基于双馈异步发电机的风力发电系统研究

基于双馈异步发电机的风力发电系统研究

王海龙

甘肃华电环县风力发电有限公司， 甘肃省庆阳市， 745700

摘要：风属于目前发展前景最好的一种能源，也是人们一直在寻找能够代替传统发电模式的一种绿色能源，可以避免能源危机发生，促进经济发展，具有良好的环保价值。双馈异步发电技术可以对风力发电机组内部的机械负载进行优化，改善电网质量，提高运行效率。基于此，本文先阐述双馈风力发电机仿真状况，之后对双馈异步发电技机在风力发电系统中的应用进行分析。

关键词：双馈异步发电机；风力发电系统；仿真

风力发电机是一种绿色能源，在各个地方已经广泛应用，大部分国家都在大力推广利用风能，并且还根据现状完善了相关的政策。以往均是采用笼型异步电动机、同步发电机进行运行，在运行的过程中交流励磁装置进行供电时，就会降低功率的因数，影响发电机运行的效率。随着科学技术的不断完善，双馈异步发电技术脱颖而出，主要采用矢量控制法进行操作，发电机就可以根据风速进行改变，该技术已经成为风力发电运行中的首选。

一、双馈风力发电机仿真

首先在Matlab/Simulink中建立一个双馈风力发电机的仿真模型，电力系统中，仿真一个发电站模型，将额定有功功率设置为9MW。发电站的风速设置为每秒15m/s，发电机出口母线的电压设置为575V，并与电压为25KV/575V的升压变压器进行有效的连接，提升电压至25KV^[1]。在经过30KM的高压线路与电压为120KV/25KV 的升压变压器进行连接，将电压生至为120KV^[2]。为了更好的维持输出电压的平稳性，需要经过母线与限流电抗器进行连接。最后在与电压恒定值为120KV、频率恒定值为60HZ的电压源相连接。接线路中需要包括两种，分别为滤波器和阻性负载，30Km的线路中参数值表现如下：

、、、 就是直接通过采用参数辨识方法计算出来。将所设定好的参数值按照相应的顺序直接输入到对应的参数中，之后就可以按照操作流程开展仿真实验，在实践过程中一定要对数值和步骤仔细的核对，确保结果的准确性和有效性。

（一）、风速一定时的仿真

系统在正常运行的状态下，一定要控制风速在安全范围内，通常将风速设置为每秒15m，在这种情况下运行，波形图基本上可以达到一个稳定的状态，各个波形基本都没有出现任何的波动情况，无功功率Q在系统运行稳定之后就会直接转变为0，说明无功功率在系统运行的过程中并没有发生任何的交换，简单来讲就是，电机发生了有功无功的解耦^[3]。同时也可以直接看出，风速设定在正常的范围内，我们所设定的模型也是非常符合标准的。

为了对系统运行的准确性进行验证，需要由专业人员仿真出一个风力机在出口位置上出现三处短路现象的模型，判断每个参数的输出波形会发生怎样的变化，以及各自变化的程度^[4]。之后我们需要对比和分析系统在正常状态下运行波形图的情况和短路情况下波形图的变化情况。

2.2 风速变化时的仿真

设置 DFIG Wind Turbine 系统中风速属于不断变化。初始值一般会设置为每秒10 m/s ，系统运行1s 之后，风速就会立即发生变化，突变为每秒15m。图1为风速发生突变时的输出波形情况。从图1中我们可以直接看出，风速一旦发生明显的变化，输出功率P就会发生变化，会出现明显上升的趋势，而无功功率Q在系统稳定之后基本不变为0，简单来讲就是，如果一旦发生有功无功的解耦，能够有效确保系统处在一个变速恒频发电的状态，运行一段时间后，系统就会趋于平稳状态。

图1 风速突变时的输出波形图

二、双馈异步发电技机在风力发电系统中的应用

（一）、工作原理

双馈异步发电机主要是将定子、转子三相进行绕组，之后再分别接入到三相对称电源上，这两个电源相对独立^[5]。定子绕组直接接到工频电源上，转子绕组接到频率、幅值、相位上，并且还可以根据实际情况和相关标准对交流电源进行合理化的调节，即采用交-直-交或交-交变频器给转子绕组供电的结构（见图2）。其中，转子外在加入电压频率的情况下，就要与转子感应电动势的频率相吻合，其数值要保持一致，在特殊的情况下如果要对转子外加的电压幅值、相位进行改变的过程中就要将电机的运转速度和定子的功率数值进行适当的改变。

图2　系统示意图

运行状态及功率传递关系

（二）、工作特点

风力发电主要利用风力机的作用，带动风力发电机进行发电，风力机主要包括两种：一种是水平轴浆式风力机，一种是垂直轴浆式风力机。国内一般采用水平轴浆式风力机进行操作，因为这种风力机的直径相对比较大，通常直径4m左右，有部分的风力机可以达到30m，允许转速每分钟为50r。与恒速风力发电机组进行对比，双馈异步风力发电机的应用价值更为显著，在实际操作的过程中主要包括以下几点优势：第一、发电机无论是在超同步的区域内还是在亚同步的区域内都可以广泛的运行，而且在运行的过程中可以根据运行的实际情况对功率因素进行合理化的调节，确保整个系统运行的安全性和有效性。第二、可以对转子电压的频率、幅值、相位等变速恒频的功能进行合理的调整，确保其数据的准确性。

转子旋转的速度一旦发生变化，只要适当的调整转子磁势的频率，就可以使定子的频率处于一个常数，从而达到变速恒频的功能。第三、并网在运行的过程中，发电机的功率特性可与风力机的功率特性相匹配。图3表示为各个风速段风力机输出的机械功率与转速之间的关系。

图3　风力机与发电机功率特性匹配

曲线Pm(n)表示为风力机在各个风速段下所出现的最大功率的输出曲线。由图可以直接看出Pm(n)与转速的三次方呈正比的关系。采用双馈异步发电技术时，可以对转子励磁电压、电流的频率、幅值、相位等指标进行合理化的控制，使发电机在运行的过程中，其功率特性

可以按照图中的Pem(n)曲线进行变化，可以使发电机在各个阶段的风速下与风力机的功率特性相吻合，并在运行的过程中可以提高风能的利用率。

结束语

综上所述，风能属于目前常用的一种清洁新型能源，在实际应用的过程中能够有效防范能源危机，降低能源的浪费率，进而推动社会经济的发展，实现社会效益与经济效益的统一。本文通过建立双馈风力发电机仿真模式，分别对系统在正常状态下运行波形图的情况和短路情况下波形图的变化的情况进行对比，验证双馈异步发电机组模型的正确性，实现双馈异步发电技术的应用价值。

参考文献

[1]刘瑞芳,陈嘉垚,朱健, 等.轴承绝缘对双馈异步发电机高频轴电压和轴电流抑制效果研究[J].电工技术学报,2020,35(z1):212-219.

[2]朱桂华,丁松,杨井润.基于虚拟示波器的双馈异步风力发电机变流器故障诊断技术[J].太阳能,2020,(2):75-80.

[3]林京娜.风速变化下基于Matlab/Simulink的双馈异步风力发电机变浆距仿真[J].现代工业经济和信息化,2016,6(18):42-43.

[4]马宏忠,李思源.双馈异步风力发电机气隙偏心故障诊断研究现状与发展[J].电机与控制应用,2018,45(3):117-122.

[5]任佳佳,胡应宏,纪延超.基于αβ坐标系下双馈异步风力发电机串补输电系统次同步谐振的比例谐振控制[J].电力自动化设备,2017,37(9):90-95.