王洪濤

(寧德師范學(xué)院物理與電氣工程系，福建寧德352100)

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性仿真

王洪濤

(寧德師范學(xué)院物理與電氣工程系，福建寧德352100)

基于變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)側(cè)子電流的大小調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率和無功功率，實(shí)現(xiàn)解耦控制，并在理論推導(dǎo)的過程中建立數(shù)學(xué)等效模型。最后運(yùn)用MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)分析發(fā)電機(jī)組在無功控制模式下風(fēng)電系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和三相短路故障下運(yùn)行輸出特性。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；解耦控制；無功控制；三相短路

風(fēng)能作為一種取之不盡、用之不竭、環(huán)境友好的清潔能源，已成為世界各國的關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)氣象部門的資料，我國10 m高度陸地風(fēng)能理論儲(chǔ)量為322.26億kW，近海風(fēng)能資源大約為7.5億kW，僅次于美國和俄羅斯。2010年我國世界風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量44733 MW，占世界總裝機(jī)容量的23.01％。由此可見，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以有效改善中國的能源問題，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1-5]。因此，研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，對(duì)風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用變速運(yùn)行時(shí)，當(dāng)風(fēng)速躍升所產(chǎn)生的風(fēng)能，一部分被加速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)能吸收，以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)于高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪中，通過發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中保持最佳葉尖轉(zhuǎn)速比，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤控制[6-7]，減少柔性風(fēng)能系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的負(fù)載，避免主軸及齒輪承受過大的機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)風(fēng)速下降時(shí)，在相關(guān)的電力電子器件的調(diào)控下，將存儲(chǔ)在高速風(fēng)輪中動(dòng)能釋放出來并送入電網(wǎng)，通過風(fēng)輪的加速、減速對(duì)風(fēng)能的階躍性變化起到緩沖作用，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部能量傳輸部件應(yīng)力變得相對(duì)平穩(wěn)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

本文以雙饋發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)分析。最后運(yùn)用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建變速風(fēng)電機(jī)組仿真系統(tǒng)，分析其在無功控制模式下運(yùn)行特性。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

1.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要組成

基于雙饋?zhàn)兯侔l(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、軸系（包括低速軸LS、高速軸HS和齒輪箱組成）、雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及變流器組成。在雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，慢速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪通過齒輪軸系與快速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，發(fā)電機(jī)定子以交流與電網(wǎng)相連，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過一個(gè)AC/DC/AC變流器與電網(wǎng)相連接，如圖1所示。

圖1 雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)圖

1.2 風(fēng)機(jī)力機(jī)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過程是一個(gè)具有強(qiáng)非線性的空氣動(dòng)力學(xué)，簡化風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)貝茲理論風(fēng)力機(jī)功率的經(jīng)典計(jì)算式：

1.3 軸系模型

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈由5部分組成：風(fēng)力機(jī)、低速傳動(dòng)軸、齒輪箱、高速傳動(dòng)軸和發(fā)電機(jī)。如果電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm之間不匹配，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是隨轉(zhuǎn)速而變化的，轉(zhuǎn)矩之差使轉(zhuǎn)子加速，故有：

式中Te為風(fēng)力發(fā)電機(jī)出的電磁轉(zhuǎn)矩；Tm為風(fēng)力機(jī)輸入發(fā)電機(jī)的機(jī)輸械轉(zhuǎn)矩；wm為轉(zhuǎn)子角速度；J為轉(zhuǎn)子及其連接負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2。

1.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)按電動(dòng)機(jī)慣例的d、q動(dòng)態(tài)模型建立數(shù)學(xué)等效電路模型，如圖2所示。

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)等效電路

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)dq軸變換后,可得狀態(tài)方程為：

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真

2.1 仿真系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電場容量為9 MW，由6個(gè)1.5 MW的雙饋風(fēng)電機(jī)組組成，并在25 kV配電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，與30 km輸電線路外的120 kV單機(jī)無窮大電源，一起為25 kV配電網(wǎng)中由1.68MW電動(dòng)機(jī)及200 kW負(fù)載組成的工廠負(fù)荷和575 V系統(tǒng)中的500 kW負(fù)載供電。

圖3 雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真系統(tǒng)圖

2.2 風(fēng)能利用系數(shù)

在外部對(duì)風(fēng)力機(jī)輸入變化風(fēng)速,設(shè)定恒定槳距角pitch和設(shè)定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速角wr，通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部控制環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成內(nèi)部控制信號(hào)Tm送到控制開關(guān)；當(dāng)風(fēng)速(y)達(dá)到一定值時(shí)，控制開關(guān)才開始投切，外部變化風(fēng)速和內(nèi)部控制信號(hào)Tm才可以輸入到發(fā)電機(jī)模塊和變換器模塊內(nèi)；同時(shí)向發(fā)電機(jī)模塊和PID控制模塊[6-7]輸入電壓判別參考值和無功功率判別參考值等維持輸出電壓、電流、轉(zhuǎn)速和內(nèi)部信號(hào)相對(duì)的穩(wěn)定。

在Matlab/Simulink中建立的風(fēng)力機(jī)模型如圖4所示。3個(gè)輸入分別為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、獎(jiǎng)距角度和風(fēng)速，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速采用標(biāo)幺值，以發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)值，風(fēng)速基準(zhǔn)值為風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)平均值，風(fēng)力機(jī)在基準(zhǔn)風(fēng)速下輸出的機(jī)械功率一般要小于其額定功率；風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的基準(zhǔn)值為基準(zhǔn)風(fēng)速下使風(fēng)力機(jī)輸出最大功率的旋轉(zhuǎn)速度，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)值與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)值不同，需要把發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)么值轉(zhuǎn)換為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)么值，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)功率基準(zhǔn)值也不一樣，也需要進(jìn)行標(biāo)么值轉(zhuǎn)換；葉尖速比的標(biāo)幺值由風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值除以風(fēng)速標(biāo)幺值得到；輸出為風(fēng)力機(jī)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的轉(zhuǎn)矩。

圖4 風(fēng)機(jī)內(nèi)部控制圖

2.3 風(fēng)速波動(dòng)時(shí)風(fēng)力機(jī)的輸出特性

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸入風(fēng)速在8.6～15.5 m/s范圍內(nèi)波動(dòng)，風(fēng)速波動(dòng)過程比較隨機(jī)性，符合自然風(fēng)的變化過程，施加該風(fēng)速于圖3所示的系統(tǒng)，得到風(fēng)速、輸出電壓、有功功率和無功功率的波形，如圖5所示。

圖5 風(fēng)速變化時(shí)系統(tǒng)仿真波形圖

由圖5可見，當(dāng)外部風(fēng)速達(dá)到使控制開關(guān)投切運(yùn)行時(shí)，575V母線電壓標(biāo)幺值迅速由0（pu）升至0.0002（pu），同時(shí)伴隨這風(fēng)速還在不斷增大，電壓標(biāo)幺值從0.0002（pu）升至1（pu）基本保持恒定輸出，在風(fēng)速下降時(shí)，電壓標(biāo)幺值也相對(duì)減少，誤差范圍+0～+0.0089（pu）；當(dāng)外部風(fēng)速達(dá)到控制開關(guān)投切運(yùn)行時(shí)，575 V母線電流標(biāo)幺值迅速從0（pu）升至0.0002（pu），隨著外部風(fēng)速繼續(xù)升高達(dá)最大風(fēng)速時(shí)電流標(biāo)幺值增至最高升值0.5211（pu），在風(fēng)速逐漸減少時(shí)，電流標(biāo)幺值也相對(duì)減少，從波形走勢(shì)可以看出，電流的變化量相對(duì)較為明顯。

2.4 電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)力機(jī)的輸出特性

利用模型中的三相短路故障設(shè)置電網(wǎng)在0.6 s時(shí)刻發(fā)生三相短路故障，到0.7 s時(shí)刻故障消失，仿真起始時(shí)間設(shè)置為0，終止時(shí)間設(shè)置為2 s。數(shù)據(jù)采集器采集756個(gè)數(shù)。圖2～4在風(fēng)速仍然以變風(fēng)速賦值投切運(yùn)行到0.6 s時(shí)故障發(fā)生，到0.7 s時(shí)故障消失的整個(gè)過程中575 V母線電壓電流和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率和無功功率的變化過程，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)故障時(shí)仿真波形圖

從圖6可見：在控制開關(guān)投切運(yùn)行到0.6 s時(shí)，575 V母線電壓標(biāo)幺值迅速由1.0009 pu降至0.0257 pu在電壓迅速上升的過程成存在電壓略微抖動(dòng)的現(xiàn)象，電流標(biāo)幺值迅速從0.0002 pu升至1.0363 pu，故障的0.1 s內(nèi)，575 V母線電壓標(biāo)幺值幾乎接近0 pu，而電流標(biāo)幺值相對(duì)較大，波動(dòng)幅值偏差大，存在不穩(wěn)定現(xiàn)象；在0.7s時(shí)故障切除，575 V母線電壓標(biāo)幺值又迅速增值接近于1 pu，電流標(biāo)幺值也從最大值1.1925 pu跌至穩(wěn)定標(biāo)幺值。

對(duì)比圖5和圖6可知，采用無功功率控制模式的優(yōu)點(diǎn)是：風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的無功功率相對(duì)較少，同時(shí)在風(fēng)速波動(dòng)的過程中發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的無功功率幾乎擾動(dòng)，加上控制側(cè)電容器補(bǔ)償，利于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。在三相短路故障時(shí)，減少了向電網(wǎng)提供大量無功功率；其缺點(diǎn)是：在穩(wěn)態(tài)變風(fēng)速運(yùn)行下控制策略無法靈活運(yùn)用盡量多的產(chǎn)生有功功率；在三相短路故障過程中，風(fēng)電機(jī)組電壓降低，向電網(wǎng)不斷提供無功功率，使電網(wǎng)電壓失去平衡，且在消除故障后風(fēng)電機(jī)組端電壓恢復(fù)較慢。

3 結(jié)論

本文建立了雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)解耦控制模型，運(yùn)用MATLAB/Simulink構(gòu)建在無功控制模式研究下發(fā)電機(jī)組在穩(wěn)態(tài)和三相短路運(yùn)行的輸出特性，得出結(jié)論：⑴雙饋?zhàn)兯侔l(fā)電機(jī)組采用無功功率控制模式時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的無功功率相對(duì)較少，電網(wǎng)系統(tǒng)在電容補(bǔ)償下相對(duì)穩(wěn)定，從電網(wǎng)中吸收的無功功率基本保持不變；⑵在發(fā)生三相短路過程中，電網(wǎng)側(cè)以及發(fā)電機(jī)端電壓急劇下降，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率和無功功率失穩(wěn)，使電網(wǎng)電壓失去平衡，造成不穩(wěn)定的主要因素是不能滿足無功功率的需求。

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Simulation of Operational Characteristics of Doubly-fed Wind Power Generator State Variable Speed Constant Frequency

WANG Hong-tao
(Department of Physics and Electrical Engineering,Ningde Normal University,Ningde 352100,China)

Based on the variable speed constant frequency doubly-fed wind power generator set,the decoupling control was realized by adjusting the size of the side son current generator active power and reactive power control system,and the equivalent mathematical model was build up in the process of theoretical derivation.Finally,generator reactive power control mode in the wind system running under the steady state and the three-phase short-circuit fault output characteristic was analyzed by using MATLAB/Simulink platform of power system modeling and simulation.

doubly-fed induction generator;decoupling control;idle control;three-phase short-circuit

TM712

A

1673-4343（2013）06-0045-05

2013-10-24

寧德市科技局項(xiàng)目（20130161）；福建省服務(wù)海西項(xiàng)目（2012H214）

王洪濤，寧夏石嘴山人，男，講師。研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。