變速恒頻風力發電系統并網控制及仿真

潘明九

摘要：雙饋感應發電機將電力電子器件運用于變速恒頻風力發電系統中，不但有效增加了風機能量轉換率，此外還進一步顯著降低了渦輪機械損耗。建立了采用變速恒頻方式完成風力發電系統并網控制的模型，通過模型的仿真運行，得到風速變化下不同控制模式的風機側、電網側波形。仿真結果表明，無功功率控制模式下的并網效果更好。改變負載，初步探究了負載對并網的影響。

Abstract： Doubly-fed induction generators use power electronic devices in variable speed constant frequency wind power generation system， which not only effectively increase the energy conversion rate of the wind turbine， but also significantly reduce the mechanical loss of the turbine. A model for implementing the grid-connected control of the wind power generation system by using the variable speed constant frequency method is established. Through the simulation operation of the model， the wind turbine side and grid side waveforms of different control modes under the wind speed change are obtained. The simulation results show that the grid connection effect is better in reactive power control mode. It changes the load and initially explores the impact of the load on the grid.

關鍵詞：變速恒頻；風力發電系統；并網控制；仿真

Key words： variable speed constant frequency；wind power generation system；grid-connected control；simulation

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0114-02

0 引言

風力發電受風力變化的隨機性影響，其風力發電機組控制方式和動態響應存在較大差別。故風力發電機組并網后，會對電網造成一定程度的沖擊。嚴重時可能造成電網電壓大幅度下降、發電機損壞甚至使電力系統解列[1]。因此，大規模風力發電并網問題也是當今國內外學者研究的熱點。本文就變速恒頻風力發電系統，以雙饋感應發電機為例，對其運用雙變換器實現風機側與電網側的信息互通，共同控制使風力發電系統無沖擊柔性并網進行分析。采用MATLAB軟件構建了雙饋感應風力發電機組的結構模型，在帶負載情況下進行并網仿真[2]，并對此模型的若干特性進行了研究。

1 變速恒頻雙饋感應發電機的數學模型

轉子側電流以流入為正；定子側電流以流出為正[3]。

式中P1、Q1依次對應定子側向電網的輸出有功與無功；P2、Q2依次對應于轉子側向電網的輸入有功與無功。

2 Matlab/Simulink仿真分析

建立風電場仿真模型如圖1所示。

2.1 并網特性仿真分析 風速大小是對風力發電系統穩定性造成影響的最重要因素。因此需要對風速模型進行參數調整，研究風速條件對發電系統并網的影響。由于風速變化下，風力發電系統的調壓方式、無功補償方式會影響電網和風力發電系統的潮流分布和電壓穩定[4]。故在不同的調壓方式下分別進行模擬，來檢測并網控制的可靠性。

2.2 風速波動下有載調壓方式并網分析 選擇Voltage regulation（電壓控制模式）[5-10]。分別打開網側、機側波形監測模塊，可以觀察到：風機轉速穩態值為1.2，此時風機處于超同步運行狀況。風機可以從電網中得到充足的無功功率，因此當風速發生變化時該系統依然能夠處于穩定狀態。

風電系統采用電壓控制模式下，隨著風速的增大，風力發電機有功出力開始上升，由于負載不變，風電系統多出的有功被電網吸收，同時風電系統吸收電網的無功以維持自身電壓穩定。根據模擬結果可知，大概風速改變之后，電網有功功率與無功功率變化狀態不斷趨于平穩，電網潮流重新分配，但系統電壓穩定，達到新的穩態。

2.3 風速波動下無功補償方式并網分析 采用無功功率控制模式，仿真結果如圖3所示。

從圖2中可以看到5s時，風速開始逐漸上升。風電系統采用無功功率控制模式下，風力發電機輸出波形仿真結果如圖3所示。風機轉速隨著風速的上升逐漸增大，輸出有功功率增加，無功補償裝置提供了充足的無功功率，因此母線電壓對于風速波動的敏感性不高。經過仿真系統模擬可以知道，此系統具有良好的穩定性。

風電系統采用無功功率控制模式下，電網波動仿真結果如圖4所示，隨著風速的增大，風力發電機有功出力開始上升，由于風機的運行模式為無功補償類型，通過無功調節以實現調壓作用，不需要從電網中吸收過多無功功率，從而確保電網的無功狀態不出現顯著改變，不同點的電壓也不會發生太明顯的波動?？梢钥闯?，與電壓控制模式相比，無功功率控制模式下電網無功功率的波動較小，系統穩定運行。

2.4 小結 運用MATLAB/SIMULIK中提供的風電系統模塊搭建了一個典型的雙饋感應風力發電機組的帶負載并網仿真模型，對其在風速變化情況下的各項參數進行跟蹤監測，根據數據變化分析風機側和電網側的運行情況。在研究過程中發現，使用不同的控制模式也會對電網及風電系統造成影響。所以在相同風速變化情況下，分別對系統使用電壓控制和無功功率控制兩種控制模式進行仿真。由仿真結果表明雙饋感應風力發電機組的帶負載并網模型可以很好地對風速變化做出跟蹤響應且沒有明顯振蕩；而相比電壓控制模式，采用無功功率控制具有明顯的優越性。

3 結論

本文研究了雙饋感應風力發電機的工作機理及其實現并網過程的控制結構。通過MATLAB/SIMULINK軟件建立了采用變速恒頻方式完成風力發電系統并網控制的模型。通過模型的仿真運行，得到風速變化下不同控制模式的風機側、電網側波形。仿真結果表明，無功功率控制模式下的并網效果更好。

參考文獻：

[1]聶珣，年嘵紅，何亞屏.雙饋變速恒頻風力發電系統的并網控制研究及其仿真實現[J].計算技術與自動化，2008（04）：35-39，53.

[2]于群.MATLAB/SIMULINK電力系統建模與仿真[M].機械工業出版社，2011：213-233.

[3]徐希望，李庚銀.基于Matlab/Simulink的雙饋感應風力發電機組建模和仿真研究[J].電網與清潔能源，2010（11）：95-101.

[4]黃守道，孫延昭，黃科元.風電機組并網問題研究[J].電力科學與技術學報，2008（02）：13-18.

[5]張勁松，劉連根，徐鳳星，佘岳.雙饋風力發電機并網方法的原理分析及仿真實驗研究[J].大功率變流技術，2010（03）：38-41.

[6]吳良建.海上風電場及雙饋式風電機組的仿真分析[D].天津大學，2008.

[7]于世濤，顏湘武，劉樹勇，李和明.交流勵磁發電機定子磁場定向矢量控制[J].華北電力大學學報，2005（02）：10-14.

[8]鄧富金.用于雙饋風力發電機的雙PWM變換器的設計與實現[D].上海交通大學，2008.

[9]王紅燕，任賢.雙饋風力發電系統的建模與運行特性研究[J].電力學報，2012（03）：207-211.

[10]李建林，趙棟利，李亞西，許洪華.幾種適合變速恒頻風力發電機并網方式對比分析[J].電力建設，2006（05）：8-10，17.