基于MATLAB的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)特性研究
——以內(nèi)蒙古風(fēng)力發(fā)電廠為例

陳 強(qiáng)，涂 建，潘成勇

(湖北師范大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是指經(jīng)過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能經(jīng)過能量轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)變成電能。這種新型無公害的發(fā)電方式因為本身所具備的諸多優(yōu)勢而受到推崇。并且大自然的風(fēng)力取之不盡，所以越來越多的國家非常重視風(fēng)力發(fā)電。隨著我國經(jīng)濟(jì)的長期發(fā)展，能源所顯現(xiàn)出來的問題也開始成為一大難題，為盡快解決能源消耗殆盡的困擾，許多從業(yè)人員把目光轉(zhuǎn)向了風(fēng)能，眾所周知風(fēng)能作為清潔能源的一種，具備許多優(yōu)點，所以如何將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為人們?nèi)粘Ｉ钪兴匦璧碾娔艹蔀樾枰攸c分析的問題。為應(yīng)對風(fēng)力發(fā)電的具體過程，本文研究雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行過程中的風(fēng)速對風(fēng)電機(jī)組出口電壓的影響分析，以及風(fēng)力機(jī)輸出的有功和從電網(wǎng)當(dāng)中吸收的無功功率來進(jìn)行動態(tài)特性分析，以及在風(fēng)速發(fā)生波動的情況下對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出特性的影響，利用MATLAB建立風(fēng)力機(jī)組模型進(jìn)行仿真分析，從而得到風(fēng)力發(fā)電過程的動態(tài)特性，對進(jìn)一步研究雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)以及市場推廣作用明顯[1]。

1 雙饋異步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型

雙饋異步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)是由以下四個模塊所構(gòu)成，圖1所示為雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。雙饋變速風(fēng)電機(jī)組的運行方式為:轉(zhuǎn)動的風(fēng)電機(jī)齒輪與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通過接觸的方式帶動旋轉(zhuǎn)，此時發(fā)電機(jī)的繞組是經(jīng)過交流轉(zhuǎn)直流再轉(zhuǎn)交流的變換器與電網(wǎng)的部分連接在一起[2]。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速模型

為了根據(jù)風(fēng)速自身所具備的特點來準(zhǔn)確模擬，文章中所采用的風(fēng)力模型有四種，按照風(fēng)速特點將風(fēng)速分為基本風(fēng)Va、陣風(fēng)Vb、漸變風(fēng)Vc和隨機(jī)風(fēng)Vd四個不同分量。

1)基本風(fēng)Va

(1)

(2)

式中Vs=(maxG/2){1-cos[2π(t/TG)-(T1G/TG)]}；Vb,T1G,TG,maxG分別表示陣風(fēng)速度(m/s)，啟動時間(s)，周期s，最大值(m/s)。

(3)

式中Vγ=maxR[1-(t-T2R)/(T1R-T2R)]Vc,maxR,TR,T1R,T2R,分別表示漸變風(fēng)速度(m/s)，最大值(m/s)，保持時間(s)，啟動時間(s)，終止時間(s)。

(4)

綜上所述四種風(fēng)速分量，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的實際風(fēng)速為：

V實=Va+Vb+Vc+Vd

(5)

則由上述分析可得在MATLAB/Simulink環(huán)境下，模擬仿真風(fēng)速模型如圖2所示：

圖2 風(fēng)速模擬圖

上圖左邊展示的四個模塊分別是常數(shù)信號(Constant)、階躍信號(Step)、斜坡信號(Ramp)、隨機(jī)發(fā)生信號(Random Number)，分別來代表恒風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)四種風(fēng)速[3,4]。

得到風(fēng)速仿真結(jié)果如圖3所示

圖3 風(fēng)速仿真結(jié)果

依據(jù)四種風(fēng)速疊加可以看出隨時間變化，風(fēng)速呈現(xiàn)震蕩式的波動。

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型及其參數(shù)設(shè)置

2.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體參數(shù)

以安裝在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗的巴其風(fēng)力發(fā)電廠為例，巴其風(fēng)電場的西班牙Gamesa公司生產(chǎn)的G80-1.5WM型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，利用MATLAB軟件中的Simulink工具箱建立系統(tǒng)的仿真模型。該風(fēng)機(jī)為三葉片變槳距調(diào)節(jié)，三級齒輪增速,額定功率為1.5MW，起動風(fēng)速為3m/s，額定風(fēng)速為15m/s，停機(jī)風(fēng)速為20m/s，風(fēng)力機(jī)模型參數(shù)如表1所示[5]。

表1 1.5MW雙饋風(fēng)機(jī)動態(tài)參數(shù)

2.2 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型

由雙饋感應(yīng)變速風(fēng)電機(jī)(DFIG，Double-Fed Induction Generator)的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB軟件中建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示，是目前應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由繞線型感應(yīng)發(fā)電機(jī)和兩向尾尾相連電力電子器件IGBT交流電源變流器構(gòu)成[6～12]。

圖4 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電場模型

設(shè)置雙饋感應(yīng)變速風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)，通過模型窗口菜單中的Configuration Parameters 命令打開設(shè)置仿真參數(shù)對話框，選擇Ode23tb算法，仿真開始時間設(shè)置為0s，結(jié)束時間設(shè)置為2s[13～15]。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 正常運行時疊加風(fēng)速下雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出特性

根據(jù)內(nèi)蒙古風(fēng)電場出現(xiàn)不同的風(fēng)速模型在正常穩(wěn)定運行情況下風(fēng)電機(jī)組輸出特性，當(dāng)風(fēng)速為疊加風(fēng)速，依據(jù)現(xiàn)場所測得的風(fēng)速，運行仿真，得到疊加風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組動態(tài)特性曲線，結(jié)果如圖5所示。得到正常運行時出現(xiàn)各種風(fēng)速條件下風(fēng)電機(jī)組的輸出特性波形。

圖5 出現(xiàn)疊加風(fēng)時風(fēng)電機(jī)組的輸出特性

從圖5可以看出，出現(xiàn)疊加風(fēng)時，風(fēng)電機(jī)組的出口電壓穩(wěn)定，風(fēng)電機(jī)組輸出有功變化趨勢為先增大當(dāng)增大到一定值時輸出有功達(dá)到穩(wěn)定不變，風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)中吸收的無功功率波動較為明顯，后也達(dá)到一穩(wěn)定值。

3.2 隨機(jī)風(fēng)速下短路故障雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出特性

依據(jù)內(nèi)蒙古風(fēng)電場出現(xiàn)疊加風(fēng)時系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時長為0.1s，在0.4s出現(xiàn)，0.5s結(jié)束，出現(xiàn)不同短路故障時風(fēng)電機(jī)組的輸出特性如圖5所示，單相短路接地故障時風(fēng)電機(jī)組輸出特性如圖6所示，兩相短路故障風(fēng)電機(jī)組輸出特性如圖7所示，兩相短路接地故障風(fēng)電機(jī)組輸出特性如圖8所示，三相短路故障風(fēng)電機(jī)組輸出特性如圖9所示。

圖6 單相短路接地故障輸出特性曲線

圖7 兩相短路故障輸出特性曲線

圖8 兩相短路接地故障輸出特性曲線

圖9 三相短路故障輸出特性曲線

內(nèi)蒙古風(fēng)力發(fā)電廠使用故障分析的方法和變風(fēng)速來進(jìn)行相關(guān)計算，得到隨機(jī)風(fēng)速條件下四種短路故障風(fēng)電機(jī)組的輸出特性波形。

從圖6可以看出，當(dāng)出現(xiàn)單相短路故障時，發(fā)電機(jī)出口電壓出現(xiàn)了小幅度的下降，當(dāng)故障切除后，電壓恢復(fù)到穩(wěn)定值并且保持不變，發(fā)電機(jī)組輸出有功先下降后上升最后一段時間恢復(fù)穩(wěn)定，故障時機(jī)組從電網(wǎng)吸收無功故障切除后恢復(fù)，這是在隨機(jī)風(fēng)速下得到的波形。

從圖7可以看出，出現(xiàn)兩相短路時風(fēng)電機(jī)組輸出電壓下降，當(dāng)故障切除后電壓恢復(fù)到初始狀態(tài)，風(fēng)電機(jī)組輸出有功和吸收無功同單相短路類似，恢復(fù)時間有所延長。

從圖8可以看出，出現(xiàn)兩相短路接地時輸出電壓出現(xiàn)下降且較為明顯，故障切除，電壓恢復(fù)正常保持不變，風(fēng)電機(jī)組輸出有功和吸收無功同單相短路類似，恢復(fù)時間則較前兩種故障更長。

從圖9可以看出，當(dāng)出現(xiàn)三相短路故障風(fēng)電機(jī)組出口電壓出現(xiàn)嚴(yán)重下降趨近于0，當(dāng)故障切除后電壓迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)并保持不變。輸出有功震蕩幅度最大，出現(xiàn)反向輸出無功到電網(wǎng)之后再吸收無功的過程，故障切除后經(jīng)較長時間恢復(fù)穩(wěn)定。

對比在內(nèi)蒙古風(fēng)電場出現(xiàn)疊加風(fēng)速的情況下四種短路故障的波形可以看出單相短路故障對風(fēng)電機(jī)組輸出特性影響最小，三相短路故障對風(fēng)力機(jī)組的動態(tài)輸出特性影響較大，三相短路故障機(jī)組的輸出電壓以及發(fā)電機(jī)組吸收無功功率輸出有功功率波動較為明顯，其中電壓下降幅度最大幾乎為零，吸收無功出現(xiàn)反向輸出并且恢復(fù)時間最長，此時發(fā)電機(jī)受到的擾動最大最容易失穩(wěn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的危害最大，因此電網(wǎng)穩(wěn)定性最低。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的系統(tǒng)研究結(jié)果表明，雙饋感應(yīng)變速風(fēng)力機(jī)組的動態(tài)特性在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)以一大型的風(fēng)電場內(nèi)蒙古風(fēng)力發(fā)電廠為例，MATLAB作為工具進(jìn)行建模仿真得出幾點結(jié)論如下：

1)如果外部風(fēng)速保持固定，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓和輸出功率保持恒定不變。

2)當(dāng)風(fēng)速波動時，雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)輸出電壓基本保持不變，輸出功率隨著風(fēng)速的變化發(fā)生相應(yīng)的變化。

3)當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)單相短路故障時，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓會降低，輸出有功功率和無功功率波動較小，故障清除后，風(fēng)電機(jī)組能夠比較迅速地恢復(fù)到原始工作狀態(tài)。

4)當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)三相短路故障時，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓會大幅度下降，輸出有功功率也會降低，同時向電網(wǎng)提供大量無功功率，當(dāng)故障被及時清除風(fēng)電機(jī)組恢復(fù)到原始工作狀態(tài)的速度最慢所需時間最長。

隨著經(jīng)濟(jì)社會的進(jìn)步，生產(chǎn)、生活對于電力的供應(yīng)需求日益旺盛，風(fēng)力發(fā)電作為兼具經(jīng)濟(jì)可靠優(yōu)勢占發(fā)電總量的增幅愈來愈大，如何對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性成為今后研究的重點?，F(xiàn)內(nèi)蒙古風(fēng)力發(fā)電廠所采用的1.5MW風(fēng)力機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)已較為成熟，可大范圍應(yīng)用于實際的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)工作。需要指出的是，實際應(yīng)用中，選擇合適的風(fēng)力發(fā)電控制方法，選取適當(dāng)參量，同時設(shè)計合理的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，是基于實際需要而定的。

盡管文章研究了在風(fēng)速以及故障的情況下風(fēng)力機(jī)組的動態(tài)特性，但是針對特定的復(fù)雜的過程還是有待研究，后面會繼續(xù)加大風(fēng)力機(jī)組的各種效應(yīng)下的分析。