基于Matlab的双馈风力发电机组动态特性研究

杜文妍, 周 明, 蒋 伟

(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.山东省菏泽供电公司, 山东 菏泽 274000)



基于Matlab的双馈风力发电机组动态特性研究

杜文妍1, 周 明2, 蒋 伟1

(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.山东省菏泽供电公司, 山东 菏泽 274000)

随着能源的大量消耗,人们越来越重视可持续发展能源,风力发电由于其可再生性得到了很好的发展.现阶段的风力发电是比较成熟的一种发电形式.在分析了变速恒频双馈发电机组的工作原理的基础上,建立了风电机组的数学模型,利用Matlab软件对基于双馈感应发电机的变速风电机组进行了仿真,得到了风电机组正常运行和电网故障两种条件下的动态输出特性.

双馈风力发电; Matlab仿真; 动态特性

随着我国经济的飞速发展,能源资源危机正日益成为困扰我国生产和生活的不可忽略的因素,为了解决这个问题,人们开始把注意力转移到取之不尽、用之不竭的清洁能源上来,其中风能成为这种清洁能源的代表之一.如何将风能转化成为供人们利用的电能是我们研究的重点.目前,国内外主要利用双馈异步风机将风能转化成交流电,然后利用变频器并入电网[1].为深入研究整个风力发电的过程,本文利用Matlab搭建了双馈异步风机模型以及整个风力发电系统模型,并进行了仿真,模拟不同风速条件以及电网故障时双馈风力发电机的输出特性,研究不同状况对双馈异步发电机输出特性的影响,这对双馈异步风力发电机的推广应用以及风力发电技术的发展具有重要意义.

1 双馈异步变速恒频风力发电机组模型

双馈异步变速恒频风力发电结构由风力机、增速齿轮箱、双馈发电机、变频器以及电网等模块组成.双馈变速风电机组的运行方式为:慢速转动的风轮利用齿轮的轴系与发电机的转子连接起来,发电机转子通过一个AC/DC/AC方式的部分负荷交流器与电网相连[2].

1.1 双馈异步变速恒频风力发电系统的工作原理

变速风电机组首先要将风能转换成机械能,最后将机械能转换成电能输送到电网.双馈感应发电机的转子和定子通过由两个变换器连接.在电网正常运行状态下,转子侧变换器通过控制转速来优化功率输出,这就是转子回路变频运行的原理.电网侧变换器对注入背靠背式变换器系统的直流环节的有功功率和与电网间交换的有功功率进行平衡.变频运行的转子回路与以固定频率运行的电网通过变换器互联.

双馈变速风电机组使用较小容量的变容器,其额定容量略高于发电机额定功率乘以发电机额定滑差,通常为风电机组额定功率的25%[3].电网侧变换器控制其直流环节的电压恒定而不受转子功率的数值和转向影响,保持与电网之间的无功功率交换的平衡.双馈风力发电系统整体结构图如图1所示.

图1 双馈风力发电系`统整体结构

1.2 风速的模型和仿真

风速模型一般有恒定风速、阵风风速、渐变风速和随机风速4种模型.

设VWB为恒定风速,表示风速模型的平均速度.

设VWG为阵风风速,描述风速突然变化的特性,其数学模型如下:

(1)

式中:t1G——阵风的开始时间;tG——阵风的持续时间;VGmax——阵风的最大值;t——有风的时间.

设VWR为渐变风速,描述风速的渐变特性,其数学模型如下:

(2)

式中:t1R——阶跃开始的时间;t2R——上升截止的时间;VRmax——风速阶跃最大值.

设VWN为随机风速,可以用Simulink中的白噪声表达[4].

设风速为VW,则

(3)

根据以上各式建立风速的Simulink仿真模型,如图2所示.

图2 风速的Simulink仿真模型

图2中左侧4个模块从上至下依次是常数模块(Constant)、阶跃模块(Step)、斜坡模块(Ramp)和随机发生模块(Random Number).它们分别用来模拟恒定风、阵风、渐变风和随机风.

风速的仿真结果如图3所示.

图3 风速的仿真结果

1.3 双馈感应发电机的数学模型

从双馈发电机的内部结构来看,其与绕线式感应电动机具有相似的构造,定转子上均为三相对称绕组,磁路和电路对称,气隙分布均匀.通常在讨论发电机的数学模型时,定转子绕组均采用电动机惯例.双馈感应发电机组的数学模型是在两相d-q同步旋转坐标系下得到的,其数学公式如下[5-6].

1.3.1 电压方程

定子绕组电压方程:

(4)

转子绕组电压方程:

(5)

式中:usd,usq,urd,urq——定、转子电压d轴和q轴分量;

isd,isq,ird,irq——定、转子电流d轴和q轴分量;

ω1——同步旋转角速度;

ωr——转子旋转角速度;

ωs——转差角速度,ωs=ω1-ωr.

1.3.2 磁链方程

定子磁链方程:

(6)

转子磁链方程:

(7)

其中:

(8)

(9)

(10)

式中:ψsd,ψsq,ψrd,ψrq——定、转子磁链d轴和q轴分量;

L1s,L1r——定子、转子绕组一次谐波自感;

Lms,Lmr——定子、转子绕组高次谐波互感;

Lm——定子、转子绕组同轴之间的互感;

Ls——定子绕组间的自感;

Lr——两相转子绕组间的自感.

1.3.3 转矩方程和运动方程

转矩方程:

(11)

运动方程:

(12)

式中:np——匝数;TL——负载转矩;Te——电动机产生的转矩;J——转动惯量.

2 正常运行时风电机组输出特性仿真

由双馈感应发电机的数学模型在Matlab软件中建立风力发电系统的仿真模型,如图4所示.

双馈变速风电机组模块(Wind Turbine)的子系统结构,是由包括风力机(Wind Turbine)、感应发电机定子电流(Asynchronous Machine Stator Current)和电网侧变换器电流组(Grid-side Current)等的子模块以及发电机和变换器(Genertor and Converters)组成的子模块组成.

设置双馈异步风电机组的参数,通过模型窗口菜单中的Configuration Parameters命令打开设置仿真参数对话框,选择Ode23tb算法,仿真开始时间设置为0 s,结束时间设置为10 s.

选择风速模型为恒定风速,风速设置为14 m/s.运行仿真,可得恒定风速下风电机组输出特性变化曲线,如图5所示.从图5中可以看出,当风速恒定时,风电机组的出口电压保持稳定,风电机组输出有功功率随出口电流的变化趋势增大至某一数值后保持不变,风电机组从电网中吸收的无功功率基本保持不变.

图4 基于双馈感应发电机的变速风电机组仿真系统

图5 恒定风速下风电机组输出特性变化曲线

选择风速模型为阵风风速,设置其10 s内平均值为15 m/s.运行仿真,阵风风速下风电机组输出特性变化曲线见图6.由图6可知,当风速波动时,风电机组的出口电压依然能够保持稳定,风电机组输出有功功率随出口电流的变化趋势增大至某一数值后保持不变,风电机组从电网中吸收的无功功率也基本保持不变.对比图5和图6可知:不管是恒定风速还是阵风风速,双馈异步风电机组的输出电压都能保持稳定,基本不受外界风速的影响,其输出功率经过一定时间也能稳定.

图6 阵风风速下风电机组输出特性变化曲线

3 电网故障时风电机组输出特性仿真

利用模型中的故障模块设置单相短路故障,设置电网在1 s时发生单相短路,1.2 s时故障消除,仿真开始的时间为0 s,结束的时间为2 s.

选择风速模型为恒定风速,运行仿真,可得单相短路故障时风电机组输出特性曲线如图7所示.从图7可以看出,当发生电网单相故障时,风电机组的出口电压降低,出口电流增大,但是变化幅度都较小.风电机组的输出有功功率和无功功率也会出现少许的波动.故障清除后,风电机组为了使端电压恢复到给定值需要从电网中吸收无功功率,恢复速度相对较快.

图7 单相短路故障时风电机组输出特性变化曲线

利用模型中的故障模块设置三相短路故障,设置电网在1 s时发生三相短路,1.2 s时故障消除,仿真开始的时间为0 s,结束的时间为2 s.

选择风速模型为恒定风速,运行仿真,可得三相短路故障时风电机组输出特性曲线如图8所示.

从图8可以看出,当发生电网单相故障时,风电机组的出口电压会大幅度降低,有功功率输出减少,向电网提供无功功率.故障清除后,风电机组电压能够在一定时间内恢复到原来的工作状态,但恢复速度较慢,而故障点处有功功率和无功功率数值都会较故障前有所下降.

图8 三相短路故障时风电机组输出特性变化曲线

4 结 论

(1) 当风速恒定时,双馈风力发电机输出电压和输出功率保持恒定不变;

(2) 当风速波动时,双馈风机发电机输出电压基本保持不变,输出功率随着风速的变化发生相应的变化;

(3) 当电网出现单相短路故障时,双馈风力发电机输出电压会降低,输出有功功率和无功功率波动较小,故障清除后,风电机组能够比较迅速地恢复到原始工作状态;

(4) 当电网出现三相短路故障时,双馈风力发电机输出电压会大幅度下降,输出有功功率也会降低,同时向电网提供大量无功功率,故障清除后风电机组恢复到原始工作状态的速度较慢.

[1] 杨煜,何炎平,李勇刚.基于Simulink/Matlab的变速风力发电机组在低于额定风速时的仿真研究[J].华东电力,2009,37(5):817-818.

[2] 金鑫,杜静,何玉林,等.仿真技术在风力机总体性能分析中的应用[J].系统仿真学报,2007,19(12):2 823-2 830.

[3] 向恺.基于MATLAB的风力发电系统仿真研究[D].北京:华北电力大学,2007.

[4] 姜鑫.风力机特性分析和模拟装置开发[D].杭州:浙江大学,2011.

[5] 邓国扬,盛义发.基于MATLAB/Simulink电力电子系统的建模与仿真[J].南华大学学报:理工版,2003,17(1):1-6.

[6] 刘君.变速恒频风力发电机组功率输出特性研[D].沈阳:沈阳工业大学,2009.

(编辑 桂金星)

Study on the Dynamic Characteristics of Wind Turbine Based on Matlab

DU Wenyan1, ZHOU Ming2, JIANG Wei1

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China;2.ShandongHezePowerSupplyCompany,Heze274000,China)

Along with the consumption of energy,more and more attention is paid to the sustainable development of energy,and wind power,due to its renewable,has obtained the very good development.At this stage of wind power is a kind of mature power form.Based on the analysis of the principle of variable speed constant frequency doubly-fed generator,on the basis of establishing the mathematical model of wind turbines,in full consideration of the wind speed and two kinds of conditions of power grid failure,the use of Matlab software simulation has carried on the simulation of wind turbines and their interconnection model,doubly-fed wind-power generator for the simulation of the dynamic output characteristics of wind turbines.

doubly-fed wind power generation; Matlab simulation; dynamic characteristics

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.005

2016-03-16

杜文妍(1990-),女,在读硕士,山东菏泽人.主要研究方向为变电站安全防护,电气设备状态监测技术等.E-mail:1070169493@qq.com.

上海市自然科学基金(14ZR147400);国家自然科学基金(61401269).

TM315

A

1006-4729(2017)01-0020-05