變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真

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1、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真李晶1，王偉勝2，宋家驊3（1．華北電力大學(xué)，河北省保定市071000；2．中國電力科學(xué)研究院，北京100085；3．東北電力學(xué)院，吉林省吉林市132012）???摘?要：建立了包含風(fēng)力機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)及發(fā)電機(jī)電氣控制部分的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體動態(tài)數(shù)學(xué)模型；以該數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)應(yīng)用MATLAB軟件搭建了用于研究變速恒頻風(fēng)電機(jī)組和固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)特性的數(shù)字仿真工具。并以風(fēng)速發(fā)生階躍變化及風(fēng)速發(fā)生不規(guī)則擾動為例，仿真比較了具有相同參數(shù)的變速和固定轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機(jī)組相應(yīng)物理量的響應(yīng)特性

2、。仿真結(jié)果表明了所建模型的正確性及變速恒頻雙饋電機(jī)具有良好的動態(tài)特性。????關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；雙饋發(fā)電機(jī)；動態(tài)模型；變速恒頻風(fēng)電機(jī)組1?引言???可再生能源特別是風(fēng)能的開發(fā)利用已得到世界各國的高度重視。在過去的20多年當(dāng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由最初的定槳距型發(fā)展到變槳距型，從轉(zhuǎn)速固定的變槳距型發(fā)展到目前技術(shù)最為先進(jìn)的變速變槳距型，發(fā)電效率在顯著提高。特別是變速變槳距機(jī)組，其發(fā)電機(jī)中采用的變速恒頻技術(shù)提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速情況下的出力水平。我國關(guān)于風(fēng)電機(jī)組的研究主要是針對中小型固定轉(zhuǎn)速的變槳距型[1]，而兆瓦級的

3、大型變速變槳距型的風(fēng)電機(jī)組的研究還僅處于起步階段。???目前兆瓦級變速風(fēng)電機(jī)組多采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，有關(guān)其模型和仿真方面已做了一些研究工作，如dq/abc混合坐標(biāo)下的電機(jī)模型考慮了雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與系統(tǒng)間變流器的作用[2]，建立了適用于諧波分析的雙饋電機(jī)動態(tài)模型，但模型階數(shù)較高，不適用于變速恒頻風(fēng)機(jī)（VSWT）整體動態(tài)特性的分析；將描述雙饋電機(jī)動態(tài)過程的復(fù)數(shù)形式數(shù)學(xué)模型線性化，建立了“小干擾穩(wěn)定”數(shù)學(xué)模型[3]，文[3]通過分析轉(zhuǎn)子勵磁繞組電壓幅值和相角變化對雙饋電機(jī)穩(wěn)定域的影響，說明了該模型也適用于電網(wǎng)發(fā)生大

4、擾動后的穩(wěn)定分析，但該模型是在假設(shè)擾動過程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化不大的前提下得到的，因此不適用于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍較大的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的建模；以雙饋電機(jī)運行機(jī)理為出發(fā)點，根據(jù)磁鏈、電勢、電流的關(guān)系推導(dǎo)出了雙饋電機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型[4]，該模型結(jié)構(gòu)簡單，但文[4]作者對模型中定義的模擬轉(zhuǎn)子繞組勵磁電壓特性的控制變量與作為受控對象的發(fā)電機(jī)出口處有功功率、無功功率之間，沒有給出明確的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。???本文根據(jù)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各組成構(gòu)件的特性，建立了能表征變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特性的動態(tài)數(shù)學(xué)模

5、型，并應(yīng)用MATLAB軟件的Simulink環(huán)境[5]，開發(fā)了用于分析固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組和變速恒頻風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)特性的數(shù)字仿真程序。還以具有相同參數(shù)的變速和恒速風(fēng)電機(jī)組為例，詳細(xì)模擬了風(fēng)速發(fā)生階躍變化及風(fēng)速發(fā)生不規(guī)則擾動時兩種風(fēng)電機(jī)組的動態(tài)響應(yīng)過程。2?變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的動態(tài)數(shù)學(xué)模型2.1?機(jī)組結(jié)構(gòu)???本文討論的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，與固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組相比，在發(fā)電機(jī)部分增加了定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間的變頻裝置，其簡化結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。2.2?風(fēng)功率特性???風(fēng)功率特性是表征風(fēng)電機(jī)組運行特性

6、的一個重要指標(biāo)。本文引用某一典型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)功率特性，用分段函數(shù)表示為式中　v為風(fēng)速，m/s，切入風(fēng)速取3m/s，切出風(fēng)速取20m/s，額定風(fēng)速取12m/s；Pe為風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率，pu。2.3?機(jī)械傳動部分???從輪轂到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的聯(lián)軸器和齒輪箱可近似用一階慣性環(huán)節(jié)描述為式中　Td為機(jī)械傳動部分的時間常數(shù)，s；Tm為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，pu；TM為風(fēng)力機(jī)末端軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，pu；其中TM為[6]式中　ρ為空氣密度,kg/m3；CP為功率系數(shù)；R為風(fēng)力機(jī)槳葉半徑，m；W為葉片轉(zhuǎn)速，rad

7、/s；ΩB為轉(zhuǎn)速基值，rad/s；λ為葉尖速比，λ=ΩR/v；PB為功率基值，kW。2.4?發(fā)電機(jī)部分???由于雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化，因此采用dc，qc，0定子磁場旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)，忽略定子電磁暫態(tài)過程，建立發(fā)電機(jī)電磁部分模型如式(4)、(5)所示[4]（式中下標(biāo)d，q表示該坐標(biāo)系統(tǒng)下的對應(yīng)dc，qc軸的分量），發(fā)電機(jī)動態(tài)電路圖如圖2所示,各電氣相量的參考方向以圖2中電氣相量的方向為準(zhǔn)。式中　X為發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)電抗，pu，X=X1+Xm，X1為定子漏抗，Xm為激磁電抗；X'為發(fā)電機(jī)的暫態(tài)為發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電勢，

8、pu；Ws為定子旋轉(zhuǎn)磁場的角速度，為轉(zhuǎn)子繞組勵磁電壓，pu；???雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子運動方程為2.5?雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電壓的控制???變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制核心是對雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組勵磁電壓的控制，根據(jù)不同的控制目標(biāo)引入不同的控制變量及不同的控制規(guī)律，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子勵磁電壓幅值、相角的調(diào)整，以達(dá)到與電機(jī)機(jī)械部分運行特性相互配合、提高風(fēng)能的利用效率及改善供電質(zhì)量的目的。???由于通過轉(zhuǎn)子勵