风力发电技术Word文档下载推荐.docx

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4.54s；

•传动轴等效刚度系数Ks：

0.5,3,10；

（2）发电机参数

•额定功率：

1.5MW；

额定电压575V，频率：

50Hz

•定子电阻Rs：

0.004843pu；

定子漏感Lsσ：

0.1248pu

•转子电阻Rr：

0.004347pu；

转子漏感Lrσ：

0.1791pu

•定、转子互感Xm：

6.77pu

•发电机惯性常数Hg：

0.5s

数学模型

异步电机在三相坐标系下的数学模型，由于电感参数是随转子位置角的不同而随时间变化的量，因此对其进行坐标变换，使其数学方程变为常系数微分方程，在d-q坐标系下其数学模型如下：

（1）

（2）

（3）

风力机特性

风机是实现风能转换为机械能的装置，而风机捕获的风能根据贝兹理论，风力

捕获的机械功率为：

（4）

式中为风机捕获的机械能，为风能利用系数，S为叶片扫过的面积，v为风速，为空气密度。

在风速v给定的情况下，风力机获得的功率将取决于功率系数Cp，而Cp是叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数

（5）

其中，

根据式（4）、（5）可以利用matlab/simulink搭建仿真模型，如图一所示

图一

传动链模型

、单质量块模型

如果将风机传动链作为刚性连接，则可以用一个质量块模型对其进行描述，数学表达式为

（6）

其中H为传动链惯性时间常数，为电机转速，、分别为电磁转矩和风机输入机械转矩，F为摩擦系数。

根据式（6）可以利用matlab/simulink搭建仿真模型，如图二所示

图二

、双质量块模型

如果传动链不是刚性的，那么在风力机与电机之间进行能量传递的过程中，就会发生扭转变形，从而使传动链的数学模型发生改变，其数学模型可表述如下

（7）

根据式（7）可以利用matlab/simulink搭建仿真模型，如图三所示

图三

单质量块模型：

输出有功功率波形

输出无功功率波形

桨距角图形

转速变化曲线

电磁转矩变化曲线

双质量快模型：

（Ks=3的情况）

输出无功功率波形

由以上的仿真波形可以看出，采用单质量块模型的风电场比采用双质量块的风电场性能更好，输出功率的震荡次数明显低于双质量块模型，震荡频率也明显比双质量快的低，而且其动态响应速度比双质量块的快很多，单质量模块模型只需几秒时间系统则可以稳定，双质量模块需要十几秒才能够达到稳定。

Ks=10的情况

桨距角变化图形

由以上图形对比可以看出，传动链刚度系数越大，系统的震荡频率越大，但震荡的幅度基本没有影响，系统达到稳定的时间基本相等。

实验二

通过已建好的双馈发电风电系统模型power_wind_dfig_det.mdl，理解和掌握风力机、双馈发电机及其变流器的建模方法，掌握风力机功率特性、风电机组控制策略以及其运行特性；

风力机模型框图，并叙述其基本原理，得到风力机运行的功率或转矩特性曲线；

双馈发电机转子侧和网侧变流器控制框图，并叙述其基本控制策略；

双馈电机最大风能捕获下的功率、转速运行的仿真特性曲线；

双馈风机的基本原理

基本结构与绕线式感应电机类似，其定子侧接电网，转子上由变频电源提供对称交流电励磁，且励磁电压的幅值、频率、相位、相序都可以根据要求加以控制，从而可以控制发电机励磁磁场的大小、相对转子的位置和电机转速。

根据双馈电机转子转速的变化，双馈发电机可有以下三种运行状态：

、亚同步运行状态：

在此种状态下，由转差频率为的电流产生的旋转磁场转速与转子的转速方向相同。

、超同步运行状态：

在此种状态下，改变通入转子绕组的频率为的电流相序，则其所产生的旋转磁场的转速与转子的转速方向相反。

、同步运行状态：

在此种状态下，转差频率，这表明此时通入转子绕组的电流频率为0，也即直流电流，与普通的同步电机一样。

在matlab/simulink搭建的模型如下图所示

变换器控制框图，及其基本控制策略

、电网侧PWM变频器及其矢量控制策略:

电网侧变频器通常采用电网电压定向的矢量控制策略，通过保持变频器有功功率的平衡，控制中间直流链电压的大小。

与此同时，电网侧变频器还能够控制与电网交换的无功功率，并调节变频器的功率因数。

其控制框图如图所示，在定子电压定向的条件下，控制变频器d轴电流就可以控制输出变频器的有功功率，从而实现中间直流链电压的调节。

控制变频器q轴电流就能够调节变频器输出的无功功率，实现电网侧变频器功率因数的调节。

利用matlab/simulink搭建的仿真模型如下图所示

、转子侧PWM变频器及其矢量控制策略:

转子侧变频器采用定子磁链定向的矢量控制策略。

下图表明了发电机定子磁链与参考轴系的关系。

其中d轴与发电机定子磁链重合而q轴超前d轴90°

电角度。

在定子磁链定向的条件下，发电机转子电流的d、q轴分量分别与定子电流的d、q轴分量之间存在一一对应的关系。

因此利用发电机转子励磁电压分别控制转子电流d、q轴分量就可以达到控制发电机定子无功功率以及电磁转矩的目的。

定子磁链定向的矢量控制器框图如下图所示。

控制器采用双闭环结构，内环是相应的转子电流控制环，外环则是定子无功功率与电磁转矩控制环。

其中内环电流环引入了去耦补偿项，以消除d、q轴耦合量的对发电机转子电流控制的影响。

为了实现风机最佳效率跟踪运行，根据风机机械特性可以计算出保持最大风能利用系数条件下发电机电磁转矩与转速的关系，并将该特性作为发电机机械特性进行控制。

在与风机机械特性的共同作用下，发电机机组能够在一定的风速变化范围内尽量保持最大风能利用系数从而实现风机最佳效率跟踪运行。

在matlab/simulink搭建的仿真模型如下图所示

风机特性及其基本控制策略

根据贝兹理论，风力捕获的机械功率为

（1）

上图显示了一组不同风速下风力机的输出功率特性（β=0°

），其中Cpmax线是各风速下风力机最大输出功率点的连线，即最佳功率曲线。

可以看出，为了实现最大风能的追踪，必须在风速变化时实时地调整电机转速。

仿真特性曲线

在不同的风速下，风场仿真波形如下

10米每秒：

20米每秒

通过以上的波形可以看出，当风速为10m/s时，电机工作于同步转速附近，当风速为20m/s时，电机工作于超同步转速，但输出功率，电机转速，直流侧母线电压基本维持不变。