基于PSS/E双馈风力发电机组传动轴系模型的研究

朱光伟 李 翔 陈思范 吴世勇

（广东明阳风电产业集团有限公司，广东 中山 528437）

风能作为一种可再生清洁能源，由于在减轻环境污染、调整能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，所以越来越受到世界各国的重视并得到了广泛的开发和利用。为而双馈风力发电机组作为主流的风力发电的产品，在风电场中占有主要地位，因此，国内外专家对双馈风力发电机的建模和仿真做了大量工作[1-4]。本文以PTI公司开发的电力系统仿真软件 PSS/E为平台，分析了双馈风力发电机的传动轴系的模型，并对其进行动态仿真研究。

1 双馈风力发电机组简介

双馈发电机组主要是有风力机、齿轮箱、双馈发电机、变频器、变桨控制系统以及主控系统组成，在 PSS/E32中，提供了 4种风力发电机的模型，WT1/WT/ /WT3/WT4，其中，WT3为双馈感应发电机组，WT3的控制框图如图1所示[5]。

2 风力发电机组传动轴系模型

图1 WT3的控制框图

风力发电机组在转子的动态仿真中，可以将传动轴系模型用两质量块来表示，即模型中主要包括叶轮和发电机的转动惯量，叶轮和发电机之间用过一个弹簧连接[6]。这样通过来自叶轮的气动功率和来自发电机的电磁功率作为两个输入，并在来自WT3P的桨距角的调节下，就可以计算出叶轮和发电机转子的速度偏差。

图2 双质量模块的传动轴示意图

图3 WT3T 双质量模块模型

图4 WECC测试系统

3 模型的仿真及结果

本文以图4所示的WECC提供的风力发电机向大电网送电的测试系统为例，来仿真双馈风力发电机的性能[8]。测试系统中，与母线 5相连接的发电机为等效整个风场的风力发电机组，功率为100MW，并将其控制模式设置为2，即功率限制由功率因数和有功输出决定。风力发电机发出的电压经过变压器升压后，再传输到风场升压站，即母线3处，经过升压站升压后再进行传输，即母线3、4、5均是在风电场内部操作的。

在PSS/E中，分别对单质量模块和双质量模块进行动态仿真，两次仿真均在系统运行2s后，在母线3处，施加三相短路故障，运行0.2s后，切除故障。仿真时，将查看通道分别设置为发电机的转差率和叶轮的转速偏差。

（1）从仿真图像可以看出，在使用单质量模型时，由于忽略了叶轮的惯性，将传动轴系作为一个单刚体来研究，此时，发电机的转差率和叶轮的转速偏差在发生故障时，均出现平滑的曲线。而在双质量传动轴模型中，考虑了叶轮的惯性，当发生电网故障时，发电机转差率和叶轮的转速偏差均出现震荡；当切除故障时，振荡逐渐趋于平稳，恢复到正常状态。

图5 发电机转差率图像

图6 叶轮转速偏差图像

（2）由于在PSS/E中，风力发电机组中的变流器模型WT3E、发电机模型WT3G、桨距角控制模型WT3P以及WT3T风力机模型是相互关联的，因此在采用单质量块模型和双质量块模型时，桨距角也有明显的不同，如图7所示。在单质量传动轴系模型中，桨距角的变化曲线是平滑的；在双质量模块中，桨距角的变化曲线出现振荡，因此，在 PSS/E中改变其中一个模型时，应该考虑到相关模型的变化。

图7 单质量模块与双质量模块桨距角图像

4 结论

（1）在PSS/E32中，包含了风力发电机组中传动轴系的单质量块模型和双质量块模型，单质量块模型只能粗略的反应风力发电机的性能，双质量模块可以较详细的反应风力发电机组的性能，在研究风力发电机的动态性能时，可根据不同的需要来选择不同的传动轴系模型。

（2）在PSS/E中，风力发电机组的各个仿真模块是相互联系的，改变其中的一个模块，会影响其他各模块，因此，研究风力发电机时，应同时考虑各个模型的变化。

[1]李东东,陈陈.风力发电机组动态模型研究 [J].中国电机工程学报,2005,25(3) .

[2]刘其辉,贺益康,张建华.交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真[J]. 中国电机工程学报,2006, 26(5).

[3]A.Perdana, “Dynamic Models of Wind Turbines,”Ph.D. dissertation, Department of Energy and Environment, Chalmers University of Technology,Göteborg, Sweden, 2009.

[4]徐琼璟,许政,PSS/E中的风电机组通用模型概述[J],电网技术,2010,34(8)∶176-182.

[5]Price WW,Sanchez-Gasca J J.Simplified wind turbine generator aerodynamic models for transient stability studies[C].Power Systems Conference and Exposition,Atlanta, GA,USA,2006.

[6]Wind Energy Generation Modeling and Control. Olimpo Anaya_lara,Nick Jenkins,Janaka Ekanayake, 2009.

[7]Siemens PTI.PSS/E Model Library of PSS/E-32[R].Schenectady,NY,USA,2009.

[8]Price W W,Sanchez-Gasca J J.Simplified wind turbine generator aerodynamic models for transient stability studies[C].Power Systems Conference and Exposition,Atlanta,GA,USA,2006.