基于 Matlab/simulink 和 PSASP 的风电场暂态稳定仿真 杨 威 1，张慧群 1，潘文霞 1，李学鹏 2，周振凯 3 (1 河海大学电气工程学院，江苏南京，210098；2 宿迁市供电局，3 苏州市供电局) 摘 要：随着风电容量在电网中比例的迅速增加，并网系统 的暂态稳定问题表现得更加突出。风机启动、切机等对电力 系统电压造成冲击，机端电容配置不当会使风力发电机机端 电压处于不正常状态，网络故障、风速的变化也会对电压产 生干扰，这些干扰影响到风电机组能否稳定运行，机端电压 能否保持在稳定的范围内，所以这些暂态稳定问题仍需进一 步解决。本文分析了风电场在发生短路和阵风干扰的情况下 暂态稳定问题，得出了风电场相应参数的变化，以及相应的 结论。 关键词：风电场； 暂态稳定；Matlab/simulink 和 PSASP 仿真 0 前言 随着经济的不断发展，对能源的需求量与日俱 增。风力作为一种无污染可再生能源，且资源丰富、 风电技术成熟，因此成为最具大规模开发前景的新 能源之一。但随着风电容量的增加，也带来了暂态 稳定问题，本文借助 Matlab/Simulink 和 PSASP（电 力系统分析综合程序）的 UPI 接口分析了在网络发 生短路故障和阵风干扰的情况下，风电场的电压、 有功、无功、转速和电流的变化情况，分析了风电 场暂态稳定的机理，并作比较说明仿真的正确性， 且得出了相应的结论。 1 风速和风力机 ① 风速有：基本风、阵风、随机风和渐变风， 本文主要仿真风电场常见的基本风和阵风情况，基 本风速为常数，阵风的模型如下： V B 0   V  COS  0  T s t T  s t T   s t T   s T c  T c V COS   max V   2 1 cos 2     t T c    T T s c     式中 BV 、 cT 、 sT 、maxV 分别为阵风风速（m/s）、 周期（s）、启动时间（s）和最大值。 ②风力机模型为： M w  1 2  C R p 3 2 V w  N  P N 3   10  P W   N  P N 3   10 式中 wM 为风力机叶片转矩（p.u.）； R 为叶片半 2 / 60 n  为叶片机械角速度（rad/s）； 径（m）； N 为风力机额定机械角速度（rad/s）； NP 为风力 机额定功率（kW）； /N P  为风力机额定机械转矩 （N.M）。 ,m M M 分别为发电机轴上的机械转矩 （N.M）和风力机的机械转矩（N.M）。 wT 为风力机 惯性时间常数（s） 2 暂态模型 N w 以暂态电势作为变量的 3 阶机电暂态模型如 下： 定子电压方程为： . U 1   1( r  . ') jx I  1 . ' E 其中暂态电抗为： x '  X 1  X m * X 2 ( X 2  X ) m 暂态电势变化方程：   T     T  ' ' d 0 d 0 . d E dt . d E dt ' x . ' E x    ( x  . ') x I  sT 1 y ' d 0 2  ' y . ' E y    ( x  . ') x I  sT 1 x ' d 0 2  . f E ' 0 y . f E ' 0 x 定子开路时，转子回路时间常数： T '  d 0  X X 2 f R 2 0 2 m ， x X  1  X m 转子运动方程如下： ds dt  1  (1 s ) T j ( P em  P m )  1 T j ( M em  M ) m P em  . ^ R E I ( ' e ) 1  M em P M 、 ( P M —分别为发电机的电磁功率（转 m em em m ( ) ) 矩）和输入机械功率（转矩）； . . ' E E  x  ——异步风力发电机暂态电势； ' ' . jE y dM dt m  1 T w ( M  M ) m w jT ——机械惯性时间常数； 1 

. . 1, U I  1 . I 1 x . j I  ——分别为定子输出电压，电流； 1 y 3 软件介绍 Matlab/Simulink 是对动态系统进行建模、仿真 和分析的软件包。它支持线性和非线性系统、连续 和离散时间模型，或者两者的混合，本文利用其搭 建风电场接入无穷大系统，仿真网络短路和阵风干 扰对风电场暂态稳定的影响。 PSASP 是中国电科院的一套电力系统综合分 析仿真软件，在国内被广泛地认可，它的 UPI 接口 为用户自定义模型提供了极大的方便。本文采用上 节的三阶模型，通过 UPI 接口编写风电机模型，在 潮流的基础上仿真风电场暂态稳定。 4 算例参数说明 本文算例为风电场接入单机无穷大系统，如下 图： 5 仿真结果 5.1 额定容量下，无阵风干扰时的三相接地短路 （1.8-1.9s） 有功、无功、机端电压和转速、电流图形如下： ) . U P P ( 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 1 2 3 4 t(s) 5 6 7 图 1 simulink 有功功率 simulink 中搭建的仿真图形如下： 图 2 psasp 有功功率 ) u . p ( Q 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 1 2 3 4 t(s) 5 6 7 图 3 simulink 无功功率 叶尖 速比 9 额定 功率 500kw 切除 风速 24m/s 风电机的参数为： 空气 密度 1.225 叶片 半径 25m 变压器和线路的参数如下： 额定 转速 34r/s 启动 风速 5m/s 功率 系数 0.4 时间 常数 20s 风电场可以有电容器组补偿 Xc=-20j，变压器 支路阻抗为 0.743j,支路阻抗 z1=0.0925+0.26i， z2=0.108+0.2026i, M2,M3，M4 为 PQ 节点，M1 为 平衡节点。M4 电压为 690V，M1，M2 电压为 10KV。 系统及风电场参数采用标幺值计算。基值容量 10MVA，基值电压为额定电压。 图 4 psasp 无功功率 结论：额定运行时，风电机输出功率为额定值，在 变压器高压侧发生短路时，有功/无功急剧减少/增 加，有功的减少，因为电压急剧下降，无功增加， 因为系统要维持电压稳定，急剧补偿无功，短路结 束则恢复供电。而在 1.8 秒，由共和无功都出现了 毛刺现象，是 simulink 自身步长和容差选择的问题。 2 

说明：以下的 simulink 仿真略去风电机一开始 0.5s 左右的启动现象，和 psasp 从潮流稳定开始计算保 持一致。 . ) u p ( U 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 t(s) 5 6 7 图 5 simulink 机端电压 . ) u p ( I 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 t(s) 5 6 7 图 9 simulink 电流 图 6 psasp 机端电压 结论:在发生短路时，风力机的机端电压急剧下降， 由于变压器上有部分压降，降至约为 0.1，符合实 际情况。当故障切除的时候，有一个过渡过程，恢 复稳态运行。 ) s / d a r ( n 3250 3200 3150 3100 3050 3000 2950 2900 2850 1 2 3 4 t(s) 5 6 7 图 7 simulink 转速 图 10 psasp 电流 结论：在发生短路时，短路点产生的冲击电流约为 额定电流的 6 倍，符合文献[4]上提到的 5-10 倍。 5.2 阵风干扰下发生三相接地短路（1.8-1.9s） a. 阵风为 5.5m/s 时，起止时间为 1-4s 以下仅研究电压这个重要参数的变化情况: . ) u p ( U 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 3 4 t(s) 5 6 7 图 11 simulink 5.5m/s 阵风干扰时电压 图 8 psasp 转速 结论：在发生短路过程中，由于输入的机械功率明 显大于电磁功率，风电机的转差率明显下降，即风 电机的转速明显上升，上升的幅度跟短路时间和短 路类型有关，如果长时间发生故障，容易引起风电 机速度急剧上升至飞车。 3 图 12 psasp 5.5ms/阵风干扰时电压 

制，比如安装静止无功补偿器和投切电容器组等手 段。 6 结论 本文通过借助 Matlab/Simulink 和 PSASP 仿真 软件,仿真分析了风电场在额定运行时受到阵风干 扰和短路影响产生的功率、电压、电流和转速这些 状态量的变化情况。功率在短路期间急剧下降至零 左右，冲击电流一般是额定电流的 5-10 倍，转速 也相应增加（这是由于机械功率远大于短路时的电 磁功率，转差率变小，转速相应增加）。在阵风干 扰时，电压降低，电流相应随着阵风上升，当阵风 的幅值达到一定数值时，风电场的电压将不稳定， 降低到崩溃边缘，所以应该采取相应的措施，补偿 无功，升高电压，否则就有切机的危险。总之，风 电场的暂态过程是个复杂的动态过程，还有很多方 面值得研究。 参考文献 [1] 潘文霞.大型风电场电压稳定性分析与控制研究博士学位论文 [M].2004。 [2] 王瑞雪.基于 PSASP 扩展的风力发电系统综合分析程序 硕士生毕 业论文.2006 [3] 董 萍，吴 捷，杨金明，陈渊睿，《风力发电机组建模研究现状》， 太阳能学报，第五卷第五期 [4] 王建生 基于 MATLAB 的风力异步发电机动态仿真 电力学报 2005 年第 20 卷第 3 期 [5] 樊艳芳,晁勤，风力异步发电机的建模与仿真，计 算 机 仿 真， 2002 年 9 月 第 19 卷 第 5 期。 [6] Andres E. Feijoo, modeling of wind farms in the load flow analysis. IEEE Trans on power system, 2000, 15(1) [7] Saad-Saoud Z ， Jenkins N. Simple wind farm dynamic model. IEEProc.-Gener.Transm.Distrib，Vol.142，No.5，September 1995 [8] Bao N S, Chen Q X, Jiang T. Modeling and identification of a wind turbine system[J].Wind Engineering, 1996, 20(4):203-2181。 [9]王一波.《风力发电系统分析仿真与综合计算系统》硕士学位论 [M].2003。 作者简介： 杨威（1983-），男，硕士研究生，研究方向为风电场暂态 电压稳定仿真．Email：yangwei7785_cn@sina.com.cn 张慧群（1980-），女，硕士生，研究方向为风力发电机组 动态等值．Email：zhq800301@sina.com 潘文霞（1961-），女，教授，主要从事风力发电领域的科 研工作．Email：pwxhh@yahoo.com.cn 李学鹏（1982-），男，学士，主要从事电力系统运行领域 研究工作. Email： 周振凯（1981-），男，学士，主要从事场站端远动领域研 究工作. Email：caesarking.zzk@163.com ) u . p ( I 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 t(s) 5 6 7 图 13 simulink 5.5m/s 阵风干扰时电流 图 14 psasp 5.5m/s 阵风干扰时电流 结论: 风电场受到阵风干扰时,电压会产生波动。 在额定风速 14m/s,阵风 5.5m/s 时,电压是稳定的， 电流也相应地升高,随着阵风的平息,又逐渐恢复 到额定运行状态下。 b.阵风为 9m/s 时，时间为 1-4s . ) u p ( U 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 t(s) 图 15 simulink 9m/s 阵风干扰时电压 图 16 psasp 9m/s 阵风干扰时电压 结论：当阵风幅值达到 9m/s 时，机端电压约为 0.72 左右，已经达到崩溃程度，说明当风速大于等于这 个值时，电压已经不稳定，这时要采取措施加以控 4