風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法
【專利摘要】一種風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法，包括首先建立由風(fēng)機(jī)、柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制器、負(fù)荷等組成的風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型，再對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)可行性和對(duì)風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后得出仿真系統(tǒng)的各項(xiàng)可靠性能指標(biāo)，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(jìn)行系統(tǒng)仿真；該方法可以對(duì)獨(dú)立電網(wǎng)準(zhǔn)確穩(wěn)定供電，提高整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的效率；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速稍微高于同步轉(zhuǎn)速，可獲得很好的風(fēng)能電能轉(zhuǎn)換效率；仿真結(jié)果表明，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能的最大捕獲，電網(wǎng)電壓的幅度和頻率保持穩(wěn)定，整個(gè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有可靠的參考價(jià)值。
【專利說明】風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)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(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)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(dāng)今全人類面臨的兩大亟需解決的問題，開發(fā)綠色能源、實(shí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是世界各國(guó)解決能源問題、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的正確選擇。風(fēng)能是一種普遍的綠色能源，儲(chǔ)量巨大，世界各國(guó)對(duì)此都比較重視。經(jīng)過多年的努力，世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)越來(lái)越成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量越來(lái)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(fēng)力發(fā)電正以前所未有的速度發(fā)展。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于具有許多恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，正逐步成為當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的熱點(diǎn)。對(duì)于變速恒頻系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外研究較多的有繞線式交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，研究成果也很多；
目前，在大電網(wǎng)難以達(dá)到的邊遠(yuǎn)或孤立地區(qū)，通常的辦法是采用柴油發(fā)電機(jī)組來(lái)提供必要的生活和生產(chǎn)用電。由于柴油價(jià)格高，加之運(yùn)輸方面的困難，造成發(fā)電成本相當(dāng)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(yuǎn)地區(qū)特別是海島大部分有較豐富的風(fēng)能資源，隨著風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，為電網(wǎng)達(dá)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(biāo)準(zhǔn)的電力，最大限度地節(jié)約柴油并減少對(duì)環(huán)境的污染，是世界各國(guó)在風(fēng)能利用與開發(fā)研究中頗受矚目的方向之一，特別是對(duì)發(fā)展中國(guó)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(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法，用以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，為電網(wǎng)達(dá)不到的地區(qū)提供穩(wěn)定可靠的、符合電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的電力，最大限度地節(jié)約柴油并減少對(duì)環(huán)境的污染。
[0004]為實(shí)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(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改善控制系統(tǒng)，本發(fā)明所述風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法包括:首先建立由風(fēng)機(jī)、柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制器、負(fù)荷等組成的風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型，再對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)可行性和對(duì)風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后得出仿真系統(tǒng)的各項(xiàng)可靠性能指標(biāo)，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(jìn)行系統(tǒng)仿真；
其中1:所述確定系統(tǒng)組成，該風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由柴油機(jī)、同步電機(jī)、柴油機(jī)控制器、勵(lì)磁控制器、風(fēng)機(jī)、異步電機(jī)、變槳距控制系統(tǒng)、無(wú)功補(bǔ)償器、主要負(fù)荷、次要負(fù)荷、控制負(fù)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(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)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(jī)、同步電機(jī)、柴油機(jī)控制器、勵(lì)磁控制器、風(fēng)機(jī)、異步電機(jī)、變槳距控制系統(tǒng)、無(wú)功補(bǔ)償器、主要負(fù)荷、次要負(fù)荷、控制負(fù)荷和頻率控制器的模型；以下對(duì)柴油機(jī)、風(fēng)機(jī)、變槳距控制系統(tǒng)、頻率控制器、異步電機(jī)、同步電機(jī)模型進(jìn)行介紹:
A.柴油機(jī)的傳遞函數(shù)的模型為附圖公式1:
式中，K——增益；1\、T2、T3——時(shí)間常數(shù)；TD——延遲時(shí)間；
B.風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率的模型為附圖公式2:
式中，Pw—風(fēng)機(jī)實(shí)際獲得的機(jī)械輸出功率；PV—風(fēng)機(jī)的輸入功率;cp—風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)；β—槳距角；λ—葉尖速比；P—空氣密度；s—風(fēng)輪的掃風(fēng)面積；V-風(fēng)速；
葉尖速比λ可表示為附圖公式3:
式中，η—風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速；ω—風(fēng)輪角頻率；R—風(fēng)輪半徑；v—作用于風(fēng)機(jī)的迎面風(fēng)速；
對(duì)于給定的葉尖速比λ和槳距角β，計(jì)算風(fēng)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(jì)算得到對(duì)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(fēng)機(jī)槳葉角度改變槳葉相對(duì)于風(fēng)速的攻角，從而改變風(fēng)機(jī)從風(fēng)中捕獲的風(fēng)能；變槳距控制在不同情況下采用不同的策略；
1)當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，變槳距角控制用于風(fēng)電機(jī)組功率的尋優(yōu)，目的是在給定風(fēng)速下使風(fēng)電機(jī)組發(fā)出盡可能多的電能，對(duì)于變速風(fēng)電機(jī)組，其功率尋優(yōu)可以通過風(fēng)電機(jī)組的變速來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，槳距角β通常保持在0°附近，當(dāng)β為0°時(shí)，Cp最大；
2)當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，變槳距裝置動(dòng)作，槳距角增大，將風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率限制在額定功率附近，同時(shí)能夠保護(hù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)不會(huì)過載以及避免風(fēng)電機(jī)組機(jī)械損壞的危險(xiǎn)；
D.頻率控制器的模型:
通過頻率控制器的控制，將控制負(fù)荷接入電網(wǎng)，使控制負(fù)荷在0-446.25kff內(nèi)發(fā)生變化，而且以1.75kff進(jìn)行步進(jìn)，從而提高系統(tǒng)的頻率質(zhì)量，頻率控制器對(duì)電網(wǎng)電壓頻率進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值與參考頻率進(jìn)行比較，得到頻率誤差，并將該頻率誤差通過PID控制器計(jì)算出模擬控制信號(hào)，然后由編碼器對(duì)其進(jìn)行數(shù)字處理，用所得到的數(shù)字量控制每組負(fù)荷的開關(guān)，從而對(duì)控制負(fù)荷進(jìn)行精確調(diào)節(jié)；頻率控制器通過對(duì)控制負(fù)荷的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到參與校正系統(tǒng)頻率的目的；
E.異步電機(jī)的模型:
建立在二相坐標(biāo)系上的異步電機(jī)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(jī)械方程為附圖公7;
F.同步電機(jī)的模型:
同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立在二相旋轉(zhuǎn)扣坐標(biāo)系上，模型反映了定子磁場(chǎng)和阻尼繞組的動(dòng)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(biāo)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(lì)磁電感;f k—為磁場(chǎng)或阻尼繞組；
其中3:進(jìn)行系統(tǒng)仿真:
根據(jù)上述原理和模型，建立系統(tǒng)的各個(gè)子模塊，通過MATLAB軟件中的SMULINK對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，各個(gè)子模塊的主要參數(shù)為:
1)柴油機(jī)發(fā)電模塊:
模塊中柴油機(jī)與同步電機(jī)的主要參數(shù)為:額定容量為300kVA，額定線電壓為480V，極對(duì)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(lì)磁繞組定子開路時(shí)間常數(shù)為1.7s, d軸阻尼D繞組定子開路時(shí)間常數(shù)為0.008s,電機(jī)轉(zhuǎn)子1?軸阻尼S繞組定子開路時(shí)間常數(shù)為0.213s，q軸阻尼Q繞組定子開路時(shí)間常數(shù)為0.004s，轉(zhuǎn)子和負(fù)載的慣性常數(shù)為2s ;模塊中勵(lì)磁控制器的主要參數(shù)為:低通濾波器時(shí)間常數(shù)為0.02s，主控制器增益為300，主控制器時(shí)間常數(shù)為0.0Ols,阻尼濾波器增益為0.001，阻尼濾波器時(shí)間常數(shù)為0.1s ；
2)風(fēng)力發(fā)電模塊:
模塊中風(fēng)機(jī)與異步電機(jī)的主要參數(shù)為:額定風(fēng)速為12m/s，額定容量為275kVA，額定線電壓為480V，極對(duì)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(fù)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(wú)功補(bǔ)償模塊:
無(wú)功補(bǔ)償模塊主要由3個(gè)串聯(lián)RLC負(fù)載組成，每個(gè)串聯(lián)RLC負(fù)載的主要參數(shù)為:額定電壓為480V，有功功率為OkW，感性無(wú)功功率為Okvar，容性無(wú)功功率為25kvar ；
4)主要負(fù)荷模塊:
主要負(fù)荷模塊由I個(gè)三相并聯(lián)RLC負(fù)載組成，三相并聯(lián)RLC負(fù)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(wú)功功率為Okvar，三相容性無(wú)功功率為Okvar ；
5)次要負(fù)荷模塊:
次要負(fù)荷模塊由I個(gè)三相并聯(lián)RLC負(fù)載組成，三相并聯(lián)RLC負(fù)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(wú)功功率為Okvar，三相容性無(wú)功功率為Okvar ；
6)控制負(fù)荷模塊:
控制負(fù)荷模塊主要由控制負(fù)荷與頻率控制器組成，模塊中控制負(fù)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(jìn)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(dāng)風(fēng)速為llm/s時(shí),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真；在(T0.4s期間，固定負(fù)荷為主要負(fù)荷60kW，0.4s時(shí)接入次要負(fù)荷30kW，固定負(fù)荷變?yōu)橹饕?fù)荷與次要負(fù)荷之和90kW，仿真采用ode23tb算法，仿真時(shí)間為3s。
[0005]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下特點(diǎn)和進(jìn)步:由于本風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法，建立了由風(fēng)機(jī)、柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制器、負(fù)荷等組成的風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型，然后在MATLAB軟件中應(yīng)用SMULINK對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真。因此該方法可以對(duì)獨(dú)立電網(wǎng)準(zhǔn)確穩(wěn)定供電,可大大提高整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的效率；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速稍微高于同步轉(zhuǎn)速，可獲得很好的風(fēng)能電能轉(zhuǎn)換效率。仿真結(jié)果表明，風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能的最大捕獲，電網(wǎng)電壓的幅度和頻率保持穩(wěn)定，整個(gè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有可靠的參考價(jià)值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)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(yùn)行時(shí)的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速圖；
圖4是本發(fā)明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的電網(wǎng)電壓圖；
圖5是本發(fā)明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的控制負(fù)荷圖；
圖6是本發(fā)明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的固定負(fù)荷圖；
圖7是柴油機(jī)的傳遞函數(shù)的模型為公式I ;
圖8是風(fēng)機(jī)的機(jī)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(jì)算風(fēng)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(jī)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(shí)施方式】
[0007]參照附圖:設(shè)計(jì)出的風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)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(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，由柴油機(jī)、同步電機(jī)、柴油機(jī)控制器、勵(lì)磁控制器、風(fēng)機(jī)、異步電機(jī)、變槳距控制系統(tǒng)、無(wú)功補(bǔ)償器、主要負(fù)荷、次要負(fù)荷、控制負(fù)荷和頻率控制器組成；在風(fēng)速較低、風(fēng)機(jī)捕獲的能量無(wú)法滿足負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步電機(jī)和風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的異步電機(jī)同時(shí)給 負(fù)荷提供電力；在風(fēng)速較高、風(fēng)機(jī)捕獲的能量可滿足負(fù)荷時(shí)，關(guān)閉柴油機(jī)，同步電機(jī)空載運(yùn)行，異步電機(jī)單獨(dú)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行供電。風(fēng)機(jī)采用變槳距控制，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，槳距角為0°，采用最大功率跟蹤策略來(lái)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕捉；當(dāng)風(fēng)速增加到大于額定風(fēng)速時(shí)，變槳距裝置動(dòng)作，槳距角逐漸變大，將發(fā)電機(jī)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(fēng)機(jī)槳葉角度改變槳葉相對(duì)于風(fēng)速的攻角，從而改變風(fēng)機(jī)從風(fēng)中捕獲的風(fēng)能。在頻率控制器的控制下，控制負(fù)荷的大小發(fā)生改變，變化范圍為0-446.25kW，且以1.75kW進(jìn)行步進(jìn)，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(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)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(jī)、同步電機(jī)、柴油機(jī)控制器、勵(lì)磁控制器、風(fēng)機(jī)、異步電機(jī)、變槳距控制系統(tǒng)、無(wú)功補(bǔ)償器、主要負(fù)荷、次要負(fù)荷、控制負(fù)荷和頻率控制器的模型；以下主要對(duì)柴油機(jī)、風(fēng)機(jī)、變槳距控制系統(tǒng)、頻率控制器、異步電機(jī)、同步電機(jī)模型進(jìn)行介紹:
其中:A.柴油機(jī)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(shí)間常數(shù)；TD——延遲時(shí)間；
B.風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率的模型為圖8所示公式2:
式中，Pw—風(fēng)機(jī)實(shí)際獲得的機(jī)械輸出功率；PV—風(fēng)機(jī)的輸入功率;cp—風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)；β—槳距角；λ—葉尖速比；P—空氣密度；s—風(fēng)輪的掃風(fēng)面積；
V-風(fēng)速；
葉尖速比λ可表示為圖9所示公式3:
式中，η—風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速；ω—風(fēng)輪角頻率；R—風(fēng)輪半徑；v—作用于風(fēng)機(jī)的迎面風(fēng)速；
對(duì)于給定的葉尖速比λ和槳距角β，計(jì)算風(fēng)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(jì)算得到對(duì)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(fēng)機(jī)槳葉角度改變槳葉相對(duì)于風(fēng)速的攻角，從而改變風(fēng)機(jī)從風(fēng)中捕獲的風(fēng)能。變槳距控制在不同情況下采用不同的策略；
1)當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，變槳距角控制用于風(fēng)電機(jī)組功率的尋優(yōu)，目的是在給定風(fēng)速下使風(fēng)電機(jī)組發(fā)出盡可能多的電能。對(duì)于變速風(fēng)電機(jī)組，其功率尋優(yōu)可以通過風(fēng)電機(jī)組的變速來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，槳距角β通常保持在0°附近，當(dāng)β為0°時(shí)，Cp最大；
2)當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，變槳距裝置動(dòng)作，槳距角增大，將風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率限制在額定功率附近，同時(shí)能夠保護(hù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)不會(huì)過載以及避免風(fēng)電機(jī)組機(jī)械損壞的危險(xiǎn)；
D.頻率控制器的模型:
通過頻率控制器的控制，將控制負(fù)荷接入電網(wǎng)，使控制負(fù)荷在0-446.25kW內(nèi)發(fā)生變化，而且以1.75kW進(jìn)行步進(jìn)，從而提高系統(tǒng)的頻率質(zhì)量。頻率控制器對(duì)電網(wǎng)電壓頻率進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值與參考頻率進(jìn)行比較，得到頻率誤差，并將該頻率誤差通過PID控制器計(jì)算出模擬控制信號(hào)，然后由編碼器對(duì)其進(jìn)行數(shù)字處理，用所得到的數(shù)字量控制每組負(fù)荷的開關(guān)，從而對(duì)控制負(fù)荷進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。頻率控制器通過對(duì)控制負(fù)荷的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到參與校正系統(tǒng)頻率的目的；
E.異步電機(jī)的模型
建立在二相坐標(biāo)系上的異步電機(jī)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(jī)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(jī)極對(duì)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(jī)械轉(zhuǎn)矩；H——為轉(zhuǎn)子和負(fù)載的慣性常數(shù)；F-為摩擦系數(shù)。
F.同步電機(jī)的模型:
同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立在二相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系上，模型反映了定子磁場(chǎng)和阻尼繞組的動(dòng)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(biāo)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(lì)磁電感；f、k—為磁場(chǎng)或阻尼繞組；
3進(jìn)行系統(tǒng)仿真:
根據(jù)上述原理和模型，建立系統(tǒng)的各個(gè)子模塊，通過MATLAB軟件中的SMULINK對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，各個(gè)子模塊的主要參數(shù)為:
1)柴油機(jī)發(fā)電模塊:
模塊中柴油機(jī)與同步電機(jī)的主要參數(shù)為:額定容量為300kVA，額定線電壓為480V，極對(duì)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(lì)磁繞組定子開路時(shí)間常數(shù)為1.7s, d軸阻尼D繞組定子開路時(shí)間常數(shù)為0.008s,電機(jī)轉(zhuǎn)子q軸阻尼g繞組定子開路時(shí)間常數(shù)為0.213s,q軸阻尼Q繞組定子開路時(shí)間常數(shù)為0.004s，轉(zhuǎn)子和負(fù)載的慣性常數(shù)為2s。模塊中勵(lì)磁控制器的主要參數(shù)為:低通濾波器時(shí)間常數(shù)為0.02s,主控制器增益為300，主控制器時(shí)間常數(shù)為0.0Ols,阻尼濾波器增益為0.001，阻尼濾波器時(shí)間常數(shù)為0.1s ；
2)風(fēng)力發(fā)電模塊:
模塊中風(fēng)機(jī)與異步電機(jī)的主要參數(shù)為:額定風(fēng)速為12m/s，額定容量為275kVA，額定線電壓為480V，極對(duì)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(fù)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(wú)功補(bǔ)償模塊:
無(wú)功補(bǔ)償模塊主要由3個(gè)串聯(lián)RLC負(fù)載組成，每個(gè)串聯(lián)RLC負(fù)載的主要參數(shù)為:額定電壓為480V，有功功率為OkW，感性無(wú)功功率為Okvar，容性無(wú)功功率為25kvar ；
4)主要負(fù)荷模塊:
主要負(fù)荷模塊由1個(gè)三相并聯(lián)RLC負(fù)載組成，三相并聯(lián)RLC負(fù)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(wú)功功率為Okvar，三相容性無(wú)功功率為Okvar ；
5)次要負(fù)荷模塊:次要負(fù)荷模塊由1個(gè)三相并聯(lián)RLC負(fù)載組成，三相并聯(lián)RLC負(fù)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(wú)功功率為Okvar，三相容性無(wú)功功率為Okvar ；
6)控制負(fù)荷模塊:
控制負(fù)荷模塊主要由控制負(fù)荷與頻率控制器組成，模塊中控制負(fù)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(jìn)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(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的仿真原理見圖2。當(dāng)風(fēng)速為llm/s時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。在(T0.4s期間，固定負(fù)荷為主要負(fù)荷60kW，0.4s時(shí)接入次要負(fù)荷30kW，固定負(fù)荷變?yōu)橹饕?fù)荷與次要負(fù)荷之和90kW。仿真采用ode23tb算法，仿真時(shí)間為3s。
[0008]圖3~圖6分別為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的異步電機(jī)轉(zhuǎn)速圖、電網(wǎng)電壓圖、控制負(fù)荷圖和固定負(fù)荷圖；
在圖3中，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速稍微高于同步轉(zhuǎn)速。在(T0.4s內(nèi)，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著時(shí)間的增加而逐漸變大。0.4s時(shí)接入次要負(fù)荷，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值1.0192pu。在0.1-0.2s內(nèi)，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸變小，1.2s時(shí)達(dá)到1.0144pu。在1.2~3s內(nèi)，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸變大，最后穩(wěn)定在1.015pu。通過對(duì)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的分析可以看出，系統(tǒng)能夠很好地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能；
在圖4中，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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?？煽闯?，在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)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(fù)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(cè)量電網(wǎng)電壓頻率，將測(cè)量到的電網(wǎng)頻率與參考頻率作比較，得出頻率誤差，這個(gè)誤差信號(hào)經(jīng)積分運(yùn)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(gè)模擬控制信號(hào)。這個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)字化后變成八位的數(shù)字量，用來(lái)控制接入系統(tǒng)的控制負(fù)荷的大小，從而改變了發(fā)電機(jī)的電流大小，使發(fā)電機(jī)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(duì)控制負(fù)荷的調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)提供給固定負(fù)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(dāng)固定負(fù)荷為60kW時(shí)(在(T0.4s內(nèi))，系統(tǒng)為它提供60kW的功率；當(dāng)固定負(fù)荷為90kW時(shí)(在0.4s以后)，系統(tǒng)為它提供90kff的功率；同時(shí)，發(fā)電機(jī)多余的輸出功率被控制負(fù)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(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的仿真方法，包括首先建立由風(fēng)機(jī)、柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制器、負(fù)荷等組成的風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型，再對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)可行性和對(duì)風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后得出仿真系統(tǒng)的各項(xiàng)可靠性能指標(biāo)，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(jìn)行系統(tǒng)仿真； 其中1:所述確定系統(tǒng)組成，該風(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由柴油機(jī)、同步電機(jī)、柴油機(jī)控制器、勵(lì)磁控制器、風(fēng)機(jī)、異步電機(jī)、變槳距控制系統(tǒng)、無(wú)功補(bǔ)償器、主要負(fù)荷、次要負(fù)荷、控制負(fù)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(fēng)力柴油聯(lián)合獨(dú)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(jī)、同步電機(jī)、柴油機(jī)控制器、勵(lì)磁控制器、風(fēng)機(jī)、異步電機(jī)、變槳距控制系統(tǒng)、無(wú)功補(bǔ)償器、主要負(fù)荷、次要負(fù)荷、控制負(fù)荷和頻率控制器的模型；以下對(duì)柴油機(jī)、風(fēng)機(jī)、變槳距控制系統(tǒng)、頻率控制器、異步電機(jī)、同步電機(jī)模型進(jìn)行介紹: A.柴油機(jī)的傳遞函數(shù)的模型為附圖公式1: 式中，K——增益；1\、T2、T3——時(shí)間常數(shù)；TD——延遲時(shí)間； B.風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率的模型為附圖公式2: 式中，Pw—風(fēng)機(jī)實(shí)際獲得的機(jī)械輸出功率；PV—風(fēng)機(jī)的輸入功率;cp—風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)；β—槳距角；λ—葉尖速比；P—空氣密度；s—風(fēng)輪的掃風(fēng)面積；V-風(fēng)速； 葉尖速比λ可表示為附圖公式3: 式中，η—風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速；ω—風(fēng)輪角頻`率；R—風(fēng)輪半徑；v—作用于風(fēng)機(jī)的迎面風(fēng)速； 對(duì)于給定的葉尖速比λ和槳距角β，計(jì)算風(fēng)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(jì)算得到對(duì)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(fēng)機(jī)槳葉角度改變槳葉相對(duì)于風(fēng)速的攻角，從而改變風(fēng)機(jī)從風(fēng)中捕獲的風(fēng)能；變槳距控制在不同情況下采用不同的策略； 1)當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，變槳距角控制用于風(fēng)電機(jī)組功率的尋優(yōu)，目的是在給定風(fēng)速下使風(fēng)電機(jī)組發(fā)出盡可能多的電能，對(duì)于變速風(fēng)電機(jī)組，其功率尋優(yōu)可以通過風(fēng)電機(jī)組的變速來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，槳距角β通常保持在0°附近，當(dāng)β為0°時(shí)，Cp最大； 2)當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，變槳距裝置動(dòng)作，槳距角增大，將風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率限制在額定功率附近，同時(shí)能夠保護(hù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)不會(huì)過載以及避免風(fēng)電機(jī)組機(jī)械損壞的危險(xiǎn)； D.頻率控制器的模型: 通過頻率控制器的控制，將控制負(fù)荷接入電網(wǎng)，使控制負(fù)荷在0-446.25kff內(nèi)發(fā)生變化，而且以1.75kff進(jìn)行步進(jìn)，從而提高系統(tǒng)的頻率質(zhì)量，頻率控制器對(duì)電網(wǎng)電壓頻率進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值與參考頻率進(jìn)行比較，得到頻率誤差，并將該頻率誤差通過PID控制器計(jì)算出模擬控制信號(hào)，然后由編碼器對(duì)其進(jìn)行數(shù)字處理，用所得到的數(shù)字量控制每組負(fù)荷的開關(guān)，從而對(duì)控制負(fù)荷進(jìn)行精確調(diào)節(jié)；頻率控制器通過對(duì)控制負(fù)荷的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到參與校正系統(tǒng)頻率的目的； E.異步電機(jī)的模型: 建立在二相坐標(biāo)系上的異步電機(jī)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(jī)械方程為附圖公7; F.同步電機(jī)的模型: 同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立在二相旋轉(zhuǎn)趣坐標(biāo)系上，模型反映了定子磁場(chǎng)和阻尼繞組的動(dòng)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(biāo)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(lì)磁電感、fc—為磁場(chǎng)或阻尼繞組； 其中3:進(jìn)行系統(tǒng)仿真: 根據(jù)上述原理和模型，建立系統(tǒng)的各個(gè)子模塊，通過MATLAB軟件中的SMULINK對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，各個(gè)子模塊的主要參數(shù)為: 1)柴油機(jī)發(fā)電模塊: 模塊中柴油機(jī)與同步電機(jī)的主要參數(shù)為:額定容量為300kVA，額定線電壓為480V，極對(duì)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(lì)磁繞組定子開路時(shí)間常數(shù)為1.7s d軸阻尼D繞組定子開路時(shí)間常數(shù)為0.008s,電機(jī)轉(zhuǎn)子9軸阻尼S繞組定子開路時(shí)間常數(shù)為0.213s, ?軸阻尼Q繞組定子開路時(shí)間常數(shù)為0.004s，轉(zhuǎn)子和負(fù)載的慣性常數(shù)為2s ;模塊中勵(lì)磁控制器的主要參數(shù)為:低通濾波器時(shí)間常數(shù)為0.02s，主控制器增益為300，主控制器時(shí)間常數(shù)為0.0Ols,阻尼濾波器增益為0.001，阻尼濾波器時(shí)間常數(shù)為0.1s ； 2)風(fēng)力發(fā)電模塊: 模塊中風(fēng)機(jī)與異步電機(jī)的主要參數(shù)為:額定風(fēng)速為12m/s，額定容量為275kVA，額定線電壓為480V，極對(duì)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(fù)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(wú)功補(bǔ)償模塊: 無(wú)功補(bǔ)償模塊主要由3個(gè)串聯(lián)RLC負(fù)載組成，每個(gè)串聯(lián)RLC負(fù)載的主要參數(shù)為:額定電壓為480V，有功功率為OkW，感性無(wú)功功率為Okvar，容性無(wú)功功率為25kvar ； 4)主要負(fù)荷模塊: 主要負(fù)荷模塊由I個(gè)三相并聯(lián)RLC負(fù)載組成，三相并聯(lián)RLC負(fù)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(wú)功功率為Okvar，三相容性無(wú)功功率為Okvar ；5)次要負(fù)荷模塊: 次要負(fù)荷模塊由I個(gè)三相并聯(lián)RLC負(fù)載組成，三相并聯(lián)RLC負(fù)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(wú)功功率為Okvar，三相容性無(wú)功功率為Okvar ； 6)控制負(fù)荷模塊: 控制負(fù)荷模塊主要由控制負(fù)荷與頻率控制器組成，模塊中控制負(fù)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(jìn)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(dāng)風(fēng)速為llm/s時(shí),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真；在(T0.4s期間，固定負(fù)荷為主要負(fù)荷60kW，0.4s時(shí)接入次要負(fù)荷30kW，固定負(fù)荷變?yōu)橹饕?fù)荷與次要負(fù)荷之和90kW，仿真采用ode23tb算法，仿`真時(shí)間為3s。
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK103744298SQ201410006405
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)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(qǐng)人:湖南文理學(xué)院