基于MATLAB的风电场建模仿真研究

基于MATLAB的风电场建模仿真研究

范荣

国网山西省电力公司忻州供电公司山西忻州034000

摘要：如今随着风力发电迅速发展和风电场规模不断的扩大，风电场已经成为电力系统的重要组成部分，但是风力发电的随机性和间歇性对接入电力系统的影响也越来越大，因此建立符合实际情况的实用风电场模型非常重要。本文分析了双馈异步风力发电机组各个环节的数学模型，包括风速、风力机、传动系统、变桨距控制和发电机等数学模型，从而构建基于双馈异步风力发电机组的风电场详细模型。根据假设风电场整体风速变化和尾流效应造成风速差异两种情况分别对风电场进行分析，对风力发电机组进行组合并简化，从而构建风电场的两种简化模型。利用MATLAB仿真工具建立风电场的仿真模型，通过仿真分析，对比风电场详细模型和简化模型来说明不同情况下简化模型的准确性与适用性。

关键词：风力发电；双馈异步风力发电机；风电场；建模仿真

0引言

风电是目前世界上增长最快的能源，风电技术是可再生能源中最成熟的一种能源技术。风电由于清洁、环保、安全，取之不尽，用之不竭的特点，世界各国都把风能开发与利用作为一项极其重视的发展领域。大型风力发电机的单机装机容量也由原来的几十千瓦发展到现在的数兆瓦以上，导致了大量集中型风电场的出现。风电系统结构较简单，建设周期较短，可实现孤岛和并网两种运行方式，所以风电是新能源中发展最快的能源，并且世界各国都将风能作为新能源发展的首选，各种风力发电研究课题、风电设备制造及并网标准不断提出[1]。

随着风电场装机容量的不断增大及并网后容量占电网电源比例的不断提高，对电力系统的影响越来越大。因此首先从风电场建模开始，深入研究风电场的特性及其对电力系统电能质量、安全稳定性的影响，对风电大规模发展和并网都有着非常重要的指导意义。

1风力发电机组的发电原理和数学模型

1.1发电机理

风能转换系统主要包括起支撑作用的塔架、起风能的吸收与转换作用的风力机、起连接作用的传动系统（轮毂、齿轮箱、连轴器）、将机械能转换成电能的发电机。风力发电的基本过程概括为：自然风吹转桨叶，从而风力机采集风能转换成机械能，然后通过传动系统将机械能送至发电机的转子，带动转子旋转进行发电，实现机械能转换成电能，最后将风电场发出的电能接入电力系统[2]。

1.2风速模型

为了能比较准确地描述风能的随机性和间歇性，风速变化用基本风，阵风，渐变风和随机风四种风速分量来模拟。基本风是反映风电场平均风速的变化。风力发电机的输出主要取决于基本风的变化。阵风是反映风速突然波动的特性。在电力系统动态分析中，通常用它来实现系统在较大风速变化情况下的动态性能。渐变风分量是描述风速的渐变特性随机风是描述风速变化的随机特性。

1.3双馈异步风电机组数学模型

自然风是风力机的原始动力。风力机从风中获取功率，将风能转换成机械能。

PW=0.5πR2Pv3Cp（λ，β）（1.1）（1.1）

式中：PW是风力机从风中获取的功率；R是风轮半径；ρ空气密度；V是风速；CP是为风能利用系数；λ是叶尖速比；β是桨距角。

考虑到坐标表变换前后磁势关系不变、功率不变原则，在同步坐标系下双馈异步发电机电压方程模型（1.2）所示。其磁链方程、电磁转矩方程、定子绕组有功和无功功率参考文献[3]可得出相关公式。

（1.2）

2风电场模型及仿真分析

2.1MATLAB/Simulink简介

MATLAB是一款数学计算软件，可用于科学研究、工程设计等诸多领域。将数值分析、矩阵计算以及非线性动态系统的建模和仿真等功能集成在一个易于使用的视窗环境中，方便用户完成算法开发、数值计算、数据分析、创建用户界面等任务。Simulink是MATLAB的核心组件之一，它为用户提供了一个实现动态系统建模、仿真和分析的集成环境。本文的仿真使用MATLAB仿真软件中的Simulink组件完成了相关模型的搭建，并对仿真结果进行分析。

2.2风电场详细模型[4]

风电场常常由几十台到上百台风力发电机组成，如果对每台风力发电机组都进行建模，不仅使整个风电场模型变得很复杂，而且在仿真研究时，仿真时间长，占用内存很大，这样仿真分析就变得困难。

本文用于研究的风电场详细模型接线图如图1所示，风电场由三排四列共12台双馈异步风力发电机组组成，双馈异步风电机组参数相同，同一列的风力机接收风速相同，端口升压电压器变比为0.69/35KV,风电场出口升压变压器变比为35/110KV,风电场并入110KV的电网。

图1风电场详细模型

3风电场模型仿真分析

3.1风电场模型简化建模[5]

对于给定系统，进行风电场模型的简化，本文只研究一种简化模型，模型采用标幺值系统。风电场简化模型如图2所示。在考虑误差较小时，可以认为风电场同一分区风速相同，发电机运行相同。考虑尾流效应的影响，风速从第一列向后逐渐递减。风速差异导致风电机组处在不一样的运行情况上，则风电场的功率输出也就不一样。由此可通过单台风力机对单台发电机来等效，这不仅简化了风电场模型，还有利于对风电场接入系统分析问题。

图2风电场简化模型

4.2仿真结果分析

假设整体风电场由12台2MW的双馈异步风力发电机组构成，假设额定风速为12m/s，额定转速为1.2倍同步转速，转子转速范围在0.7～1.3倍同步转速之间。不考虑尾流效应的影响，只考虑整体风速变化对风电场输出的影响。整个风电场可以等效为一台风力机对应一台发电机，则适用该情况的风电场模型是简化模型。进行仿真分析，结果如图3所示。

图3风电场输出

由图3可知，在不考虑尾流效应[6]的影响时，只考虑整个风电场风速变化时，详细模型与简化模型仿真输出结果十分相近。因此，对于风电场尾流效应影响较小情况下，能够用简化模型取代风电场详细模型来进行研究。

4总结

本文分析了双馈异步风力发电机组各个环节的数学模型，包括风速、风力机、传动系统、变桨距控制和发电机等数学模型，从而构建基于双馈异步风力发电机组的风电场详细模型。根据假设风电场整体风速变化和尾流效应造成风速差异两种情况分别对风电场进行分析，对风力发电机组进行组合并简化，从而构建风电场的两种简化模型。利用MATLAB仿真工具建立风电场的仿真模型，通过仿真分析，对比风电场详细模型和简化模型来说明不同情况下简化模型的准确性与适用性。

参考文献：

[1]钟步青.浅谈同步电动机的特点与启动[J].华北电力技术,1986(6):27-32.

[2]李兵强,吴春,林辉.基于参考输入学习的永磁同步电机高精度位置伺服系统[J].中国电机工程学报,2012,32(3):96-102.

[3]杨秀媛,肖洋,陈树勇.风电场风速和发电功率预测研究[J].中国电机工程学报,2005,25(11):0-0..

[4]马少康,耿华,马进,等.双馈型风电场详细模型建模方法[J].电工技术学报,2017,32(s1):1-10.

[5]杨晓波,岳程燕,谢海莲.用于电磁暂态仿真分析的永磁同步发电机风电场模型聚合方法[J].电网技术,2011(2):115-120.

[6]DongL,LiF,LiuQ,etal.MATLABToolboxesforReferenceElectrodeStandardizationTechnique(REST)ofScalpEEG[J].FrontiersinNeuroscience,2017,11.