并網永磁直驅式風電系統的模態研究

劉坤

摘 要：本文首先概括性介紹了永磁直驅式風力發電系統，并在此基礎上對并網永磁直驅式風電系統的模態進行研究。期望通過本文的論述能夠對提高直驅式風電系統的運行穩定性和可靠性有所幫助。

關鍵詞：并網；永磁同步電機；直驅式風電系統；建模

現階段，國內應用的并網風力發電機組主要有兩種系統，一種是恒速恒頻，另一種是變速恒頻。前者的發電機為異步發電機，以風能對風力機進行驅動，經由齒輪箱提升速度后，對異步電動機進行驅動，最終將風能轉化成電能。在實際應用中發現，發電機轉子的轉速會受到風速變化的影響，并且還需要從電網當中吸收無功功率構建勵磁電壓，因限制其運行的因素較多，所以它的應用已經越來越少。隨著電力電子技術的不斷完善，變速恒頻機組現已成為風電發展的主流趨勢，它的應用前景也更為廣闊。國內比較常見的變速恒頻風電機組有兩種，一種是雙饋式，另一種是直驅式。借此本文就并網永磁直驅式風電系統的模態展開研究。

1.永磁直驅式風力發電系統概述

1.1系統結構

直驅式風電系統主要是由以下幾個部分構成：風力機、永磁同步發電機、控制系統及變流系統等等。其結構如圖1所示。

圖1 直驅式風電系統結構原理示意圖

由于直驅式風電系統中的風力機與發電機的轉子能夠直接耦合，故此，發電機輸出端的電壓以及頻率均會隨著風速的變化而變化。為了保證風力機能夠順利并網，必須確保機組的電壓幅值、頻率、相序和相位等與電網相一致。

1.2系統的基本原理

直驅式風電系統的基本原理如下：先將風能轉化為幅值與頻率變化的交流電，在通過整流之后使其變為交流，隨后經由逆變器變換為三相頻率恒定的直流傳輸給電網。中間的變換環節，能夠對系統的有功和無功起到有效的控制作用，這樣便可以實現最大風能追蹤的目的。

1.3系統的特點

直驅式風電系統的特點可歸納為以下幾個方面：

1.3.1系統采用的是永磁同步發電機，這種發電機的結構較為簡單、體積小、重量輕、可靠性和效率較高，并且整體損耗相對較小。它能夠與風力機進行直接耦合，省去了增速箱，簡化了機組結構，減輕了維護工作，噪聲也大幅度下降。

1.3.2系統為解耦控制，可靠性更高，逆變器可獨立設計，多級外轉子結構的加入，進一步提高額機組的運行可靠性，減少了運維費用。

2.并網永磁直驅式風電系統的模態分析

2.1系統建模

2.1.1風力機模型。在永磁直驅式風電系統當中，風力機屬于能量轉換裝置，其可分為兩種類型，一種是定槳距風力機，另一種是變槳距風力機。前者輸出的機械功率與風速V、風力機角速度 有關；后者輸出的機械功率除了與V和 有關外，還與槳葉節距角 有關。風力機的模型為：

（1）

在上式當中， 代表風力機的輸出功率，S代表槳葉掃風的面積； 代表空氣密度； 代表風速； 代表槳距角與葉尖速比的功率系數； 代表風力機的機械輸出轉矩；R表示風力機的轉子半徑； 代表葉尖速比。

按照式（1）可在Simulink環境下，構建風力機及其相關子模塊的仿真模型。

2.1.2永磁同步發電機模型。這是整個風電系統的核心部分，該模型是基于電機在同步旋轉坐標系下的定子電壓方程與電磁轉矩方程進行構建的，具體如下：

（2）

按照式（2）可在Simulink環境下，構建電機的仿真模型。

2.1.3系統整體模型。結合風力機和永磁同步電動機的仿真模型，應用Matlab/Simulink工具箱，便可構建起永磁直驅式風電系統的整體仿真模型。

2.2仿真結果分析

本次研究采用了Matlab/Simulink仿真軟件，構建了并網永磁直驅式風電系統的仿真模型，具體參數如下：風力機額定風速為12m/s；葉輪半徑為25m；槳距角為零度；發電機額定功率為1.5MW；定子電阻為28Ω；機端輸出電壓及頻率分別為690V和50Hz；仿真算法為ode23tb；仿真時間設定為10s。仿真結果如下：

2.2.1在2s和6s時，風速發生階段性跳躍變化，這說明，風力機的輸出功率會隨著風速的變化而變化，功率輸出響應良好。

2.2.2在不同風速條件下，發電機定子電流的波形在2s和6s時發生跳變后，電流趨于穩定，這說明波形與正弦波非常接近。

2.2.3在風速發生變化的過程中，發電機定子電流q軸分量的響應情況良好，d軸分量略有波動變化，但在較短的時間內達到穩定，由此進一步驗證了 的控制策略。

2.2.4因發電機的電磁轉矩與定子q軸的電流成正比例關系，所以當q軸電流出現跳變時，電磁轉矩也隨之出現變化，最終達到穩定。

2.2.5網側的有功功率隨著風速的變化出現變化，由于網側的交流器采用的是單位功率因數的控制策略，故此無功功率始終保持在零附近。這說明，電網側變流器實現了有功與無功的解耦控制。

通風上述分析可得出如下結論：本文應用Matlab/Simulink仿真軟件所構建的并網永磁直驅式風電系統模型，可以正確反映出風電系統內部各個物理量之間的邏輯關系，仿真所得的結果與風電機組的實際運行情況基本相符。

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