变速恒频双馈风力发电机稳态运行特性仿真

王洪涛

(宁德师范学院物理与电气工程系，福建宁德352100)

变速恒频双馈风力发电机稳态运行特性仿真

王洪涛

(宁德师范学院物理与电气工程系，福建宁德352100)

基于变速恒频双馈风力发电机组，通过调节发电机转侧子电流的大小调节系统的有功功率和无功功率，实现解耦控制，并在理论推导的过程中建立数学等效模型。最后运用MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真平台分析发电机组在无功控制模式下风电系统在稳态和三相短路故障下运行输出特性。

双馈风力发电机；解耦控制；无功控制；三相短路

风能作为一种取之不尽、用之不竭、环境友好的清洁能源，已成为世界各国的关注的焦点。根据气象部门的资料，我国10 m高度陆地风能理论储量为322.26亿kW，近海风能资源大约为7.5亿kW，仅次于美国和俄罗斯。2010年我国世界风力发电总装机容量44733 MW，占世界总装机容量的23.01％。由此可见，大力发展风力发电技术可以有效改善中国的能源问题，实现经济和社会的可持续发展[1-5]。因此，研究双馈风力发电机的运行特性，对风电场的安全稳定运行具有重要意义。

风力发电机采用变速运行时，当风速跃升所产生的风能，一部分被加速旋转的风能吸收，以动能的形式存储于高速旋转的风轮中，通过发电机的转速控制，使风力机运行中保持最佳叶尖转速比，实现最大风能追踪控制[6-7]，减少柔性风能系统传动链的负载，避免主轴及齿轮承受过大的机械应力。当风速下降时，在相关的电力电子器件的调控下，将存储在高速风轮中动能释放出来并送入电网，通过风轮的加速、减速对风能的阶跃性变化起到缓冲作用，使风力发电机内部能量传输部件应力变得相对平稳，从而实现风力发电机组的稳定运行。

本文以双馈发电系统为研究对象，分析了其系统结构，建立了双馈变速风电机组的数学模型，并运用数学模型推导分析。最后运用MATLAB/Simulink仿真平台搭建变速风电机组仿真系统，分析其在无功控制模式下运行特性。

1 双馈风力发电机数学模型

1.1 双馈风力发电机主要组成

基于双馈变速发电机组主要由风轮、轴系（包括低速轴LS、高速轴HS和齿轮箱组成）、双馈感应风力发电机以及变流器组成。在双馈变速风力发电机组中，慢速旋转的风轮通过齿轮轴系与快速旋转的发电机转子连接，发电机定子以交流与电网相连，发电机转子通过一个AC/DC/AC变流器与电网相连接，如图1所示。

图1 双馈变速风力发电机系统图

1.2 风机力机数学模型

风力机将风能转化为动能的过程是一个具有强非线性的空气动力学，简化风力机数学模型。根据贝兹理论风力机功率的经典计算式：

1.3 轴系模型

风力发电系统的机械传动链由5部分组成：风力机、低速传动轴、齿轮箱、高速传动轴和发电机。如果电磁转矩和机械负载转矩Tm之间不匹配，负载转矩是随转速而变化的，转矩之差使转子加速，故有：

式中Te为风力发电机出的电磁转矩；Tm为风力机输入发电机的机输械转矩；wm为转子角速度；J为转子及其连接负载的转动惯量,kg·m2。

1.4 风力发电机动态数学模型

双馈变速风力发电机按电动机惯例的d、q动态模型建立数学等效电路模型，如图2所示。

图2 双馈风力发电机等效电路

双馈风力发电机经dq轴变换后,可得状态方程为：

电磁转矩方程：

2 双馈风力发电机仿真

2.1 仿真系统

风力发电场容量为9 MW，由6个1.5 MW的双馈风电机组组成，并在25 kV配电系统接入电网，与30 km输电线路外的120 kV单机无穷大电源，一起为25 kV配电网中由1.68MW电动机及200 kW负载组成的工厂负荷和575 V系统中的500 kW负载供电。

图3 双馈变速风力发电机组仿真系统图

2.2 风能利用系数

在外部对风力机输入变化风速,设定恒定桨距角pitch和设定发电机转速角wr，通过风力发电机内部控制环节转换成内部控制信号Tm送到控制开关；当风速(y)达到一定值时，控制开关才开始投切，外部变化风速和内部控制信号Tm才可以输入到发电机模块和变换器模块内；同时向发电机模块和PID控制模块[6-7]输入电压判别参考值和无功功率判别参考值等维持输出电压、电流、转速和内部信号相对的稳定。

在Matlab/Simulink中建立的风力机模型如图4所示。3个输入分别为发电机转速、奖距角度和风速，发电机转速采用标幺值，以发电机同步转速为基准值，风速基准值为风速的统计平均值，风力机在基准风速下输出的机械功率一般要小于其额定功率；风力机转速的基准值为基准风速下使风力机输出最大功率的旋转速度，由于发电机转速基准值与风力机转速基准值不同，需要把发电机转速标么值转换为风力机转速标么值，风力机与发电机功率基准值也不一样，也需要进行标么值转换；叶尖速比的标幺值由风力机转速标幺值除以风速标幺值得到；输出为风力机给传动机构提供的转矩。

图4 风机内部控制图

2.3 风速波动时风力机的输出特性

在风力发电机输入风速在8.6～15.5 m/s范围内波动，风速波动过程比较随机性，符合自然风的变化过程，施加该风速于图3所示的系统，得到风速、输出电压、有功功率和无功功率的波形，如图5所示。

图5 风速变化时系统仿真波形图

由图5可见，当外部风速达到使控制开关投切运行时，575V母线电压标幺值迅速由0（pu）升至0.0002（pu），同时伴随这风速还在不断增大，电压标幺值从0.0002（pu）升至1（pu）基本保持恒定输出，在风速下降时，电压标幺值也相对减少，误差范围+0～+0.0089（pu）；当外部风速达到控制开关投切运行时，575 V母线电流标幺值迅速从0（pu）升至0.0002（pu），随着外部风速继续升高达最大风速时电流标幺值增至最高升值0.5211（pu），在风速逐渐减少时，电流标幺值也相对减少，从波形走势可以看出，电流的变化量相对较为明显。

2.4 电网故障时风力机的输出特性

利用模型中的三相短路故障设置电网在0.6 s时刻发生三相短路故障，到0.7 s时刻故障消失，仿真起始时间设置为0，终止时间设置为2 s。数据采集器采集756个数。图2～4在风速仍然以变风速赋值投切运行到0.6 s时故障发生，到0.7 s时故障消失的整个过程中575 V母线电压电流和发电机产生的有功功率和无功功率的变化过程，如图6所示。

图6 系统故障时仿真波形图

从图6可见：在控制开关投切运行到0.6 s时，575 V母线电压标幺值迅速由1.0009 pu降至0.0257 pu在电压迅速上升的过程成存在电压略微抖动的现象，电流标幺值迅速从0.0002 pu升至1.0363 pu，故障的0.1 s内，575 V母线电压标幺值几乎接近0 pu，而电流标幺值相对较大，波动幅值偏差大，存在不稳定现象；在0.7s时故障切除，575 V母线电压标幺值又迅速增值接近于1 pu，电流标幺值也从最大值1.1925 pu跌至稳定标幺值。

对比图5和图6可知，采用无功功率控制模式的优点是：风电机组发出的无功功率相对较少，同时在风速波动的过程中发电机产生的无功功率几乎扰动，加上控制侧电容器补偿，利于电网电压稳定。在三相短路故障时，减少了向电网提供大量无功功率；其缺点是：在稳态变风速运行下控制策略无法灵活运用尽量多的产生有功功率；在三相短路故障过程中，风电机组电压降低，向电网不断提供无功功率，使电网电压失去平衡，且在消除故障后风电机组端电压恢复较慢。

3 结论

本文建立了双馈变速风力发电机解耦控制模型，运用MATLAB/Simulink构建在无功控制模式研究下发电机组在稳态和三相短路运行的输出特性，得出结论：⑴双馈变速发电机组采用无功功率控制模式时风力发电机产生的无功功率相对较少，电网系统在电容补偿下相对稳定，从电网中吸收的无功功率基本保持不变；⑵在发生三相短路过程中，电网侧以及发电机端电压急剧下降，发电机产生的有功功率和无功功率失稳，使电网电压失去平衡，造成不稳定的主要因素是不能满足无功功率的需求。

［1］薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［2］于群，曹娜.MATLAB／Simulink电力系统建模与仿真［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［3］谢明琛，张广益.电机学［M］.重庆：重庆大学出版社，2010.

［4］任永峰，安中全.双馈式风力发电机组柔性并网运行于控制［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［5］赵栋利，郭金东，许洪华.变速恒频双馈风力发电机有功、无功解耦控制研究与实现［J］.太阳能学报，2006，27（2）：174-179.

［6］李晶，宋家骅，王伟胜.大型变速恒频风力发电机组建模与仿真［J］.中国电机工程学报.2004，24（6）；100-105.

［7］辜承林.对转子励磁电机实行矢量控制的变速恒频发电机［J］.中国电机工程学报，1996，16（3）：119-123.

［8］闻霞，吴龙，李青虹，等.基于Matlab的直流电机CMAC-PID智能控制系统设计［J］.三明学院学报，2009，26（2）：165-167.

Simulation of Operational Characteristics of Doubly-fed Wind Power Generator State Variable Speed Constant Frequency

WANG Hong-tao
(Department of Physics and Electrical Engineering,Ningde Normal University,Ningde 352100,China)

Based on the variable speed constant frequency doubly-fed wind power generator set,the decoupling control was realized by adjusting the size of the side son current generator active power and reactive power control system,and the equivalent mathematical model was build up in the process of theoretical derivation.Finally,generator reactive power control mode in the wind system running under the steady state and the three-phase short-circuit fault output characteristic was analyzed by using MATLAB/Simulink platform of power system modeling and simulation.

doubly-fed induction generator;decoupling control;idle control;three-phase short-circuit

TM712

A

1673-4343（2013）06-0045-05

2013-10-24

宁德市科技局项目（20130161）；福建省服务海西项目（2012H214）

王洪涛，宁夏石嘴山人，男，讲师。研究方向：电力系统稳定与控制。