定速风电机组的仿真

定速风电机组的仿真

组员：王浩乐姗姗

瞿振林刘洁波

一、简单介绍

基于普通感应发电机的定速风电机组，一般由风轮、轴系（包括低速轴LS、高速轴HS和齿轮箱组成）、感应发电机组等组成，如图1所示。发电机转子通过轴系与风电机组风轮连接，而发电机定子回路与电网用交流线路连接。这种类型的风电机组一旦起动，其风轮转速是不变的（取决于电网的系统频率），与风速无关。在电力系统正常运行的情况下，风轮转速随感应发电机的滑差变化。风电机组在额定功率运行状态下，发电机滑差的变化范围为1%~2%，因此正常运行时风轮转速仅在很小范围内变化。

图 1：基于普通感应发电机的定速风电机组

二、工作原理：

风电机组通过三叶片风轮将风能转换成机械能，风能输出的机械功率为：注释：

根据不同的取值，可得到的曲线如图2所示，从图中可以看出，对应某一确定的浆距角，有一极大值存在，也就是说，当风力机运行时不能保证在所有的风速下都能够产生最大的功率输出。的理论最大值为0.593，这就是著名的Betz 极限。

图2：关系曲线

图 3：风电机组功率特性

定速风电机组的风轮从风中获取机械能，然后通过齿轮轴系传递给感应发电机，感应发电机再把机械能转换成电能，输送到电网中。感应发电机向电网提供有功功率，同时从电网吸收无功功率用来励磁。因为这种类型的感应发电机无法控制无功功率，所以利用无功补偿器来改善风电机组的功率因数，降低机组从电网中吸收的总的无功功率。现代定速风电机组的风轮转速为15~20r/min，发电机转子的同步转速与电网频率对应。

定速风电机组可以采用定浆距控制，也可以采用叶片角控制。其中，定浆距控制风电机组为被动失速控制，它将叶片以固定浆距角用螺栓固定在轮毂上，在给定风速下，风电机组风轮开始失速，失速条件始于叶片根部，并随着风速加大逐渐发展到全部叶片长度。这种失速控制方式成本低廉，但是低风速下风电机组发电效率较低。而叶片角控制定速风电机组为采用负浆距角的主动失速控制方式。主动失速设置为在风速低于额定风速时优化处理，在风速超过额定风速时限制出力为额定功率。这种主动失速控制方式能够提高风电机组的发电效率。

三、仿真模块：

Three-Phase Source【三相电源模块】

Three-Phase Transformer(Two Windings)【三相双绕组变压器模块】

Three-Phase Fault【三相故障模块】

Three-Phase PI Section Line【三相π型等值电路模块】

Three-Phase V-I Measurement【三相电压电流测量元件模块---模拟母线】Wind Turbine Induction Generator(Phasor Type)【风电机组模块】

Goto【跳转模块】

Constant【常数系数模块】

From Workspace【从工作空间中输入数据模块】

Bus Selector【总线选择器模块】

Abs【求取绝对值模块】

Scope【观测仪模块】

Powergui【电力图形用户分析界面模块】

四、模型仿真：

一台单机容量为1.5MW的定速风电机组经过升压，通过长度为100km、电抗为的架空输电线路与外部系统相连。参考MATLAB中风电机组模型建立如图3所示单机无穷大电源的仿真系统。图4为定速风电机组子系统结构（右键单击风电机组模块Wind Turbine，然后选中下拉列表中的“Look under mask”选项，打开后可见定速风电机组子系统结构）。

图 4：单机无穷大电源的仿真系统

图 5：定速风电机组子系统结构

1、参数设置

★【Three-Phase Source】

★【Three-Phase Transformer(Two Windings)】

★【Three-Phase Fault】

①电网正常运行时，Three-Phase Fault模块不用设置，即为默认，如下左图。

②电网故障运行时，参数设置如下右图：

★【Three-Phase PI Section Line】

★【Three-Phase V-I Measurement】

★【Wind Turbine Induction Generator(Phasor Type)】

★【Goto】

★【Constant】

★【From Workspace】

★【Bus Selector】

★【Abs】

★【Scope】

★【Powergui】

★【Simulation Configuration Parameters】

2、风电机组输出特性仿真

在仿真时，由于需要风电场在某段时间内的风速数值，于是参考相关文献

[1]，并运用MATLAB模拟出阵风、渐变风时的风速，下面将详细介绍：

①当输入为阵风时：

由于之前已经设置好参数及相关命令，在此，可以直接仿真，得到如下结果

②当输入为渐变风时：

得到如下结果：

由仿真曲线可以看出，风电机组机端电压、输出有功功率和无功功率以及风电机组转子转速都随其输入风速的变化而变化。由于定速风电机组采用感应发电机，因此其在输出有功功率的同时，要从电网中吸收无功功率。

3、电网故障时风电机组输出特性仿真

利用模型中的三相故障模块设置电网在0.02S时刻发生三相短路故障，到0.1S时故障消失，仿真起始时间设置为0，终止时间设置为1S。

当输入风为基本风（恒风速）时：

得到如下结果：

从仿真曲线可以看出，电网故障时定速风电机组的感应发电机要从电网中吸