基于PSS/E雙饋風力發電機組傳動軸系模型的研究

朱光偉 李 翔 陳思范 吳世勇

（廣東明陽風電產業集團有限公司，廣東 中山 528437）

風能作為一種可再生清潔能源，由于在減輕環境污染、調整能源結構、解決偏遠地區居民用電問題等方面的突出作用，所以越來越受到世界各國的重視并得到了廣泛的開發和利用。為而雙饋風力發電機組作為主流的風力發電的產品，在風電場中占有主要地位，因此，國內外專家對雙饋風力發電機的建模和仿真做了大量工作[1-4]。本文以PTI公司開發的電力系統仿真軟件 PSS/E為平臺，分析了雙饋風力發電機的傳動軸系的模型，并對其進行動態仿真研究。

1 雙饋風力發電機組簡介

雙饋發電機組主要是有風力機、齒輪箱、雙饋發電機、變頻器、變槳控制系統以及主控系統組成，在 PSS/E32中，提供了 4種風力發電機的模型，WT1/WT/ /WT3/WT4，其中，WT3為雙饋感應發電機組，WT3的控制框圖如圖1所示[5]。

2 風力發電機組傳動軸系模型

圖1 WT3的控制框圖

風力發電機組在轉子的動態仿真中，可以將傳動軸系模型用兩質量塊來表示，即模型中主要包括葉輪和發電機的轉動慣量，葉輪和發電機之間用過一個彈簧連接[6]。這樣通過來自葉輪的氣動功率和來自發電機的電磁功率作為兩個輸入，并在來自WT3P的槳距角的調節下，就可以計算出葉輪和發電機轉子的速度偏差。

圖2 雙質量模塊的傳動軸示意圖

圖3 WT3T 雙質量模塊模型

圖4 WECC測試系統

3 模型的仿真及結果

本文以圖4所示的WECC提供的風力發電機向大電網送電的測試系統為例，來仿真雙饋風力發電機的性能[8]。測試系統中，與母線 5相連接的發電機為等效整個風場的風力發電機組，功率為100MW，并將其控制模式設置為2，即功率限制由功率因數和有功輸出決定。風力發電機發出的電壓經過變壓器升壓后，再傳輸到風場升壓站，即母線3處，經過升壓站升壓后再進行傳輸，即母線3、4、5均是在風電場內部操作的。

在PSS/E中，分別對單質量模塊和雙質量模塊進行動態仿真，兩次仿真均在系統運行2s后，在母線3處，施加三相短路故障，運行0.2s后，切除故障。仿真時，將查看通道分別設置為發電機的轉差率和葉輪的轉速偏差。

（1）從仿真圖像可以看出，在使用單質量模型時，由于忽略了葉輪的慣性，將傳動軸系作為一個單剛體來研究，此時，發電機的轉差率和葉輪的轉速偏差在發生故障時，均出現平滑的曲線。而在雙質量傳動軸模型中，考慮了葉輪的慣性，當發生電網故障時，發電機轉差率和葉輪的轉速偏差均出現震蕩；當切除故障時，振蕩逐漸趨于平穩，恢復到正常狀態。

圖5 發電機轉差率圖像

圖6 葉輪轉速偏差圖像

（2）由于在PSS/E中，風力發電機組中的變流器模型WT3E、發電機模型WT3G、槳距角控制模型WT3P以及WT3T風力機模型是相互關聯的，因此在采用單質量塊模型和雙質量塊模型時，槳距角也有明顯的不同，如圖7所示。在單質量傳動軸系模型中，槳距角的變化曲線是平滑的；在雙質量模塊中，槳距角的變化曲線出現振蕩，因此，在 PSS/E中改變其中一個模型時，應該考慮到相關模型的變化。

圖7 單質量模塊與雙質量模塊槳距角圖像

4 結論

（1）在PSS/E32中，包含了風力發電機組中傳動軸系的單質量塊模型和雙質量塊模型，單質量塊模型只能粗略的反應風力發電機的性能，雙質量模塊可以較詳細的反應風力發電機組的性能，在研究風力發電機的動態性能時，可根據不同的需要來選擇不同的傳動軸系模型。

（2）在PSS/E中，風力發電機組的各個仿真模塊是相互聯系的，改變其中的一個模塊，會影響其他各模塊，因此，研究風力發電機時，應同時考慮各個模型的變化。

[1]李東東,陳陳.風力發電機組動態模型研究 [J].中國電機工程學報,2005,25(3) .

[2]劉其輝,賀益康,張建華.交流勵磁變速恒頻風力發電機的運行控制及建模仿真[J]. 中國電機工程學報,2006, 26(5).

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

[4]徐瓊璟,許政,PSS/E中的風電機組通用模型概述[J],電網技術,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.