北京交通大学 学生暑期社会实践团队 仿真试验报告.docx
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北京交通大学学生暑期社会实践团队仿真试验报告
北京交通大学
2011年学生暑期社会实践团队
仿真试验报告
试验名称
风轮机全数字仿真模型的正确性检测
实验日期
2011年8月
参与人员
高子健，高子豪，李观文，戴明，
目录
1.研究背景与目的3
2.软硬件平台及仿真模型3
3.方案设计5
4.研究过程及数据分析5
4.1.风轮机参数随风速的变化5
4.2.网侧单相瞬时接地故障11
4.3.网侧单相永久接地故障12
4.4.网侧三相瞬时接地故障13
4.5.网侧三相永久接地故障13
5.结论14
1.研究背景与目的
仿真试验是研究和检查电力系统的重要方法，可以快速、安全、且相对准确地检测运行电网及规划电网的安全稳定性能。
目前在大多数的国家或电力系统，风力发电在整个系统总容量中只占了很小的一部分。
尽管如此，由于风电迅猛的发展势头，电力系统的风电穿透率将会逐步增大，随之开始影响电力系统的运行特性。
因此，进行风电并网的相关仿真研究以发现和解决其潜在的问题具有重要的意义。
20世纪80年代初，国外学者开始将仿真方法用于风电机组的性能研究，其后，仿真技术在风力发电系统的应用范围逐渐拓展，仿真技术的应用在很大程度上代替了传统的利用实际设备开展设计检验等手段。
中国电力科学研究院的一个科研项目“直驱式同步风力发电机组的数模混合仿真研究”，就是结合国家电网电力系统数模混合仿真实验室的实验条件，在数模混合仿真装置上建立直驱式同步风力发电机组的全数字模型及数模混合模型，为风电机组运行特性的仿真研究提供新的手段。
北京交通大学理学院赴中国电力科学研究院社会实践团成员，基于电科院在建的风电机组全数字仿真模型进行了一系列的试验项目，主要目的有两个：
1）检验在建风机模型的正确性，以及系统故障时风机的动态响应情况。
2）学习、理解电力系统仿真试验的意义及方法，了解通过仿真试验研究问题的基本过程和方法，同时更深入地了解风力发电的相关知识
2.软硬件平台及仿真模型
本次仿真研究采用的是电力系统全数字仿真装置，其中硬件平台是SGI公司的Altix4700超级计算机，软件平台是电磁暂态分析软件Hypersim。
Hypersim是由加拿大魁北克水电局研究中心IREQ（Hydro-QuebecResearchInstitute）研发的仿真软件，其中包括电力系统的各种典型模型，如电力电子器件，各类传输线路，保护装置，负各种负荷、电动机、汽轮和水轮发电机以及其他装置等。
仿真软件Hypersim的计算结果通过图形软件scopeview来查看。
Hypersim与Scopeview数据交换流程见图2-1，其中，多核CPU（Altix4700）主要用来计算，用户通过服务器访问CPU和编译Hypersim的仿真任务，计算结束后，Hypersim软件将计算结果输出给Scopeview或保存为相应格式的数据文件，在Scopeview里通过加载数据即可实时查看监测信号波形和参数。
图2-1Hypersim与Scopeview数据交换流程
Scopeview是一款图形化数据采集和处理软件，它可用于同时加载、查看和处理各种数据，同时，ScopeView还拥有先进的数据后处理能力，能够对图形进行缩放，求取最大、最小、平均值，波形合并与分解等功能。
Scopeview内置的函数编辑器可以实现多种数学函数，如离散傅里叶变换，谐波分析等。
本次研究的网络模型如图2-2所示。
图2-2直驱式同步风力发电机组全数字仿真模型结构图
图2-2中，风轮机捕获风能，将其转换为电能（三相交流电），风机的转速随风速的变化而变化，因此无法直接接入电网。
交流信号经过电压源换流器（VSC）的整流侧进行整流后，变为直流信号，再经过VSC的逆变侧转换为稳定频率的交流信号接入电网。
3.方案设计
1）调整风速（5m/s至20m/s），记录桨距角、电磁转矩、风机有功功率、风机转速以及直流电压的变化。
2）在时间为0.5秒时，在变压器电网端设置时长为0.1秒的单相接地故障，记录系统中各项参数的变化。
3）在时间为0.5秒时，在变压器电网端设置永久的单相接地故障，记录系统中各项参数的变化。
4）在时间为0.5秒时，在变压器电网端设置时长为0.1秒的三相接地故障，记录系统中各项参数的变化。
5）在时间为0.5秒时，在变压器电网端设置永久的三相接地故障，记录系统中各项参数的变化。
4.研究过程及数据分析
4.1.风轮机参数随风速的变化
调整风速（5m/s至20m/s），记录桨距角、风机功率、电磁转矩、风机转速以及直流电压的变化。
在各个风速值下，分别记录桨距角（度）三次，数据取至小数点后三位，并取平均值。
记录结果如表4-1。
表4-1桨距角随风速的变化
风速（m/s）
桨距角（度）
桨距角平均值（度）
5．000
4.770
4.980
4.973
4.909
6．000
7.501
7.551
7.523
7.525
7．000
9.376
9.587
9.599
9.521
8．000
11.223
11.268
11.338
11.276
9．000
12.815
12.794
12.81
12.806
10．000
13.887
14.043
14.041
13.990
11．000
14.986
15.125
15.101
15.071
12．000
16.020
16.045
16.046
16.037
13．000
16.830
16.880
16.881
16.864
14．000
17.623
17.625
17.591
17.613
15．000
18.205
18.270
18.291
18.255
16．000
18.817
18.881
18.885
18.861
17．000
19.372
19.444
19.457
19.424
18．000
19.923
19.966
19.968
19.952
19．000
20.435
20.474
20.464
20.458
20．000
20.896
20.941
20.944
20.927
在各个风速值下，对风力发电机组有功功率（p.u.）在0秒至1秒内进行录波，如图4-2，
图4-2在不同风速下的风机有功曲线
图中曲线自下而上分别是风速为5,6,7,……,20,（m/s）时的有功功率
测量每条曲线的平均值，数据取至小数点后三位。
记录结果如表4-2。
表4-2风机功率随风速的变化
风速（m/s）
有功功率平均值（p.u.）
5.000
0.078
6.000
0.088
7.000
0.108
8.000
0.128
9.000
0.150
10.000
0.178
11.000
0.212
12.000
0.243
13.000
0.276
14.000
0.313
15.000
0.355
16.000
0.394
17.000
0.432
18.000
0.484
19.000
0.522
20.000
0.569
在各个风速值下，记录风力发电机电磁转矩（p.u.）在0秒至1秒内变化曲线，并取平均值，数据取至小数点后三位。
记录结果如表4-3。
表4-3电磁转矩随风速的变化
风速（m/s）
发电机电磁转矩（p.u.）
5.000
0.052
0.051
0.052
6.000
0.076
0.079
0.078
7.000
0.106
0.105
0.105
8.000
0.134
0.134
0.132
9.000
0.161
0.162
0.162
10.000
0.189
0.189
0.189
11.000
0.216
0.216
0.217
12.000
0.244
0.243
0.244
13.000
0.270
0.270
0.271
14.000
0.294
0.296
0.297
15.000
0.323
0.322
0.323
16.000
0.348
0.348
0.348
17.000
0.373
0.374
0.373
18.000
0.399
0.399
0.398
19.000
0.424
0.424
0.424
20.000
0.450
0.449
0.449
在各个风速值下，记录风力发电机直流电压（p.u.）在0秒至1秒内变化曲线，并取平均值，数据取至小数点后三位。
记录结果如表4-4：
表4-4：
整流侧直流电压随风速的变化
风速（m/s）
直流电压（V）
5.000
1099.615
6.000
1100.358
7.000
1099.831
8.000
1100.105
9.000
1100.427
10.000
1100.080
11.000
1100.111
12.000
1100.530
13.000
1099.740
14.000
1100.014
15.000
1099.938
16.000
1100.242
17.000
1099.909
18.000
1100.542
19.000
1100.387
20.000
1100.198
在各个风速值下，分别记录风力发电机转速（rad/s）在0秒至1秒内变化曲线，并取平均值，数据取至小数点后三位。
记录结果如表4-5。
表4-5风机转速随风速的变化
风速（m/s）
发电机频率（rad/s）
5.000
0.527
6.000
0.551
7.000
0.582
8.000
0.615
9.000
0.652
10.000
0.689
11.000
0.726
12.000
0.764
13.000
0.802
14.000
0.845
15.000
0.885
16.000
0.924
17.000
0.962
18.000
1.000
19.000
1.036
20.000
1.072
将表4-1~4-5的表格以图形显示，得到图4-2~4-4。
图4-2桨距角随风速变化的曲线
图4-3风机转速、有功、转矩随风速变化的曲线
图4-4直流电压随风速变化的曲线
由图4-2可见，随着风速的上升，风机桨距角将增大。
其中风速较小时，桨距角随风速变化较快，风速较大时，桨距角随风速变化较慢。
由图4-3可见，发电机转速随风速增大而上升，上升速度无明显变化，其中风速较小时，发电机转速随风速上升速度较低；有功功率随着风速增大而上升，有功功率上升速度也随风速增大而上升；电磁转矩随风速增大而上升，上升速度无明显变化。
由图4-4可见，直流电压不随风速变化而变化。
一般地，当风速为大约10米/秒时，风机应该能达到额定转速以及额定机械功率，但是，在图4-3中，当风速达到15米/秒时，风机仍未能达到额定转速以及额定机械功率。
风轮机的作用是在不超过设备额定状态的前提下捕获尽可能大的风能。
风轮机控制实际就是当可用的风能超过设备额定值时增加桨距角以减少捕获的风能至额定值，当可用的风能小于额定值时将桨距角设定在0度以捕获最大能量。
风轮机的转速控制系统有两种方式：
1）发电机电磁转矩控制。
在风速较小情况下，起主要作用的是电磁转矩控制。
通过发电机侧整流器调节定子电流以调节电磁转矩，进而调节转速，达到最大功率捕获的目的。
2）桨距角控制。
在风速较大，以致风机运转超过额定工况时，起主要作用的是桨距角控制。
通过调节桨距角大小来调节捕获风能的大小。
但是，图4-2、4-3中，在风轮机的功率及转速都没有到达额定值的情况下，桨距角没有保持在0度左右以捕获最大风能，而是不断增大，当风速为10米/秒时，有功约为0.2p.u.，转速约为0.65p.u.，桨距角已经增大至14度。
因此，该风轮机的原动机模型有问题，需要检查原因，完善该数字模型。
图4-4中，直流电压不随风速变化而变化。
说明整流器的控制系统是正确的。
4.2.网侧单相瞬时接地故障
在时间为0.5秒时，在变压器电网端设置时长为0.1秒的单相接地故障，如图4-5所示。
图4-5在变压器电网端作短路故障
在时间为0.5秒时，在变压器电网端设置时长为0.1秒的单相接地故障，记录0.0秒至3.0秒内网侧交流电压，网侧有功功率，网侧无功功率，桨距角，发电机直流电压，发电机电磁转矩，发电机转速等波形，如图4-6。
图4-6网侧单相瞬时接地故障时，系统各参数变化曲线
左侧由上至下依次为：
风速，网侧交流电压，有功功率，无功功率，桨距角，发电机直流电压。
右侧由上至下依次为：
发电机电磁转矩，发电机转速指令值，发电机转速，变压器网侧a相交流电压，b相交流电压，c相交流电压。
由图4-6可见，在发生网侧单相瞬时接地故障时，系统出现波动，但2秒后基本恢复稳定，因此单相接地故障对该风电机组运行以及对交流系统的影响都较小，系统能较快恢复正常运行。
4.3.网侧单相永久接地故障
在时间为0.5秒时，在变压器电网端设置永久的单相接地故障，故障地点如图4-5。
记录0.0秒至3.0秒内网侧交流电压、网侧有功功率、网侧无功功率、桨距角、发电机直流电压、发电机电磁转矩、发电机转速等波形。
记录结果如图4-7：
图4-7网侧单相永久接地故障时，系统各参数变化曲线
左侧由上至下依次为：
风速，网侧交流电压，有功功率，无功功率，桨距角，发电机直流电压。
右侧由上至下依次为：
发电机电磁转矩，发电机转速指令值，发电机转速，a相交流电压，b相交流电压，c相交流电压。
由图4-7可见，在发生网侧单相永久接地故障时，系统出现波动，但2秒后基本恢复稳定，单相永久接地故障后该风电机组以及交流系统仍能继续运行。
4.4.网侧三相瞬时接地故障
在时间为0.5秒时，在变压器电网端设置时长为0.1秒的三相接地故障，故障地点如图4-5。
记录0.0秒至3.0秒内网侧交流电压，网侧有功功率，网侧无功功率，桨距角，发电机直流电压，发电机电磁转矩，发电机转速等波形，如图4-8。
图4-8网侧三相瞬时接地故障时，系统各参数变化曲线
左侧由上至下依次为：
风速，网侧交流电压，有功功率，无功功率，桨距角，发电机直流电压。
右侧由上至下依次为：
发电机电磁转矩，发电机转速指令值，发电机转速，a相交流电压，b相交流电压，c相交流电压。
由图4-8可见，在发生网侧三相瞬时接地故障时，系统出现波动，但2秒后基本恢复稳定，只要故障及时清除，系统能较快恢复正常。
4.5.网侧三相永久接地故障
在时间为0.5秒时，在变压器电网端设置永久的三相接地故障，故障地点如图4-7。
记录0.0秒至3.0秒内网侧交流电压，网侧有功功率，网侧无功功率，桨距角，发电机直流电压，发电机电磁转矩，发电机转速等参数的波形。
记录结果如图4-9：
图4-9网侧三相永久接地故障时，系统各参数变化曲线
左侧由上至下依次为：
风速，网侧交流电压，有功功率，无功功率，桨距角，发电机直流电压。
右侧由上至下依次为：
发电机电磁转矩，发电机转速指令值，发电机转速，a相交流电压，b相交流电压，c相交流电压。
由图4-9可见，在发生网侧三相瞬时接地故障时，系统各项参数出现大的变化，且失去稳定。
这是因为故障后风机输出的功率没有负荷来接收所致。
5.结论
本次研究得出如下结论：
1）风轮机的原动机模型有问题，需要检查原因，对模型进行完善。
2）在风速变化时，直流电压基本保持不变，直流控制系统的响应正确。
3）网侧发生单相瞬时故障、单相永久故障以及三相瞬时故障时，该风电机组以及交流系统仍能恢复稳定运行。
当发生三相永久故障时，系统失去稳定。
风机的动态响应正确。
本次研究成果：
1）验证了风轮机模型有问题，使得
2）进一步了解了风力发电机的原理、电网发供电平衡等相关知识。
3）了解了电力系统仿真试验的意义及方法，了解了仿真试验在风电研究中的作用。
4）初步学会了电力系统仿真软件hypersim的使用方法，包括如何绘制电网图形、如何制造故障、如何显示并分析波形等等。
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