并网永磁直驱式风电系统的模态研究

刘坤

摘 要：本文首先概括性介绍了永磁直驱式风力发电系统，并在此基础上对并网永磁直驱式风电系统的模态进行研究。期望通过本文的论述能够对提高直驱式风电系统的运行稳定性和可靠性有所帮助。

关键词：并网；永磁同步电机；直驱式风电系统；建模

现阶段，国内应用的并网风力发电机组主要有两种系统，一种是恒速恒频，另一种是变速恒频。前者的发电机为异步发电机，以风能对风力机进行驱动，经由齿轮箱提升速度后，对异步电动机进行驱动，最终将风能转化成电能。在实际应用中发现，发电机转子的转速会受到风速变化的影响，并且还需要从电网当中吸收无功功率构建励磁电压，因限制其运行的因素较多，所以它的应用已经越来越少。随着电力电子技术的不断完善，变速恒频机组现已成为风电发展的主流趋势，它的应用前景也更为广阔。国内比较常见的变速恒频风电机组有两种，一种是双馈式，另一种是直驱式。借此本文就并网永磁直驱式风电系统的模态展开研究。

1.永磁直驱式风力发电系统概述

1.1系统结构

直驱式风电系统主要是由以下几个部分构成：风力机、永磁同步发电机、控制系统及变流系统等等。其结构如图1所示。

图1 直驱式风电系统结构原理示意图

由于直驱式风电系统中的风力机与发电机的转子能够直接耦合，故此，发电机输出端的电压以及频率均会随着风速的变化而变化。为了保证风力机能够顺利并网，必须确保机组的电压幅值、频率、相序和相位等与电网相一致。

1.2系统的基本原理

直驱式风电系统的基本原理如下：先将风能转化为幅值与频率变化的交流电，在通过整流之后使其变为交流，随后经由逆变器变换为三相频率恒定的直流传输给电网。中间的变换环节，能够对系统的有功和无功起到有效的控制作用，这样便可以实现最大风能追踪的目的。

1.3系统的特点

直驱式风电系统的特点可归纳为以下几个方面：

1.3.1系统采用的是永磁同步发电机，这种发电机的结构较为简单、体积小、重量轻、可靠性和效率较高，并且整体损耗相对较小。它能够与风力机进行直接耦合，省去了增速箱，简化了机组结构，减轻了维护工作，噪声也大幅度下降。

1.3.2系统为解耦控制，可靠性更高，逆变器可独立设计，多级外转子结构的加入，进一步提高额机组的运行可靠性，减少了运维费用。

2.并网永磁直驱式风电系统的模态分析

2.1系统建模

2.1.1风力机模型。在永磁直驱式风电系统当中，风力机属于能量转换装置，其可分为两种类型，一种是定桨距风力机，另一种是变桨距风力机。前者输出的机械功率与风速V、风力机角速度 有关；后者输出的机械功率除了与V和 有关外，还与桨叶节距角 有关。风力机的模型为：

（1）

在上式当中， 代表风力机的输出功率，S代表桨叶扫风的面积； 代表空气密度； 代表风速； 代表桨距角与叶尖速比的功率系数； 代表风力机的机械输出转矩；R表示风力机的转子半径； 代表叶尖速比。

按照式（1）可在Simulink环境下，构建风力机及其相关子模块的仿真模型。

2.1.2永磁同步发电机模型。这是整个风电系统的核心部分，该模型是基于电机在同步旋转坐标系下的定子电压方程与电磁转矩方程进行构建的，具体如下：

（2）

按照式（2）可在Simulink环境下，构建电机的仿真模型。

2.1.3系统整体模型。结合风力机和永磁同步电动机的仿真模型，应用Matlab/Simulink工具箱，便可构建起永磁直驱式风电系统的整体仿真模型。

2.2仿真结果分析

本次研究采用了Matlab/Simulink仿真软件，构建了并网永磁直驱式风电系统的仿真模型，具体参数如下：风力机额定风速为12m/s；叶轮半径为25m；桨距角为零度；发电机额定功率为1.5MW；定子电阻为28Ω；机端输出电压及频率分别为690V和50Hz；仿真算法为ode23tb；仿真时间设定为10s。仿真结果如下：

2.2.1在2s和6s时，风速发生阶段性跳跃变化，这说明，风力机的输出功率会随着风速的变化而变化，功率输出响应良好。

2.2.2在不同风速条件下，发电机定子电流的波形在2s和6s时发生跳变后，电流趋于稳定，这说明波形与正弦波非常接近。

2.2.3在风速发生变化的过程中，发电机定子电流q轴分量的响应情况良好，d轴分量略有波动变化，但在较短的时间内达到稳定，由此进一步验证了 的控制策略。

2.2.4因发电机的电磁转矩与定子q轴的电流成正比例关系，所以当q轴电流出现跳变时，电磁转矩也随之出现变化，最终达到稳定。

2.2.5网侧的有功功率随着风速的变化出现变化，由于网侧的交流器采用的是单位功率因数的控制策略，故此无功功率始终保持在零附近。这说明，电网侧变流器实现了有功与无功的解耦控制。

通风上述分析可得出如下结论：本文应用Matlab/Simulink仿真软件所构建的并网永磁直驱式风电系统模型，可以正确反映出风电系统内部各个物理量之间的逻辑关系，仿真所得的结果与风电机组的实际运行情况基本相符。

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