基于Matlab的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)特性研究

杜文妍, 周 明, 蔣 偉

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.山東省菏澤供電公司, 山東 菏澤 274000)

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基于Matlab的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)特性研究

杜文妍1, 周 明2, 蔣 偉1

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.山東省菏澤供電公司, 山東 菏澤 274000)

隨著能源的大量消耗,人們越來越重視可持續(xù)發(fā)展能源,風(fēng)力發(fā)電由于其可再生性得到了很好的發(fā)展.現(xiàn)階段的風(fēng)力發(fā)電是比較成熟的一種發(fā)電形式.在分析了變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)組的工作原理的基礎(chǔ)上,建立了風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型,利用Matlab軟件對基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了仿真,得到了風(fēng)電機(jī)組正常運行和電網(wǎng)故障兩種條件下的動態(tài)輸出特性.

雙饋風(fēng)力發(fā)電; Matlab仿真; 動態(tài)特性

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,能源資源危機(jī)正日益成為困擾我國生產(chǎn)和生活的不可忽略的因素,為了解決這個問題,人們開始把注意力轉(zhuǎn)移到取之不盡、用之不竭的清潔能源上來,其中風(fēng)能成為這種清潔能源的代表之一.如何將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成為供人們利用的電能是我們研究的重點.目前,國內(nèi)外主要利用雙饋異步風(fēng)機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成交流電,然后利用變頻器并入電網(wǎng)[1].為深入研究整個風(fēng)力發(fā)電的過程,本文利用Matlab搭建了雙饋異步風(fēng)機(jī)模型以及整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型,并進(jìn)行了仿真,模擬不同風(fēng)速條件以及電網(wǎng)故障時雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出特性,研究不同狀況對雙饋異步發(fā)電機(jī)輸出特性的影響,這對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的推廣應(yīng)用以及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展具有重要意義.

1 雙饋異步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型

雙饋異步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)由風(fēng)力機(jī)、增速齒輪箱、雙饋發(fā)電機(jī)、變頻器以及電網(wǎng)等模塊組成.雙饋變速風(fēng)電機(jī)組的運行方式為:慢速轉(zhuǎn)動的風(fēng)輪利用齒輪的軸系與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接起來,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過一個AC/DC/AC方式的部分負(fù)荷交流器與電網(wǎng)相連[2].

1.1 雙饋異步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

變速風(fēng)電機(jī)組首先要將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,最后將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能輸送到電網(wǎng).雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子通過由兩個變換器連接.在電網(wǎng)正常運行狀態(tài)下,轉(zhuǎn)子側(cè)變換器通過控制轉(zhuǎn)速來優(yōu)化功率輸出,這就是轉(zhuǎn)子回路變頻運行的原理.電網(wǎng)側(cè)變換器對注入背靠背式變換器系統(tǒng)的直流環(huán)節(jié)的有功功率和與電網(wǎng)間交換的有功功率進(jìn)行平衡.變頻運行的轉(zhuǎn)子回路與以固定頻率運行的電網(wǎng)通過變換器互聯(lián).

雙饋變速風(fēng)電機(jī)組使用較小容量的變?nèi)萜?其額定容量略高于發(fā)電機(jī)額定功率乘以發(fā)電機(jī)額定滑差,通常為風(fēng)電機(jī)組額定功率的25%[3].電網(wǎng)側(cè)變換器控制其直流環(huán)節(jié)的電壓恒定而不受轉(zhuǎn)子功率的數(shù)值和轉(zhuǎn)向影響,保持與電網(wǎng)之間的無功功率交換的平衡.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系`統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 風(fēng)速的模型和仿真

風(fēng)速模型一般有恒定風(fēng)速、陣風(fēng)風(fēng)速、漸變風(fēng)速和隨機(jī)風(fēng)速4種模型.

設(shè)VWB為恒定風(fēng)速,表示風(fēng)速模型的平均速度.

設(shè)VWG為陣風(fēng)風(fēng)速,描述風(fēng)速突然變化的特性,其數(shù)學(xué)模型如下:

(1)

式中:t1G——陣風(fēng)的開始時間;tG——陣風(fēng)的持續(xù)時間;VGmax——陣風(fēng)的最大值;t——有風(fēng)的時間.

設(shè)VWR為漸變風(fēng)速,描述風(fēng)速的漸變特性,其數(shù)學(xué)模型如下:

(2)

式中:t1R——階躍開始的時間;t2R——上升截止的時間;VRmax——風(fēng)速階躍最大值.

設(shè)VWN為隨機(jī)風(fēng)速,可以用Simulink中的白噪聲表達(dá)[4].

設(shè)風(fēng)速為VW,則

(3)

根據(jù)以上各式建立風(fēng)速的Simulink仿真模型,如圖2所示.

圖2 風(fēng)速的Simulink仿真模型

圖2中左側(cè)4個模塊從上至下依次是常數(shù)模塊(Constant)、階躍模塊(Step)、斜坡模塊(Ramp)和隨機(jī)發(fā)生模塊(Random Number).它們分別用來模擬恒定風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng).

風(fēng)速的仿真結(jié)果如圖3所示.

圖3 風(fēng)速的仿真結(jié)果

1.3 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

從雙饋發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,其與繞線式感應(yīng)電動機(jī)具有相似的構(gòu)造,定轉(zhuǎn)子上均為三相對稱繞組,磁路和電路對稱,氣隙分布均勻.通常在討論發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時,定轉(zhuǎn)子繞組均采用電動機(jī)慣例.雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型是在兩相d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下得到的,其數(shù)學(xué)公式如下[5-6].

1.3.1 電壓方程

定子繞組電壓方程:

(4)

轉(zhuǎn)子繞組電壓方程:

(5)

式中:usd,usq,urd,urq——定、轉(zhuǎn)子電壓d軸和q軸分量;

isd,isq,ird,irq——定、轉(zhuǎn)子電流d軸和q軸分量;

ω1——同步旋轉(zhuǎn)角速度;

ωr——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度;

ωs——轉(zhuǎn)差角速度,ωs=ω1-ωr.

1.3.2 磁鏈方程

定子磁鏈方程:

(6)

轉(zhuǎn)子磁鏈方程:

(7)

其中:

(8)

(9)

(10)

式中:ψsd,ψsq,ψrd,ψrq——定、轉(zhuǎn)子磁鏈d軸和q軸分量;

L1s,L1r——定子、轉(zhuǎn)子繞組一次諧波自感;

Lms,Lmr——定子、轉(zhuǎn)子繞組高次諧波互感;

Lm——定子、轉(zhuǎn)子繞組同軸之間的互感;

Ls——定子繞組間的自感;

Lr——兩相轉(zhuǎn)子繞組間的自感.

1.3.3 轉(zhuǎn)矩方程和運動方程

轉(zhuǎn)矩方程:

(11)

運動方程:

(12)

式中:np——匝數(shù);TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Te——電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩;J——轉(zhuǎn)動慣量.

2 正常運行時風(fēng)電機(jī)組輸出特性仿真

由雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型在Matlab軟件中建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型,如圖4所示.

雙饋變速風(fēng)電機(jī)組模塊(Wind Turbine)的子系統(tǒng)結(jié)構(gòu),是由包括風(fēng)力機(jī)(Wind Turbine)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子電流(Asynchronous Machine Stator Current)和電網(wǎng)側(cè)變換器電流組(Grid-side Current)等的子模塊以及發(fā)電機(jī)和變換器(Genertor and Converters)組成的子模塊組成.

設(shè)置雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的參數(shù),通過模型窗口菜單中的Configuration Parameters命令打開設(shè)置仿真參數(shù)對話框,選擇Ode23tb算法,仿真開始時間設(shè)置為0 s,結(jié)束時間設(shè)置為10 s.

選擇風(fēng)速模型為恒定風(fēng)速,風(fēng)速設(shè)置為14 m/s.運行仿真,可得恒定風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組輸出特性變化曲線,如圖5所示.從圖5中可以看出,當(dāng)風(fēng)速恒定時,風(fēng)電機(jī)組的出口電壓保持穩(wěn)定,風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率隨出口電流的變化趨勢增大至某一數(shù)值后保持不變,風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)中吸收的無功功率基本保持不變.

圖4 基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組仿真系統(tǒng)

圖5 恒定風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組輸出特性變化曲線

選擇風(fēng)速模型為陣風(fēng)風(fēng)速,設(shè)置其10 s內(nèi)平均值為15 m/s.運行仿真,陣風(fēng)風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組輸出特性變化曲線見圖6.由圖6可知,當(dāng)風(fēng)速波動時,風(fēng)電機(jī)組的出口電壓依然能夠保持穩(wěn)定,風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率隨出口電流的變化趨勢增大至某一數(shù)值后保持不變,風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)中吸收的無功功率也基本保持不變.對比圖5和圖6可知:不管是恒定風(fēng)速還是陣風(fēng)風(fēng)速,雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的輸出電壓都能保持穩(wěn)定,基本不受外界風(fēng)速的影響,其輸出功率經(jīng)過一定時間也能穩(wěn)定.

圖6 陣風(fēng)風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組輸出特性變化曲線

3 電網(wǎng)故障時風(fēng)電機(jī)組輸出特性仿真

利用模型中的故障模塊設(shè)置單相短路故障,設(shè)置電網(wǎng)在1 s時發(fā)生單相短路,1.2 s時故障消除,仿真開始的時間為0 s,結(jié)束的時間為2 s.

選擇風(fēng)速模型為恒定風(fēng)速,運行仿真,可得單相短路故障時風(fēng)電機(jī)組輸出特性曲線如圖7所示.從圖7可以看出,當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)單相故障時,風(fēng)電機(jī)組的出口電壓降低,出口電流增大,但是變化幅度都較小.風(fēng)電機(jī)組的輸出有功功率和無功功率也會出現(xiàn)少許的波動.故障清除后,風(fēng)電機(jī)組為了使端電壓恢復(fù)到給定值需要從電網(wǎng)中吸收無功功率,恢復(fù)速度相對較快.

圖7 單相短路故障時風(fēng)電機(jī)組輸出特性變化曲線

利用模型中的故障模塊設(shè)置三相短路故障,設(shè)置電網(wǎng)在1 s時發(fā)生三相短路,1.2 s時故障消除,仿真開始的時間為0 s,結(jié)束的時間為2 s.

選擇風(fēng)速模型為恒定風(fēng)速,運行仿真,可得三相短路故障時風(fēng)電機(jī)組輸出特性曲線如圖8所示.

從圖8可以看出,當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)單相故障時,風(fēng)電機(jī)組的出口電壓會大幅度降低,有功功率輸出減少,向電網(wǎng)提供無功功率.故障清除后,風(fēng)電機(jī)組電壓能夠在一定時間內(nèi)恢復(fù)到原來的工作狀態(tài),但恢復(fù)速度較慢,而故障點處有功功率和無功功率數(shù)值都會較故障前有所下降.

圖8 三相短路故障時風(fēng)電機(jī)組輸出特性變化曲線

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)風(fēng)速恒定時,雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓和輸出功率保持恒定不變;

(2) 當(dāng)風(fēng)速波動時,雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)輸出電壓基本保持不變,輸出功率隨著風(fēng)速的變化發(fā)生相應(yīng)的變化;

(3) 當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)單相短路故障時,雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓會降低,輸出有功功率和無功功率波動較小,故障清除后,風(fēng)電機(jī)組能夠比較迅速地恢復(fù)到原始工作狀態(tài);

(4) 當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)三相短路故障時,雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓會大幅度下降,輸出有功功率也會降低,同時向電網(wǎng)提供大量無功功率,故障清除后風(fēng)電機(jī)組恢復(fù)到原始工作狀態(tài)的速度較慢.

[1] 楊煜,何炎平,李勇剛.基于Simulink/Matlab的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低于額定風(fēng)速時的仿真研究[J].華東電力,2009,37(5):817-818.

[2] 金鑫,杜靜,何玉林,等.仿真技術(shù)在風(fēng)力機(jī)總體性能分析中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2007,19(12):2 823-2 830.

[3] 向愷.基于MATLAB的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真研究[D].北京:華北電力大學(xué),2007.

[4] 姜鑫.風(fēng)力機(jī)特性分析和模擬裝置開發(fā)[D].杭州:浙江大學(xué),2011.

[5] 鄧國揚(yáng),盛義發(fā).基于MATLAB/Simulink電力電子系統(tǒng)的建模與仿真[J].南華大學(xué)學(xué)報:理工版,2003,17(1):1-6.

[6] 劉君.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率輸出特性研[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2009.

(編輯 桂金星)

Study on the Dynamic Characteristics of Wind Turbine Based on Matlab

DU Wenyan1, ZHOU Ming2, JIANG Wei1

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China;2.ShandongHezePowerSupplyCompany,Heze274000,China)

Along with the consumption of energy,more and more attention is paid to the sustainable development of energy,and wind power,due to its renewable,has obtained the very good development.At this stage of wind power is a kind of mature power form.Based on the analysis of the principle of variable speed constant frequency doubly-fed generator,on the basis of establishing the mathematical model of wind turbines,in full consideration of the wind speed and two kinds of conditions of power grid failure,the use of Matlab software simulation has carried on the simulation of wind turbines and their interconnection model,doubly-fed wind-power generator for the simulation of the dynamic output characteristics of wind turbines.

doubly-fed wind power generation; Matlab simulation; dynamic characteristics

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.005

2016-03-16

杜文妍(1990-),女,在讀碩士,山東菏澤人.主要研究方向為變電站安全防護(hù),電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)等.E-mail:1070169493@qq.com.

上海市自然科學(xué)基金(14ZR147400);國家自然科學(xué)基金(61401269).

TM315

A

1006-4729(2017)01-0020-05