风速扰动下风力发电机组输出特性数值计算

秦　艳　刘　伟　罗昌芬　孔维超

（1. 江苏联合职业技术学院淮安生物工程分院，江苏 淮安　223200；2. 电子科技大学成都学院通信工程系，成都　611731；3. 东方电气集团东风电机有限公司，四川 乐山　614000；4. 中节能港建（甘肃）风力发电有限公司，甘肃 玉门　735200）



风速扰动下风力发电机组输出特性数值计算

秦艳1刘伟2罗昌芬3孔维超4

（1. 江苏联合职业技术学院淮安生物工程分院，江苏 淮安223200；2. 电子科技大学成都学院通信工程系，成都611731；3. 东方电气集团东风电机有限公司，四川 乐山614000；4. 中节能港建（甘肃）风力发电有限公司，甘肃 玉门735200）

摘要阐述了风速的扰动对风力发电机组输出性能的影响。为了研究随机风速下的风力发电机组输出特性规律，分析了某1.5MW双馈风力发电机组的结构特征，建立了仿真数学模型。以风电场当地的风速模型为条件，选择了电压控制和无功功率控制两种策略进行输出特性仿真。结果显示，机组正常运行下，采用无功功率控制策略，机组的输出性能参数较为稳定；而发生短路故障时，为保证输出电压值尽快恢复，采用电压控制策略较为合理。为风力发电机组的安全稳定运行，提供了参考依据。

关键词：风速；风力发电机组；输出特性；数值计算；控制策略

风力发电机组的输出特性，是指当风能转换成电能之后，发电机输出端的电压、功率以及故障扰动等参数变化规律。与其他发电形式（如水力发电、火力发电等）不同之处在于，风力发电机组运行时，作为原动力的风能（如阵风、渐变风、随机风等）变化较为复杂，目前还法精确掌握其运动规律，即风速变化的随机性较大。

风力发电机的理想运行状态，是在恒定风速下工作。当风速发生变化，便称之为扰动。此时，机组参数必须做出相应的调整，以适应波动后的风速。近年来，就风速变化对于机组性能的影响，人们做了大量的研究。如文献[1]采用模态分析法，计算出了不同风速条件下，风轮叶片的自振频率变化规律；文献[2]采用双闭环结构，达到了定子端有功和无功功率解耦控制的目的；文献[3]计算出了机组输出功率的波动规律。然而，文献[1]研究的对象仅限于频率分析，未讨论系统的其余输出参数特性；文献[2]虽然分析了输出端的电压、功率等特性，却未考虑故障扰动的因素；文献[3]则没有涉及输出功率分布。而在随机风速条件下，只有全面了解系统的输出特性（包括电压控制特性、无功功率控制特性以及故障扰动下的输出特性等），才能优化自动控制系统的设计，保证系统具备较强的抗干扰性和随机调节能力，机组才能实现安全、高效运行。因此，建立风力发电机组控制系统的仿真模型，分析风速扰动下的各种输出参数情况，在实现随机风速工况下的转速自我调节、保证机组的最佳运行状态以及监测输出电压质量等方面，具有重要的意义。

1　计算模型结构分析

要建立风力发电机组的仿真数学模型，首先需要对机组结构进行分析。以便确定数学模型的模块结构。以某风电场1.5MW水平轴双馈变速发电机为例，该机组的主要部件[4]有：风轮、传动机构、发电机、变频器等。风轮轴与电机轴通过传动机构相关联，发电机转子经变频器接入电网。机组运行时，无论是电机轴还是风轮，均不是恒速运行，而是根据风速的变化而变化，变频器可以实现机组的有功与无功功率解耦控制。机组基本结构，如图1所示。

图1　风力发电机组结构

2　数学模型的建立

根据风力发电机组的结构，建立控制系统的数学模型。主要包括：双馈发电机模块、测量模块、三相双绕组变压器模块、并联负载模块等，数学模型如图2所示。部分参数设置[5]，见表1。

图2　风力发电机控制系统数学模型

表1　风力发电机部分参数

3　风速波动下的风力机输出特性仿真

3.1风速模型的确定

在对数学模型进行数值计算时，首先要设定的参数就是入口风速。以随机风为例，由于计算对象所在风场与文献[6]位置接近，故选用该文献的随机风速模型，取样方式为等时间间隔法，采样时间为15s，风速模型如图3所示。

图3　风速模型

3.2输出特性分析

在数值计算时，由于风速的扰动频率较高，有功功率在随机风的作用下，只存在小幅度变化[7]。故主要对风速波动下的电压、无功功率以及短路故障状态进行分析。所有单位均选用标幺值（pu）表示，控制策略选择为：电压控制和无功功率控制。设定短路故障发生时间为0.5s，结束时间为0.6s。

在计算中，考虑到累计误差对于精度的影响，计算方法选择为ode23tb法，即数值计算方法为显式RK法，由于精度的阶数与微分方程之间的并非递增关系[8]，故计算函数的次数选择为2～3次即可。基本微分方程表达式[9]为

式中，Wi为待定权因子；r为函数次数；ki为离散点函数值；ci=0；aij为待定系数。仿真结果如图4至图7所示。

图4　电压与无功功率控制下输出电压变化

图5　电压与无功功率控制下无功功率变化

图6　三相短路时电压与无功功率控制下输出电压变化

图7　三相短路时电压与无功功率控制下无功功率变化

3.3结果分析

由图4至图5可以看出，虽然在电压控制和无功功率控制模式下，无论风速如何扰动，发电机组的输出电压始终保持不变。但是，在电压控制模式下，由于风速的不断变化，机组从电网中吸收的无功功率也会不断增大，如此才能保持输出电压为恒定值。而在无功功率控制模式下，除了初始阶段（约1s内），系统会从电网中吸收少量无功功率，之后无功功率便接近于稳定值。可见，风速的波动对于机组吸收电网无功功率的变化影响并不明显，整个过程中，无功功率能够基本不变。所以，在风速变化规律性不强，为保持机组的正常运行，可以选择无功功率控制模式。

由图6至图7所示，若电网发生短路故障时，两种控制模式下的机组输出电压均会下降。此时，由无功功率曲线显示，无故障状态下的平衡趋势被打破，因此产生较大的波动。原因在于，随着输出电压的下降，电网会吸收机组提供的无功功率。当短路故障消除后，电压和无功功率都将恢复到稳定状态。按照电力系统稳定性原则[10]可以知道，在两种控制模式下，该系统都是稳定的。但是，就两种控制模式的比较而言，无功功率控制模式下，当短路故障结束以后，输出电压的恢复时间较长，约为1.05s，而电压控制模式下，恢复时间仅需0.7s。因此，在发生短路故障时，采用电压控制模式，有利于发电机组的输出参数更快恢复到稳定值。

4　结论

在随机风速变化的状态下，分别采取了电压和无功功率两种控制策略进行风力发电机组的输出特性数值计算。仿真结果表明，风力发电机组在不同的状态下，选择与之匹配的控制策略，能够使输出特性保持在给定值附近，继而达到良好的运行特征。然而，控制系统的精度是一个不断完善的过程，故下一步的研究工作，主要是优化控制系统的数学模型，比如：考虑添加PI或PID控制模块等，继而达到进一步晚上系统控制性能的目的。

参考文献

[1] 王旭, 胡洪, 王莉君, 等. 基于有限元法的2MW水平轴风力发电机叶片模态分析[J]. 机械制造, 2015, 53(1): 9-12.

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[3] 李德源, 叶枝全, 包能胜, 等. 风力机旋转风轮振动

模态分析[J]. 太阳能学报, 2004, 25(1): 72-77.

[4] 廖恩荣, 唐志伟. 双馈风力发电机交流励磁及其幅度频率控制[J]. 机械制造与自动化, 2013, 42(4): 190-195.

[5] 叶青, 薛惠芳. 1.5MW风力发电机行星齿轮机构动态特性研究[J]. 机械制造与自动化, 2014, 43(1): 177-179.

[6] 杜荣华. 风力发电机组动态特性仿真与控制系统研究[D]. 保定: 华北电力大学, 2008.

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[9] 蒋珉, 柴干, 王宏华, 等. 控制系统计算机仿真[M]. 2版. 北京: 电子工业出版社, 2012.

[10] 李发海, 王岩. 电机与拖动基础[M]. 4版. 北京: 清华大学出版社, 2012.

秦艳（1977-），女，江苏淮安人，硕士，讲师，主要从事机电一体化教学研究。

转速协调控制策略[J]. 电力系统自动化, 2011, 35(17): 26-31.

The Simulation of Output Characteristic for Wind Turbine based Wind Velocity Variation

Qin Yan1Liu Wei2Luo Changfen3Kong Weichao4
(1. Huaian Higher Vocational School of Biological Engineering, Huaian, Jiangsu223200; 2. Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu611731; 3. DEC Dongfeng Electric Machinery Co., Ltd, Leshan, Sichuan614000; 4. In Such Port Construction (Gansu) Wind Power Co., Ltd, Yumen, Gansu735200)

Abstract The paper discussed how wind speed influenced the output characteristic of wind turbine. For studied the rule of output by random wind. Took a 1.5MW wind turbine as a example. Based the turbine’s structure. The paper set up a simulation model. Choose two control tactics which called voltage control and reactive power control. The result shows that took reactive power control at normal operation, the turbine get a well performance. If fault happened, choose voltage control was reasonable. So it provide reference for turbine operation.

Keywords：wind velocity; wind turbine; output characteristic; simulation; control tactics

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