風力發電系統的暫態仿真模型研究

黃萃

（杭州市電力局， 杭州 310009）

發電技術

風力發電系統的暫態仿真模型研究

黃萃

（杭州市電力局， 杭州 310009）

詳細歸納了不同類型風力發電系統的暫態仿真模型，研究了包括空氣動力系統、風機軸系系統、 槳距控制系統和變頻器在內的動態仿真模型， 以雙饋風力發電機為例， 研究了變槳距恒頻/變速風力發電系統的控制系統模型。 最后，在電力系統分析軟件 DigSILENT PowerFactory 上分別對異步風力發電機、雙饋風力發電機和全換相同步風力發電機進行建模，模擬變風速條件下不同類型風力發電機的動態特性。仿真結果進一步驗證了所研究模型的正確性。

風力發電；仿真；模型；研究

隨著風力發電規模化開發和商業化發展，目前全球已有 70多個國家使用風能發電， 風電消費占世界電力消費的 1.3%。 早在 2008 年底，我國風電建設容量就已突破 1 000 萬 kW， 成為世界重要的風電大國。

本文重點介紹典型風力發電系統動態仿真模型，利用仿真模型分別對異步風力發電機、雙饋風力發電機和同步風力發電機進行建模，分析了3種機組在變風速條件下的動態特性。

1 風力發電系統仿真模型

雖然風力發電系統的并網形式有多種，但結構上仍有不少相似之處。在對風力發電系統進行仿真建模時，一般需要考慮以下幾個子系統模型：空氣動力系統模型、槳距控制模型、發電機軸系模型、發電機模型、變頻器及其控制系統模型等。發電機模型及其控制系統屬于經典模型，此處不再贅述。

1.1 空氣動力系統模型

空氣動力系統模型用于描述將風能轉化為風機功率輸出的過程，其能量轉換公式為：

式中：ρ為空氣密度；R為風機葉片的半徑；v為葉 尖風 速 ；Cp表示 風能 的 轉換 效 率；λ = ωwtrR/v，表 示葉尖速比， ωwtr為風機的 機械角速度； θ表 示葉片槳距角。

當采用變槳距控制時，控制系統先將槳距角置于最優值，再通過變速控制使葉尖速比λ等于最 優 值 λopt， 從 而 使 風 機 能 夠 在 最 大 風 能 轉 換 效率 Cpmax下運行。 采用定槳距時， Cp受葉尖速比 λ的影響，風機只能在某一風速下獲得最優風能轉換效率 Cpmax， 而更多時候則運行在非最佳狀態。

對于恒頻/恒速定槳距型風力發電機組， 式（2）給出了一種 Cp特性曲線近似描述。

式中： B 為葉片數； L/D 為升力比。 當葉片數為1，2，3， 且滿足時， 式（2）能夠較精確地擬合實際風力機的 Cp特性曲線。

對于恒頻/恒速變槳距型風力發電機組，與式（3）對應的一種 Cp特性曲線近似式為：

式中： Cf為葉片設計參數， 一般取 1～3； R 為風機葉片半徑。

對于恒頻/變速變槳距風力發電機組， 式（4）給出了一種 Cp特性曲線近似描述：

式 中 ：αi，j， βi是 一 組 常 數 ， 當 2＜λ＜13 時 ， 該 公式能夠較好地擬和 Cp曲線。

1.2 軸系模型

風力發電系統的軸系一般包含 3個質塊：風機質塊、齒輪箱質塊和發電機質塊 （直驅風力發電系統無齒輪箱質塊）。風機質塊的慣性一般較大，而齒輪箱慣性較小。

兩質塊軸系系統如圖1所示，由于齒輪箱的慣性比風機和發電機小得多，如果忽略齒輪箱的慣性，將低速軸各量折算到高速軸上，則對應的狀態方程為：

式 中 ： Twtr為 風 機 的 轉 矩 ； Jwtr為 風 機 的 慣 性 常 數 ；ωwtr為 風 機 的 轉 速 ； Dtg為 傳 動 軸 阻 尼 系 數 ； ktg為傳 動 軸 剛 性 系 數 ； θwrt為 風 機 質 塊 轉 角 ； Tgen為 發電 機 機 械 轉 矩 ； Jgen為 發 電 機慣性 常 數 ； ωgen為 發電機轉速。

圖1 兩質塊模型示意圖

如果進一步忽略傳動軸的阻尼系數和剛性系數 ，即 假 設 Dtg=0， ktg=0， 則 可 以 得 到 傳 統 的 單質塊模型：

不同的軸系模型應用場合各有不同，在風力發電系統的建模仿真中，兩質塊的模型較為常用。

1.3 槳距控制模型

早期的風力發電系統以定槳距（失速型）風力發電機為主導機型。當風速高于額定風速時，氣流將在槳葉的表面產生渦流，導致升力系數減小，阻力系數增大，產生失速效應，限制發電機的 功 率 輸 出 ， 仿 真 中 可 利 用 式 （2） 給 出 的 Cp特 性來模擬被動失速效應。近年來，變槳距控制技術獲得了廣泛的應用。變槳距風力發電機組的槳距角控制一般以發電機的電氣量作為反饋信號。無論風速變大還是變小，控制系統都能調整葉片角度，使之獲得較穩定的功率輸出。

恒頻/恒速風力發電系統采用變槳距控制時，一般采取主動失速控制。當風速在額定風速以下，控制器將槳距角置于 0°， 等同于定槳距風力發電機組。當風速超過額定風速時，葉片失速特性導致輸出功率有所下降，為了彌補這部分功率損失，可在一個較小的范圍內調整槳距角，以提高風機的功率輸出。

圖2 給 出 了 以 發 電 機 轉 速 ωgen作 為 控 制 器 輸入信號的主動失速控制系統框圖，槳距角控制部分的槳距控制參考角 θref限幅環節設定如下：

式 中 ： θrefmax和 θrefmin為 PI 調 節 器 上 限 和 下 限 幅值 。 θrefmin一 般 設 為 零 ， 這 樣 當 發 電 機 轉 速 ωgen低于 額 定 轉 速 ωref時 ， PI 調 節 器 的 輸 出 θref為 零 ， 槳距角 θ相應地被控制在 0°， 伺服控制系統不動作。 當發電機轉速 ωgen高于額定轉速 ωref時， PI 調節 器 的 輸 出 θref大 于 零 ， 伺 服 控 制 系 統 動 作 ， 實現槳距角的調節。

圖2 主動失速變槳距控制系統框圖

2 雙饋風力發電系統

2.1 風機最優轉速

風機在某個固定風速下存在最優轉速，在該轉 速 下運行 ， 風機 能夠獲 得 最 大 功 率 輸 出 Pwmax，轉速變小或變大時，風機輸出功率都會降低。

如果能夠控制風機系統使其按照功率—轉速最優特性曲線運行，則系統在給定風速下輸出的功率最大。由于風機的輸出功率減去相關的系統功率損耗就等于發電機的實際有功功率輸出，而發電機轉速可以利用齒輪箱變比，由風機轉速直接換算得到。因此，風機功率—轉速最優特性曲線也可以用發電機功率—轉速最優特性曲線來表示，后者更容易在實際控制系統設計中實現。

2.2 控制系統

恒頻/變速風力發電機組采用變槳距控制時，一般與變頻器控制系統結合。

雙饋風力發電機的變速控制系統如圖3所示，控制系統由槳距控制系統和變頻器控制系統組成。風速低于額定風速時，兩個控制系統共同進行功率最優控制；風速超過額定風速時，槳距控制系統進行功率限制控制。變頻器控制系統將風力發電系統的有功功率控制在給定的功率參考值 Pref（風 速 超 過 額 定 風 速 時 ， Pref=Pn），同 時 使 系統的無功功率輸出和整流側的直流電壓等于設定值。

圖3 雙饋風力發電機控制系統示意

槳距控制系統含有2個互相耦合的控制器：轉速控制器和功率控制器。

（1）當風速小于額定風速時， 槳距角將置于0°（即最優槳距角）不作調節， 此時主要由轉速控制器實現功率最優控制。轉速控制器的控制策略基于如圖4所示發電機功率—轉速最優曲線實現。功率—轉速最優曲線上每一個功率值都會對應 一 個 最 優 的 轉 速 ωgenopt， 當 系 統 沒 有 運 行 在 最優狀態時（ωgen不等 于 ωgenopt）， 需 要 通 過 調 節 轉 速將系統控制在最優運行狀態，即調整發電機的轉速至最優轉速 ωgenopt。 由于發電機轉速跟風機轉速存在一一對應關系，風機轉速將被間接的控制在最優值 ωwtropt上， 從 而 獲 得 最 優的 葉尖速 比 λopt= ωwtroptR/v 和 最 優的 Cpmax， 實 現最優功 率 控制。

（2）當風速大于額定風速時， 伺服控制系統將會動作。發電機的實際輸出功率將被限制在額定功 率 Prated。

圖4 功率—轉速最優曲線示意圖

（3）當風速大幅超過額定風速時， 耦合環節動作，這樣2個控制器將會同時控制槳距角的輸出。一方面功率控制器動作，調整槳距角限制功率的輸出；另一方面轉速控制器動作，將發電機轉速控制在額定轉速。

2.3 變頻器模型

雙饋異步電機變頻器的2個換流器的功能相對獨立：網側換流器實現輸入單位功率因數控制和在各種狀態下保持直流電壓穩定，確保轉子側換流器可靠工作；轉子側換流器的主要功能是實現對雙饋電機的矢量變換控制，確保電機輸出解耦的有功和無功功率；采用高頻自關斷器件和空間矢量 SPWM 調制方法， 可以有效消除低次諧波，改善輸入、輸出特性。

轉子側換流器的控制模型如圖5所示，電機的轉矩和定子側有功功率通過控制轉子電流的轉矩分量 irq實現， 而轉子側的無功功率通過控制轉子電流的勵磁分量 ird實現。 外環功率控制器根據有 功 指 令 Pref和 無 功 指 令 Qref輸 出 內 環 控 制 器 的有功 、 無 功 電 流 指 令 Iqref和 Idref， 內 環 電 流 控 制 器根據電流參考指令輸出調制信號 Pmd和 Pmq。 電網側換流器的控制模型與圖5類似，控制目標是維持 直 流 側 電 壓 Udc等 于 參 考 電 壓 Udcref， 同 時 控 制逆變器與電網之間交換的無功功率為零。

圖5 轉子側換流器控制

3 全換相風力發電系統

全換相風力發電機也是一種恒頻變速風力發電系統，換流器將頻率變化的電能轉換為與電網頻率相同的恒頻電能。這種類型風力發電系統的發電機一般采用低速多極永磁同步發電機，可省去風機與發電機之間的傳動機構，降低系統成本，并增加系統的可靠性。此外，還可以采用普通同步發電機或異步發電機通過變頻器并網，但由于發電機轉速較高，風機與發電機間需要通過齒輪箱進行嚙合。

采用雙 PWM 換流器的全換相同步風力發電系統結構如圖6所示。控制系統與雙饋風力發電系統類似。功率控制器根據風機轉速輸出有功控制指令給整流器。整流器根據有功控制指令改變發電機定子輸出電流，從而控制同步發電機的輸出電磁功率。逆變器維持直流側電壓和向電網輸出的無功功率恒定。

圖6 同步風力發電系統仿真框圖

永磁直驅風力發電系統的風力機直接驅動多極永磁同步發電機，省去了變速齒輪箱，利用整流器控制永磁同步發電機的轉速， 實現恒頻/變速運行，捕捉最大風能。

4 仿真

按照本文所介紹的建模方法， 在 DigSILENT PowerFactory 上分別對異步風力發電機、 雙 饋風力發電機和同步風力發電機進行建模，軸系系統采用兩質塊模型。采用恒壓源模擬外部電網，輸出經升壓變壓器接入系統。

4.1 變風速條件下仿真

由圖7，8和 9可以看出， 相比異步風力發電機，雙饋異步發電機和同步風力發電機具有較好的無功控制特性，在變風速情況下，輸出的無功功率基本能夠控制在初始設定值附近 （一般設定為零）。 由于異步風力發電機需要從電網吸收無功功率，通常需要配置固定電容器進行無功補償，在變風速情況下，無功功率隨有功功率輸出的變化波動較大。

異步風力發電機轉速基本維持在略高于同步轉速，同步風力發電機轉速基本等于同步轉速。由于采用變速運行，相比于恒速風機，變速風機能夠實現最大風能跟蹤控制。

4.2 單相接地故障的仿真分析

圖7 異步風力發電機變風速下的輸出功率和發電機轉速

圖8 雙饋風力發電機變風速下的輸出功率和發電機轉速

圖9 同步風力發電機變風速下的輸出功率和發電機轉速

圖10 為采用 Crow-bar保護后的 5 MW 雙饋風力發電機在并網母線處發生A相接地短路故障后的電磁暫態仿真結果。由圖可以看出，在0 s發生故障后，雙饋風機并網母線處A相、B相電壓降低，C相電壓升高，風機轉子電流由于故障增大， 風機轉速增加。在故障發生瞬間，Crow-bar保護動作，轉子繞組短路，雙饋風機可以等同于異步風力發電機，有功輸出功率下降，同時吸收的無功功率增大。 0.15 s故障切除后， 并網母線電壓恢復正常， Crow-bar 保護在檢 測到發電機轉速、機端電壓和轉子電流恢復正常后經過一定時間延遲動作， 在 0.48 s 處打開短接開關， 經過短暫功率波動后，風力發電機恢復至故障前運行水平。在整個故障期間，風電機組仍能夠持續掛網運行（風電場輸出的有功功率下降）， 風力發電機具有一定的低壓穿越能力。

圖10 雙饋風力發電機故障前后有功、無功功率和轉速

5 結語

通過不同類型風電機組的仿真結果可知：

（1）在變風速條件下， 雙饋異步發電機和同步風力發電機具有較好的無功控制特性，在系統需要和設計容量允許的范圍內，可以參與系統的無功調控。

（2）相比恒頻/恒速風力發電機， 變速風機具有較好的調速特性，能夠實現最大風能跟蹤控制，最大化利用了風力資源。

（3）電網電壓大幅跌落時， 雙饋風電機組轉子電流突增幅值大， 超過 Crow-bar 保護動作值時保護動作，三相轉子繞組被短接，雙饋風機可以等同于異步風力發電機，有功輸出功率下降，同時吸收無功功率增大。在 Crow-bar保護的配合下，風電機組仍能夠持續掛網運行 （風電場輸出的有功功率下降），風力發電機具有一定的低壓穿越能力。

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（本文編輯：李文娟）

A Study on Transient Simulation M odel ofW ind Power Generation System

HUANG Cui
（Hangzhou Municipal Electric Power Bureau，Hangzhou 310009,China）

The paper summarizes transient simulation models in different wind power systems in detail,researches the dynamic simulationmodels including aerodynamic system,wind turbine shaft system,blade pitch control system and frequency converter.Taking double-fed wind turbine as an example,it researches the control system model of variable-pitch,constant-frequency/variable-speed wind power system.Finally,simulation modeling of asynchronous wind turbine,double-fed wind turbine and full phase changing synchronous wind turbine are performed with software DigSILENT PowerFactory.The dynamic characteristics of different types ofwind turbines are simulated under variable wind speeds.The results verify the validity of simulation model mentioned.

wind power generation；simulation； model；study

TM614

： A

： 1007-1881（2010）07-0022-05

2009-10-13

黃 萃（1974-）， 男， 浙江臨安人， 工程師， 華北電力大學在讀工程碩士，從事配電網工程施工管理工作。