双馈异步发电机风电场聚合模型研究
变速恒频双馈异步风力发电机建模与仿真研究_王兴武
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。
双馈风电系统的建模仿真研究与设计
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。
双馈异步风力发电机建模与仿真研究
行速度 的 范围 内均 有最佳 风能利 用系数 。 构 图 结
变 速恒频风 电机组 的发 电机部分 多采用 双馈感 如 图 １ 所示 。 应发 电机 。如参 考文献 【】采用 的是 ａ ／ｂ 混 合 ２ ｑａ ｃ 坐标 下的 电机模 型 ， 该模型考 虑 了双馈 电机 转子 绕 组与系 统 问变流 器 的作用 ， 建立 了适用于谐 波分 析
真系统中， 分别建立 了空载发 电机模型和并网发电
－ － － － － ・ —
涡 轮
・
●
的双馈 电机动态 模型 ，但模 型阶数较 高 ； 考文献 参
［】以双 馈 电机 运行机 理为 出发点 ，根据 磁链 、电 ３
－ － — — －
＿． ＿
势、电流 的关系 推导 出双馈 电机 动态 数学模 型 ， 该 模 型结 构简单 ， 需要补 充模拟 转子绕 组励 磁 电压 但 特 性的控制 变量 ， 与发 电机 的电气 受控 变量之 间控
张照彦 ，马永光
（． 北 电力大 学 仿真 与 控制 技 术 研 究所 ，河 北 保 定 ，０ １０ ；２ 华 北 电力 大 学 控 制 与计 算 机 工 程学 院， １华 ７ ０３ ．
河 北 保 定 ，０ １０ ） ７ ０ ３
摘要：阐述 了双馈异步风 力发电机 的工作原理 ，并建立 了双馈异步发 电机的数 学模型；分析研 究了双馈异 步发电机 并网前定子 电压控制与并网发 电后的有功无功控制原理； Ｓ Ａ ・０仿真支撑平 台上建立仿真模 在 Ｔ Ｒ９ 型 ，并进行 了仿真和 实验 ，验证 了双馈异步发 电机模型和控制模型的正确性和有效性。
收稿 日期 ：２ ０ －０ — ２ ０９ ９ ２ 。
双馈感应风力发电机等效物理模型
双馈感应风力发电机等效物理模型下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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双馈风力发电机组建模和运行特性研究的开题报告
双馈风力发电机组建模和运行特性研究的开题报告一、选题背景随着新能源产业的快速发展，风力发电已成为重要的清洁能源之一。
作为风力发电的核心部件之一，风力发电机组的性能和可靠性显得尤为重要。
双馈风力发电机组是目前应用最广泛的一种类型，它采用了双回路控制结构，使得发电机的转速与网电频率同步，可以有效地提高转换效率和输出功率。
然而，双馈风力发电机组的建模和运行特性仍然存在一些问题，例如建模过于复杂、控制策略不够灵活等。
因此，对于双馈风力发电机组的建模和运行特性进行深入研究，对于提高风力发电机组的性能和可靠性具有重要意义。
二、研究内容本研究的主要内容包括双馈风力发电机组的建模和运行特性研究。
具体包括以下方面：1. 双馈风力发电机组的基本原理和结构分析，对双馈风力发电机组的运行特性进行深入研究；2. 基于功率平衡和磁路平衡等原理，建立双馈风力发电机组的数学模型，包括转子侧、电网侧和控制模块等；3. 针对双馈风力发电机组的控制策略进行研究，包括转子侧、电网侧以及整机控制等方面，考虑风速和电网故障等外部因素对控制策略的影响；4. 基于Matlab/Simulink等仿真平台，对双馈风力发电机组的建模和控制策略进行仿真和验证。
三、研究意义本研究的主要意义包括：1. 对于双馈风力发电机组的建模和运行特性进行深入研究，有助于提高风力发电机组的性能和可靠性，促进清洁能源的发展；2. 建立双馈风力发电机组的数学模型和控制策略，为双馈风力发电机组的设计和运行提供理论支持；3. 将研究成果应用于实际工程中，对于提高风力发电机组的效率、稳定性和可靠性具有重要意义。
四、研究方法本研究采用文献调研、数学建模、仿真验证等方法进行研究。
具体进行以下步骤：1. 阅读文献资料，系统了解双馈风力发电机组的基本原理、结构、运行特性和控制策略等；2. 建立双馈风力发电机组的数学模型，并进行仿真验证；3. 针对双馈风力发电机组的控制策略进行研究和实验分析；4. 讨论和总结研究结果，提出进一步研究建议。
双馈异步风力发电系统设计与仿真研究的开题报告
双馈异步风力发电系统设计与仿真研究的开题报告【标题】双馈异步风力发电系统设计与仿真研究的开题报告【研究背景及意义】随着风力发电技术的不断发展和应用，以及对新能源的需求不断增加，风力发电系统已经成为国内外能源领域的热点之一。
双馈异步风力发电系统由于其具有高效性、可靠性和稳定性等优势，已经成为目前风力发电系统中的主流技术之一。
研究双馈异步风力发电系统不仅可以深入了解风力发电技术的各种问题，还可以进一步提高其效率和稳定性，为新能源发电做出更大的贡献。
然而，由于其复杂性和技术难度，目前双馈异步风力发电系统的研究仍然有待深入。
因此，本研究旨在设计并仿真双馈异步风力发电系统，探讨其特性与优化方法，为风力发电技术的发展作出一定的贡献。
【研究内容与方案】1. 分析双馈异步风力发电系统的工作原理和结构特点，探讨其与传统风力发电系统的区别和联系。
2. 设计双馈异步风力发电系统的主要参数和控制策略，建立相应的数学模型。
3. 在Matlab/Simulink环境下进行仿真，分析双馈异步风力发电系统的特性，包括电气特性、动力特性、运行稳定性等。
4. 针对仿真结果进行分析，探讨双馈异步风力发电系统的优化方法，包括控制策略的改进、调节器参数的优化以及系统故障的处理等。
【研究步骤和时间安排】研究步骤分为以下几个方面：第一阶段（1-2周）：查阅相关文献，了解双馈异步风力发电系统的基本工作原理和特点。
第二阶段（2-3周）：设计双馈异步风力发电系统的主要参数和控制策略，建立相应的数学模型。
第三阶段（3-4周）：在Matlab/Simulink环境下进行仿真，分析双馈异步风力发电系统的特性，并针对仿真结果进行优化改进。
第四阶段（1-2周）：总结研究成果，起草论文；制作项目报告和答辩准备。
【研究预期目标】1. 设计和仿真出双馈异步风力发电系统，并对其进行深入的特性分析，包括电气特性、动力特性、运行稳定性等方面，以期深入探索其工作机理和性能指标。
某双馈式异步风力发电机技术改造方案研究
某双馈式异步风力发电机技术改造方案研究文|摆念宗双馈异步发电机是目前风力发电系统中主流的发电机形式之一。
与其他发电机不同，双馈异步发电机通过变频器在转子绕组中施加不同频率的交流励磁电流，以实现定子侧恒定频率的输出。
但由于运行环境恶劣、工况复杂多变，双馈式风力发电机在长期运行过程中会出现各类故障，如定转子绕组接地、匝间短路、绕组断相、轴承点蚀、轴承漏油等。
此外，风力发电机在设计、制造或安装时也会出现问题，如发电机定转子相间不平衡、相间绝缘电阻低、轴承密封不良、轴承润滑不良、转子极间联线以及引出线设计不合理等。
相比于环境因素，这些由设计、制造等环节引发的问题和缺陷大大增加了发电机发生故障的概率，导致现场频繁出现发电机故障甚至损坏的情况，不仅给风电场运维带来极大的困难，大量的故障维修也会造成风电场的电量损失，尤其是更换发电机的周期较长，导致电量损失更多。
高故障率还会导致额外的备品备件费用、大部件更换费用等，从而造成维修成本显著增高。
因此，有必要分析发电机故障原因，并采用针对性的技术改造方案，以提高设备可靠性。
某风电场1.5MW双馈式异步风力发电机，在运行过程中频繁出现各类故障，主要包括转子断相、转子接地、转子相间电阻不平衡、发电机振动、发电机内部漏油等。
通过对各类故障进行诊断分析，发现该型号发电机在轴承绝缘、转子极间联线、发电机轴承油槽密封等方面存在设计缺陷，从而导致风电机组在运行过程中频繁出现同类故障。
本文以该风力发电机为例，探究了导致各类故障的设计缺陷，并针对各种缺陷提出了有效减少发电机故障的技术改进方案。
风力发电机结构及参数国内某风电场风电机组采用1.5MW双馈异步风力发电机，其主要参数如表1所示。
双馈异步发电机主要包括定子系统、转子系统、转轴及轴承、集电环系统、散热系统、润滑系统、前后端盖、机座等。
定子系统主要包括定子绕组和定子铁心，定子三相绕组直接与电网侧连接，对外输出电能。
转子系统主要包括转子绕组和铁心，转子绕组三相交流引出线与集电滑环连接，通过集电滑环与变流器转子侧连接，再由变流器经过AC/ DC和DC/AC变换与电网侧连接。
风力发电系统中双馈异步发电机的仿真研究
收稿日期 : 2005 - 06- 15
)
231 )
性 , 独立调节有功无功 , 深度运 行而不失步 , 特别适 合于风力 发电等场合。本文 将重 点研究 双馈 异步风 力发 电机的 工作 原理 , 建立其数学模 型和仿 真模 型 , 并对其 进行 功能仿 真分 析。
Vqs = R s iqs + Vds = R s ids +
Uqs = Ls iqs + Lm ic qr Ud s = L s id s + Lm ic dr
c c Uc qr = Lr i qr + L m iqs c c Udr = Lc r i dr + L m i ds
( 2)
Ls = Ll s + Lm
c Lc r = Llr + L m
Te = 1 . 5p( Uds iqs - Uqs id s ) Xs = X - Xr = sX
在同步参照系 内 , 假定定 子侧 方向 服从发 电机 惯例 , 而 转子侧服从电动机惯例 , 电机气隙均匀 , 定、 转子绕 组均三相 对称且 Y 型连接。其等效原理如图 1 所示。
2 2 2 [R sLr + ( LsLr - Lm ) s] ids = [ X ( LsL r - Lm ) + XrLm ] iqs + RrLm idr + Xr LrLm iqr + L rvd s - Lm vdr 2 2 2 [R sLr + ( LsLr - Lm ) s] iqs = [ X ( Lm - L sLr ) - XrLm ] ids - XrLrLm idr + Rr i i + L r vqs - Lm vqr m qr 2 2 [R sLr + ( LsLr - Lm ) s] idr = R sLm ids - XrLsLm iqs + [ X (L sLr - Lm ) - XrLsLr ] iqr - Lm vds + L svd r 2 2 [R sLr + ( LsLr - Lm ) s] iqr = XrLsLm id s + RsLm iqs + [ X ( Lm - LsLr ) + XrL sLr ] dr - Lm vqs + L svqr
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ABSTRACT: A single-unit equivalent modeling method for multi wind power generating units in a wind farm under different wind speeds is proposed. Under the same parameters of the generating units and based on the principle that the active and reactive power outputs of the wind farm, the kinetic energy change rate and the loss of the drive trains are kept constant, the equivalent transformation of wind wheel, drive train, generation system and main control system are performed and the computing methods for relevant parameters as well as that for the equivalent wind speed are given. Taking the equality of short-circuit impedances at the point of common coupling (PCC) as the principle, the single-impedance equivalence of power network within the wind farm is carried out. A detailed model of a wind farm composed of four double fed induction generators (DFIG) with rated capacity of 2 MW, which possess the same parameters, and corresponding equivalent model are built, and the output characteristics of the two models during stochastic wind speed and under power grid faults are respectively compared and analyzed by simulation results. Simulation results show that the equivalent aggregated model obtained by the proposed method possesses high accuracy and suits to the modeling of the wind farm composed of DFIG units with same parameters.
目前风电场聚合模型的建模方法主要有分群 法和单机等值法[2-4]。分群法是按照一定的准则对风 电场内的机组进行分群，然后对同群机组进行聚合 等值，最后可得到由多台机组等值的风电场模型。 分群法包括基于支持向量机对具有相近风速的机 组进行分群的方法、基于马尔可夫链统计学的同调 机组分群法、基于变桨距风电机组的桨距角分群法、 基于三维相关系数的矩阵分群法等[2-3]。上述分群法
率点上，实现最大风能捕获。
1.2 传动链模型 风电机组的传动链通常用双质量块模型表示[7]：
⎧⎪Twt − Tmec = J wt ⎪⎪Tmec = Dmec (Ωwt
dΩwt
dt − Ωg
)
+
⎨ ⎪
Kmec ∫(Ωwt − Ωg )dt
(2)
⎪ ⎪⎩Tmec
− Te
=
Jg
dΩg dt
第 39 卷 第 7 期
Cpmax 分别为机组的最佳叶尖速比和风能转换系数
最大值。
图 1 风能转换系数与叶尖速比之间的关系 Fig. 1 Relationship between the wind energy conversion
coefficient and the tip speed ratio
当风速大于额定值时，变桨距风电机组通过调
节叶片的桨距角来限制机组捕获的风能，使机组保
持恒功率输出；当风速低于额定值时，桨距角则保
持在最佳位置(通常是 0 度)，使风力机能够最大限
度的吸收风能。因此，在风速低于额定值时，对风
力机捕获的机械功率有直接影响的机组状态量是
叶尖速比 λ 。由图 1 可知，风能转换系数 CΡ (λ, β ) 随 着 叶 尖 速 比 λ 的 变 化 而 变 化 ， 当 λ = λopt 时 ， CΡ (λ, β ) = Cpmax ，机组运行在当前风速下的最大功
综上所述，风电场内各机组输入风速的差异 直接决定了由分群法得到的风电场聚合模型的复 杂程度和由倍增法得到的风电场单机等值模型的 精度。
因此，针对分群法和单机等值法存在的问题， 本文提出一种新的建立风电场模型的单机等值方 法，可实现对不同风速下、处于不同运行状态的风 电机组的等值聚合，与风电场详细模型在机电暂态 及电磁暂态特性方面有良好的相似性。然后以双馈 风电机组组成的风电场为例，详细阐述相同参数的 风电机组的等值聚合原理以及相应等值风速的计 算方法。最后在 Matlab 软件中建立相应的详细模型 和等值模型，并进行仿真验证，证明本文提出的方 法的有效性。
风电机组的单机等值法主要有 2 种。第 1 种方 法是将风电场内所有发电机用 1 台机等值，而风电 场模型输入的机械功率取各单台机组的机械功率 之和[5-6]。第 2 种方法是根据机组的功率曲线和各台 机组的输入风速来计算风电场模型的等效风速[7-8] 或者直接取风电场平均风速作为等效风速，然后将 该等效风速作为单机输入，最后根据机组的数量倍 乘该单机的输出得到风电场的整体出力，即所谓的 倍增模型。第 1 种单机等值法需要分别计算各台机 组的机械功率并求和才能得到整个风电场的等效 机械功率，从原理上来说该方法并不是用 1 台等效 的风力机模型来代替整个风电场[7]，因此该聚合模 型与实际风电机组模型还是有很大差异的。倍增模 型从本质上说就是将 1 台机组的输出功率放大一定 倍数来等效多台风电机组整体出力，按容量加权等 值对风电机组的参数进行聚合。风力机的有功出力 与机组输入的风速没有简单的线性关系，因此当被 聚合的风电机组的输入风速及自身运行状态量(如 转速、加速度、叶尖速比和桨距角等)不一致时，等 值模型的精度将受到影响。
第 39 卷 第 7 期 2015 年 7 月
文章编号：1000-3673（2015）07-1879-07
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 614 文献标志码：A
Vol. 39 No. 7 Jul. 2015
学科代码：470·4047
双馈异步发电机风电场聚合模型研究
夏安俊 1，鲁宗相 1，闵勇 1，阮佳阳 1，赵俊屹 2，杨超颖 2
（1．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学)，北京市 海淀区 100084； 2．国网山西省电力公司，山西省 太原市 030001）
An Aggregated Model of Wind Farm Composed of Doubly Fed Induction Generators
1880
夏安俊等：双馈异步发电机风电场聚合将风速相近的机组分为一群，当风电场 内风速的水平切变分量较大时，场内不同排风力机 的风速将存在较大差异，同时由于尾流效应的存在， 同排风力机的风速也很难保证一致，从而导致风电 场内机组分群数量的增加。采用该方法得到的风电 场聚合模型的复杂程度取决于机组的分群数量，而 分群数量又由外部风速所决定，因此该方法存在的 根本问题是模型输入条件与模型本征结构强相关 而难以达到常规建模的目标，没有解决不同输入风 速的风电机组的聚合问题。
1 双馈风电机组详细模型
双馈发电机模型主要包括：风轮模型、传动链
模型、发电机及变流系统模型和控制系统等。
1.1 风轮模型
风力机从外界自然风中捕获的机械功率为
Pmech
=
1 2
ρ
ACP (λ, β
)v3
(1)
式中：Pmech 为风轮捕获的机械功率；ρ 为空气密度；
A 为风轮的扫风面积；CP (λ, β ) 为风能转换系数，λ
关键词：风力发电；双馈风电机组；风电场；等值建模；聚 合模型 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.07.018
0 引言
随着并网风电容量的增加，风电场的动态特 性将对电力系统产生较大影响。为了研究包含大 规模并网风电的电力系统的动态特性，需要建立合 适的风电场模型。目前，风电场的建模方法主要有 2 大类[1]：1）详细模型，即由各台风电机组模型 和风电场内输电线路和变压器等组成的全仿真模 型。2）风电场聚合模型，即在电力系统研究中用 单台风电机组来等效整个风电场，使其外特性一致。 详细模型由于包含了风电场内所有的风电机组以 及大量的输电线路等，因此其阶数及时域仿真所需 时间将随着机组数量的增加而增加。而风电场聚合 模型则是将风电场看成一个整体，用单台等值模型 来模拟风电场的稳态和动态特性，可降低风电场模 型的阶数及仿真的计算量。
基金项目：国家 863 高技术基金项目(2011AA05A103)。 The National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(2011AA05A103).
含 4 台参数相同的 2 MW 双馈风电机组风电场详细模型和 相应的等值模型，通过仿真分析分别对比这 2 种模型在随机 风速和电网故障情况下的输出特性。结果表明，该方法得到 的等值聚合模型具有很高的精度，适用于具有相同参数双馈 风电机组的风电场建模。