基于级联型变流器的风力发电系统模拟研究

　　0 引言

　　近几十年来，随着风电技术的进步，单机容量越来越大，但由于风力机系统的控制非常复杂，要提高其控制性能，进行风力发电技术的研究，最理想的实验方法是将发电机与风机直接相连，但是这样的实验既耗时间又浪费金钱。所以针对实验室环境研究而言，往往需采用计算机仿真技术，对实际的风力机、风力发电机等进行仿真模拟，并不断修正改进控制策略，以提高风力发电机组实际环境下的运行性能。因此对风力发电机组进行模拟仿真研究，具有重要的现实意义。

　　目前，关于风力发电的实验室模拟系统，可以划分为直流电机模拟试验系统和交流电机模拟试验系统。在以交流电机作为原动机的模拟试验系统中，目前的模拟方法大都只能实现稳态模拟，即使有动态模拟的，也都是直接模拟气动转矩，让原动机输出转矩与风轮气动转矩相等。本文提出一种基于异步电动机直接转矩控制的风力机风轮动态模拟方法。这种模拟方法是通过模拟风力机风轮的加速度来达到模拟风力机的目的。采用该方法，模拟不同的风力机风轮不需要更换复杂的机械联动装置，直接更改软件参数就可以实现动态的模拟风力机风轮。

　　1 风力机和风速模型

　　1.1 风力机模型

　　在现实实验中，风力机模型可用其输入风力转矩特性来描述，

　　式中：Ta为风轮产生的气动转矩，N·m;p为空气密度，kg·m-3;A为桨叶扫掠的面积，m2;R是风轮半径，m;CT(λ)为风轮转矩系数;λ为叶尖速比;v为风速，m·s-1。

　　根据文献所述，风轮转矩系数随角速度的变化而变化且呈非线性关系。CT(λ)曲线的峰值为系统稳定和不稳定的分界点，在最大风能捕获时应考虑不要越过此点进入不稳定区域。

　　假设风轮的惯量为Ja，kg·m2;阻力系数为Da，kg·m2·s-2。转动角速度为ωa，rad·s-1。等效阻力矩为Tc，N·m;输出转矩为TL，N·m;则

　　1.2 风速模型

　　根据文献所述，风速由四部分组成，即基本风速，渐变风速，阵风和噪声风。其中基本风速用于描述特定风场的稳态能量，渐变风用于描述风场稳态能量随时间的缓慢变化过程，阵风和噪声风用于描述风场风能的扰动和不确定因素。在MATLAB/simulink中，由于白噪声与风速的相似性，故用下列方程来代表风速：

　　式中：vwind是模拟的风速;m(t)是白噪声;Tv=9sec是时间常数;a=10.5m/s时是基本风速。建立了风速发生器仿真模型，由风速发生器产生的随机风波形如图l所示。

　　2 设计方案及仿真研究

　　2.1 模拟思想

　　关于风力发电的实验室模拟系统，根据系统所具有的特性不同，又可划分为静态特性模拟系统和动态特性模拟系统。风力机的静态模拟离风力发电机的真实运行情况相差较大，不利于控制系统动态特性研究。目前，对风力发电机动态特性的模拟主要有两种方式：其一是通过附加硬件进行模拟;其二是通过计算机软件进行模拟。