鄭曉棟 章琰天

摘 要：在常用的變速恒頻風(fēng)力機(jī)種類(lèi)中，雙饋異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)有比較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)空間。文章對(duì)使用雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力機(jī)組的輸出性能做出研究與分析，并使用MATLAB進(jìn)行仿真模擬。文章的主要工作包含以下兩個(gè)部分：第一部分是在風(fēng)速波動(dòng)條件下，分別通過(guò)電壓模式控制和無(wú)功功率模式控制，研究分析風(fēng)電機(jī)組的輸出特性變化。第二部分是在電網(wǎng)故障條件下，分別通過(guò)電壓模式控制和無(wú)功功率模式控制，研究風(fēng)電機(jī)組輸出特性變化。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；雙饋風(fēng)電機(jī)組；動(dòng)態(tài)模型；MATLAB

引言

能源的發(fā)展對(duì)國(guó)民的經(jīng)濟(jì)有著非常重要的作用。常規(guī)能源主要以化石能源為主，在全球工業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代，產(chǎn)生極具經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，化石性燃料使用的程度也達(dá)到了空前?；匀剂系氖褂脤?duì)大氣造成了嚴(yán)重的污染，對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境造成了重大的破壞；此外，化石性燃料隸屬一次性能源，總有消耗完結(jié)的時(shí)候。經(jīng)濟(jì)生活中的國(guó)策，能源對(duì)人類(lèi)的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展的限制和對(duì)資源環(huán)境的影響也越來(lái)越明顯[1]。

雖然各種類(lèi)新能源中以太陽(yáng)能的儲(chǔ)量最為豐富[2]，但是利用太陽(yáng)能直接進(jìn)行光伏發(fā)電目前仍有一些不能解決的技術(shù)問(wèn)題。所以風(fēng)力對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較理想的替代能源。雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)目前作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用的主要機(jī)型，其中永磁直驅(qū)式變槳距和雙饋異步式的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成為兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的主要技術(shù)形式[3]。對(duì)上述風(fēng)力機(jī)組的入網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)控措施的研究是風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用雙PWM變換器為轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流[4]。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是基于矢量控制的間接功率控制[5-6]，另一類(lèi)是直接功率控制[7-8]。我們國(guó)家從“十五”時(shí)期已經(jīng)對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)風(fēng)電機(jī)組理想電網(wǎng)條件下的運(yùn)轉(zhuǎn)控制進(jìn)行了比較為深入剖析[9]。實(shí)際工程中電網(wǎng)展示出不穩(wěn)定特點(diǎn)，電壓劇降則是一種非常遇見(jiàn)情況，研究這種故障下DFIG的行為、特性，提高風(fēng)電機(jī)組對(duì)這種故障的適應(yīng)能力，已成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

1 雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組

1.1 雙反饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)的整體設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電的種類(lèi)非常多，按照其結(jié)構(gòu)，控制原理，運(yùn)行方式可以有不同的分類(lèi)。根據(jù)轉(zhuǎn)速性質(zhì)進(jìn)行劃分，則可以分為恒速機(jī)組和變速機(jī)組兩類(lèi)。變速的風(fēng)電機(jī)組又可以分為連續(xù)變速的風(fēng)電機(jī)組和不連續(xù)的風(fēng)電機(jī)組兩種類(lèi)型。根據(jù)發(fā)電機(jī)類(lèi)型可以分為以同步發(fā)電機(jī)（包括以電激磁的同步機(jī)和以永磁體激磁的同步機(jī)）和以感應(yīng)發(fā)電機(jī)（包括普通感應(yīng)機(jī)，雙饋感應(yīng)機(jī)）。

任意類(lèi)型的風(fēng)電機(jī)組的通用動(dòng)態(tài)模型一般是由風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力模型，槳距角控制模型，發(fā)電機(jī)模型，風(fēng)力機(jī)的軸系模型，及其控制保護(hù)系統(tǒng)等部分組成。風(fēng)力機(jī)的軸系模塊包括齒輪箱，發(fā)電機(jī)軸和風(fēng)力機(jī)軸，控制保護(hù)系統(tǒng)指變速風(fēng)力機(jī)組。

變速風(fēng)電機(jī)組是由三葉片的風(fēng)輪把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，隨后經(jīng)過(guò)齒輪箱的軸系將機(jī)械能傳到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能輸送到電網(wǎng)中。和常規(guī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)不同，雙饋異步風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子經(jīng)過(guò)由兩個(gè)背式電壓源變換器聯(lián)結(jié)。風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子接到轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，轉(zhuǎn)子側(cè)變化器的運(yùn)轉(zhuǎn)就像在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)了一個(gè)外部的電壓向量。經(jīng)過(guò)控制其電壓向量，可以讓轉(zhuǎn)子在預(yù)期的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。在電網(wǎng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制來(lái)調(diào)節(jié)，這樣可以優(yōu)化功率的輸出，這就是轉(zhuǎn)子回路變頻運(yùn)行的原理。

1.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接線圖

系統(tǒng)仿真的模型使用6臺(tái)型號(hào)相同的1.5兆瓦雙饋風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電系統(tǒng)，使用MATLAB軟件對(duì)加入并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行做了仿真，風(fēng)電系統(tǒng)等效電路如圖1所示。

風(fēng)電場(chǎng)的出口電壓是575伏，經(jīng)過(guò)升壓的變壓器電壓升至35千瓦，期間需要經(jīng)過(guò)10千米的輸電線路，然后經(jīng)過(guò)20千米的輸電線路和另一個(gè)升壓變壓器連接，電壓升至220千瓦。

2 風(fēng)速波動(dòng)時(shí)風(fēng)電機(jī)組輸出特性仿真

等間隔采樣測(cè)量風(fēng)速的輸出特性仿真：

（1）選擇電壓控制模式，隨后運(yùn)行仿真，可以得到在組合風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組的輸出特性變化曲線，如圖2（a，b）所示。自然的風(fēng)速可以分成基本風(fēng)速，陣風(fēng)，漸變風(fēng)和噪聲風(fēng)，組合風(fēng)速是這些風(fēng)速的結(jié)合，能較好的模擬自然風(fēng)速的規(guī)律性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，所以組合風(fēng)速不但能表現(xiàn)自然風(fēng)速特性，避開(kāi)風(fēng)速模型計(jì)算的復(fù)雜性，而且可以有代表性地考察風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在陣風(fēng)，漸變風(fēng)時(shí)的能量。

（2）選擇無(wú)功功率控制模式進(jìn)行仿真，得到在組合風(fēng)速波動(dòng)下風(fēng)電機(jī)組輸出特性曲線如圖3（a，b）所示。當(dāng)使用無(wú)功調(diào)控的方式時(shí)，發(fā)電機(jī)的有功和轉(zhuǎn)子速度變化基本同電壓模式調(diào)控下的狀況相同，風(fēng)力機(jī)提供的無(wú)功功率基本上沒(méi)有浮動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本章對(duì)雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組的模型進(jìn)行了仿真，并進(jìn)行了一些分析。先從變化量簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量較少的等間隔采樣測(cè)量的風(fēng)速進(jìn)行分析，了解到了在風(fēng)速高于和低于額定風(fēng)速的情況下，風(fēng)電機(jī)組維持出口電壓所需要的一些控制方法及功率做出的調(diào)整；在產(chǎn)生短路的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功和無(wú)功的改變情況同出口電壓的關(guān)系。在從復(fù)雜的自然風(fēng)速進(jìn)行分析，了解了在數(shù)據(jù)量龐大的情況下，短時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速會(huì)持續(xù)維持高于額定的風(fēng)速，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化和風(fēng)速呈相同的趨勢(shì)，到達(dá)最高的轉(zhuǎn)速后，風(fēng)電機(jī)組會(huì)在恒功率控制的模式下運(yùn)行，發(fā)電場(chǎng)的有功功率達(dá)到最大值，通過(guò)槳距角的變化來(lái)維持最大有功功率。

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