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双馈风电机组的建模仿真及其等值方法研究

李智才;李凤婷

【摘要】分析了双馈风力发电机组的教学模型及控制模型,基于PSCAD/EMTDC

仿真平台搭建了双馈风力发电机组仿真模型,以阵风和渐变风为例,对风力发电机组

并网运行端口的稳态特性和故障特性做了仿真,能够实现定子侧有功、无功解耦控

制及电压的恒定,验证了所建模型的正确性.在考虑尾流效应的情况下,研究了不同类

型的双馈风电机组等值思路,搭建了等值模型,对其等值前后的稳态、暂态特性进行

对比分析,结果表明了该等值方法的有效性,为大规模并网型双馈机组风电场进一步

研究提供了有力条件.

【期刊名称】《四川电力技术》

【年(卷),期】2012(035)004

【总页数】6页(P10-14,45)

【关键词】双馈风力发电机组;风电场;建模;等值

【作者】李智才;李凤婷

【作者单位】新疆大学电气工程学院,新疆乌鲁木齐830047;新疆大学电气工程学

院,新疆乌鲁木齐830047

【正文语种】中文

【中图分类】TM743

0引言

双馈风力发电机与电网柔性连接，可以根据风速的变化最大限度地捕获风能，也参

与电力系统的无功调节，实现有功、无功功率的灵活控制，而且与转子绕组相连的

变频器容量小，成本较低，已成为风力发电的研究热点和市场主流［1］。建立正

确的双馈风机模型，正确模拟风机的端口特性是进行风机并网运行特性等后续研究

的基础。目前普遍采用的双馈风电机组的建模及控制目标为:通过控制转子侧变流

器，实现双馈电机定子绕组有功功率和无功功率解耦;通过控制网侧变流器，保持

变换器直流电压恒定，交流侧相电压和电流同相位，交流侧相电流为正弦波的控制

目标［2］。

随着风电技术的快速发展，风电场容量逐渐增大，在大型风电场并网系统的仿真分

析中，若对每台双馈风电机组及其控制系统进行详细建模，将导致计算时间长、资

源利用率低。因此，有必要对双馈机组风电场等效等值建模方法进行深入研究

［3］。

这里在PSCAD/EMTDC仿真平台上进行双馈风力发电机组的建模，以阵风和渐变

风为例，对风力发电机组并网运行的端口特性做了仿真分析，验证了模型的有效性。

以此模型为基础，对双馈机组风电场进行等值建模，仿真分析了在稳态、暂态情况

下等值模型的有效性。

1双馈风电机组的数学模型

1.1风力机输出功率和转矩

风力机是用来截获流动空气所具有的动能，并将风力机叶片迎风扫风面积内的一部

分动能转换为机械能，其捕获风能所产生的机械输出功率为［4］

式中，ρ为空气密度;R为叶片半径;V为风速;Cp为风能利用系数。

输出的机械转矩为

式中，ωN为风力机额定机械角速度;PN为风力机的额定功率。

1.2双馈风力发电机的数学模型

三相绕组中各量均对称，定转子绕组均采用电动机惯例，不考虑零轴分量，则两相

同步旋转的dq坐标系下的DFIG数学模型可表示如下［5］。

定子绕组电压方程为

转子绕组电压方程为

其中，usd、usq、urd、urq为定、转子d、q轴电压;isd、isq、ird、irq为定、

转子d、q轴电流;ψsd、ψsq、ψrd、ψrq为定、转子d、q轴磁链;Rs、Rr为定、

转子绕组电阻;ω1为d、q轴坐标系旋转角速度，此时等于同步转速;ωs=ω1－ωr

为d、q轴坐标相对于转子的转差电气角速度，ωr为转子旋转的电气角速度。

2双馈风力发电机的控制模型

双馈风力发电机的控制部分主要是对转子侧和电网侧变换器进行控制，实现最大风

能效率。转子侧变换器的控制目标是实现有功功率和无功功率的解耦控制，从而实

现定子侧输出电压恒定，频率稳定为50Hz;网侧变换器的控制目标是控制交流侧

功率因数，保证直流母线电压恒定［6］。

2.1转子侧变换器的矢量控制

转子侧采用定子磁链定向矢量控制，d轴沿定子磁场方向，定子磁通的q轴分量

为零，则usd=0，usq=Us。忽略定子侧电阻，定子有功功率Ps和无功功率Qs

为

从式(5)可以看出，转子侧的电流分量irq可以控制定子侧的有功功率Ps，转子侧

的电流分量ird可以控制定子侧的无功功率Qs，从而实现了发电机定子有功与无

功的解耦控制［7］。

2.2网侧变换器的矢量控制

网侧采用定子电压定向矢量控制，d轴沿定子电压方向，q轴在旋转方向上超前d

轴90°，则ud=Us，uq=0，进而可以得到电网侧变换器与电网交换的有功与无功

表达式如下。

其中，ud、uq、id、