基于MATLAB的雙饋風力發電機組動態特性研究
——以內蒙古風力發電廠為例

陳 強，涂 建，潘成勇

(湖北師范大學 電氣工程與自動化學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

風力發電是指經過風力發電機將風能經過能量轉化轉變成電能。這種新型無公害的發電方式因為本身所具備的諸多優勢而受到推崇。并且大自然的風力取之不盡，所以越來越多的國家非常重視風力發電。隨著我國經濟的長期發展，能源所顯現出來的問題也開始成為一大難題，為盡快解決能源消耗殆盡的困擾，許多從業人員把目光轉向了風能，眾所周知風能作為清潔能源的一種，具備許多優點，所以如何將風能轉化為人們日常生活中所必需的電能成為需要重點分析的問題。為應對風力發電的具體過程，本文研究雙饋感應風力發電機組運行過程中的風速對風電機組出口電壓的影響分析，以及風力機輸出的有功和從電網當中吸收的無功功率來進行動態特性分析，以及在風速發生波動的情況下對風力發電機組輸出特性的影響，利用MATLAB建立風力機組模型進行仿真分析，從而得到風力發電過程的動態特性，對進一步研究雙饋感應風電機以及市場推廣作用明顯[1]。

1 雙饋異步變速恒頻風力發電機組數學模型

雙饋異步變速恒頻風力發電結構是由以下四個模塊所構成，圖1所示為雙饋風力發電系統的整體結構。雙饋變速風電機組的運行方式為:轉動的風電機齒輪與發電機的轉子繞組通過接觸的方式帶動旋轉，此時發電機的繞組是經過交流轉直流再轉交流的變換器與電網的部分連接在一起[2]。

圖1 雙饋風力發電系統整體結構

1.1 雙饋風力發電機的風速模型

為了根據風速自身所具備的特點來準確模擬，文章中所采用的風力模型有四種，按照風速特點將風速分為基本風Va、陣風Vb、漸變風Vc和隨機風Vd四個不同分量。

1)基本風Va

(1)

(2)

式中Vs=(maxG/2){1-cos[2π(t/TG)-(T1G/TG)]}；Vb,T1G,TG,maxG分別表示陣風速度(m/s)，啟動時間(s)，周期s，最大值(m/s)。

(3)

式中Vγ=maxR[1-(t-T2R)/(T1R-T2R)]Vc,maxR,TR,T1R,T2R,分別表示漸變風速度(m/s)，最大值(m/s)，保持時間(s)，啟動時間(s)，終止時間(s)。

(4)

綜上所述四種風速分量，雙饋風力發電機上的實際風速為：

V實=Va+Vb+Vc+Vd

(5)

則由上述分析可得在MATLAB/Simulink環境下，模擬仿真風速模型如圖2所示：

圖2 風速模擬圖

上圖左邊展示的四個模塊分別是常數信號(Constant)、階躍信號(Step)、斜坡信號(Ramp)、隨機發生信號(Random Number)，分別來代表恒風、陣風、漸變風、隨機風四種風速[3,4]。

得到風速仿真結果如圖3所示

圖3 風速仿真結果

依據四種風速疊加可以看出隨時間變化，風速呈現震蕩式的波動。

2 雙饋風力發電機仿真模型及其參數設置

2.1 雙饋風力發電機總體參數

以安裝在內蒙古錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗的巴其風力發電廠為例，巴其風電場的西班牙Gamesa公司生產的G80-1.5WM型風力發電機為例，利用MATLAB軟件中的Simulink工具箱建立系統的仿真模型。該風機為三葉片變槳距調節，三級齒輪增速,額定功率為1.5MW，起動風速為3m/s，額定風速為15m/s，停機風速為20m/s，風力機模型參數如表1所示[5]。

表1 1.5MW雙饋風機動態參數

2.2 雙饋感應風力發電機仿真模型

由雙饋感應變速風電機(DFIG，Double-Fed Induction Generator)的數學模型，在MATLAB軟件中建立風力發電系統的仿真模型，如圖4所示，是目前應用最為廣泛的風力發電機，由繞線型感應發電機和兩向尾尾相連電力電子器件IGBT交流電源變流器構成[6～12]。

圖4 雙饋感應風力發電場模型

設置雙饋感應變速風電機組的參數，通過模型窗口菜單中的Configuration Parameters 命令打開設置仿真參數對話框，選擇Ode23tb算法，仿真開始時間設置為0s，結束時間設置為2s[13～15]。

3 仿真結果及分析

3.1 正常運行時疊加風速下雙饋風電機組輸出特性

根據內蒙古風電場出現不同的風速模型在正常穩定運行情況下風電機組輸出特性，當風速為疊加風速，依據現場所測得的風速，運行仿真，得到疊加風速下風電機組動態特性曲線，結果如圖5所示。得到正常運行時出現各種風速條件下風電機組的輸出特性波形。

圖5 出現疊加風時風電機組的輸出特性

從圖5可以看出，出現疊加風時，風電機組的出口電壓穩定，風電機組輸出有功變化趨勢為先增大當增大到一定值時輸出有功達到穩定不變，風電機組從電網中吸收的無功功率波動較為明顯，后也達到一穩定值。

3.2 隨機風速下短路故障雙饋風電機組輸出特性

依據內蒙古風電場出現疊加風時系統出現短路故障時長為0.1s，在0.4s出現，0.5s結束，出現不同短路故障時風電機組的輸出特性如圖5所示，單相短路接地故障時風電機組輸出特性如圖6所示，兩相短路故障風電機組輸出特性如圖7所示，兩相短路接地故障風電機組輸出特性如圖8所示，三相短路故障風電機組輸出特性如圖9所示。

圖6 單相短路接地故障輸出特性曲線

圖7 兩相短路故障輸出特性曲線

圖8 兩相短路接地故障輸出特性曲線

圖9 三相短路故障輸出特性曲線

內蒙古風力發電廠使用故障分析的方法和變風速來進行相關計算，得到隨機風速條件下四種短路故障風電機組的輸出特性波形。

從圖6可以看出，當出現單相短路故障時，發電機出口電壓出現了小幅度的下降，當故障切除后，電壓恢復到穩定值并且保持不變，發電機組輸出有功先下降后上升最后一段時間恢復穩定，故障時機組從電網吸收無功故障切除后恢復，這是在隨機風速下得到的波形。

從圖7可以看出，出現兩相短路時風電機組輸出電壓下降，當故障切除后電壓恢復到初始狀態，風電機組輸出有功和吸收無功同單相短路類似，恢復時間有所延長。

從圖8可以看出，出現兩相短路接地時輸出電壓出現下降且較為明顯，故障切除，電壓恢復正常保持不變，風電機組輸出有功和吸收無功同單相短路類似，恢復時間則較前兩種故障更長。

從圖9可以看出，當出現三相短路故障風電機組出口電壓出現嚴重下降趨近于0，當故障切除后電壓迅速恢復到初始狀態并保持不變。輸出有功震蕩幅度最大，出現反向輸出無功到電網之后再吸收無功的過程，故障切除后經較長時間恢復穩定。

對比在內蒙古風電場出現疊加風速的情況下四種短路故障的波形可以看出單相短路故障對風電機組輸出特性影響最小，三相短路故障對風力機組的動態輸出特性影響較大，三相短路故障機組的輸出電壓以及發電機組吸收無功功率輸出有功功率波動較為明顯，其中電壓下降幅度最大幾乎為零，吸收無功出現反向輸出并且恢復時間最長，此時發電機受到的擾動最大最容易失穩對風力發電機的危害最大，因此電網穩定性最低。

4 結論

本文設計的系統研究結果表明，雙饋感應變速風力機組的動態特性在風力發電并網以一大型的風電場內蒙古風力發電廠為例，MATLAB作為工具進行建模仿真得出幾點結論如下：

1)如果外部風速保持固定，雙饋風力發電機輸出電壓和輸出功率保持恒定不變。

2)當風速波動時，雙饋風機發電機輸出電壓基本保持不變，輸出功率隨著風速的變化發生相應的變化。

3)當電網出現單相短路故障時，雙饋風力發電機輸出電壓會降低，輸出有功功率和無功功率波動較小，故障清除后，風電機組能夠比較迅速地恢復到原始工作狀態。

4)當電網出現三相短路故障時，雙饋風力發電機輸出電壓會大幅度下降，輸出有功功率也會降低，同時向電網提供大量無功功率，當故障被及時清除風電機組恢復到原始工作狀態的速度最慢所需時間最長。

隨著經濟社會的進步，生產、生活對于電力的供應需求日益旺盛，風力發電作為兼具經濟可靠優勢占發電總量的增幅愈來愈大，如何對大規模風電并網保證電網的穩定性成為今后研究的重點。現內蒙古風力發電廠所采用的1.5MW風力機組并網發電技術已較為成熟，可大范圍應用于實際的風力發電并網工作。需要指出的是，實際應用中，選擇合適的風力發電控制方法，選取適當參量，同時設計合理的發電機結構，是基于實際需要而定的。

盡管文章研究了在風速以及故障的情況下風力機組的動態特性，但是針對特定的復雜的過程還是有待研究，后面會繼續加大風力機組的各種效應下的分析。