感應雙饋風力發(fā)電機的建模與仿真

感應雙饋風力發(fā)電機的建模與仿真摘要：以雙饋風力發(fā)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(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，得到發(fā)電機功率、發(fā)電機轉子轉速、發(fā)電機電磁轉矩、風力機轉速、發(fā)電機輸出電壓和輸出電流等重要參數(shù)曲線，為風力發(fā)電機的研究提供了模型基礎。關鍵詞：感應雙饋；風力發(fā)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(huán)境問題日益突顯的情形下，利用可再生能源發(fā)電備受關注，風力發(fā)電就是其中的一種。我國風力資源豐富，利用風力發(fā)電是當今時代的發(fā)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(fā)展，并網(wǎng)裝機容量的不斷增大，因而保證風電并網(wǎng)后電力系統(tǒng)的安全運行已十分重要。二、 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型按照發(fā)電機的運行特征，風力發(fā)電系統(tǒng)分為恒速恒頻和變速恒頻兩大類。隨著電力電子技術的發(fā)展，雙饋異步發(fā)電機形式是目前廣泛采用的發(fā)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(wǎng)饋電，故簡稱雙饋發(fā)電機。在運行特性上，雙饋發(fā)電機兼有異步、同步發(fā)電機的雙重特性。這種雙重特性使得雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)具有發(fā)電高效優(yōu)質、并網(wǎng)快捷安全的特性，且能參與系統(tǒng)無功功率調節(jié)，進而提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。風速的數(shù)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(shù)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(jié)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(jié)槳距角可以限制捕獲的風電功率。發(fā)電機的功率根據(jù)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(fā)電機的輸出功率限制在額定值附近。3）軸系數(shù)學模型。風機發(fā)電機的變速裝置主要由低速軸、高速軸和齒輪箱構成。根據(jù)對軸系的不同等效方案和建模方法可將風力發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電機數(shù)學模型。雙饋異步發(fā)電機組采用雙饋感應發(fā)電機，由定子繞組直連定頻三相電網(wǎng)的繞線型感應發(fā)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(fā)電系統(tǒng)建模及仿真2.1、基于MWorks的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)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(shù)Cp有關，根據(jù)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(fā)電機的Cp模型，再根據(jù)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(fā)電機運轉。這與實際的風力發(fā)電系統(tǒng)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(yōu)勢所在。軸系模型。MWorks具有模型直觀的優(yōu)點，因此，可以非常直觀地呈現(xiàn)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(jù)前面對軸系數(shù)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(fā)電系統(tǒng)仿真實驗本實驗著重對低風速下的啟動動態(tài)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(fā)電機在低風速下的啟動運行特性，將發(fā)電機放在單機無窮大電力系統(tǒng)下進行仿真。參數(shù)設置：風力機半徑R=5m，空氣密度p=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(tǒng)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(fā)電機的轉動慣量Jg=0.018kg?m2；發(fā)電機額定功率為Pg=5.0kW，額定轉速n=1000r/min，定子電阻Rs=0.5Q，轉子電阻Rr=0.85Q，定子電感Ls=0.0035H，轉子電感Lr=0.0035H，互感Lm=0.1H，極對數(shù)Pn=3。通過仿真結果可以看出：1）穩(wěn)定運行時，雙饋發(fā)電機均穩(wěn)定在5000W的輸出功率；2）啟動時，發(fā)電系統(tǒng)功率急劇增加，伴隨發(fā)電機電磁轉矩的增大，而后發(fā)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(fā)電機向電網(wǎng)饋送電能，進入發(fā)電狀態(tài)；恒定風速下，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)進入發(fā)電狀態(tài)的速度較快，這也是雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)能夠更好適應風速變化環(huán)境的原因；3）啟動時，發(fā)電機電流需經(jīng)過約0.2s后方能達到三相對稱，而電壓在啟動瞬間就已經(jīng)達到三相對稱。3.1、 經(jīng)濟性很多風電場風速變化頻率高，風速不穩(wěn)定，致使風場風機頻繁起停，并網(wǎng)開關頻繁動作，一年動作次數(shù)可達4000次左右，這種情況下風機運行3?4年后，并網(wǎng)開關的壽命就達到極限值，需要對其更換。以一臺并網(wǎng)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(wǎng)開關，至少需要花費18萬元費用，如果再加上因并網(wǎng)開關故障而導致的備件損壞、相關維護費用以及發(fā)電量的減少，風電場的經(jīng)濟損失將會更大。而安裝一臺新的并網(wǎng)開關以及加裝一個并網(wǎng)接觸器的費用僅在8萬左右，因此對于風電場來說，至少節(jié)省10萬元左右。3.2、 實用性并網(wǎng)開關動作頻繁，容易出現(xiàn)故障。儲能電機以及合閘線圈因并網(wǎng)開關頻繁的動作容易出現(xiàn)燒損現(xiàn)象，而機械機構具有一定的疲勞強度，頻繁動作后容易出現(xiàn)機械磨損甚至機構松脫的現(xiàn)象，因此加裝并網(wǎng)接觸器后，并網(wǎng)開關動作將大大減少，隨之產(chǎn)生的維護費用及故障次數(shù)也大大降低。3.3、 安全性并網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)發(fā)電機損壞及風機超速倒塔的情況。加裝并網(wǎng)開關接觸器，則使這種情況大為減少。四、結束語隨著風力發(fā)電機研發(fā)水平的不斷提升，早期風力發(fā)電機組所采用的單并網(wǎng)開關并網(wǎng)方式已不能滿足風電場日益發(fā)展需要，加裝并網(wǎng)接觸器后，并網(wǎng)接觸器作為風機主要的并網(wǎng)元件，并網(wǎng)開關作為后備保護，實現(xiàn)兩級控制，安全可靠性得到極大的提高。參考文獻：屠卿瑞，陳橋平,李一泉，焦邵麟,吳梓亮，付元歡,李銀紅.考慮不同轉差的雙饋風力發(fā)電機短路計算序分量模