双馈变速风电机组模型的仿真分析

郑晓栋 章琰天

摘 要：在常用的变速恒频风力机种类中，双馈异步电机的风力机有比较大的技术优势和市场空间。文章对使用双馈异步风力发电机的风力机组的输出性能做出研究与分析，并使用MATLAB进行仿真模拟。文章的主要工作包含以下两个部分：第一部分是在风速波动条件下，分别通过电压模式控制和无功功率模式控制，研究分析风电机组的输出特性变化。第二部分是在电网故障条件下，分别通过电压模式控制和无功功率模式控制，研究风电机组输出特性变化。

关键词：风力发电；双馈风电机组；动态模型；MATLAB

引言

能源的发展对国民的经济有着非常重要的作用。常规能源主要以化石能源为主，在全球工业飞速发展的时代，产生极具经济效益的同时，化石性燃料使用的程度也达到了空前。化石性燃料的使用对大气造成了严重的污染，对人类的生存环境造成了重大的破坏；此外，化石性燃料隶属一次性能源，总有消耗完结的时候。经济生活中的国策，能源对人类的经济与社会的发展的限制和对资源环境的影响也越来越明显[1]。

虽然各种类新能源中以太阳能的储量最为丰富[2]，但是利用太阳能直接进行光伏发电目前仍有一些不能解决的技术问题。所以风力对于我们来说是一个比较理想的替代能源。双馈变速恒频风力发电机目前作为风力发电系统中使用的主要机型，其中永磁直驱式变桨距和双馈异步式的变速恒频风电机组已经成为兆瓦级风电机组的主要技术形式[3]。对上述风力机组的入网运转调控措施的研究是风能发电系统能够广泛应用的基础。双馈风力发电机多采用双PWM变换器为转子提供励磁电流[4]。转子侧变换器控制策略主要有两大类，一类是基于矢量控制的间接功率控制[5-6]，另一类是直接功率控制[7-8]。我们国家从“十五”时期已经对双馈异步发电机风电机组理想电网条件下的运转控制进行了比较为深入剖析[9]。实际工程中电网展示出不稳定特点，电压剧降则是一种非常遇见情况，研究这种故障下DFIG的行为、特性，提高风电机组对这种故障的适应能力，已成为目前国内外研究的热点。

1 双馈变速风电机组

1.1 双反馈变速风电机的整体设计

风力发电的种类非常多，按照其结构，控制原理，运行方式可以有不同的分类。根据转速性质进行划分，则可以分为恒速机组和变速机组两类。变速的风电机组又可以分为连续变速的风电机组和不连续的风电机组两种类型。根据发电机类型可以分为以同步发电机（包括以电激磁的同步机和以永磁体激磁的同步机）和以感应发电机（包括普通感应机，双馈感应机）。

任意类型的风电机组的通用动态模型一般是由风机的空气动力模型，桨距角控制模型，发电机模型，风力机的轴系模型，及其控制保护系统等部分组成。风力机的轴系模块包括齿轮箱，发电机轴和风力机轴，控制保护系统指变速风力机组。

变速风电机组是由三叶片的风轮把风能转换为机械能，随后经过齿轮箱的轴系将机械能传到双馈感应发电机，发电机把机械能转换成电能输送到电网中。和常规感应发电机不同，双馈异步风力机的转子和定子经过由两个背式电压源变换器联结。风力机的转子接到转子侧变换器，转子侧变化器的运转就像在转子回路中串联了一个外部的电压向量。经过控制其电压向量，可以让转子在预期的转速下运行。在电网正常运行的状态下，转速经过转子侧变换器的控制来调节，这样可以优化功率的输出，这就是转子回路变频运行的原理。

1.2 双馈风力发电系统接线图

系统仿真的模型使用6台型号相同的1.5兆瓦双馈风电机组组成的风电系统，使用MATLAB软件对加入并网型风力发电场的电力系统运行做了仿真，风电系统等效电路如图1所示。

风电场的出口电压是575伏，经过升压的变压器电压升至35千瓦，期间需要经过10千米的输电线路，然后经过20千米的输电线路和另一个升压变压器连接，电压升至220千瓦。

2 风速波动时风电机组输出特性仿真

等间隔采样测量风速的输出特性仿真：

（1）选择电压控制模式，随后运行仿真，可以得到在组合风速下风电机组的输出特性变化曲线，如图2（a，b）所示。自然的风速可以分成基本风速，阵风，渐变风和噪声风，组合风速是这些风速的结合，能较好的模拟自然风速的规律性和随机性等特点，所以组合风速不但能表现自然风速特性，避开风速模型计算的复杂性，而且可以有代表性地考察风力发电系统在阵风，渐变风时的能量。

（2）选择无功功率控制模式进行仿真，得到在组合风速波动下风电机组输出特性曲线如图3（a，b）所示。当使用无功调控的方式时，发电机的有功和转子速度变化基本同电压模式调控下的状况相同，风力机提供的无功功率基本上没有浮动。

3 结束语

本章对双馈变速风电机组的模型进行了仿真，并进行了一些分析。先从变化量简单，数据量较少的等间隔采样测量的风速进行分析，了解到了在风速高于和低于额定风速的情况下，风电机组维持出口電压所需要的一些控制方法及功率做出的调整；在产生短路的情况下，风力发电机有功和无功的改变情况同出口电压的关系。在从复杂的自然风速进行分析，了解了在数据量庞大的情况下，短时间内的风速会持续维持高于额定的风速，发电机转子转速的变化和风速呈相同的趋势，到达最高的转速后，风电机组会在恒功率控制的模式下运行，发电场的有功功率达到最大值，通过桨距角的变化来维持最大有功功率。

参考文献

[1]Lev S.Belyaev，Oleg V.Marchenko，Sergei V.Solomin. A study of wind energy contribution to global climate change mitigation[J].International Journal of Energy Technology and Policy，2005（4）：324-341。

[2]我国风电产业发展研究报告.[R/OL].http：//wenku.baidu.com/view/1cf4a7106c175f0e7cd1377f.html.

[3]李杰.中国风电行业分析报告.[R/OL].http：//wenku.baidu.com/view/543b03ccda38376baf1fae59.html.

[4]范立新，向张 .双馈变速恒频风力发电机并网控制仿真研究[J].江苏电机工程，2012，（6）.

[5]柴熠，李长乐.变速恒频双馈风电机组转子侧励磁变流器控制技术研究[J].电机与控制应用，2011（4）：42-46.

[6]苑国锋，柴建云，李永东.变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究[J].中国电机工程学报，2005（8）：90-94.

[7]LIE X，CARTWRIGHT P.Direct active and reactive power control of DFIG for wind energy generation[J].Energy Conversion，IEEE Transactions，2006，21（3）：750-758.

[8]DAWEI Z，LIE X.Direct power control of DFIG with constant switching frequency and inproved transient performance[J].Energy Conversion，IEEE Transactions，2007，22（1）：110-118.

[9]廖勇，杨顺昌.交流励磁发电机励磁控制[J].中国电机工程学报，1998，18（2）：87-90.