【MATLAB】基于双馈风力发电机与电池储能系统的并网频率支撑仿真研究

基于双馈风力发电机与电池储能系统的并网频率支撑仿真研究摘要随着风电并网比例不断提高电力系统等效惯量降低负荷扰动下的频率稳定问题更加突出。针对双馈风力发电机组并网后频率支撑能力不足的问题本文基于 MATLAB/Simulink 建立 2 MW 双馈风力发电机与电池储能系统协同并网仿真模型分析风机气动特性以及电池储能系统参与频率支撑的动态效果。仿真结果表明风机输出功率受风速和叶尖速比影响显著合理控制风机运行点是提高风能捕获效率的基础。在负荷扰动工况下电池储能系统能够通过快速有功功率响应补偿系统功率缺额提高频率最低点并减小最大频率偏差。多工况对比结果显示当负荷扰动由 10% 增加到 20% 时储能峰值输出功率随之增大体现出其对不同扰动强度的动态支撑能力。**关键词**双馈风力发电机电池储能系统频率支撑MATLAB/Simulink风电并网1 引言风能具有清洁、可再生和分布广泛等优点是新能源发电的重要组成部分。双馈感应发电机因其变流器容量较小、调速范围较宽、可独立调节有功和无功功率等特点被广泛应用于并网风力发电系统。然而与传统同步发电机相比风电机组通过电力电子变流器接入电网后其转子机械惯量与电网频率之间的耦合减弱。当系统发生负荷突增或功率扰动时频率跌落可能更加明显。电池储能系统具有响应速度快、功率调节灵活和控制方式简单等优点可在扰动初期快速提供有功功率支撑从而改善系统频率动态性能。因此研究双馈风力发电机与电池储能系统协同参与频率支撑对于提高风电并网系统稳定性具有实际意义。本文以 2 MW 双馈风力发电机组为对象结合电池储能系统建立仿真分析模型并通过多负荷扰动工况验证储能系统对频率稳定性的改善效果。2 DFIG-BESS 并网系统模型本文所建立的 DFIG-BESS 并网模型主要包括双馈风力发电机、转子侧变流器、网侧变流器、电池储能系统、输电线路、负荷模块以及功率和频率测量模块。双馈风力发电机负责风能捕获与并网发电转子侧变流器主要实现转速和电磁转矩控制网侧变流器主要维持直流母线电压稳定并控制并网电流。电池储能系统通过快速调节有功功率参与频率支撑。风机气动功率可表示为P w 0.5 ∗ r h o ∗ A ∗ C p ( l a m b d a , b e t a ) ∗ v 3 P_w 0.5 * rho * A * C_p(lambda, beta) * v^3Pw​0.5∗rho∗A∗Cp​(lambda,beta)∗v3式中rho 为空气密度A 为叶轮扫掠面积C_p 为风能利用系数lambda 为叶尖速比beta 为桨距角v 为风速。由该关系可知风机可捕获功率与风速三次方近似相关同时受叶尖速比和风能利用系数影响。仿真参数中机组额定功率为 2 MW定子线电压为 690 V极对数为 2转动惯量为 90 kg*m^2最优叶尖速比为 7.2最大风能利用系数约为 0.4412。3 频率支撑控制思路在负荷扰动发生后若系统有功功率供需不平衡系统频率将偏离额定值。无储能参与时系统主要依靠风电机组和等效调节环节缓慢恢复扰动初期频率跌落较明显。加入 BESS 后储能系统根据频率偏差快速输出有功功率在扰动初期补偿功率缺额从而抑制频率下降。本文采用“主模型结构说明 等效频率动态模型多工况分析”的方式进行实验。完整 Simulink 主模型用于展示 DFIG-BESS 并网系统结构、控制对象和测量点风机气动特性由模型参数计算得到多负荷扰动下的频率支撑结果基于等效频率动态模型生成。该处理方式能够突出 BESS 快速有功功率补偿机理并提高多工况对比实验的可重复性。4 仿真实验设计仿真实验主要从三个方面展开第一分析风能利用系数随叶尖速比变化的规律第二分析不同风速下机械转速与气动功率之间的关系第三对比有无 BESS 时系统在负荷扰动后的频率响应。频率支撑实验设置 10%、15% 和 20% 三种负荷扰动工况对比指标包括频率最低值、最大频率偏差和 BESS 峰值输出功率。主要仿真参数如下5 仿真结果与分析5.1 风机气动特性分析风能利用系数 C_p 随叶尖速比 lambda 变化的曲线存在明显峰值说明风机并不能在任意转速下都获得最高捕获效率。只有当叶尖速比维持在最优值附近时风机才能获得较大的风能利用系数。因此在双馈风力发电系统中通过转速控制实现最大功率跟踪是提高风能捕获效率的重要基础。不同风速下的转速-功率特性表明风速升高会显著提高风机可捕获气动功率功率曲线整体上移。最大功率曲线进一步说明在最优 C_p 条件下风速变化会对风机输出功率产生明显影响这与风功率近似正比于风速三次方的理论关系一致。因此风速波动会直接影响风电机组向电网注入的有功功率并可能进一步引起并网系统频率波动。5.2 BESS 频率支撑效果分析在 10% 负荷扰动工况下无 BESS 时系统频率最低值为 Hz最大频率偏差为 Hz加入 BESS 后频率最低值提高到 Hz最大频率偏差降低到 HzBESS 峰值输出功率为MW。结果表明储能系统能够在扰动初期快速输出有功功率减小功率缺额造成的频率跌落。在 15% 负荷扰动工况下无 BESS 时频率最低值为3 Hz最大频率偏差为 Hz加入 BESS 后频率最低值提高到Hz最大频率偏差降低到HzBESS 峰值输出功率为 MW。与 10% 扰动相比负荷突增造成的频率偏差进一步增大但储能系统仍能有效抬升频率最低点。在 20% 负荷扰动工况下无 BESS 时频率最低值为 Hz最大频率偏差为 Hz加入 BESS 后频率最低值提高到 Hz最大频率偏差降低到 HzBESS 峰值输出功率为MW。该工况下扰动幅度最大频率跌落也最明显但加入储能后最大频率偏差仍得到明显抑制。综合三种工况可以看出在相同负荷扰动条件下加入 BESS 后系统频率最低值均有所提高最大频率偏差均有所降低。随着扰动幅度由 10% 增加到 20%BESS 峰值输出功率同步增大说明储能系统能够根据频率偏差变化提供相应的有功功率支撑。需要说明的是部分工况在仿真时间范围内尚未完全回到设定稳态带内因此本文重点比较频率最低点、最大频率偏差和储能峰值功率不单独夸大恢复时间指标。6 结论本文基于 MATLAB/Simulink 建立了双馈风力发电机与电池储能系统协同并网仿真模型并对风机气动特性和 BESS 频率支撑效果进行了分析。研究结果表明风机输出功率受风速和叶尖速比影响显著合理控制风机运行点是提高风能捕获效率的重要基础。在负荷扰动条件下BESS 能够通过快速有功功率响应补偿系统功率缺额从而提高频率最低点、减小最大频率偏差改善风电并网系统的动态频率稳定性。多工况结果进一步表明随着负荷扰动幅度增大系统频率跌落程度逐渐加深BESS 所需峰值输出功率也相应增加。与无储能方案相比加入 BESS 后各工况下的频率响应均得到改善说明储能系统可有效缓解风电并网条件下系统惯量不足和频率波动加剧的问题。后续研究可进一步引入电池 SOC 约束、储能容量优化、充放电功率限制、随机风速扰动以及电网短路故障等工况使模型更加接近实际工程运行场景。