基于MATLAB的定速风力发电机组动态特性研究——以黄石筠山风电场为例

潘成勇，涂 建，陈 强

(湖北师范大学 电气工程与自动化学院，湖北 黄石 435002)

0 引言

以电力为主的能源需求与日俱增，目前为止，有近75%的电能是火力发电而来。人类社会急需一种清洁能源，风能是自然界中广泛存在，且含量丰富，清洁无害，可再生的一种能源。风力以其所具备的优势，从众多选择中脱颖而出。考虑实际因素，开发和利用风能，已成为必然的趋势[1]。随着技术的成熟，中国国内的风机装机总容量，也在不断攀升，并且可以大胆预测，在未来，风力发电占比会越来越大。位于湖北省黄石市的筠山风力发电项目，就是一个很好的印证。相关资料记载，早在2015年就已立项建设，并于2016年成功并网发电。截至目前已形成总装机80MW，年产能1.5亿千瓦时的规模[2]。本文基于此背景，以筠山风力发电项目为基准，采用定速风力发电机，研究风力发电的动态特性。这对于后续的深入研究和风电项目的推广，都具有重要意义。

1 风力发电系统简介

1.1 筠山风电项目简介

项目地处鄂东南阳新县北部筠山一带山脊，风场规划容量为80MW，安装40台单机容量为2MW的风力发电机组[2]。

1.2 定速风力发电机原理简述

风力发电机的工作原理，基本可以简述为：风力推动风轮机的叶片转动，通过传动装置，带动发电机的轴转动，发电机转动从而产生电能，电能通过稳压、逆变等一系列步骤，最终并入电网。其结构简图如图1所示。

图1 定速发电机结构简图

值得注意的是，实际的风速不会一直恒定。所以，要使风机转速稳定，有稳定的扭力，就需要风机的叶片角度实时根据风速的大小进行调节[3]。本文研究风机运行的动态特性，对叶片的运行原理及规则不做深入探究。

2 风的建模

2.1 基本风

基本风在风速模型中占据很大的比例,在风力机正常运行的过程中一直存在,反映了风电场的平均风速的时刻变化,一般认为基本风速不随时间变化，取之为常数,为

(1)

2.2 阵风

阵风反映了风速的突变性。该数学模型为

(2)

vg表示阵风风速(m/s)，t1g表示启动时间(s)，Tg表示周期(s)，Gmax表示最大值(m/s)。在Simulink中建模如图2所示。

图2 阵风的仿真模型

2.3 渐变风

渐变风风速反映了其风速的迂缓慢变化的特性。该数学模型为

(3)

vr表示渐变风风速(m/s)，Rmax表示最大值(m/s)，t1r表示启动时间(s)，t2r表示终止时间(s)。在Simulink中建模如下图3所示。

困难也是机遇，中国油企应抓住欧美国家公司退出伊朗市场的机会，加强与伊朗国家石油公司的合作，获得伊朗国家石油公司的信任和支持，着眼当前布局长远，才能获得更好的发展。

图3 渐变风的仿真模型

2.4 随机风

随机风速(vn)反映了风速变化的随机性。可用随机噪声风速来模拟。

(4)

式中：φi为0～2π之间均匀分布的随机变量；KN为地表粗糙系数；F为扰动的范围(m2)；μ为相对高度的平均风速(m/s)；ωi为频率段的频率；N为频谱取样点数。在Simulink中建模如图4所示。

图4 随机风的仿真模型

2.5 实际风速

综合上述四种风速成分，可建立模拟风速的模型为

(5)

式中v—作用在风机上的组合风速/(m/s).

风速系统MATLAB/Simulink仿真图像如图5所示。

图5 实际风速模型

风速的叠加，其实际结果如图6所示。

图6 叠加风速图

实际风是在基础风速(5.8m/s)基础上，由其他三类风叠加而来。由图6可见，风有一定的波动性，基本呈现先增加后又逐渐减小的趋势，这个风速作为后续风机的输入值。

3 定速风电机组动态特性分析

3.1 定速风电机组建模

发电机转子通过轴系与风电机组风轮连接，而发电机定子回路与电网用交流线路连接。这种类型的风电机组一旦启动，其风轮转速是不变的(取决于电网的系统频率)，与风速无关[5]。

风机模型如图7所示。

图7 风机内部结构

风电机组正常运行情况下，并网模型建模如图8所示。

图8 定速风电机组仿真模型

3.2 定速风电机组正常运行结果

当引入混合风后，本次系统数值采用标幺制，仿真结果如图9所示：

图9 混合风作用效果图

设置风机内部基本风速为5.8 m/s(额定转速)，在实际风速条件下，由图6可知，有大部分时间实际值是会超过系统额定值。由图9曲线可知，风机的转速，在一个较小的范围内波动，风机发出的有功功率值变化趋势，基本和风机转速保持一致；系统在运行过程中，无功功率始终处于负半轴(Q<0)，说明风电机组在运行中向电网吸收了无功功率；电压值随着风机转速的上升略有下降，恰好相反。

此次仿真的是风电机组正常发电特性，由仿真曲线可以看出，风电机组端电压、输出有功功率和无功功率都随其输入风速的变化而变化。由于定速风电机组采用感应发电机，因此其在输出有功功率的同时，要从电网中吸收无功功率。

3.3 出现故障时的运行结果

当电网出现三相故障时，建立如图10所示模型：

图10 三相故障模型

在模拟三项故障实验中，风机输入风为四种风速(基本风、阵风、渐变风和随机风)叠加后的值[6]。在系统运行2.2 s时引入故障，持续时间为0.4 s，设置仿真时间为10 s，此时仿真结果如图11所示[6，7]。

图11 出现三相故障时仿真结果

由上述仿真的结果，可以得到以下结论：当电网发生三相短路故障时，系统输出的有功功率急剧下降到零，此时系统立即发出较大的无功功率且振荡下降。当故障清除时，系统发出的有功功率迅速恢复，出现了一个较大的波动，而后又振荡，直至恢复正常，此时，系统又开始向电网吸收无功功率。不难发现，在系统出现故障时，上述有功和无功变化的直接反映是电压的突变，即立刻降到零，故障清除后又逐渐振荡恢复。

这种故障对电力系统的运行，是非常不利的，可能触发机组并网的保护机制，将原本并网的发电机组从电网中剥离，对机组和电网的正常运行造成损害[8]。

4 总结与展望

本文使用MATLAB/Simulink仿真软件实现了对定速风电机组风力发电系统的仿真模型，对基于定速风电机组风力发电的简单系统进行了仿真分析。借用了黄石筠山风电项目的部分实际参数，通过仿真分析，检验了所建立的风电力发电系统的可行性和正确性。

显然，风速的变化，会带来系统参数的变化，最理想的条件还是恒风[9]。这为如何提高系统稳定性提出了要求，值得后续跟进研发。同时，风力机在工作的时候，向电网吸收无功功率，这一点为今后的研究做了好的开场，由于电力系统中很多大型负荷的存在(其中大多数都是非纯阻性存在)，导致电能品质不佳，需要做出无功补偿，风力发电机运行时，在电网中吸收无功功率，有望提升电能品质因数。