潘明九

摘要：双馈感应发电机将电力电子器件运用于变速恒频风力发电系统中，不但有效增加了风机能量转换率，此外還进一步显著降低了涡轮机械损耗。建立了采用变速恒频方式完成风力发电系统并网控制的模型，通过模型的仿真运行，得到风速变化下不同控制模式的风机侧、电网侧波形。仿真结果表明，无功功率控制模式下的并网效果更好。改变负载，初步探究了负载对并网的影响。

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.

关键词：变速恒频；风力发电系统；并网控制；仿真

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

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）33-0114-02

0 引言

风力发电受风力变化的随机性影响，其风力发电机组控制方式和动态响应存在较大差别。故风力发电机组并网后，会对电网造成一定程度的冲击。严重时可能造成电网电压大幅度下降、发电机损坏甚至使电力系统解列[1]。因此，大规模风力发电并网问题也是当今国内外学者研究的热点。本文就变速恒频风力发电系统，以双馈感应发电机为例，对其运用双变换器实现风机侧与电网侧的信息互通，共同控制使风力发电系统无冲击柔性并网进行分析。采用MATLAB软件构建了双馈感应风力发电机组的结构模型，在带负载情况下进行并网仿真[2]，并对此模型的若干特性进行了研究。

1 变速恒频双馈感应发电机的数学模型

转子侧电流以流入为正；定子侧电流以流出为正[3]。

式中P1、Q1依次对应定子侧向电网的输出有功与无功；P2、Q2依次对应于转子侧向电网的输入有功与无功。

2 Matlab/Simulink仿真分析

建立风电场仿真模型如图1所示。

2.1 并网特性仿真分析 风速大小是对风力发电系统稳定性造成影响的最重要因素。因此需要对风速模型进行参数调整，研究风速条件对发电系统并网的影响。由于风速变化下，风力发电系统的调压方式、无功补偿方式会影响电网和风力发电系统的潮流分布和电压稳定[4]。故在不同的调压方式下分别进行模拟，来检测并网控制的可靠性。

2.2 风速波动下有载调压方式并网分析 选择Voltage regulation（电压控制模式）[5-10]。分别打开网侧、机侧波形监测模块，可以观察到：风机转速稳态值为1.2，此时风机处于超同步运行状况。风机可以从电网中得到充足的无功功率，因此当风速发生变化时该系统依然能够处于稳定状态。

风电系统采用电压控制模式下，随着风速的增大，风力发电机有功出力开始上升，由于负载不变，风电系统多出的有功被电网吸收，同时风电系统吸收电网的无功以维持自身电压稳定。根据模拟结果可知，大概风速改变之后，电网有功功率与无功功率变化状态不断趋于平稳，电网潮流重新分配，但系统电压稳定，达到新的稳态。

2.3 风速波动下无功补偿方式并网分析 采用无功功率控制模式，仿真结果如图3所示。

从图2中可以看到5s时，风速开始逐渐上升。风电系统采用无功功率控制模式下，风力发电机输出波形仿真结果如图3所示。风机转速随着风速的上升逐渐增大，输出有功功率增加，无功补偿装置提供了充足的无功功率，因此母线电压对于风速波动的敏感性不高。经过仿真系统模拟可以知道，此系统具有良好的稳定性。

风电系统采用无功功率控制模式下，电网波动仿真结果如图4所示，随着风速的增大，风力发电机有功出力开始上升，由于风机的运行模式为无功补偿类型，通过无功调节以实现调压作用，不需要从电网中吸收过多无功功率，从而确保电网的无功状态不出现显著改变，不同点的电压也不会发生太明显的波动。可以看出，与电压控制模式相比，无功功率控制模式下电网无功功率的波动较小，系统稳定运行。

2.4 小结 运用MATLAB/SIMULIK中提供的风电系统模块搭建了一个典型的双馈感应风力发电机组的带负载并网仿真模型，对其在风速变化情况下的各项参数进行跟踪监测，根据数据变化分析风机侧和电网侧的运行情况。在研究过程中发现，使用不同的控制模式也会对电网及风电系统造成影响。所以在相同风速变化情况下，分别对系统使用电压控制和无功功率控制两种控制模式进行仿真。由仿真结果表明双馈感应风力发电机组的带负载并网模型可以很好地对风速变化做出跟踪响应且没有明显振荡；而相比电压控制模式，采用无功功率控制具有明显的优越性。

3 结论

本文研究了双馈感应风力发电机的工作机理及其实现并网过程的控制结构。通过MATLAB/SIMULINK软件建立了采用变速恒频方式完成风力发电系统并网控制的模型。通过模型的仿真运行，得到风速变化下不同控制模式的风机侧、电网侧波形。仿真结果表明，无功功率控制模式下的并网效果更好。

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