兆瓦級(jí)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真分析

引言

　雙饋異步風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因?yàn)榫哂校旱惋L(fēng)速時(shí)可以根據(jù)風(fēng)速變調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩獲得最大風(fēng)能；高于額定風(fēng)速時(shí)可以改變槳葉節(jié)距角來(lái)維持額定功率的優(yōu)點(diǎn)而成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理和數(shù)學(xué)模型

　1.1 雙饋異步發(fā)電機(jī)組的工作原理

　　雙饋異步發(fā)電機(jī)是由一臺(tái)帶集電環(huán)的繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)和雙PWM變流器組成。雙饋異步發(fā)電機(jī)的定子繞組直接與工頻電網(wǎng)相連。運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和定、轉(zhuǎn)子電流的頻率關(guān)系可表示為：f1=pn/60±f2,由此式可知：當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)f2來(lái)維持f1恒定。

　 1.2 雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

　 本文按電動(dòng)機(jī)慣例建立雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。其中電壓方程式為

　　式中下標(biāo)1和2分別表示定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)；d和q分別表示d軸和q軸。P是微分算子，ω、ωS 分別是同步角速度和轉(zhuǎn)差角速度。磁鏈方程式為

　　雙饋發(fā)電機(jī)采用定子磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)，將定子磁鏈Ψ1方向取在d軸，忽略電阻壓降得

　　由上幾式可得電磁轉(zhuǎn)矩和功率方程

　　當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)以后，定子電壓不變，則Ψ1也不變，由式(4)可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可通過(guò)轉(zhuǎn)子中的q軸電流進(jìn)行控制，達(dá)到調(diào)速的目的；而定子有功功率P1只與轉(zhuǎn)子電流iq2有關(guān)，無(wú)功功率Q1只與id2有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型

　　MATLAB中雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模塊包括：風(fēng)速模型、變槳距風(fēng)力機(jī)模型、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型、雙PWM變流器模型、網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)控制系統(tǒng)模型等【3】。鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的復(fù)雜性，本文僅給出網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)控制系統(tǒng)的仿真模型。

　 2.1 網(wǎng)側(cè)變流器的矢量控制

　 雙饋異步發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變換器的矢量控制仿真模型如圖2所示。它由三相鎖相環(huán)、3/2矢量變換、電流調(diào)節(jié)器、2/3矢量變換組成【4-6】。

圖1 電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的矢量控制

雙饋異步發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)的矢量控制仿真模型如圖2所示。它由3/2矢量變換、無(wú)功功率調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩控制器、最優(yōu)轉(zhuǎn)子q軸電流計(jì)算、電流調(diào)節(jié)器以及2/3矢量變換組成。

3 仿真分析

　 本文在MATLAB軟件平臺(tái)中搭建了額定風(fēng)速11m/s,風(fēng)機(jī)額定功率為1.5MW的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明：本文所建立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速變化時(shí)，能夠很好的跟蹤最大風(fēng)能，并能實(shí)現(xiàn)良好的有功、無(wú)功解耦控制。圖2到圖6分別為風(fēng)速模型、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、有功和無(wú)功分量。

圖2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

　 本文分析了兆瓦級(jí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理和數(shù)學(xué)模型，在MATLAB中采用結(jié)構(gòu)化方法建立了1.5MW風(fēng)電機(jī)組的仿真模型。該模型基于定子磁場(chǎng)定向的矢量控制方法，采用雙PWM變流器，對(duì)大型并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的最大風(fēng)能跟蹤、有功和無(wú)功功率的解耦控制進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性，對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)用化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。