变速恒频风力发电机组建模与仿真

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1、变速恒频风力发电机组建模与仿真李晶1，王伟胜2，宋家骅3（1．华北电力大学，河北省保定市071000；2．中国电力科学研究院，北京100085；3．东北电力学院，吉林省吉林市132012）   摘 要：建立了包含风力机、双馈发电机及发电机电气控制部分的变速恒频风力发电机组的整体动态数学模型；以该数学模型为基础应用MATLAB软件搭建了用于研究变速恒频风电机组和固定转速风电机组并网特性的数字仿真工具。并以风速发生阶跃变化及风速发生不规则扰动为例，仿真比较了具有相同参数的变速和固定转速的风电机组相应物理量的响应特性

2、。仿真结果表明了所建模型的正确性及变速恒频双馈电机具有良好的动态特性。    关键词：风力发电；双馈发电机；动态模型；变速恒频风电机组1 引言   可再生能源特别是风能的开发利用已得到世界各国的高度重视。在过去的20多年当中，风力发电机组由最初的定桨距型发展到变桨距型，从转速固定的变桨距型发展到目前技术最为先进的变速变桨距型，发电效率在显著提高。特别是变速变桨距机组，其发电机中采用的变速恒频技术提高了风力发电机组在低风速情况下的出力水平。我国关于风电机组的研究主要是针对中小型固定转速的变桨距型[1]，而兆瓦级的

3、大型变速变桨距型的风电机组的研究还仅处于起步阶段。   目前兆瓦级变速风电机组多采用双馈感应发电机，有关其模型和仿真方面已做了一些研究工作，如dq/abc混合坐标下的电机模型考虑了双馈电机转子绕组与系统间变流器的作用[2]，建立了适用于谐波分析的双馈电机动态模型，但模型阶数较高，不适用于变速恒频风机（VSWT）整体动态特性的分析；将描述双馈电机动态过程的复数形式数学模型线性化，建立了“小干扰稳定”数学模型[3]，文[3]通过分析转子励磁绕组电压幅值和相角变化对双馈电机稳定域的影响，说明了该模型也适用于电网发生大

4、扰动后的稳定分析，但该模型是在假设扰动过程中发电机转子转速变化不大的前提下得到的，因此不适用于转子转速变化范围较大的变速恒频风电机组的建模；以双馈电机运行机理为出发点，根据磁链、电势、电流的关系推导出了双馈电机动态数学模型[4]，该模型结构简单，但文[4]作者对模型中定义的模拟转子绕组励磁电压特性的控制变量与作为受控对象的发电机出口处有功功率、无功功率之间，没有给出明确的数学关系，因此不利于控制系统的设计和实现。   本文根据变速恒频风力发电机组各组成构件的特性，建立了能表征变速恒频风力发电机组特性的动态数学模

5、型，并应用MATLAB软件的Simulink环境[5]，开发了用于分析固定转速风电机组和变速恒频风电机组并网特性的数字仿真程序。还以具有相同参数的变速和恒速风电机组为例，详细模拟了风速发生阶跃变化及风速发生不规则扰动时两种风电机组的动态响应过程。2 变速恒频风电机组的动态数学模型2.1 机组结构   本文讨论的变速恒频风力发电机组的发电机采用双馈感应发电机，与固定转速风电机组相比，在发电机部分增加了定子绕组与转子绕组之间的变频装置，其简化结构图如图1所示。2.2 风功率特性   风功率特性是表征风电机组运行特性

6、的一个重要指标。本文引用某一典型变速恒频风电机组的风功率特性，用分段函数表示为式中　v为风速，m/s，切入风速取3m/s，切出风速取20m/s，额定风速取12m/s；Pe为风电机组输出的有功功率，pu。2.3 机械传动部分   从轮毂到发电机转子之间的联轴器和齿轮箱可近似用一阶惯性环节描述为式中　Td为机械传动部分的时间常数，s；Tm为发电机转子轴上的机械转矩，pu；TM为风力机末端轴上的机械转矩，pu；其中TM为[6]式中　ρ为空气密度,kg/m3；CP为功率系数；R为风力机桨叶半径，m；W为叶片转速，rad

7、/s；ΩB为转速基值，rad/s；λ为叶尖速比，λ=ΩR/v；PB为功率基值，kW。2.4 发电机部分   由于双馈发电机转速随风速的变化而变化，因此采用dc，qc，0定子磁场旋转坐标系统，忽略定子电磁暂态过程，建立发电机电磁部分模型如式(4)、(5)所示[4]（式中下标d，q表示该坐标系统下的对应dc，qc轴的分量），发电机动态电路图如图2所示,各电气相量的参考方向以图2中电气相量的方向为准。式中　X为发电机稳态电抗，pu，X=X1+Xm，X1为定子漏抗，Xm为激磁电抗；X'为发电机的暂态为发电机的暂态电势，

8、pu；Ws为定子旋转磁场的角速度，为转子绕组励磁电压，pu；   双馈电机转子运动方程为2.5 双馈发电机转子励磁电压的控制   变速恒频风力发电机组的控制核心是对双馈电机转子绕组励磁电压的控制，根据不同的控制目标引入不同的控制变量及不同的控制规律，从而实现对转子励磁电压幅值、相角的调整，以达到与电机机械部分运行特性相互配合、提高风能的利用效率及改善供电质量的目的。   由于通过转子励