基于pscad的超導(dǎo)儲能系統(tǒng)建模仿真研究

基于pscad的超導(dǎo)儲能系統(tǒng)建模仿真研究

中國的風(fēng)力斗場通常很小，大多數(shù)8500千瓦以下的風(fēng)力斗場是獨(dú)立發(fā)電，需要系統(tǒng)的大力支持。本文利用PSCAD仿真軟件,搭建了風(fēng)電場模型、超導(dǎo)儲能模型以及多機(jī)電網(wǎng)模型,研究SMES系統(tǒng)在改善并網(wǎng)風(fēng)電場出力中的應(yīng)用。1風(fēng)能機(jī)組的動態(tài)數(shù)學(xué)模型1.1風(fēng)能機(jī)組的動力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動力系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、輪轂、齒輪箱和連軸器式中:T式中:C1.2非晶態(tài)傳感器的數(shù)學(xué)模型異步發(fā)電機(jī)采用忽略定子繞組暫態(tài)過程的機(jī)電暫態(tài)模型1.3風(fēng)電站等為減少計算量,將風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等值為一臺機(jī)然后令注入電網(wǎng)的功率相等,即式中:P2超聲儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)SMES裝置一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、功率變換裝置、失超保護(hù)系統(tǒng)和監(jiān)測控制系統(tǒng)等幾個主要部分組成。超導(dǎo)儲能裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。超導(dǎo)線圈中儲存的能量W為:式中,L為超導(dǎo)磁體電感,I為磁體直流電流。SMES并接于電力系統(tǒng)可等效為幅值和相位可變的電流源。SMES對有功和無功的調(diào)節(jié)可表示為:式中E式中u3多機(jī)模型與模擬分析3.1無窮大系統(tǒng)分離區(qū)域引入一個多機(jī)系統(tǒng)來研究下這對整個電網(wǎng)的作用。文獻(xiàn)[13]中所提及的4機(jī)12節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)電力系統(tǒng)測試模型作為帶儲能的風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)。圖2顯示了這個包含風(fēng)電場和儲能元件的4機(jī)12節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的單線圖。系統(tǒng)由6條230kV母線、2條345kV母線、3條22kV母線和1條13.8kV母線組成。該系統(tǒng)覆蓋三個地理區(qū)域。區(qū)域1是主要發(fā)電區(qū)域,發(fā)電廠類型主要是水電機(jī)組(G1和G2)。因此,1號母線可以看做是無窮大母線。區(qū)域2連接主要發(fā)電區(qū)(區(qū)域1)和負(fù)載區(qū)(區(qū)域3),同時該區(qū)域有一個大型的風(fēng)電場(G4)。但是所發(fā)電量還是不足以滿足負(fù)載區(qū)或區(qū)域3的居民用電需求。所以在遠(yuǎn)離區(qū)域1的區(qū)域三,擁有自己的火電廠,以滿足當(dāng)?shù)刎?fù)載的要求。由于區(qū)域2對區(qū)域3提供的功率是有限的,所以需要通過遠(yuǎn)距離傳送能量來滿足區(qū)域3的需求。傳輸系統(tǒng)主要包括230kV的傳輸線3條,245kV的傳輸線1條。除了245kV的傳輸線外,其余的線路都用到了并聯(lián)開關(guān)電容器,維持傳輸線的電壓。除了G1是無窮大系統(tǒng)外,G2和G3以及風(fēng)電場G4都是有固定數(shù)值的系統(tǒng)。具體數(shù)值設(shè)置參考文獻(xiàn)超導(dǎo)儲能元件放在12號母線上,利用超導(dǎo)元件良好的暫態(tài)響應(yīng)特性,以及即能補(bǔ)償有功、又能補(bǔ)償無功的特性,為風(fēng)電場的輸出功率平波和維持母線的電壓不變,從而彌補(bǔ)風(fēng)電場出力隨機(jī)的不足。3.2采用smes法測差場在風(fēng)速波動下的輸出由于自然風(fēng)由陣風(fēng)、斜坡和噪聲風(fēng)速疊加而成,所以分別在風(fēng)電場中引入這3種風(fēng)速,以此比較SMES儲能加入與否對整個系統(tǒng)的影響。3.2.1smes機(jī)組當(dāng)系統(tǒng)中未加入SMES元件,系統(tǒng)的風(fēng)電場受到一個陣風(fēng)風(fēng)速擾動的輸入,分析仿真模型中4個機(jī)組的出力:G4風(fēng)電場出力、儲能模型SMES出力(此時為零)、火電機(jī)組G2和G3的出力,如圖3所示?？梢钥闯鑫醇尤隨MES系統(tǒng)前,風(fēng)電場受到擾動后出力和風(fēng)速正相關(guān),而位于其他地區(qū)的另外機(jī)組也相應(yīng)的受到一定程度的震蕩。當(dāng)加入SMES儲能元件后,如圖4所示。由于SMES儲能元件快速的四象限調(diào)節(jié)能力,SMES儲能系統(tǒng)快速出力,使得風(fēng)電場的出力得到抑制。3.2.2發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行類似上文引入陣風(fēng)風(fēng)速擾動,未加入SMES儲能元件,系統(tǒng)的風(fēng)電場受到一個斜坡風(fēng)速擾動的輸入時,分析仿真模型中4個機(jī)組的出力:G4風(fēng)電場出力、儲能模型SMES出力(此時為零)、火電機(jī)組G2和G3的出力,可以得到未加入SMES前,風(fēng)電場受到擾動后出力和風(fēng)速正相關(guān),而位于其他地區(qū)的另外機(jī)組也相應(yīng)的受到一定程度的震蕩。當(dāng)加入SMES儲能元件后,由于SMES儲能元件快速的四象限調(diào)節(jié)能力,SMES儲能系統(tǒng)快速出力,使得風(fēng)電場的出力得到抑制,輸出了一個平滑曲線。3.2.3機(jī)組出力分析類似上文引入陣風(fēng)風(fēng)速擾動,當(dāng)系統(tǒng)中未加入SMES儲能元件,系統(tǒng)的風(fēng)電場受到一個陣風(fēng)風(fēng)速擾動的輸入,噪聲風(fēng)速的變化沒有規(guī)律,變化無常,可能對整個系統(tǒng)造成極其不良的影響,分析仿真模型中4個機(jī)組的出力:G4風(fēng)電場出力、儲能模型SMES出力(此時為零)、火電機(jī)組G2和G3的出力,可以看出在噪聲風(fēng)速的作用下整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到了極大的影響,當(dāng)加入SMES儲能元件后,由于SMES儲能元件快速的四象限調(diào)節(jié)能力,把由于噪聲風(fēng)速造成的波動進(jìn)行了調(diào)節(jié),使得風(fēng)電場的出力得到抑制,輸出了一個平滑曲線。3.2.4風(fēng)速隨風(fēng)速變化而變化由上述仿真分析可以知道:在陣風(fēng)風(fēng)速、斜坡風(fēng)速、噪聲風(fēng)速的分別作用下,風(fēng)電場的出力將會隨著風(fēng)速變化而變化。在未加入SMES儲能系統(tǒng)前,由于風(fēng)電場出力變化的影響,導(dǎo)致了其他兩個發(fā)電機(jī)組的出力跟隨風(fēng)電場出力變化而同時震蕩。加入SMES后,由于SMES系統(tǒng)的良好的四象限調(diào)節(jié)能力,風(fēng)電場的出力得到了良好的抑制,整個系統(tǒng)的有功功率的波動得到了很好的解決。3.3風(fēng)電場出口短路時仿真的仿真對機(jī)端短路的情況作出仿真分析,當(dāng)機(jī)端短路的時候。對機(jī)端進(jìn)行單相短路。得到的仿真圖形如圖5所示,風(fēng)電場出口單相瞬時短路時,風(fēng)電場出力有明顯的跌落,整個系統(tǒng)也會隨著故障造成相應(yīng)的影響。當(dāng)加入SMES系統(tǒng)后,如圖6所示,SMES可以很好抑制風(fēng)電場的出口出力跌落,同時也減小了其他兩臺機(jī)組的振蕩。3.4引入風(fēng)速擾動本節(jié)結(jié)合上提出的數(shù)學(xué)模型,在PSCAD軟件中建立了建立了多機(jī)電網(wǎng)模型,得到的結(jié)論如下:1)本文通過引入四機(jī)三區(qū)域模型,研究了風(fēng)電場接入系統(tǒng)的方式。2)通過把風(fēng)速模型分解為陣風(fēng)、斜坡、噪聲三種模型的疊加,分別在風(fēng)電場不加和加入SMES系統(tǒng)的情況下,不同的風(fēng)速擾動對風(fēng)電場和整個系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析。由仿真可知,在沒有加入SMES系統(tǒng)時,風(fēng)電場的出力變化與風(fēng)速的變化正相關(guān),導(dǎo)致系統(tǒng)造成相應(yīng)的出力振蕩;在加入SMES系統(tǒng)后,風(fēng)電場那個的出力變化有了明顯的抑制,輸出按照設(shè)定平滑輸出,同時由于風(fēng)電場的出力均衡,系統(tǒng)出力的振蕩明顯受到抑制,整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了顯著的提高。3)在短路的情況下,對不加入和加入SMES系統(tǒng)的多機(jī)電網(wǎng)進(jìn)行了仿真比較。當(dāng)加入SMES系統(tǒng)后,SMES可以很好抑制風(fēng)電場的出口出力跌落,同時也減小了系統(tǒng)其他機(jī)組的振蕩。4超聲儲能及其運(yùn)行效果抑制風(fēng)電引起的電壓波動與閃變以及提高含風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問題成為風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行中的重要問題。本文