基于MATLAB的双馈风力发电机组动态特性研究——以内蒙古风力发电厂为例

陈 强，涂 建，潘成勇

(湖北师范大学 电气工程与自动化学院，湖北 黄石 435002)

0 引言

风力发电是指经过风力发电机将风能经过能量转化转变成电能。这种新型无公害的发电方式因为本身所具备的诸多优势而受到推崇。并且大自然的风力取之不尽，所以越来越多的国家非常重视风力发电。随着我国经济的长期发展，能源所显现出来的问题也开始成为一大难题，为尽快解决能源消耗殆尽的困扰，许多从业人员把目光转向了风能，众所周知风能作为清洁能源的一种，具备许多优点，所以如何将风能转化为人们日常生活中所必需的电能成为需要重点分析的问题。为应对风力发电的具体过程，本文研究双馈感应风力发电机组运行过程中的风速对风电机组出口电压的影响分析，以及风力机输出的有功和从电网当中吸收的无功功率来进行动态特性分析，以及在风速发生波动的情况下对风力发电机组输出特性的影响，利用MATLAB建立风力机组模型进行仿真分析，从而得到风力发电过程的动态特性，对进一步研究双馈感应风电机以及市场推广作用明显[1]。

1 双馈异步变速恒频风力发电机组数学模型

双馈异步变速恒频风力发电结构是由以下四个模块所构成，图1所示为双馈风力发电系统的整体结构。双馈变速风电机组的运行方式为:转动的风电机齿轮与发电机的转子绕组通过接触的方式带动旋转，此时发电机的绕组是经过交流转直流再转交流的变换器与电网的部分连接在一起[2]。

图1 双馈风力发电系统整体结构

1.1 双馈风力发电机的风速模型

为了根据风速自身所具备的特点来准确模拟，文章中所采用的风力模型有四种，按照风速特点将风速分为基本风Va、阵风Vb、渐变风Vc和随机风Vd四个不同分量。

1)基本风Va

(1)

(2)

式中Vs=(maxG/2){1-cos[2π(t/TG)-(T1G/TG)]}；Vb,T1G,TG,maxG分别表示阵风速度(m/s)，启动时间(s)，周期s，最大值(m/s)。

(3)

式中Vγ=maxR[1-(t-T2R)/(T1R-T2R)]Vc,maxR,TR,T1R,T2R,分别表示渐变风速度(m/s)，最大值(m/s)，保持时间(s)，启动时间(s)，终止时间(s)。

(4)

综上所述四种风速分量，双馈风力发电机上的实际风速为：

V实=Va+Vb+Vc+Vd

(5)

则由上述分析可得在MATLAB/Simulink环境下，模拟仿真风速模型如图2所示：

图2 风速模拟图

上图左边展示的四个模块分别是常数信号(Constant)、阶跃信号(Step)、斜坡信号(Ramp)、随机发生信号(Random Number)，分别来代表恒风、阵风、渐变风、随机风四种风速[3,4]。

得到风速仿真结果如图3所示

图3 风速仿真结果

依据四种风速叠加可以看出随时间变化，风速呈现震荡式的波动。

2 双馈风力发电机仿真模型及其参数设置

2.1 双馈风力发电机总体参数

以安装在内蒙古锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗的巴其风力发电厂为例，巴其风电场的西班牙Gamesa公司生产的G80-1.5WM型风力发电机为例，利用MATLAB软件中的Simulink工具箱建立系统的仿真模型。该风机为三叶片变桨距调节，三级齿轮增速,额定功率为1.5MW，起动风速为3m/s，额定风速为15m/s，停机风速为20m/s，风力机模型参数如表1所示[5]。

表1 1.5MW双馈风机动态参数

2.2 双馈感应风力发电机仿真模型

由双馈感应变速风电机(DFIG，Double-Fed Induction Generator)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，是目前应用最为广泛的风力发电机，由绕线型感应发电机和两向尾尾相连电力电子器件IGBT交流电源变流器构成[6～12]。

图4 双馈感应风力发电场模型

设置双馈感应变速风电机组的参数，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0s，结束时间设置为2s[13～15]。

3 仿真结果及分析

3.1 正常运行时叠加风速下双馈风电机组输出特性

根据内蒙古风电场出现不同的风速模型在正常稳定运行情况下风电机组输出特性，当风速为叠加风速，依据现场所测得的风速，运行仿真，得到叠加风速下风电机组动态特性曲线，结果如图5所示。得到正常运行时出现各种风速条件下风电机组的输出特性波形。

图5 出现叠加风时风电机组的输出特性

从图5可以看出，出现叠加风时，风电机组的出口电压稳定，风电机组输出有功变化趋势为先增大当增大到一定值时输出有功达到稳定不变，风电机组从电网中吸收的无功功率波动较为明显，后也达到一稳定值。

3.2 随机风速下短路故障双馈风电机组输出特性

依据内蒙古风电场出现叠加风时系统出现短路故障时长为0.1s，在0.4s出现，0.5s结束，出现不同短路故障时风电机组的输出特性如图5所示，单相短路接地故障时风电机组输出特性如图6所示，两相短路故障风电机组输出特性如图7所示，两相短路接地故障风电机组输出特性如图8所示，三相短路故障风电机组输出特性如图9所示。

图6 单相短路接地故障输出特性曲线

图7 两相短路故障输出特性曲线

图8 两相短路接地故障输出特性曲线

图9 三相短路故障输出特性曲线

内蒙古风力发电厂使用故障分析的方法和变风速来进行相关计算，得到随机风速条件下四种短路故障风电机组的输出特性波形。

从图6可以看出，当出现单相短路故障时，发电机出口电压出现了小幅度的下降，当故障切除后，电压恢复到稳定值并且保持不变，发电机组输出有功先下降后上升最后一段时间恢复稳定，故障时机组从电网吸收无功故障切除后恢复，这是在随机风速下得到的波形。

从图7可以看出，出现两相短路时风电机组输出电压下降，当故障切除后电压恢复到初始状态，风电机组输出有功和吸收无功同单相短路类似，恢复时间有所延长。

从图8可以看出，出现两相短路接地时输出电压出现下降且较为明显，故障切除，电压恢复正常保持不变，风电机组输出有功和吸收无功同单相短路类似，恢复时间则较前两种故障更长。

从图9可以看出，当出现三相短路故障风电机组出口电压出现严重下降趋近于0，当故障切除后电压迅速恢复到初始状态并保持不变。输出有功震荡幅度最大，出现反向输出无功到电网之后再吸收无功的过程，故障切除后经较长时间恢复稳定。

对比在内蒙古风电场出现叠加风速的情况下四种短路故障的波形可以看出单相短路故障对风电机组输出特性影响最小，三相短路故障对风力机组的动态输出特性影响较大，三相短路故障机组的输出电压以及发电机组吸收无功功率输出有功功率波动较为明显，其中电压下降幅度最大几乎为零，吸收无功出现反向输出并且恢复时间最长，此时发电机受到的扰动最大最容易失稳对风力发电机的危害最大，因此电网稳定性最低。

4 结论

本文设计的系统研究结果表明，双馈感应变速风力机组的动态特性在风力发电并网以一大型的风电场内蒙古风力发电厂为例，MATLAB作为工具进行建模仿真得出几点结论如下：

1)如果外部风速保持固定，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，当故障被及时清除风电机组恢复到原始工作状态的速度最慢所需时间最长。

随着经济社会的进步，生产、生活对于电力的供应需求日益旺盛，风力发电作为兼具经济可靠优势占发电总量的增幅愈来愈大，如何对大规模风电并网保证电网的稳定性成为今后研究的重点。现内蒙古风力发电厂所采用的1.5MW风力机组并网发电技术已较为成熟，可大范围应用于实际的风力发电并网工作。需要指出的是，实际应用中，选择合适的风力发电控制方法，选取适当参量，同时设计合理的发电机结构，是基于实际需要而定的。

尽管文章研究了在风速以及故障的情况下风力机组的动态特性，但是针对特定的复杂的过程还是有待研究，后面会继续加大风力机组的各种效应下的分析。