軸和d軸分量；—為轉(zhuǎn)子角速度；—
為轉(zhuǎn)子位置角；p-為電機極對數(shù)-為轉(zhuǎn)子角頻率OmXp) ； θ r-為轉(zhuǎn)子位置
電角度(θmXp) ;Te——為電磁轉(zhuǎn)矩；Tm——為機械轉(zhuǎn)矩；H——為轉(zhuǎn)子和負載的慣性常數(shù)；F-為摩擦系數(shù)。
F.同步電機的模型:
同步電機的數(shù)學模型建立在二相旋轉(zhuǎn)dq坐標系上，模型反映了定子磁場和阻尼繞組的動態(tài)過程；
電壓方程為圖12所示的公式8 ；
磁鏈方程為圖13所示的公式9 ；
式中，變量下標d、q-為d軸和q軸分量；r、s-為轉(zhuǎn)子或定子參數(shù)；l、m-為漏
感或勵磁電感；f、k—為磁場或阻尼繞組；
3進行系統(tǒng)仿真:
根據(jù)上述原理和模型，建立系統(tǒng)的各個子模塊，通過MATLAB軟件中的SMULINK對該系統(tǒng)進行仿真計算，各個子模塊的主要參數(shù)為:
1)柴油機發(fā)電模塊:
模塊中柴油機與同步電機的主要參數(shù)為:額定容量為300kVA，額定線電壓為480V，極對數(shù)為2，額定功率因數(shù)為0.8，定子電阻為0.017pu，d軸同步電抗為3.23pu，d軸暫態(tài)電抗為0.21pu, d軸次暫態(tài)電抗為0.15pu, q軸同步電抗為2.79pu, q軸暫態(tài)電抗為1.03pu, q軸次暫態(tài)電抗為0.37pu，漏抗為0.09pu, d軸勵磁繞組定子開路時間常數(shù)為1.7s, d軸阻尼D繞組定子開路時間常數(shù)為0.008s,電機轉(zhuǎn)子q軸阻尼g繞組定子開路時間常數(shù)為0.213s,q軸阻尼Q繞組定子開路時間常數(shù)為0.004s，轉(zhuǎn)子和負載的慣性常數(shù)為2s。模塊中勵磁控制器的主要參數(shù)為:低通濾波器時間常數(shù)為0.02s,主控制器增益為300，主控制器時間常數(shù)為0.0Ols,阻尼濾波器增益為0.001，阻尼濾波器時間常數(shù)為0.1s ；
2)風力發(fā)電模塊:
模塊中風機與異步電機的主要參數(shù)為:額定風速為12m/s，額定容量為275kVA，額定線電壓為480V，極對數(shù)為2，額定功率因數(shù)為0.8，定子電阻為0.016pu,定子漏感為0.06pu,轉(zhuǎn)子電阻為0.015pu，轉(zhuǎn)子漏感為0.06pu，定轉(zhuǎn)子互感為3.5pu，轉(zhuǎn)子和負載的慣性常數(shù)為4s ；變槳距控制系統(tǒng)的主要參數(shù)為:槳距角比例控制常數(shù)為5，槳距角積分控制常數(shù)為25 ；
3)無功補償模塊:
無功補償模塊主要由3個串聯(lián)RLC負載組成，每個串聯(lián)RLC負載的主要參數(shù)為:額定電壓為480V，有功功率為OkW，感性無功功率為Okvar，容性無功功率為25kvar ；
4)主要負荷模塊:
主要負荷模塊由1個三相并聯(lián)RLC負載組成，三相并聯(lián)RLC負載的主要參數(shù)為:額定相電壓為480V，三相有功功率為60kW，三相感性無功功率為Okvar，三相容性無功功率為Okvar ；
5)次要負荷模塊:次要負荷模塊由1個三相并聯(lián)RLC負載組成，三相并聯(lián)RLC負載的主要參數(shù)為:額定相電壓為480V，三相有功功率為30kW，三相感性無功功率為Okvar，三相容性無功功率為Okvar ；
6)控制負荷模塊:
控制負荷模塊主要由控制負荷與頻率控制器組成，模塊中控制負荷的主要參數(shù)為:有功功率為0~446.25kW，額定線電壓為480V，步進有功功率為1.75kW，初始有功功率為50kW ；模塊中頻率控制器的主要參數(shù)為:相電壓為460V，控制器比例控制常數(shù)為150，控制器微分控制常數(shù)為70,參考相位為Irad ；
風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的仿真原理見圖2。當風速為llm/s時，對系統(tǒng)進行仿真。在(T0.4s期間，固定負荷為主要負荷60kW，0.4s時接入次要負荷30kW，固定負荷變?yōu)橹饕摵膳c次要負荷之和90kW。仿真采用ode23tb算法，仿真時間為3s。
[0008]圖3~圖6分別為系統(tǒng)運行時的異步電機轉(zhuǎn)速圖、電網(wǎng)電壓圖、控制負荷圖和固定負荷圖；
在圖3中，異步電機轉(zhuǎn)速稍微高于同步轉(zhuǎn)速。在(T0.4s內(nèi)，異步電機轉(zhuǎn)速隨著時間的增加而逐漸變大。0.4s時接入次要負荷，異步電機轉(zhuǎn)速達到最大值1.0192pu。在0.1-0.2s內(nèi)，異步電機轉(zhuǎn)速逐漸變小，1.2s時達到1.0144pu。在1.2~3s內(nèi)，異步電機轉(zhuǎn)速逐漸變大，最后穩(wěn)定在1.015pu。通過對異步電機轉(zhuǎn)速的分析可以看出，系統(tǒng)能夠很好地將風能轉(zhuǎn)換成電能；
在圖4中，系統(tǒng)運行時電網(wǎng)電壓頻率變化很小，電網(wǎng)電壓幅度穩(wěn)定，波形具有良好的特性。可看出，在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)電壓的頻率保持平穩(wěn)，幅度保持穩(wěn)定；
在圖5中，控制負荷在0-l.3s內(nèi)變化范圍較大，在1.3s以后變化范圍較小，具有一定的穩(wěn)定性，穩(wěn)定在175kW附近?？煽闯?，系統(tǒng)通過頻率控制器測量電網(wǎng)電壓頻率，將測量到的電網(wǎng)頻率與參考頻率作比較，得出頻率誤差，這個誤差信號經(jīng)積分運算得到相位誤差，再與給定容許相位誤差比較，經(jīng)比例微分環(huán)節(jié)后產(chǎn)生一個模擬控制信號。這個模擬信號經(jīng)過數(shù)字化后變成八位的數(shù)字量，用來控制接入系統(tǒng)的控制負荷的大小，從而改變了發(fā)電機的電流大小，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速以及電網(wǎng)頻率保持穩(wěn)定；
在圖6中，系統(tǒng)通過頻率控制器對控制負荷的調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)提供給固定負荷的功率滿足系統(tǒng)要求，從而維持電網(wǎng)電壓頻率的穩(wěn)定。也就是說，當固定負荷為60kW時(在(T0.4s內(nèi))，系統(tǒng)為它提供60kW的功率；當固定負荷為90kW時(在0.4s以后)，系統(tǒng)為它提供90kff的功率；同時，發(fā)電機多余的輸出功率被控制負荷吸收；可看出，通過頻率控制器的調(diào)節(jié)，電網(wǎng)的功率可維持平衡，電網(wǎng)電壓頻率可保持穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.一種風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法，包括首先建立由風機、柴油機、發(fā)電機、控制器、負荷等組成的風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學仿真模型，再對該系統(tǒng)進行技術(shù)可行性和對風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)進優(yōu)化設(shè)計，最后得出仿真系統(tǒng)的各項可靠性能指標，其特征是:其仿真方法包括如下步驟:1.確定系統(tǒng)組成，2.建立系統(tǒng)模型，3.進行系統(tǒng)仿真； 其中1:所述確定系統(tǒng)組成，該風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計為由柴油機、同步電機、柴油機控制器、勵磁控制器、風機、異步電機、變槳距控制系統(tǒng)、無功補償器、主要負荷、次要負荷、控制負荷和頻率控制器組成； 其中2:所述建立系統(tǒng)模型，是根據(jù)風力柴油聯(lián)合獨立發(fā)電系統(tǒng)的原理圖，在MATLAB軟件中應(yīng)用SMULINK建立系統(tǒng)模型，分別建立柴油機、同步電機、柴油機控制器、勵磁控制器、風機、異步電機、變槳距控制系統(tǒng)、無功補償器、主要負荷、次要負荷、控制負荷和頻率控制器的模型；以下對柴油機、風機、變槳距控制系統(tǒng)、頻率控制器、異步電機、同步電機模型進行介紹: A.柴油機的傳遞函數(shù)的模型為附圖公式1: 式中，K——增益；1\、T2、T3——時間常數(shù)；TD——延遲時間； B.風機的機械功率的模型為附圖公式2: 式中，Pw—風機實際獲得的機械輸出功率；PV—風機的輸入功率;cp—風機的風能利用系數(shù)；β—槳距角；λ—葉尖速比；P—空氣密度；s—風輪的掃風面積；V-風速； 葉尖速比λ可表示為附圖公式3: 式中，η—風輪的轉(zhuǎn)速；ω—風輪角頻`率；R—風輪半徑；v—作用于風機的迎面風速； 對于給定的葉尖速比λ和槳距角β，計算風能利用系數(shù)的公式為附圖公式4: 由公式4可根據(jù)不同的β、λ計算得到對應(yīng)的Cp ； C.變槳距控制系統(tǒng)的模型: 變槳距控制系統(tǒng)通過控制風機槳葉角度改變槳葉相對于風速的攻角，從而改變風機從風中捕獲的風能；變槳距控制在不同情況下采用不同的策略； 1)當風速低于額定風速時，變槳距角控制用于風電機組功率的尋優(yōu)，目的是在給定風速下使風電機組發(fā)出盡可能多的電能，對于變速風電機組，其功率尋優(yōu)可以通過風電機組的變速來實現(xiàn)，因此當風速低于額定風速時，槳距角β通常保持在0°附近，當β為0°時，Cp最大； 2)當風速超過額定風速時，變槳距裝置動作，槳距角增大，將風機的機械功率限制在額定功率附近，同時能夠保護風電機組機械結(jié)構(gòu)不會過載以及避免風電機組機械損壞的危險； D.頻率控制器的模型: 通過頻率控制器的控制，將控制負荷接入電網(wǎng)，使控制負荷在0-446.25kff內(nèi)發(fā)生變化，而且以1.75kff進行步進，從而提高系統(tǒng)的頻率質(zhì)量，頻率控制器對電網(wǎng)電壓頻率進行測量，將測量值與參考頻率進行比較，得到頻率誤差，并將該頻率誤差通過PID控制器計算出模擬控制信號，然后由編碼器對其進行數(shù)字處理，用所得到的數(shù)字量控制每組負荷的開關(guān)，從而對控制負荷進行精確調(diào)節(jié)；頻率控制器通過對控制負荷的調(diào)節(jié)，從而達到參與校正系統(tǒng)頻率的目的； E.異步電機的模型: 建立在二相坐標系上的異步電機方程為: 電壓方程為附圖公式5; 電磁轉(zhuǎn)矩為附圖公式6; 機械方程為附圖公7; F.同步電機的模型: 同步電機的數(shù)學模型建立在二相旋轉(zhuǎn)趣坐標系上，模型反映了定子磁場和阻尼繞組的動態(tài)過程； 電壓方程附圖公式8; 磁鏈方程附圖公式9; 式中，變量下標d、q-為d軸和q軸分量；r、S-為轉(zhuǎn)子或定子參數(shù)-為漏感或勵磁電感、fc—為磁場或阻尼繞組； 其中3:進行系統(tǒng)仿真: 根據(jù)上述原理和模型，建立系統(tǒng)的各個子模塊，通過MATLAB軟件中的SMULINK對該系統(tǒng)進行仿真計算，各個子模塊的主要參數(shù)為: 1)柴油機發(fā)電模塊: 模塊中柴油機與同步電機的主要參數(shù)為:額定容量為300kVA，額定線電壓為480V，極對數(shù)為2，額定功率因數(shù)為0.8，定子電阻為0.017pu, d軸同步電抗為3.23pu d軸暫態(tài)電抗為0.21pu，d軸次暫態(tài)電抗為0.15pu，《I軸同步電抗為2.79pu，軸暫態(tài)電抗為1.03pu,*1軸次暫態(tài)電抗為0.37pu，漏抗為0.09pu，d軸勵磁繞組定子開路時間常數(shù)為1.7s d軸阻尼D繞組定子開路時間常數(shù)為0.008s,電機轉(zhuǎn)子9軸阻尼S繞組定子開路時間常數(shù)為0.213s, ?軸阻尼Q繞組定子開路時間常數(shù)為0.004s，轉(zhuǎn)子和負載的慣性常數(shù)為2s ;模塊中勵磁控制器的主要參數(shù)為:低通濾波器時間常數(shù)為0.02s，主控制器增益為300，主控制器時間常數(shù)為0.0Ols,阻尼濾波器增益為0.001，阻尼濾波器時間常數(shù)為0.1s ； 2)風力發(fā)電模塊: 模塊中風機與異步電機的主要參數(shù)為:額定風速為12m/s，額定容量為275kVA，額定線電壓為480V，極對數(shù)為2，額定功率因數(shù)為0.8，定子電阻為0.016pu,定子漏感為0.06pu,轉(zhuǎn)子電阻為0.015pu，轉(zhuǎn)子漏感為0.06pu，定轉(zhuǎn)子互感為3.5pu，轉(zhuǎn)子和負載的慣性常數(shù)為4s ；變槳距控制系統(tǒng)的主要參數(shù)為:槳距角比例控制常數(shù)為5，槳距角積分控制常數(shù)為25 ； 3)無功補償模塊: 無功補償模塊主要由3個串聯(lián)RLC負載組成，每個串聯(lián)RLC負載的主要參數(shù)為:額定電壓為480V，有功功率為OkW，感性無功功率為Okvar，容性無功功率為25kvar ； 4)主要負荷模塊: 主要負荷模塊由I個三相并聯(lián)RLC負載組成，三相并聯(lián)RLC負載的主要參數(shù)為:額定相電壓為480V，三相有功功率為60kW，三相感性無功功率為Okvar，三相容性無功功率為Okvar ；5)次要負荷模塊: 次要負荷模塊由I個三相并聯(lián)RLC負載組成，三相并聯(lián)RLC負載的主要參數(shù)為:額定相電壓為480V，三相有功功率為30kW，三相感性無功功率為Okvar，三相容性無功功率為Okvar ； 6)控制負荷模塊: 控制負荷模塊主要由控制負荷與頻率控制器組成，模塊中控制負荷的主要參數(shù)為:有功功率為0~446.25kW，額定線電壓為480V，步進有功功率為1.75kW，初始有功功率為50kW ；模塊中頻率控制器的主要參數(shù)為:相電壓為460V，控制器比例控制常數(shù)為150，控制器微分控制常數(shù)為70,參考相位為Irad ;當風速為llm/s時,對系統(tǒng)進行仿真；在(T0.4s期間，固定負荷為主要負荷60kW，0.4s時接入次要負荷30kW，固定負荷變?yōu)橹饕摵膳c次要負荷之和90kW，仿真采用ode23tb算法，仿`真時間為3s。
【文檔編號】G05B17/02GK103744298SQ201410006405
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月7日
【發(fā)明者】杜云峰 申請人:湖南文理學院