感應雙饋風力發電機的建模與仿真

感應雙饋風力發電機的建模與仿真

摘要：以雙饋風力發電機組為例，采用面向物理對象的建模方法，基于

Modelica語言的仿真軟件MWorks搭建了雙饋風力發電系統的仿真模型，得到發

電機功率、發電機轉子轉速、發電機電磁轉矩、風力機轉速、發電機輸出電壓和

輸出電流等重要參數曲線，為風力發電機的研究提供了模型基礎。

關鍵詞：感應雙饋；風力發電機；建模；仿真

一、引言

風能作為一種清潔的可再生能源，在當今能源短缺和環境問題日益突顯的情

形下，利用可再生能源發電備受關注，風力發電就是其中的一種。我國風力資源

豐富，利用風力發電是當今時代的發展需要。然而，由于可再生能源具有間歇性

和隨機性特點，而且隨著風電技術的快速發展，并網裝機容量的不斷增大，因而

保證風電并網后電力系統的安全運行已十分重要。

二、雙饋風力發電系統的數學模型

按照發電機的運行特征，風力發電系統分為恒速恒頻和變速恒頻兩大類。隨

著電力電子技術的發展，雙饋異步發電機形式是目前廣泛采用的發電機形式，通

過電力電子變換器實施轉子交流勵磁，其定子、轉子均可以向電網饋電，故簡稱

雙饋發電機。在運行特性上，雙饋發電機兼有異步、同步發電機的雙重特性。這

種雙重特性使得雙饋風力發電系統具有發電高效優質、并網快捷安全的特性，且

能參與系統無功功率調節，進而提高整個系統的穩定。

風速的數學模型。通常風力變化的時空模型采用基本風、陣風、漸變風及隨

機風的組合模式，以便更精確地描述風能的隨機性和間歇性：

v=v′+vg+vr+vn

式中：v′為基本平均風速；vg為陣風風速；vr為漸變風風速；vn為隨機風風

速。

風輪數學模型。變槳距風力機的結構特點是風輪的葉片與輪轂通過軸承連接，

需要功率調節時，葉片就相對輪轂轉一個角度，即改變葉片的槳距角。當槳距角

逐漸增大時，CPmax曲線向下移動，即CP隨之減小。因此，調節槳距角可以限

制捕獲的風電功率。發電機的功率根據葉片的氣動性能隨風速的變化而變化。當

功率超過額定功率時，變槳距機構開始工作，調整葉片槳距角，將發電機的輸出

功率限制在額定值附近。3）軸系數學模型。風機發電機的變速裝置主要由低速

軸、高速軸和齒輪箱構成。根據對軸系的不同等效方案和建模方法可將風力發電

系統的軸系分成集中一質量塊模型、二質量塊模型和三質量塊模型。4）發電機

數學模型。雙饋異步發電機組采用雙饋感應發電機，由定子繞組直連定頻三相電

網的繞線型感應發電機和安裝在轉子繞組上的雙向背靠背IGBT電壓源變流器組成。

三、基于MWorks的雙饋風力發電系統建模及仿真

2.1、基于MWorks的雙饋風力發電系統建模

1）風速模型。本文主要研究的是在恒風速和漸變風的條件下的雙饋風機發電

系統特性，所以可直接使用源模塊建立風速模型，分別為恒風速和漸變風速模型。

2）風力機模型。風力機模塊是風力發電系統的關鍵模塊，它將風能轉化為機械

能并輸出，轉化效率與最大風能利用系數Cp有關，根據變槳距風力機特性曲線

及式（2）給出的Cp表達式，可以在MWorks中建立雙饋變速風力發電機的Cp

模型，再根據風力機的功率公式及轉矩公式，可以得到風力機的模型結構。

風力機模型是一個非常直觀的模型，風力機的輸出端通過Torque模塊與定義

好的法蘭端子相連，輸出到軸系模型，然后驅動發電機運轉。這與實際的風力發

電系統的運行過程是一致的，對象之間傳遞的是物理量，也就是說不論是定速風

機還是雙饋風機，均可連接該法蘭端子，這就大大提高了風力機模型的重復利用

性，不需要對不同風力機的相同模塊重復建模，這是采用MWorks建模的一大優

勢所在。

軸系模型。MWorks具有模型直觀的優點，因此，可以非常直觀地呈現機械

傳動軸，這也就是它在機械領域廣泛應用的原因之一。根據前面對軸系數學模型

的介紹，可以得到兩質量塊剛性模型：在兩質量塊模型中，中間元件為齒輪，左、

右兩軸都是通過法蘭盤為端口左、右連接，直觀簡潔。

2.2、基于MWorks的雙饋感應風力發電系統仿真實驗

本實驗著重對低風速下的啟動動態特性進行仿真，低風速為6m/s以下，高風

速為8m/s以上，這里只模擬發電機在低風速下的啟動運行特性，將發電機放在

單機無窮大電力系統下進行仿真。參數設置：風力機半徑R=5m，空氣密度

ρ=1.25kg/m3，風力機的切入風速為3m/s，切出風速為25m/s；傳動系統使用質

量塊的剛性軸承模型，傳動比為v=10，風輪的轉動慣量Jr=10kg?m2，發電機的轉

動慣量Jg=0.018kg?m2；發電機額定功率為Pg=5.0kW，額定轉速n=1000r/min，

定子電阻Rs=0.5Ω，轉子電阻Rr=0.85Ω，定子電感Ls=0.0035H，轉子電感

Lr=0.0035H，互感Lm=0.1H，極對數Pn=3。

通過仿真結果可以看出：1）穩定運行時，雙饋發電機均穩定在5000W的輸

出功率；2）啟動時，發電系統功率急劇增加，伴隨發電機電磁轉矩的增大，而

后發電機速度變化趨于緩和，電磁轉矩逐漸減為0，最后為負，這時發電機向電

網饋送電能，進入發電狀態；恒定風速下，雙饋風力發電系統進入發電狀態的速

度較快，這也是雙饋風力發電系統能夠更好適應風速變化環境的原因；3）啟動

時，發電機電流需經過約0.2s后方能達到三相對稱，而電壓在啟動瞬間就已經達

到三相對稱。

3.1、經濟性

很多風電場風速變化頻率高，風速不穩定，致使風場風機頻繁起停，并網開

關頻繁動作，一年動作次數可達 4000 次左右，這種情況下風機運行 3～4 年后，

并網開關的壽命就達到極限值，需要對其更換。以一臺并網開關 4.5 萬元計算，

在風機 20 年設計壽命中需要更換 4 次以上并網開關，至少需要花費 18 萬元費用，

如果再加上因并網開關故障而導致的備件損壞、相關維護費用以及發電量的減少，

風電場的經濟損失將會更大。而安裝一臺新的并網開關以及加裝一個并網接觸器

的費用僅在 8 萬左右，因此對于風電場來說，至少節省 10萬元左右。

3.2、實用性

并網開關動作頻繁，容易出現故障。儲能電機以及合閘線圈因并網開關頻繁

的動作容易出現燒損現象，而機械機構具有一定的疲勞強度，頻繁動作后容易出

現機械磨損甚至機構松脫的現象，因此加裝并網接觸器后，并網開關動作將大大

減少，隨之產生的維護費用及故障次數也大大降低。

3.3、安全性

并網開關頻繁動作使得機械機構存在疲勞問題，除了一般性故障，并網開關

存在最嚴重的故障為不能分閘或延時分閘，這種情況下可能會造成重大故障，嚴

重時將會造成變頻器功率柜全部損毀，甚至會出現發電機損壞及風機超速倒塔的

情況。加裝并網開關接觸器，則使這種情況大為減少。

四、結束語

隨著風力發電機研發水平的不斷提升，早期風力發電機組所采用的單并網開

關并網方式已不能滿足風電場日益發展需要，加裝并網接觸器后，并網接觸器作

為風機主要的并網元件，并網開關作為后備保護，實現兩級控制，安全可靠性得

到極大的提高。

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