双馈风电机组系统控制仿真设计

2020.05科学技术创新双馈风电机的控制仿真耿秀明（内蒙古电子信息职业技术学院，内蒙古呼和浩特010011）1概述经济的飞速发展带动了各行各业的发展，电能需求的日益增长与发电容量不足的矛盾显得越来越明显。

在目前能源紧缺与环境日益恶化的全球背景下，节能环保的可再生能源的的发展受到了各国的高度重视。

从风能资源的形成来看，其具有典型的可再生性和无污染性，而且风能资源总量大，分布广，是清洁能源战略的重要选择路径之一[1]。

目前，我们所使用的电能中，火电，水电和核电占据了主要的部分[2]。

由于制造、控制技术的发展应用比较成熟，这类发电厂生产的电能能够稳定的供给运行，并变送供给公共电网进行输电配送。

在中国，火力发电的份额占有主导地位，火电厂排放的灰尘、C02等，是造成大气污染的主要来源，并且随着煤炭资源的过度开采，现有储备量也大幅度缩减。

在国家大力的新能源政策扶植下，我国的风电产业迅猛发展，并相继投产了很多大容量风电场[3]。

因风能资源的随机性和波动性，使发出的电能不稳定，造成大部分风电场不能并网运行。

目前双馈发电机是风电场的主要机型，研究双馈风电机对研究风电并网，解决并网电压不稳定问题具有较高的应用价值和研究基础。

2双馈风电机双馈风电机（DFIG ）是风电场的主要机型[3]，风力机通过连接机构带动双馈风电机转子转动，转子绕组通过变换器组与电网连接，通过调节控制转子转速获得最大风能捕获。

定子绕组与电网连接，发电系统根据转速的变化调节励磁电流的频率，实现电机的变速恒频运行[4]。

连接机构主要是齿轮箱，双馈风电机结构如图1所示。

图1双馈风电机结构图当风速较高时，双馈电机转子转速大于同步转速时，转子绕组产生的旋转磁场方向与转速方向相反，电机在超同步状态运行，电能通过变换器从转子侧反馈到电网；当风速较低时，双馈电机转速小于同步转速时，转子绕组产生的旋转磁场方向与转速方向相同，发电机运行在次同步转速状态，转子将通过变流器从电网吸收功率[5]。

双馈风力发电实验仿真平台技术方案一、双馈风力发电实验仿真平台设计初衷在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，风力发电已经成为绿色可再生能源的一个重要途径。

双馈电机变速恒频（VSCF）发电是通过对转子绕组的控制来实现的，而转子回路流动的功率是由发电机运行范围所决定的转差功率，因而可以将发电机的同步转速设定在整个运行范围的中间。

如果系统运行的转差率范围为+-30%，则最大转差功率仅为发电机额定功率的 30%，因此交流励磁变频器的容量可以大大减小，从而降低了成本。

该变换器如果加上良好的控制策略，则系统运行将具有优越的稳态和暂态运行性能，非常适用于风能这种随机性强的能源形势。

因此国内外很多科研者都在研究变速恒频双馈即风力发电系统的若干关机技术，如空载柔性并网、最大功率点跟踪、低电压故障穿越等。

那么，在风力发电产业蓬勃发展的国际环境下，风力发电水平不断提高。

科研实验室作为各种新理论和新技术的孕育摇篮，其先期的研究和验证对风电技术的发展和前进起着至关重要的引导和推动作用。

进行实验研究最直接有效的方法是将风力发电机与风力机相连，进行现场实际试验。

但是鉴于所需要的风场环境以及体积庞大、结构复杂的桨叶设备，实验室内不可能具备条件，只能在室外进行现场调试。

但是，受环境、自然因素、天气条件等影响，现场实验困难重重，比如：无法自由的对风速进行变化，某些高风速下的极限测试只能在极少数情况下得以实现，实验周期长，人力、物力、经费投入大；新理论和新技术存在诸多的未知数，实验结果的好坏难以预测，现场调试风险巨大；电气设备的运算和安装不便，不同容量设备难以在同一风力系统进行试验；这些因素都要求在实验室内构件模拟系统来模拟实际风力机的真实工作特性势在必行。

对此，南京研旭电气科技有限公司设计了一整套模拟定桨距式的双馈风力发电的实验仿真平台。

通过此平台，研究人员可以研究双馈风力发电机的真实工作特性，可以缩短研究和开发周期、节省研究经费，便于对风力发电系统的控制技术展开全面深入的研究，具有重要的显示意义。

双馈式风力发电仿真平台系统方案一晃十年过去了，方案写作这档子事儿，对我来说已经是家常便饭了。

今天，就让我用这十年的经验，给大家带来一份“双馈式风力发电仿真平台系统方案”。

1.项目背景风力发电作为可再生能源的重要组成部分，在我国能源结构调整中扮演着举足轻重的角色。

然而，风力发电系统的研究与开发过程中，实验条件的限制和实验成本的提高，使得仿真技术成为了一种重要的研究手段。

本项目旨在搭建一个双馈式风力发电仿真平台，为研究人员提供一个高效、经济的实验环境。

2.项目目标（1）搭建一个具有实际应用价值的双馈式风力发电仿真平台。

（2）通过仿真实验，研究双馈式风力发电系统的运行特性。

（3）为我国风力发电行业提供技术支持，推动风力发电技术的进步。

3.技术方案（1）系统架构（2）风力模型风力模型是仿真平台的基础，它决定了风电机组所承受的风力大小。

本项目采用湍流模型来模拟风力，包括风速、风向和湍流强度等参数。

（3）风力发电机组模型风力发电机组模型是仿真平台的核心，主要包括电机、发电机、变压器和控制系统等部分。

本项目采用双馈式风力发电机组，其特点是电机和发电机采用同一套控制系统，能够实现风力发电的高效运行。

（4）控制系统模型控制系统模型是保证风力发电系统正常运行的关键。

本项目采用PID控制算法，实现对风力发电机组的实时控制，确保其稳定运行。

（5）负载模型负载模型主要用于模拟风力发电系统的负载特性，包括有功负载、无功负载和负载率等参数。

本项目采用恒阻抗负载模型，以简化仿真过程。

（6）仿真环境仿真环境是风力发电仿真平台的重要组成部分，主要包括硬件环境和软件环境。

硬件环境主要包括计算机、服务器等设备；软件环境主要包括操作系统、编程语言和仿真工具等。

4.项目实施（1）搭建仿真平台我们需要搭建一个双馈式风力发电仿真平台，包括风力模型、风力发电机组模型、控制系统模型、负载模型和仿真环境。

在搭建过程中，要注意各模块之间的接口关系，确保仿真平台的稳定运行。

双馈风电系统的建模仿真研究与设计为了对双馈风电系统进行建模仿真研究和设计，需要考虑以下几个方面的内容：1.风机模型：风力发电机的模型通常由刚性转子、永磁同步发电机和转子侧的变频器组成。

确定风机的机械特性和电气特性，以及风速与输出功率之间的关系，这些参数可以通过实验或者已有的文献进行获得。

在仿真中，可以通过模拟风速和风机负载来测试系统的响应和性能。

2.变频器模型：变频器是双馈风电系统中非常重要的部分，它用于控制发电机的转速和电压。

为了进行仿真研究，需要构建变频器的电路模型，并确定其控制策略和参数。

常用的控制策略包括电压控制和转速闭环控制。

通过仿真可以测试不同的控制策略在不同工况下的性能。

3. 功率电子器件模型：双馈风电系统中包含多个功率电子器件，如变频器中的IGBT、MOSFET等。

需要建立这些器件的模型并确定其参数，例如电容和电感的数值。

这些模型可以通过电路仿真软件进行建立，例如PSCAD、MATLAB/Simulink等。

4.输电网模型：双馈风电系统需要将发电的电能输送到电网中。

因此，需要建立电网的模型，并考虑电网的稳定性和电气参数。

可以根据实际情况设置电网中的节点并确定节点的参数。

通过仿真可以测试风电系统在不同节点工况下的运行稳定性。

在进行双馈风电系统的建模仿真研究和设计时1.在建模过程中，需要准确获取系统参数，例如风机特性曲线、变频器控制参数等。

这些参数对于研究系统的性能和运行特性非常重要。

2.在仿真过程中，可以考虑不同的工况条件，例如不同的风速和负载情况。

通过测试系统在不同工况下的性能，可以评估系统的稳定性和效率。

3.在进行仿真研究时，可以采用不同的控制策略和算法，例如PID控制、模糊控制和最优控制等。

通过比较这些控制策略在系统性能上的差异，可以选择最优的控制方案。

总之，双馈风电系统的建模仿真研究和设计需要考虑风机模型、变频器模型、功率电子器件模型和输电网模型等方面的内容，并进行准确参数的设置和不同工况下的测试。