基于Matlab simulink和PSASP的风电场暂态稳定仿真

### 基于Matlab Simulink和PSASP的风电场暂态稳定仿真 #### 摘要 随着风电容量在电网中所占比例的快速增加，并网系统的暂态稳定问题变得尤为突出。风电场中的风机启动、切机操作、机端电容配置不当、网络故障及风速变化等因素均可能对电力系统的稳定性产生负面影响。这些问题可能导致风力发电机机端电压处于不稳定状态，进而影响风电机组的稳定运行。因此，深入研究风电场的暂态稳定问题具有重要意义。 本文通过使用Matlab Simulink与PSASP这两种工具，对风电场在网络发生短路故障和阵风干扰两种情况下进行了暂态稳定仿真。通过对仿真结果的分析，探讨了风电场暂态稳定的机理，并得出了相关的结论。 #### 关键词 - 风电场 - 暂态稳定 - Matlab Simulink - PSASP - 仿真 #### 1. 风速和风力机 风速的类型主要包括基本风、阵风、随机风和渐变风。在本文中，主要关注基本风和阵风的情况。其中，阵风模型如下： \[ V_{c}(t) = \left\{ \begin{array}{ll} 0 & t < T_s \\ V_B + (V_{max} - V_B)\left[1 - \cos\left(\frac{\pi(t-T_s)}{T_c}\right)\right] & T_s \leq t < T_s + T_c \\ V_B & t \geq T_s + T_c \end{array} \right. \] 其中，$V_B$ 是阵风的基本风速（m/s），$T_s$ 是启动时间（s），$T_c$ 是周期（s），$V_{max}$ 是最大值。 风力机模型可以通过以下公式表示： \[ P_W = \frac{1}{2} \rho A C_P(\lambda) V^3 \] \[ \frac{dM_w}{dt} = M_m - M_w \] 其中，$P_W$ 表示风力机的输出功率，$\rho$ 是空气密度，$A$ 是风轮扫过的面积，$C_P(\lambda)$ 是风能利用系数，$V$ 是风速，$M_w$ 和 $M_m$ 分别表示风力机叶片转矩和发电机轴上的机械转矩。 #### 2. 暂态模型 对于风电场的暂态分析，可以使用一个三阶机电暂态模型来描述发电机的行为。该模型包括定子电压方程、暂态电势变化方程和转子运动方程。 定子电压方程可以表示为： \[ U_1' = r_1 I_1' + j x'_1 E_q' \] 其中，$U_1'$ 是定子电压，$r_1$ 是定子电阻，$I_1'$ 是定子电流，$x'_1$ 是暂态电抗，$E_q'$ 是暂态电势。 暂态电势变化方程为： \[ \frac{dE_q'}{dt} = \frac{-1}{T_q'}(E_q' - E_f') - \frac{x_d - x'_d}{T_q'}I_d \] 转子运动方程如下： \[ \frac{d\omega}{dt} = \frac{P_m - P_e}{2H} \] 其中，$\omega$ 是转子角速度，$P_m$ 和 $P_e$ 分别是机械功率和电磁功率，$H$ 是惯性时间常数。 #### 3. 软件介绍 - **Matlab Simulink**：用于动态系统的建模、仿真和分析，支持线性和非线性系统、连续和离散时间模型。本文使用Simulink搭建了风电场接入无穷大系统的模型，以模拟网络短路和阵风干扰对风电场的影响。 - **PSASP**：由中国电科院开发的电力系统综合分析仿真软件，在国内得到了广泛应用。PSASP的UPI接口允许用户自定义模型，提高了仿真的灵活性和准确性。本文中，通过PSASP的UPI接口对风电场的暂态稳定性进行了仿真。 #### 结论 通过对风电场在网络发生短路故障和阵风干扰情况下的暂态稳定性的仿真研究，本文得出了以下结论： 1. **网络短路故障**：短路故障会导致风电场输出电压下降，影响发电机的稳定运行。合理的控制策略能够有效提高风电场的暂态稳定性。 2. **阵风干扰**：阵风干扰会影响风电场的输出功率，进而影响电力系统的稳定性。通过优化设计和控制策略可以减少阵风对风电场的影响。 基于Matlab Simulink和PSASP的仿真方法能够有效地评估风电场的暂态稳定性，为风电场的设计和运行提供科学依据。