風速擾動下風力發電機組輸出特性數值計算

秦　艷　劉　偉　羅昌芬　孔維超

（1. 江蘇聯合職業技術學院淮安生物工程分院，江蘇 淮安　223200；2. 電子科技大學成都學院通信工程系，成都　611731；3. 東方電氣集團東風電機有限公司，四川 樂山　614000；4. 中節能港建（甘肅）風力發電有限公司，甘肅 玉門　735200）

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風速擾動下風力發電機組輸出特性數值計算

秦艷1劉偉2羅昌芬3孔維超4

（1. 江蘇聯合職業技術學院淮安生物工程分院，江蘇 淮安223200；2. 電子科技大學成都學院通信工程系，成都611731；3. 東方電氣集團東風電機有限公司，四川 樂山614000；4. 中節能港建（甘肅）風力發電有限公司，甘肅 玉門735200）

摘要闡述了風速的擾動對風力發電機組輸出性能的影響。為了研究隨機風速下的風力發電機組輸出特性規律，分析了某1.5MW雙饋風力發電機組的結構特征，建立了仿真數學模型。以風電場當地的風速模型為條件，選擇了電壓控制和無功功率控制兩種策略進行輸出特性仿真。結果顯示，機組正常運行下，采用無功功率控制策略，機組的輸出性能參數較為穩定；而發生短路故障時，為保證輸出電壓值盡快恢復，采用電壓控制策略較為合理。為風力發電機組的安全穩定運行，提供了參考依據。

關鍵詞：風速；風力發電機組；輸出特性；數值計算；控制策略

風力發電機組的輸出特性，是指當風能轉換成電能之后，發電機輸出端的電壓、功率以及故障擾動等參數變化規律。與其他發電形式（如水力發電、火力發電等）不同之處在于，風力發電機組運行時，作為原動力的風能（如陣風、漸變風、隨機風等）變化較為復雜，目前還法精確掌握其運動規律，即風速變化的隨機性較大。

風力發電機的理想運行狀態，是在恒定風速下工作。當風速發生變化，便稱之為擾動。此時，機組參數必須做出相應的調整，以適應波動后的風速。近年來，就風速變化對于機組性能的影響，人們做了大量的研究。如文獻[1]采用模態分析法，計算出了不同風速條件下，風輪葉片的自振頻率變化規律；文獻[2]采用雙閉環結構，達到了定子端有功和無功功率解耦控制的目的；文獻[3]計算出了機組輸出功率的波動規律。然而，文獻[1]研究的對象僅限于頻率分析，未討論系統的其余輸出參數特性；文獻[2]雖然分析了輸出端的電壓、功率等特性，卻未考慮故障擾動的因素；文獻[3]則沒有涉及輸出功率分布。而在隨機風速條件下，只有全面了解系統的輸出特性（包括電壓控制特性、無功功率控制特性以及故障擾動下的輸出特性等），才能優化自動控制系統的設計，保證系統具備較強的抗干擾性和隨機調節能力，機組才能實現安全、高效運行。因此，建立風力發電機組控制系統的仿真模型，分析風速擾動下的各種輸出參數情況，在實現隨機風速工況下的轉速自我調節、保證機組的最佳運行狀態以及監測輸出電壓質量等方面，具有重要的意義。

1　計算模型結構分析

要建立風力發電機組的仿真數學模型，首先需要對機組結構進行分析。以便確定數學模型的模塊結構。以某風電場1.5MW水平軸雙饋變速發電機為例，該機組的主要部件[4]有：風輪、傳動機構、發電機、變頻器等。風輪軸與電機軸通過傳動機構相關聯，發電機轉子經變頻器接入電網。機組運行時，無論是電機軸還是風輪，均不是恒速運行，而是根據風速的變化而變化，變頻器可以實現機組的有功與無功功率解耦控制。機組基本結構，如圖1所示。

圖1　風力發電機組結構

2　數學模型的建立

根據風力發電機組的結構，建立控制系統的數學模型。主要包括：雙饋發電機模塊、測量模塊、三相雙繞組變壓器模塊、并聯負載模塊等，數學模型如圖2所示。部分參數設置[5]，見表1。

圖2　風力發電機控制系統數學模型

表1　風力發電機部分參數

3　風速波動下的風力機輸出特性仿真

3.1風速模型的確定

在對數學模型進行數值計算時，首先要設定的參數就是入口風速。以隨機風為例，由于計算對象所在風場與文獻[6]位置接近，故選用該文獻的隨機風速模型，取樣方式為等時間間隔法，采樣時間為15s，風速模型如圖3所示。

圖3　風速模型

3.2輸出特性分析

在數值計算時，由于風速的擾動頻率較高，有功功率在隨機風的作用下，只存在小幅度變化[7]。故主要對風速波動下的電壓、無功功率以及短路故障狀態進行分析。所有單位均選用標幺值（pu）表示，控制策略選擇為：電壓控制和無功功率控制。設定短路故障發生時間為0.5s，結束時間為0.6s。

在計算中，考慮到累計誤差對于精度的影響，計算方法選擇為ode23tb法，即數值計算方法為顯式RK法，由于精度的階數與微分方程之間的并非遞增關系[8]，故計算函數的次數選擇為2～3次即可。基本微分方程表達式[9]為

式中，Wi為待定權因子；r為函數次數；ki為離散點函數值；ci=0；aij為待定系數。仿真結果如圖4至圖7所示。

圖4　電壓與無功功率控制下輸出電壓變化

圖5　電壓與無功功率控制下無功功率變化

圖6　三相短路時電壓與無功功率控制下輸出電壓變化

圖7　三相短路時電壓與無功功率控制下無功功率變化

3.3結果分析

由圖4至圖5可以看出，雖然在電壓控制和無功功率控制模式下，無論風速如何擾動，發電機組的輸出電壓始終保持不變。但是，在電壓控制模式下，由于風速的不斷變化，機組從電網中吸收的無功功率也會不斷增大，如此才能保持輸出電壓為恒定值。而在無功功率控制模式下，除了初始階段（約1s內），系統會從電網中吸收少量無功功率，之后無功功率便接近于穩定值。可見，風速的波動對于機組吸收電網無功功率的變化影響并不明顯，整個過程中，無功功率能夠基本不變。所以，在風速變化規律性不強，為保持機組的正常運行，可以選擇無功功率控制模式。

由圖6至圖7所示，若電網發生短路故障時，兩種控制模式下的機組輸出電壓均會下降。此時，由無功功率曲線顯示，無故障狀態下的平衡趨勢被打破，因此產生較大的波動。原因在于，隨著輸出電壓的下降，電網會吸收機組提供的無功功率。當短路故障消除后，電壓和無功功率都將恢復到穩定狀態。按照電力系統穩定性原則[10]可以知道，在兩種控制模式下，該系統都是穩定的。但是，就兩種控制模式的比較而言，無功功率控制模式下，當短路故障結束以后，輸出電壓的恢復時間較長，約為1.05s，而電壓控制模式下，恢復時間僅需0.7s。因此，在發生短路故障時，采用電壓控制模式，有利于發電機組的輸出參數更快恢復到穩定值。

4　結論

在隨機風速變化的狀態下，分別采取了電壓和無功功率兩種控制策略進行風力發電機組的輸出特性數值計算。仿真結果表明，風力發電機組在不同的狀態下，選擇與之匹配的控制策略，能夠使輸出特性保持在給定值附近，繼而達到良好的運行特征。然而，控制系統的精度是一個不斷完善的過程，故下一步的研究工作，主要是優化控制系統的數學模型，比如：考慮添加PI或PID控制模塊等，繼而達到進一步晚上系統控制性能的目的。

參考文獻

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秦艷（1977-），女，江蘇淮安人，碩士，講師，主要從事機電一體化教學研究。

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The Simulation of Output Characteristic for Wind Turbine based Wind Velocity Variation

Qin Yan1Liu Wei2Luo Changfen3Kong Weichao4
(1. Huaian Higher Vocational School of Biological Engineering, Huaian, Jiangsu223200; 2. Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu611731; 3. DEC Dongfeng Electric Machinery Co., Ltd, Leshan, Sichuan614000; 4. In Such Port Construction (Gansu) Wind Power Co., Ltd, Yumen, Gansu735200)

Abstract The paper discussed how wind speed influenced the output characteristic of wind turbine. For studied the rule of output by random wind. Took a 1.5MW wind turbine as a example. Based the turbine’s structure. The paper set up a simulation model. Choose two control tactics which called voltage control and reactive power control. The result shows that took reactive power control at normal operation, the turbine get a well performance. If fault happened, choose voltage control was reasonable. So it provide reference for turbine operation.

Keywords：wind velocity; wind turbine; output characteristic; simulation; control tactics

作者簡介