雙饋變速風電機組模型的仿真分析

鄭曉棟 章琰天

摘 要：在常用的變速恒頻風力機種類中，雙饋異步電機的風力機有比較大的技術優勢和市場空間。文章對使用雙饋異步風力發電機的風力機組的輸出性能做出研究與分析，并使用MATLAB進行仿真模擬。文章的主要工作包含以下兩個部分：第一部分是在風速波動條件下，分別通過電壓模式控制和無功功率模式控制，研究分析風電機組的輸出特性變化。第二部分是在電網故障條件下，分別通過電壓模式控制和無功功率模式控制，研究風電機組輸出特性變化。

關鍵詞：風力發電；雙饋風電機組；動態模型；MATLAB

引言

能源的發展對國民的經濟有著非常重要的作用。常規能源主要以化石能源為主，在全球工業飛速發展的時代，產生極具經濟效益的同時，化石性燃料使用的程度也達到了空前。化石性燃料的使用對大氣造成了嚴重的污染，對人類的生存環境造成了重大的破壞；此外，化石性燃料隸屬一次性能源，總有消耗完結的時候。經濟生活中的國策，能源對人類的經濟與社會的發展的限制和對資源環境的影響也越來越明顯[1]。

雖然各種類新能源中以太陽能的儲量最為豐富[2]，但是利用太陽能直接進行光伏發電目前仍有一些不能解決的技術問題。所以風力對于我們來說是一個比較理想的替代能源。雙饋變速恒頻風力發電機目前作為風力發電系統中使用的主要機型，其中永磁直驅式變槳距和雙饋異步式的變速恒頻風電機組已經成為兆瓦級風電機組的主要技術形式[3]。對上述風力機組的入網運轉調控措施的研究是風能發電系統能夠廣泛應用的基礎。雙饋風力發電機多采用雙PWM變換器為轉子提供勵磁電流[4]。轉子側變換器控制策略主要有兩大類，一類是基于矢量控制的間接功率控制[5-6]，另一類是直接功率控制[7-8]。我們國家從“十五”時期已經對雙饋異步發電機風電機組理想電網條件下的運轉控制進行了比較為深入剖析[9]。實際工程中電網展示出不穩定特點，電壓劇降則是一種非常遇見情況，研究這種故障下DFIG的行為、特性，提高風電機組對這種故障的適應能力，已成為目前國內外研究的熱點。

1 雙饋變速風電機組

1.1 雙反饋變速風電機的整體設計

風力發電的種類非常多，按照其結構，控制原理，運行方式可以有不同的分類。根據轉速性質進行劃分，則可以分為恒速機組和變速機組兩類。變速的風電機組又可以分為連續變速的風電機組和不連續的風電機組兩種類型。根據發電機類型可以分為以同步發電機（包括以電激磁的同步機和以永磁體激磁的同步機）和以感應發電機（包括普通感應機，雙饋感應機）。

任意類型的風電機組的通用動態模型一般是由風機的空氣動力模型，槳距角控制模型，發電機模型，風力機的軸系模型，及其控制保護系統等部分組成。風力機的軸系模塊包括齒輪箱，發電機軸和風力機軸，控制保護系統指變速風力機組。

變速風電機組是由三葉片的風輪把風能轉換為機械能，隨后經過齒輪箱的軸系將機械能傳到雙饋感應發電機，發電機把機械能轉換成電能輸送到電網中。和常規感應發電機不同，雙饋異步風力機的轉子和定子經過由兩個背式電壓源變換器聯結。風力機的轉子接到轉子側變換器，轉子側變化器的運轉就像在轉子回路中串聯了一個外部的電壓向量。經過控制其電壓向量，可以讓轉子在預期的轉速下運行。在電網正常運行的狀態下，轉速經過轉子側變換器的控制來調節，這樣可以優化功率的輸出，這就是轉子回路變頻運行的原理。

1.2 雙饋風力發電系統接線圖

系統仿真的模型使用6臺型號相同的1.5兆瓦雙饋風電機組組成的風電系統，使用MATLAB軟件對加入并網型風力發電場的電力系統運行做了仿真，風電系統等效電路如圖1所示。

風電場的出口電壓是575伏，經過升壓的變壓器電壓升至35千瓦，期間需要經過10千米的輸電線路，然后經過20千米的輸電線路和另一個升壓變壓器連接，電壓升至220千瓦。

2 風速波動時風電機組輸出特性仿真

等間隔采樣測量風速的輸出特性仿真：

（1）選擇電壓控制模式，隨后運行仿真，可以得到在組合風速下風電機組的輸出特性變化曲線，如圖2（a，b）所示。自然的風速可以分成基本風速，陣風，漸變風和噪聲風，組合風速是這些風速的結合，能較好的模擬自然風速的規律性和隨機性等特點，所以組合風速不但能表現自然風速特性，避開風速模型計算的復雜性，而且可以有代表性地考察風力發電系統在陣風，漸變風時的能量。

（2）選擇無功功率控制模式進行仿真，得到在組合風速波動下風電機組輸出特性曲線如圖3（a，b）所示。當使用無功調控的方式時，發電機的有功和轉子速度變化基本同電壓模式調控下的狀況相同，風力機提供的無功功率基本上沒有浮動。

3 結束語

本章對雙饋變速風電機組的模型進行了仿真，并進行了一些分析。先從變化量簡單，數據量較少的等間隔采樣測量的風速進行分析，了解到了在風速高于和低于額定風速的情況下，風電機組維持出口電壓所需要的一些控制方法及功率做出的調整；在產生短路的情況下，風力發電機有功和無功的改變情況同出口電壓的關系。在從復雜的自然風速進行分析，了解了在數據量龐大的情況下，短時間內的風速會持續維持高于額定的風速，發電機轉子轉速的變化和風速呈相同的趨勢，到達最高的轉速后，風電機組會在恒功率控制的模式下運行，發電場的有功功率達到最大值，通過槳距角的變化來維持最大有功功率。

參考文獻

[1]Lev S.Belyaev，Oleg V.Marchenko，Sergei V.Solomin. A study of wind energy contribution to global climate change mitigation[J].International Journal of Energy Technology and Policy，2005（4）：324-341。

[2]我國風電產業發展研究報告.[R/OL].http：//wenku.baidu.com/view/1cf4a7106c175f0e7cd1377f.html.

[3]李杰.中國風電行業分析報告.[R/OL].http：//wenku.baidu.com/view/543b03ccda38376baf1fae59.html.

[4]范立新，向張 .雙饋變速恒頻風力發電機并網控制仿真研究[J].江蘇電機工程，2012，（6）.

[5]柴熠，李長樂.變速恒頻雙饋風電機組轉子側勵磁變流器控制技術研究[J].電機與控制應用，2011（4）：42-46.

[6]苑國鋒，柴建云，李永東.變速恒頻風力發電機組勵磁變頻器的研究[J].中國電機工程學報，2005（8）：90-94.

[7]LIE X，CARTWRIGHT P.Direct active and reactive power control of DFIG for wind energy generation[J].Energy Conversion，IEEE Transactions，2006，21（3）：750-758.

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[9]廖勇，楊順昌.交流勵磁發電機勵磁控制[J].中國電機工程學報，1998，18（2）：87-90.