感應(yīng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模與仿真

感應(yīng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模與仿真摘要：以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，采用面向物理對(duì)象的建模方法，基于Modelica語(yǔ)言的仿真軟件MWorks搭建了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，得到發(fā)電機(jī)功率、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出電壓和輸出電流等重要參數(shù)曲線，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究提供了模型基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：感應(yīng)雙饋；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；建模；仿真一、 引言風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在當(dāng)今能源短缺和環(huán)境問(wèn)題日益突顯的情形下，利用可再生能源發(fā)電備受關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電就是其中的一種。我國(guó)風(fēng)力資源豐富，利用風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展需要。然而，由于可再生能源具有間歇性和隨機(jī)性特點(diǎn)，而且隨著風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，并網(wǎng)裝機(jī)容量的不斷增大，因而保證風(fēng)電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行已十分重要。二、 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型按照發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻和變速恒頻兩大類(lèi)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，雙饋異步發(fā)電機(jī)形式是目前廣泛采用的發(fā)電機(jī)形式，通過(guò)電力電子變換器實(shí)施轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁，其定子、轉(zhuǎn)子均可以向電網(wǎng)饋電，故簡(jiǎn)稱(chēng)雙饋發(fā)電機(jī)。在運(yùn)行特性上，雙饋發(fā)電機(jī)兼有異步、同步發(fā)電機(jī)的雙重特性。這種雙重特性使得雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有發(fā)電高效優(yōu)質(zhì)、并網(wǎng)快捷安全的特性，且能參與系統(tǒng)無(wú)功功率調(diào)節(jié)，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型。通常風(fēng)力變化的時(shí)空模型采用基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)及隨機(jī)風(fēng)的組合模式，以便更精確地描述風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性：v=v'+vg+vr+vn式中：v'為基本平均風(fēng)速；vg為陣風(fēng)風(fēng)速；vr為漸變風(fēng)風(fēng)速；vn為隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速。風(fēng)輪數(shù)學(xué)模型。變槳距風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是風(fēng)輪的葉片與輪轂通過(guò)軸承連接，需要功率調(diào)節(jié)時(shí)，葉片就相對(duì)輪轂轉(zhuǎn)一個(gè)角度，即改變?nèi)~片的槳距角。當(dāng)槳距角逐漸增大時(shí)，CPmax曲線向下移動(dòng)，即CP隨之減小。因此，調(diào)節(jié)槳距角可以限制捕獲的風(fēng)電功率。發(fā)電機(jī)的功率根據(jù)葉片的氣動(dòng)性能隨風(fēng)速的變化而變化。當(dāng)功率超過(guò)額定功率時(shí)，變槳距機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，調(diào)整葉片槳距角，將發(fā)電機(jī)的輸出功率限制在額定值附近。3）軸系數(shù)學(xué)模型。風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的變速裝置主要由低速軸、高速軸和齒輪箱構(gòu)成。根據(jù)對(duì)軸系的不同等效方案和建模方法可將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的軸系分成集中一質(zhì)量塊模型、二質(zhì)量塊模型和三質(zhì)量塊模型。4）發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型。雙饋異步發(fā)電機(jī)組采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，由定子繞組直連定頻三相電網(wǎng)的繞線型感應(yīng)發(fā)電機(jī)和安裝在轉(zhuǎn)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模及仿真2.1、基于MWorks的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模1）風(fēng)速模型。本文主要研究的是在恒風(fēng)速和漸變風(fēng)的條件下的雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)特性，所以可直接使用源模塊建立風(fēng)速模型，分別為恒風(fēng)速和漸變風(fēng)速模型。2）風(fēng)力機(jī)模型。風(fēng)力機(jī)模塊是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，它將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并輸出，轉(zhuǎn)化效率與最大風(fēng)能利用系數(shù)Cp有關(guān)，根據(jù)變槳距風(fēng)力機(jī)特性曲線及式（2）給出的Cp表達(dá)式，可以在MWorks中建立雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)力發(fā)電機(jī)的Cp模型，再根據(jù)風(fēng)力機(jī)的功率公式及轉(zhuǎn)矩公式，可以得到風(fēng)力機(jī)的模型結(jié)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)模型是一個(gè)非常直觀的模型，風(fēng)力機(jī)的輸出端通過(guò)Torque模塊與定義好的法蘭端子相連，輸出到軸系模型，然后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這與實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程是一致的，對(duì)象之間傳遞的是物理量，也就是說(shuō)不論是定速風(fēng)機(jī)還是雙饋風(fēng)機(jī)，均可連接該法蘭端子，這就大大提高了風(fēng)力機(jī)模型的重復(fù)利用性，不需要對(duì)不同風(fēng)力機(jī)的相同模塊重復(fù)建模，這是采用MWorks建模的一大優(yōu)勢(shì)所在。軸系模型。MWorks具有模型直觀的優(yōu)點(diǎn)，因此，可以非常直觀地呈現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)軸，這也就是它在機(jī)械領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的原因之一。根據(jù)前面對(duì)軸系數(shù)學(xué)模型的介紹，可以得到兩質(zhì)量塊剛性模型：在兩質(zhì)量塊模型中，中間元件為齒輪，左、右兩軸都是通過(guò)法蘭盤(pán)為端口左、右連接，直觀簡(jiǎn)潔。2.2、基于MWorks的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)著重對(duì)低風(fēng)速下的啟動(dòng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真，低風(fēng)速為6m/s以下，高風(fēng)速為8m/s以上，這里只模擬發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速下的啟動(dòng)運(yùn)行特性，將發(fā)電機(jī)放在單機(jī)無(wú)窮大電力系統(tǒng)下進(jìn)行仿真。參數(shù)設(shè)置：風(fēng)力機(jī)半徑R=5m，空氣密度p=1.25kg/m3，風(fēng)力機(jī)的切入風(fēng)速為3m/s，切出風(fēng)速為25m/s；傳動(dòng)系統(tǒng)使用質(zhì)量塊的剛性軸承模型，傳動(dòng)比為v=10，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr=10kg?m2,發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg=0.018kg?m2；發(fā)電機(jī)額定功率為Pg=5.0kW，額定轉(zhuǎn)速n=1000r/min，定子電阻Rs=0.5Q，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.85Q，定子電感Ls=0.0035H，轉(zhuǎn)子電感Lr=0.0035H，互感Lm=0.1H，極對(duì)數(shù)Pn=3。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出：1）穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)均穩(wěn)定在5000W的輸出功率；2）啟動(dòng)時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)功率急劇增加，伴隨發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的增大，而后發(fā)電機(jī)速度變化趨于緩和，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減為0，最后為負(fù)，這時(shí)發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)饋送電能，進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)；恒定風(fēng)速下，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)的速度較快，這也是雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠更好適應(yīng)風(fēng)速變化環(huán)境的原因；3）啟動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)電流需經(jīng)過(guò)約0.2s后方能達(dá)到三相對(duì)稱(chēng)，而電壓在啟動(dòng)瞬間就已經(jīng)達(dá)到三相對(duì)稱(chēng)。3.1、 經(jīng)濟(jì)性很多風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速變化頻率高，風(fēng)速不穩(wěn)定，致使風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)頻繁起停，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作，一年動(dòng)作次數(shù)可達(dá)4000次左右，這種情況下風(fēng)機(jī)運(yùn)行3?4年后，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)的壽命就達(dá)到極限值，需要對(duì)其更換。以一臺(tái)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)4.5萬(wàn)元計(jì)算，在風(fēng)機(jī)20年設(shè)計(jì)壽命中需要更換4次以上并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，至少需要花費(fèi)18萬(wàn)元費(fèi)用，如果再加上因并網(wǎng)開(kāi)關(guān)故障而導(dǎo)致的備件損壞、相關(guān)維護(hù)費(fèi)用以及發(fā)電量的減少，風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)損失將會(huì)更大。而安裝一臺(tái)新的并網(wǎng)開(kāi)關(guān)以及加裝一個(gè)并網(wǎng)接觸器的費(fèi)用僅在8萬(wàn)左右，因此對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，至少節(jié)省10萬(wàn)元左右。3.2、 實(shí)用性并網(wǎng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁，容易出現(xiàn)故障。儲(chǔ)能電機(jī)以及合閘線圈因并網(wǎng)開(kāi)關(guān)頻繁的動(dòng)作容易出現(xiàn)燒損現(xiàn)象，而機(jī)械機(jī)構(gòu)具有一定的疲勞強(qiáng)度，頻繁動(dòng)作后容易出現(xiàn)機(jī)械磨損甚至機(jī)構(gòu)松脫的現(xiàn)象，因此加裝并網(wǎng)接觸器后，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作將大大減少，隨之產(chǎn)生的維護(hù)費(fèi)用及故障次數(shù)也大大降低。3.3、 安全性并網(wǎng)開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作使得機(jī)械機(jī)構(gòu)存在疲勞問(wèn)題，除了一般性故障，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)存在最嚴(yán)重的故障為不能分閘或延時(shí)分閘，這種情況下可能會(huì)造成重大故障，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)造成變頻器功率柜全部損毀，甚至?xí)霈F(xiàn)發(fā)電機(jī)損壞及風(fēng)機(jī)超速倒塔的情況。加裝并網(wǎng)開(kāi)關(guān)接觸器，則使這種情況大為減少。四、結(jié)束語(yǔ)隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)研發(fā)水平的不斷提升，早期風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所采用的單并網(wǎng)開(kāi)關(guān)并網(wǎng)方式已不能滿(mǎn)足風(fēng)電場(chǎng)日益發(fā)展需要，加裝并網(wǎng)接觸器后，并網(wǎng)接觸器作為風(fēng)機(jī)主要的并網(wǎng)元件，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)作為后備保護(hù)，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)控制，安全可靠性得到極大的提高。參考文獻(xiàn)：屠卿瑞，陳橋平,李一泉，焦邵麟,吳梓亮，付元?dú)g,李銀紅.考慮不同轉(zhuǎn)差的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)短路計(jì)算序分量模