直驱式风力发电机的建模与并网仿真分析

在世界经济发展对石油、煤炭过度依赖,而传统一次能源日益枯竭的情形下,大力发展可再生清洁能源成为国际社会解决能源问题的主要途径,其中具有取之不尽、分布广泛、绿色清洁等优点的风电得到了更多关注。然而,风能固有的随机性和间歇性使得风力发电机成为不稳定电源又成为制约风电场大规模并网的主要因素。 近年来随着电力电子技术飞速发展,器件成本不断降低,直驱永磁同步风力发电机(Directly driven wind turbine with Permanent Magnet Synchronous Generators)在风电市场中占据越来越多的份额。这种机型采用永磁同步发电机,经全功率变流器并网,与传统的异步风力发电机和双馈风力发电机有着本质的区别。因此,建立直驱式风力发电机的模型并分析其特性,成为近两年内研究的热点。 本文详细介绍了直驱式风力发电机的数学模型以及双PWM变流器的控制策略,通过仿真分析了D-PMSG的动态特性；根据风速的随机性建立了风电场的稳态模型并计算系统潮流,分析风电场并网对系统电压的影响。具体研究内容如下： (1)研究了阵风、渐变风和随机风的数学模型,介绍了风能转换基本原理、风力机模型和桨距角控制策略,通过Simulink仿真得到风能利用系数与桨距角、叶尖速比的关系曲线,在此基础上详细阐述最大风能捕获原理。 (2)建立了永磁发电机、PWM变流器和直流环节的数学模型以及双PWM变流器的控制策略。根据永磁电机定子电压方程和磁链方程,发电机侧变流器采用转子磁场定向、网侧变流器采用基于电网电压定向矢量控制方法,实现了有功分量和无功分量的解耦控制,并在Matlab/Simulink平台中搭建了包括风速、风力机在内的整个系统的仿真模型。 (3)对直驱式风力发电机在阵风、渐变风以及电网电压跌落和电网短路故障情况下的动态性能进行了仿真,仿真结果表明：所搭建的模型可以很好地反映系统的动态响应；风速扰动对发电机、直流电容电压、网侧变流器电流均有影响,但影响有限；电网电压跌落和三相短路故障下,发电机各物理量变化很小,网侧变流器电流和直流电容电压波动很大；故障不会影响发电机的正常运行,但会对网侧变流器和直流电容产生危害,需要采取相关限制措施加以保护。 (4)结合直驱式风力发电机的功率特性建立了风电场的稳态模型,以IEEE-24节点测试系统为例,考虑风速的变化和风电场接入位置的不同,计算系统潮流,在此基础上分析风电场并网对系统电压的影响。结果表明,系统电压随风电场的出力和接入位置的不同而有差别,因此风电场在前期规划时要合理选址。