变速恒频风力发电机最大功率控制的仿真研究

变速恒频风力发电关键技术研究[摘要]本文以变速恒频风力发电技术为研究对象，着眼于风力发电的关键实现技术，从交流—直流—交流风力发电技术分析、磁场调制发电机技术分析以及交流励磁双馈发电机技术分析这几个方面入手，围绕变速恒频风力发电机关键技术这一中心问题展开了较为详细的分析与阐述，并据此论证了变速恒频风力发电技术作为风力发电最关键技术，其在缓解能源危机以及推动“绿色能源”可持续发展过程中所发挥的至关重要的作用与意义。

[关键词]变速恒频风力发电技术发电机励磁定子转子分析为缓解能源危机问题，各方工作人员开始针对一种全新的“绿色能源”展开详细分析与研究。

一种将电力电子技术、微机信息处理技术及矢量变化控制技术充分融于发电机控制过程当中的发电技术——变速恒频风力发电技术更是以其特殊的应用优势而备受关注。

本文是针对变速恒频风力风力发电关键技术这一中心问题做详细分析与说明。

一、交流—直流—交流风力发电技术分析该技术运作系统结构示意图如下图所示（见图1）。

受到风速持续变化因素的影响，整个系统当中的风力机装置及发电机装置也会产生与风速变化存在一定关系的变速旋转作用，进而导致电功率的产生。

由图1我们不难看出：由发电机装置所发出的交流电电流首先借助于整理器装置转换为直流电形式，在此基础之上借助于逆变器发生有源逆变反应形成适宜于电网恒定频率的交流电电源。

为确保整个交流—直流—交流反应的稳定性与有效性，风力发电过程当中应当确保发电机装置反应容量基本与变频器装置反应容量保持一致。

此类风力发电技术在实践应用过程当中最为突出的优势在于且并网过程当中基本无电流冲击作用力，并网对整个风力发电系统的影响程度较低。

但是，考虑到系统运行中采取静态自励式逆变器装置完成频率变化作业，尽管发电过程当中可以针对系统所产生的无功功率予以调节，但电网所接受电流当中仍然存在部分高频电流。

图1 交流—直流—交流风力发电技术运作系统结构示意图二、磁场调制发电机技术分析该技术运作系统结构示意图如下图所示（见图2）。

双馈变速恒频风力发电机并网控制仿真研究范立新;向张飏【摘要】文章分析了双馈变速恒频发电机的数学模型,并对其并网运行控制策略进行研究.双馈电机使用双PWM变换器为转子侧提供励磁.网侧变换器主要功能是实现单位功率因数控制和稳定直流侧电压,转子侧变换器主要功能是实现风能最大追踪和功率的解耦控制.此外在运行期间风速过大时采用桨距角控制减小原动机出力.最后在Matlab/simulink软件中搭建了风力发电系统仿真模型,通过仿真结果验证了控制策略的可行性.【期刊名称】《江苏电机工程》【年(卷),期】2012(031)006【总页数】4页(P39-42)【关键词】双馈电机;解耦控制;最大风能追踪;桨距角控制【作者】范立新;向张飏【作者单位】江苏方天电力技术有限公司,江苏南京211102;东南大学电气工程学院,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TM315随着能源危机的不断恶化，以风能为代表的新能源利用技术受到越来越多的关注[1]。

双馈变速恒频风力发电机作为目前风力发电系统使用的主要机型，其并网运行的控制策略研究是风力发电系统能够广泛应用的基础。

双馈风力发电机多采用双PWM变换器为转子提供励磁电流，网侧变换器主要负责稳定直流侧电压和实现单位功率因数控制，转子侧变换器则通过控制励磁电压达到功率解耦控制和最大风能追踪的效果[2]。

本文在分析双馈电机数学模型的基础上对其控制策略进行了研究，之后在Matlab/simulink软件中建立了相应模型，通过仿真计算验证控制策略的控制效果。

1 双馈变速恒频发电机数学模型1.1 dq坐标系下数学模型建立数学模型时规定定子、转子侧电流采用发电机惯例，将双馈电机三相旋转坐标系下的数学模型转化为dq坐标系下数学模型，变换时采用恒功率变换。

数学模型表达式如下[3]。

电压方程：磁链方程：运动方程：式（1—3）中：下标s为定子侧参数，下标r为转子侧参数。

1.2 简化模型在同步旋转坐标系下DFIG的数学模型是一个5阶模型，在一些场合下需要更进一步地简化，比如在研究DFIG风力发电系统对整个电力系统的影响时，或者研究DFIG风力发电系统自身的稳态运行特性时，通常假定电网电压恒定，而且稳态时DFIG的定子磁链也可认为是恒定的，这样可以忽略定子绕组励磁电流的动态过程，于是式（1）变为：由式（4）可见，DFIG的电压方程由4阶变为2阶，整个DFIG的数学模型也变为3阶，这可以大大降低DFIG模型的复杂程度，有利于并网控制策略的设计。

收稿日期:2009-05-18 第26卷　第10期计　算　机　仿　真2009年10月 文章编号:1006-9348(2009)10-0294-04变速恒频双馈异步风力发电机建模与仿真研究王兴武1,张照彦2,武永利2(1.华北电力大学仿真与控制技术研究所,河北保定071003;2.保定华仿科技有限公司,河北保定071051)摘要:变速恒频发电是一种全新高效发电方式,适用于风力发电等可再生能源开发利用。

为了实现变速下调节系统的稳定性,根据双馈异步风力发电机原理,建立双馈异步发电机的数学模型,采用变速恒频风力发电机运行特点分析双馈异步发电机控制模型。

在S T A R-90仿真支撑平台上开发仿真算法,建立双馈异步发电机及其控制的仿真模型,通过仿真验证模型的有效性。

仿真实验结果表明,模型能正确反映变速恒频双馈异步风力发电机的运行特性,对实际风电机组的仿真研究及运行分析具有参考意义。

关键词:风力发电机;变速恒频;仿真中图分类号:T P 391.9 文献标识码:AMo d e l i n g a n d S i m u l a t i o no f V a r i a b l e -S p e e dC o n s t a n t -F r e q u e n c yD o u b l e -F e d Wi n dG e n e r a t o rW A N GX i n g -w u 1,Z H A N GZ h a o -y a n 2,W UY o n g -l i2(1.I n s t i t u t e o f S i m u l a t i o n ＆C o n t r o l ,N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y ,B a o d i n g H e b e i 071003,C h i n a ;2.B a o d i n g S i n o S i m uT e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n .L t d ,B a o d i n g H e b e i 071051,C h i n a )A B S T R A C T :V a r i a b l e -S p e e d C o n s t a n t -F r e q u e n c y (V S C F )i s a n e we f f i c i e n t m e t h o d f o r g e n e r a t i n g e l e c t r i c p o w -e r .I t i s a d a p t a b l e t o t h e d e v e l o p m e n t o f t h er e n e w a b l e e n e r g y s u c h a s w i n d p o w e r .T h e p a p e r a n a l y z e s t h e t h e o r y o fd o u b l y -fe di n d u c t i o n g e n e r a t o r (D F I G )u s e d i n w i n dp o w e r ,b u i l d s a m a t h e m a t i c m o d e l of D F I G ,a n d t h e n a n a l y -z e s t h e c o n t r o l m o d e l o f D F I Ga c c o r d i ng t o th e o p e r a ti o nc h a r a c t e r i s t i c o f V S C F g e n e r a t o r .I t u s e s S T A R-90s i m u l a -t i o ns u p p o r t p l a t f o r mt o d e v e l o ps i m u l a t i o na r i t h m e t i c ,b u i l ds i m u l a t i o nm o d e l o f D F I Ga n di t s c o n t r o l s y s t e m ,a n d v a l i d a t e t h em o d e l b y m e a n s o f s i m u l a t i o n .I t i s s h o w e d b y t h er e s u l t s o f s i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t t h a t t h e m o d e l s o u t p u t i s c o n s i s t e n t w i t ht h e o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c o f V S C FD F I G ,a n dt h e a n a l y s i s r e s u l t o f t h i s p a p e r h a s r e f e r -e n c e v a l u e f o r t h e s i m u l a t i o n r e s e a r c ha n do p e r a t i o na n a l y s i s o f a c t u a l w i n dt u r b i n e .K E Y WO R D S :Wi n d p o w e r g e n e r a t o r ;V a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c y (V S C F );S i m u l a t i o n1　引言风力发电是最有发展前途的可再生能源形式之一,对于节约能源、保护环境和促进可持续发展具有重要作用。

０．０８０．０６０．０４０．０２０－０．０２－０．０４０５１０１５２０００．５１．５１．０β／ｒａｄλＣｑ图１风力机转矩系数曲线Ｆｉｇ．１Ｔｏｒｑｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ大型变速恒频风电系统的建模与仿真孙国霞，李啸骢，蔡义明（广西大学电气工程学院，广西南宁５３０００４）摘要：针对兆瓦级变速恒频风力发电系统，基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了包括风机、传动齿轮、双馈发电机在内的大型风电系统的整体动态数学模型。

传统的最大风能捕获算法往往基于最优功率曲线和部分风机参数已知，当上述参数未知或出现扰动时，风电系统的效率会严重降低。

针对此不足，基于所建模型设计了变步长最大风能捕获控制器，该控制器采用矢量控制算法，实现了发电机输出有功和无功功率的解耦控制；针对有功功率控制，控制器根据发电机输出转速扰动时，相应输出有功功率的变化变步长地调整系统输入，直到系统运行到最大风能点。

仿真结果验证了风电系统模型的正确性以及控制器的有效性。

关键词：风力发电系统；双馈发电机；矢量控制；最大风能追踪中图分类号：ＴＭ３１５文献标识码：Ａ文章编号：１００６－６０４７（２００７）１０－００６９－０４收稿日期：２００６－０９－１１；修回日期：２００７－０３－０５电力自动化设备ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＶｏｌ．２７Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．２００７第２７卷第１０期２００７年１０月０引言在众多的计算机仿真软件中，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ为动态系统的设计与控制策略的开发提供了直观、方便、交互式的图形化集成仿真环境，获得了广大工程研究人员的青睐。

现基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了以双馈电机为发电机的大型变速恒频风电系统［１－３］的整体动态数学模型，该模型包括风机、传动齿轮、发电机、控制器４个部分。

其中，为提高低风速下的风电系统的运行效率，设计了运用变步长搜索算法的最大风能追踪控制器，该控制器收敛速度快，并且不需要风机系统的任何参数，具有很好的鲁棒性能。

变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制摘要：风力发电是一种可再生能源，因此，对它的开发和利用显得尤为重要。

由于其实用、高效的特点，变速恒频风电技术在许多方面都具有很大的应用前景，并且伴随着风电技术的持续发展，它已经成为了国内外众多专家学者关注的焦点。

安全、低成本、高效的风电技术是风电技术发展的重点，而对其短时有效风速进行精确预测是实现风电系统平稳运行的关键与基础。

风电机组在运转过程中，其风场呈现出一种三维时变特性，由于各测点在风轮表面上得到的风速各不相同，因此，利用风速仪对其进行短时的风速预报并不可行。

为改善风电机组的调速性能，需对风电机组的短时风速预报进行深入的分析与研究。

关键词：变速恒频；风力发电系统；最大风能追踪控制1变速恒频风力发电概述本文介绍了一种新型的变频调速发电机的结构，并对其性能进行了分析。

双馈发电机的定子线圈与电网相连，转子线圈为三相交流变频驱动，一般采用交流-交流变换或交流-直-交变换来驱动。

双馈发电机可以在各种工况下工作，并且可以根据风速的改变来调节其旋转速度，从而保证风机始终处于最优的工作状态，提高了风力资源的利用效率。

当电机负荷或速度改变时，调整馈入转子绕组电流，就可以使定子的输出电压和频率不变，也可以调整发电机的功率因子。

2变速恒频风力发电技术重要性及其优势2.1变速恒频风力发电技术的重要性风力发电机是一种以风力为动力的风力发电机。

在整个风力发电过程中，发电系统占有相当的比重。

通常情况下，当风力发电系统的单位装机容量不断增加时，就可以从一个侧面说明风力发电机的结构存在一定的问题。

为此，需要对风力发电系统进行结构优化设计。

本项目研究成果将为风电机组的安全稳定运行提供理论依据，并为实现风电机组的高效稳定运行提供理论依据。

2.2变速恒频风力发电技术优势风力发电技术在风力发电中的应用具有明显的优势。

在风力发电的过程中，使用变速恒频的风力发电技术，能够从最大功率的角度来确保发电系统的平稳运转，不仅能够在某种程度上增加风电系统的发电量，还能够提升风电系统的运行效率。

变速恒频风力发电系统并网控制及仿真潘明九;王颖;孙黎滢【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,此外还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.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2018(037)033【总页数】2页(P114-115)【关键词】变速恒频;风力发电系统;并网控制;仿真【作者】潘明九;王颖;孙黎滢【作者单位】国网浙江省电力公司经济技术研究院,杭州310008;中国计量大学机电工程学院,杭州310018;国网浙江省电力公司经济技术研究院,杭州310008【正文语种】中文【中图分类】TM6140 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]。

定子绕组电压方程为：转子绕组电压方程为：式中 ud1、uq1、id1、iq1分别为定子电压、电流的 d、q 分量；ud2、uq2、id2、iq2分别为转子电压、电流的 d、q 分量。

ωs=ω1-ωr是d、q坐标系相对于转子的角速度。

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。

大型变速恒频风力发电机组建模与仿真一、本文概述随着全球能源需求的日益增长，以及环保和可持续发展理念的深入人心，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，正受到越来越多的关注。

大型变速恒频风力发电机组作为风力发电的核心设备，其性能直接影响到风电场的运行效率和经济效益。

因此，对大型变速恒频风力发电机组进行建模与仿真研究，具有重要的理论价值和实践意义。

本文旨在探讨大型变速恒频风力发电机组的建模与仿真技术。

文章将介绍风力发电的基本原理和大型变速恒频风力发电机组的基本结构。

接着，重点论述数学建模的理论框架和关键模型，如空气动力学模型、机械动力学模型、电力电子转换模型等。

在此基础上，将讨论仿真方法和技术，包括系统仿真、控制算法仿真以及性能评估等方面。

通过具体案例分析，展示建模与仿真技术在大型变速恒频风力发电机组设计、优化和运行控制中的应用。

本文的研究不仅有助于深入理解大型变速恒频风力发电机组的运行机制和性能特性，也为风电场的规划、设计、运行和维护提供了有力支持。

研究成果还可为风力发电技术的发展和创新提供有益参考。

二、风力发电机组的基本原理与结构风力发电机组是利用风能转换成电能的设备，其基本原理和结构是风力发电技术的核心。

风力发电机组主要由风轮（也称为风力机或风叶）、齿轮增速箱、发电机、偏航系统、塔架、控制系统等部分组成。

风轮是风力发电机组的核心部件，它由一组或多组风叶组成，通常呈水平轴或垂直轴布置。

当风吹过风叶时，风叶受到风力的作用开始旋转，将风能转化为风轮的机械能。

风轮旋转的速度与风速成正比，但由于风速的不稳定性，需要通过齿轮增速箱将风轮的旋转速度提高到发电机可以接受的范围内。

发电机是将机械能转换为电能的设备，风力发电机组中常用的发电机主要有同步发电机和异步发电机两种。

发电机的工作原理是通过电磁感应产生电能，当风轮通过齿轮增速箱驱动发电机转子旋转时，发电机的定子中就会产生感应电动势，从而将机械能转换为电能。