直驱型变速恒频风力发电系统建模及仿真分析.pdf

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1、第12卷第3期重庆科技学院学报(自然科学版)2010年6月直驱型变速恒频风力发电系统建模及仿真分析朱兴林李山王强钢z周念成z刘述喜(1．重庆理工大学，重庆400050；2．重庆大学，重庆400044)摘要：在PSCAD／EMTDC中建立了包含风速、风力机、直驱同步发电机、轴系扭振模块、变流器及其控制部分的并网直驱变速恒频风力发电系统模型，提出了基于最大风能跟踪控制结合变桨距控制的策略，研究了在变风速输入和网侧出现单相短路故障时直驱型变速恒频风力发电系统的动态响应特性，仿真结果表明了并网直驱风力发电系统模型及其控制策略的正确性和可行性

2、。关键词：PSCAD厄MTDC；风力发电；直驱同步发电机；最大风能跟踪；变桨距控制中图分类号：TM743文献标识码：A文章编号：1673—1980(2010)03—0168—06风力发电是目前增长最快的可再生能源_】]。风定风速时采用变桨距控制．对所建立的直驱型变速力机分为变速和定转速运行两种运行方式，变速运恒频风力发电系统进行了综合的仿真验证。行将获得高于定转速运行20％～30％的风能．还能减1直驱型变速恒频风力发电系统的工作原小有功功率波动和输出一定的无功功率。变速恒频理和仿真模型风力发电系统可以根据风速的变化调节转子转速以获得

3、最大风能；当风速超过额定值时，须使转速维持1．1直驱型变速恒频风力发电系统在额定转速附近，本文通过调节桨距角来实现。直驱型同步发电机因其成本低、维护费用低、噪声小等优点成为研究的热点，由直驱同步发电机构成的直驱变速恒频风电系统更具有并网灵活，输出功率因数可控以及在电网发生故障时，能快速向电网提供无功维持输出电压等优点．更成为近年来研究的热点I2'引。由于实际风速的变化，直驱同步发电机的输出为变压变频交流电，需要通过整流和逆变装图1直驱型变速恒频风力发电系统原理图置变换成工频的交流电再并入电网中。目前对于风速直驱型变速恒频风力发电系统

4、的原理图如图1在额定风速附近变化以及网侧发生故障时，并网运行所示。该系统由可变桨距角的风力机、直驱同步发电风力发电系统动态响应特性的综合研究还很少。机和可控的电力电子变流器等组成．变流器包括二PSCAD，EMTDC是电力系统电磁暂态计算方面极管桥式整流及6个IGBT组成的逆变电路。直驱最常用的仿真平台之一，其主要功能为电力系统时型变速恒频风力发电系统的运行原理是．变桨距风域和频域计算仿真．典型应用为计算电力系统遭受力机直接耦合同步发电机的转子．发电机输出由不扰动或参数变化时，电气量随时间变化的规律，还广可控整流后。经电容滤波．达到符

5、合逆变器输出要求泛应用于电力系统谐波分析及其电力电子仿真。本的直流电压，再经逆变器将能量馈送给电网。调节输文基于PSCAD／EMTDC建立了直驱型变速恒频风力出有功功率和无功功率的任务由逆变器来完成。逆发电系统的模型，在额定风速以下运行时采用定桨变器在将直流电能转换为交流电能的过程中．会产距变速控制跟踪最大风能输出，当外部风速超过额收稿日期：2009一l1—20基金项目：重庆市自然科学基金项目(CSTC，2009BB6190)；重庆理工大学青年基金项目(2008ZQ02)作者简介：朱兴林(1978一)，男，四川宜宾人，硕士研究生，研

6、究7fill为电力电子与电力传动技术。·168·朱兴林，李山，王强钢，周念成，刘述喜：直驱型变速恒频风力发电系统建模及仿真分析生大量谐波，所以在逆变器输出与电网之间增加了叶片半径；为风速；为风力机输出的机械功LC滤波。用以减少谐波含量。率；P为空气密度；C。为功率利用系数；为风力机1．2PSCD／EMTDC仿真模型输出的机械转矩。本文建立的直驱型变速恒频风力发电系统仿真由式(4)可以得到输入同步风力发电机的机械模型由风速模型、风力机、直驱同步发电机、轴系扭转矩。其中C。可用叶尖速比A的函数表示为：振模型、变流器、逆变器控制和变桨距控

7、制7个部分⋯，G(A，=0．22(一0．一5)e(5)组成，下面分别进行介绍。1．2．1风速模型式中：1=1兰一二一一∞蛐∞；∞啪为n十片桨距角。风电机组以风能作为原动力，风速直接决定了机组的动态特性，风速模型一般包括：均值风一、在本文的直驱风电系统中风力机的桨距角是变阵风、渐变风和随机风，因此系统输入化的，通过控制桨距角的变化直接控制其输入系统的风速可表示为：的功率。由式(5)可以得出当桨距角保持为O。时，]■Vwind=+++(1)功率利用系数可以取得最大值，所以在额定风速以下运行时应保持桨距角=0。。1．2．3直驱同步发电机模

8、型直驱同步发电机分为电励磁和永磁直驱同步发电机两种，本文采用的是电励磁直驱同步发电机。直驱型同步发电机与普通的同步发电机相比，不同的005．010015．0200250300350400是通过直接耦合方式传递能量，具有较低的转速范围(