雙饋變速風電機組模型的仿真分析

鄭曉棟 章琰天

摘 要：在常用的變速恒頻風力機種類中，雙饋異步電機的風力機有比較大的技術(shù)優(yōu)勢和市場空間。文章對使用雙饋異步風力發(fā)電機的風力機組的輸出性能做出研究與分析，并使用MATLAB進行仿真模擬。文章的主要工作包含以下兩個部分：第一部分是在風速波動條件下，分別通過電壓模式控制和無功功率模式控制，研究分析風電機組的輸出特性變化。第二部分是在電網(wǎng)故障條件下，分別通過電壓模式控制和無功功率模式控制，研究風電機組輸出特性變化。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；雙饋風電機組；動態(tài)模型；MATLAB

引言

能源的發(fā)展對國民的經(jīng)濟有著非常重要的作用。常規(guī)能源主要以化石能源為主，在全球工業(yè)飛速發(fā)展的時代，產(chǎn)生極具經(jīng)濟效益的同時，化石性燃料使用的程度也達到了空前。化石性燃料的使用對大氣造成了嚴重的污染，對人類的生存環(huán)境造成了重大的破壞；此外，化石性燃料隸屬一次性能源，總有消耗完結(jié)的時候。經(jīng)濟生活中的國策，能源對人類的經(jīng)濟與社會的發(fā)展的限制和對資源環(huán)境的影響也越來越明顯[1]。

雖然各種類新能源中以太陽能的儲量最為豐富[2]，但是利用太陽能直接進行光伏發(fā)電目前仍有一些不能解決的技術(shù)問題。所以風力對于我們來說是一個比較理想的替代能源。雙饋變速恒頻風力發(fā)電機目前作為風力發(fā)電系統(tǒng)中使用的主要機型，其中永磁直驅(qū)式變槳距和雙饋異步式的變速恒頻風電機組已經(jīng)成為兆瓦級風電機組的主要技術(shù)形式[3]。對上述風力機組的入網(wǎng)運轉(zhuǎn)調(diào)控措施的研究是風能發(fā)電系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。雙饋風力發(fā)電機多采用雙PWM變換器為轉(zhuǎn)子提供勵磁電流[4]。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略主要有兩大類，一類是基于矢量控制的間接功率控制[5-6]，另一類是直接功率控制[7-8]。我們國家從“十五”時期已經(jīng)對雙饋異步發(fā)電機風電機組理想電網(wǎng)條件下的運轉(zhuǎn)控制進行了比較為深入剖析[9]。實際工程中電網(wǎng)展示出不穩(wěn)定特點，電壓劇降則是一種非常遇見情況，研究這種故障下DFIG的行為、特性，提高風電機組對這種故障的適應(yīng)能力，已成為目前國內(nèi)外研究的熱點。

1 雙饋變速風電機組

1.1 雙反饋變速風電機的整體設(shè)計

風力發(fā)電的種類非常多，按照其結(jié)構(gòu)，控制原理，運行方式可以有不同的分類。根據(jù)轉(zhuǎn)速性質(zhì)進行劃分，則可以分為恒速機組和變速機組兩類。變速的風電機組又可以分為連續(xù)變速的風電機組和不連續(xù)的風電機組兩種類型。根據(jù)發(fā)電機類型可以分為以同步發(fā)電機（包括以電激磁的同步機和以永磁體激磁的同步機）和以感應(yīng)發(fā)電機（包括普通感應(yīng)機，雙饋感應(yīng)機）。

任意類型的風電機組的通用動態(tài)模型一般是由風機的空氣動力模型，槳距角控制模型，發(fā)電機模型，風力機的軸系模型，及其控制保護系統(tǒng)等部分組成。風力機的軸系模塊包括齒輪箱，發(fā)電機軸和風力機軸，控制保護系統(tǒng)指變速風力機組。

變速風電機組是由三葉片的風輪把風能轉(zhuǎn)換為機械能，隨后經(jīng)過齒輪箱的軸系將機械能傳到雙饋感應(yīng)發(fā)電機，發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)換成電能輸送到電網(wǎng)中。和常規(guī)感應(yīng)發(fā)電機不同，雙饋異步風力機的轉(zhuǎn)子和定子經(jīng)過由兩個背式電壓源變換器聯(lián)結(jié)。風力機的轉(zhuǎn)子接到轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，轉(zhuǎn)子側(cè)變化器的運轉(zhuǎn)就像在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)了一個外部的電壓向量。經(jīng)過控制其電壓向量，可以讓轉(zhuǎn)子在預(yù)期的轉(zhuǎn)速下運行。在電網(wǎng)正常運行的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速經(jīng)過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制來調(diào)節(jié)，這樣可以優(yōu)化功率的輸出，這就是轉(zhuǎn)子回路變頻運行的原理。

1.2 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)接線圖

系統(tǒng)仿真的模型使用6臺型號相同的1.5兆瓦雙饋風電機組組成的風電系統(tǒng)，使用MATLAB軟件對加入并網(wǎng)型風力發(fā)電場的電力系統(tǒng)運行做了仿真，風電系統(tǒng)等效電路如圖1所示。

風電場的出口電壓是575伏，經(jīng)過升壓的變壓器電壓升至35千瓦，期間需要經(jīng)過10千米的輸電線路，然后經(jīng)過20千米的輸電線路和另一個升壓變壓器連接，電壓升至220千瓦。

2 風速波動時風電機組輸出特性仿真

等間隔采樣測量風速的輸出特性仿真：

（1）選擇電壓控制模式，隨后運行仿真，可以得到在組合風速下風電機組的輸出特性變化曲線，如圖2（a，b）所示。自然的風速可以分成基本風速，陣風，漸變風和噪聲風，組合風速是這些風速的結(jié)合，能較好的模擬自然風速的規(guī)律性和隨機性等特點，所以組合風速不但能表現(xiàn)自然風速特性，避開風速模型計算的復(fù)雜性，而且可以有代表性地考察風力發(fā)電系統(tǒng)在陣風，漸變風時的能量。

（2）選擇無功功率控制模式進行仿真，得到在組合風速波動下風電機組輸出特性曲線如圖3（a，b）所示。當使用無功調(diào)控的方式時，發(fā)電機的有功和轉(zhuǎn)子速度變化基本同電壓模式調(diào)控下的狀況相同，風力機提供的無功功率基本上沒有浮動。

3 結(jié)束語

本章對雙饋變速風電機組的模型進行了仿真，并進行了一些分析。先從變化量簡單，數(shù)據(jù)量較少的等間隔采樣測量的風速進行分析，了解到了在風速高于和低于額定風速的情況下，風電機組維持出口電壓所需要的一些控制方法及功率做出的調(diào)整；在產(chǎn)生短路的情況下，風力發(fā)電機有功和無功的改變情況同出口電壓的關(guān)系。在從復(fù)雜的自然風速進行分析，了解了在數(shù)據(jù)量龐大的情況下，短時間內(nèi)的風速會持續(xù)維持高于額定的風速，發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化和風速呈相同的趨勢，到達最高的轉(zhuǎn)速后，風電機組會在恒功率控制的模式下運行，發(fā)電場的有功功率達到最大值，通過槳距角的變化來維持最大有功功率。

參考文獻

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