摘要：以双馈风力发电机组为例，采用面向物理对象的建模方法，基于Modelica语言的仿真软件MWorks搭建了双馈风力发电系统的仿真模型，得到发电机功率、发电机转子转速、发电机电磁转矩、风力机转速、发电机输出电压和输出电流等重要参数曲线，为风力发电机的研究提供了模型基础。
关键词：感应双馈；风力发电机；建模；仿真
一、引言
风能作为一种清洁的可再生能源，在当今能源短缺和环境问题日益突显的情形下，利用可再生能源发电备受关注，风力发电就是其中的一种。我国风力资源丰富，利用风力发电是当今时代的发展需要。然而，由于可再生能源具有间歇性和随机性特点，而且随着风电技术的快速发展，并网装机容量的不断增大，因而保证风电并网后电力系统的安全运行已十分重要。
二、双馈风力发电系统的数学模型
按照发电机的运行特征，风力发电系统分为恒速恒频和变速恒频两大类。随着电力电子技术的发展，双馈异步发电机形式是目前广泛采用的发电机形式，通过电力电子变换器实施转子交流励磁，其定子、转子均可以向电网馈电，故简称双馈发电机。在运行特性上，双馈发电机兼有异步、同步发电机的双重特性。这种双重特性使得双馈风力发电系统具有发电高效优质、并网快捷安全的特性，且能参与系统无功功率调节，进而提高整个系统的稳定。
风速的数学模型。通常风力变化的时空模型采用基本风、阵风、渐变风及随机风的组合模式，以便更精确地描述风能的随机性和间歇性：
v=v′+vg+vr+vn
式中：v′为基本平均风速；vg为阵风风速；vr为渐变风风速；vn为随机风风速。
风轮数学模型。变桨距风力机的结构特点是风轮的叶片与轮毂通过轴承连接，需要功率调节时，叶片就相对轮毂转一个角度，即改变叶片的桨距角。当桨距角逐渐增大时，CPmax曲线向下移动，即CP随之减小。因此，调节桨距角可以限制捕获的风电功率。发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片桨距角，将发电机的输出功率限制在额定值附近。3）轴系数学模型。风机发电机的变速装置主要由低速轴、高速轴和齿轮箱构成。根据对轴系的不同等效方案和建模方法可将风力发电系统的轴系分成集中一质量块模型、二质量块模型和三质量块模型。4）发电机数学模型。双馈异步发电机组采用双馈感应发电机，由定子绕组直连定频三相电网的绕线型感应发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成。
三、基于MWorks的双馈风力发电系统建模及仿真
2.1、基于MWorks的双馈风力发电系统建模
1）风速模型。本文主要研究的是在恒风速和渐变风的条件下的双馈风机发电系统特性，所以可直接使用源模块建立风速模型，分别为恒风速和渐变风速模型。2）风力机模型。风力机模块是风力发电系统的关键模块，它将风能转化为机械能并输出，转化效率与最大风能利用系数Cp有关，根据变桨距风力机特性曲线及式（2）给出的Cp表达式，可以在MWorks中建立双馈变速风力发电机的Cp模型，再根据风力机的功率公式及转矩公式，可以得到风力机的模型结构。
风力机模型是一个非常直观的模型，风力机的输出端通过Torque模块与定义好的法兰端子相连，输出到轴系模型，然后驱动发电机运转。这与实际的风力发电系统的运行过程是一致的，对象之间传递的是物理量，也就是说不论是定速风机还是双馈风机，均可连接该法兰端子，这就大大提高了风力机模型的重复利用性，不需要对不同风力机的相同模块重复建模，这是采用MWorks建模的一大优势所在。
轴系模型。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆MWorks具有模型直观的优点，因此，可以非常直观地呈现机械传动轴，这也就是它在机械领域广泛应用的原因之一。根据前面对轴系数学模型的介绍，可以得到两质量块刚性模型：在两质量块模型中，中间元件为齿轮，左、右两轴都是通过法兰盘为端口左、右连接，直观简洁。
2.2、基于MWorks的双馈感应风力发电系统仿真实验
本实验着重对低风速下的启动动态特性进行仿真，低风速为6m/s以下，高风速为8m/s以上，这里只模拟发电机在低风速下的启动运行特性，将发电机放在单机无穷大电力系统下进行仿真。参数设置：风力机半径R=5m，空气密度ρ=1.25kg/m3，风力机的切入风速为3m/s，切出风速为25m/s；传动系统使用质量块的刚性轴承模型，传动比为v=10，风轮的转动惯量Jr=10kg•m2，发电机的转动惯量Jg=0.018kg•m2；发电机额定功率为Pg=5.0kW，额定转速n=1000r/min，定子电阻Rs=0.5Ω，转子电阻Rr=0.85Ω，定子电感Ls=0.0035H，转子电感Lr=0.0035H，互感Lm=0.1H，极对数Pn=3。
通过仿真结果可以看出：1）稳定运行时，双馈发电机均稳定在5000W的输出功率；2）启动时，发电系统功率急剧增加，伴随发电机电磁转矩的增大，而后发电机速度变化趋于缓和，电磁转矩逐渐减为0，最后为负，这时发电机向电网馈送电能，进入发电状态；恒定风速下，双馈风力发电系统进入发电状态的速度较快，这也是双馈风力发电系统能够更好适应风速变化环境的原因；3）启动时，发电机电流需经过约0.2s后方能达到三相对称，而电压在启动瞬间就已经达到三相对称。
3.1、经济性
很多风电场风速变化频率高，风速不稳定，致使风场风机频繁起停，并网开关频繁动作，一年动作次数可达 4000 次左右，这种情况下风机运行 3～4 年后，并网开关的寿命就达到极限值，需要对其更换。以一台并网开关 4.5 万元计算，在风机 20 年设计寿命中需要更换 4 次以上并网开关，至少需要花费 18 万元费用，如果再加上因并网开关故障而导致的备件损坏、相关维护费用以及发电量的减少，风电场的经济损失将会更大。而安装一台新的并网开关以及加装一个并网接触器的费用仅在 8 万左右，因此对于风电场来说，至少节省 10万元左右。
3.2、实用性
并网开关动作频繁，容易出现故障。储能电机以及合闸线圈因并网开关频繁的动作容易出现烧损现象，而机械机构具有一定的疲劳强度，频繁动作后容易出现机械磨损甚至机构松脱的现象，因此加装并网接触器后，并网开关动作将大大减少，随之产生的维护费用及故障次数也大大降低。
3.3、安全性
并网开关频繁动作使得机械机构存在疲劳问题，除了一般性故障，并网开关存在最严重的故障为不能分闸或延时分闸，这种情况下可能会造成重大故障，严重时将会造成变频器功率柜全部损毁，甚至会出现发电机损坏及风机超速倒塔的情况。加装并网开关接触器，则使这种情况大为减少。
四、结束语
随着风力发电机研发水平的不断提升，早期风力发电机组所采用的单并网开关并网方式已不能满足风电场日益发展需要，加装并网接触器后，并网接触器作为风机主要的并网元件，并网开关作为后备保护，实现两级控制，安全可靠性得到极大的提高。
参考文献:
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论文作者:李学宝
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/10
标签：发电机论文; 风速论文; 模型论文; 风力论文; 风力发电论文; 系统论文; 接触器论文; 《电力设备》2019年第3期论文;