【风力涡轮发电机】用于电磁暂态(EMT)研究的第四类(即全变流器)风力发电机系统的通用模型研究（Simulink仿真实现）

原创于 2025-11-23 00:39:35 发布 · 765 阅读

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💥1 概述

风力涡轮发电机用于电磁暂态（EMT）研究的第四类（全变流器）风力发电机系统通用模型研究

这是一种用于电磁暂态（EMT）研究的第四类（即全变流器）风力发电机系统的通用模型。它基于[1]中发表的工作，代表了一个具有直接耦合（无齿轮）和外部励磁同步机的风力发电机系统。全变流器系统由六脉波二极管整流器、直流-直流升压变换器和双电平电压源变流器（VSC）组成。同步发电机的励磁控制利用连接到全变流器系统的直流环节的降压变换器。

这是一个混合模型（HM），意味着它包含平均和开关等效电路的组合，以代表功率电子级，并允许使用50微秒的时间步长进行仿真，从而优化计算时间。

包含有关模型的有用信息以及两个关注故障穿越（FRT）性能的仿真示例的简短文档文件已包括在内。

如果选择FRT-Mode 1模式，那么风力涡轮发电机将在故障期间尝试通过注入与电压偏差成比例的额外无功电流来支持电网。在欠压穿越（UVRT）和过压穿越（OVRT）期间的额外无功电流量分别由模型掩模中设置的k_UVRT和k_OVRT控制增益来控制。此外，FRT-Mode 1还在FRT期间优先考虑无功电流注入而不是有功电流注入。如果选择FRT-Mode 2，风力涡轮将保持连接并穿越故障，同时将其有功和无功电流设定为零。在此模式下，一旦涡轮检测到电压已恢复，它将根据分别为有功和无功部分设定的预定义斜坡率恢复其电流参考值。此外，可以单独设置延迟时间来初始化这些斜坡。无论使用的是哪种FRT模式，模型中必须设置最大FRT时间以考虑实际硬件约束。如果超过这个时间，将向连接在涡轮端子处的三相断路器发送一个开断信号，因此将风力涡轮与电网断开连接。

混合模型（HM）版本包含了平均和开关等效电路的组合，基于开关功能来表示一些功率电子级。它允许使用更大的时间步长进行仿真，从而实现更快的计算速度。平均模型用于表示降压变换器和电网侧的两电平VSC系统。升压变换器通过开关功能电路进行建模。关于这些电路的开发细节也可以从[1]中提取。建议为该模型版本设置仿真时间步长Ts为50微秒（请参见模型属性中的InitFcn回调）。注意：为了在稳态下开始仿真，与稳态条件对应的模型状态已保存在xInitial_WPP.mat文件中。确保xInitial_WPP.mat文件位于相同的工作文件夹中。当开始仿真时，此文件将被自动加载（请参见模型属性中的InitFcn回调），并且保存在xInitial_WPP结构中的初始状态将被设置（请参见配置参数中的初始状态参数）。如果更改或修改文件名（通过更改图表或配置参数），您将收到错误消息“无法加载指定的初始状态...”。为了更新初始状态，您需要执行以下操作：1）取消选中初始状态参数并进行第一次仿真以达到最终稳态条件；2）重新生成.mat文件（>> save xInitial_WPP xInitial_WPP）；3）选中初始状态参数以使用新的xInitial_WPP。详细文档见第4部分。

一、引言

随着风力发电技术的快速发展，电磁暂态（EMT）研究在风力发电机系统的设计与优化中扮演着越来越重要的角色。第四类风力发电机系统，即全变流器风力发电机系统，因其通过全功率变流器实现风能捕获与电网接入的解耦，能够灵活控制输出功率与电压特性，成为当前研究的热点。本文旨在介绍一种用于电磁暂态研究的第四类风力发电机系统的通用模型，该模型基于Simulink仿真平台实现，为风力发电机系统的电磁暂态研究提供有力支持。

二、模型概述

系统结构：
- 全变流器风力发电机系统由风力机、传动装置、发电机、全变流器（包括六脉波二极管整流器、直流-直流升压变换器和双电平电压源变流器（VSC））以及电网连接部分组成。
- 同步发电机的励磁控制利用连接到全变流器系统的直流环节的降压变换器实现。
模型特点：
- 该模型为混合模型（HM），包含平均和开关等效电路的组合，以代表功率电子级。
- 允许使用50微秒的时间步长进行仿真，从而优化计算时间。
- 适用于电磁暂态研究，能够准确模拟风力发电机系统在电网故障等暂态过程中的动态响应。

三、模型组成与实现

风力机模型：
- 风力机模型考虑了风速、风向以及叶片角度等因素对风能捕获的影响。
- 通过调整叶片角度，实现最大风能追踪（MPPT）控制，提高风能利用效率。
传动装置模型：
- 传动装置模型采用两质量块轴系模型，分别代表风力机和发电机的转动惯量。
- 考虑了轴的刚度系数和扭转阻尼系数，以准确模拟传动系统的动态特性。
发电机模型：
- 发电机模型采用同步发电机模型，考虑了定子电阻、电感以及励磁绕组和阻尼绕组的电阻和电感等参数。
- 通过励磁控制实现发电机输出电压和频率的稳定。
全变流器模型：
- 全变流器模型包括六脉波二极管整流器、直流-直流升压变换器和双电平VSC。
- 整流器将发电机输出的交流电转换为直流电，升压变换器提高直流电压等级，VSC将直流电转换为交流电并接入电网。
- VSC采用电压源控制策略，实现有功功率和无功功率的独立控制。
电网连接模型：
- 电网连接模型考虑了电网电压、频率以及相位等因素对风力发电机系统的影响。
- 通过模拟电网故障等暂态过程，研究风力发电机系统的动态响应和稳定性。

四、故障穿越（FRT）性能

FRT模式：
- 模型提供了两种FRT模式：FRT-Mode 1和FRT-Mode 2。
- 在FRT-Mode 1下，风力涡轮发电机在故障期间尝试通过注入与电压偏差成比例的额外无功电流来支持电网。
- 在FRT-Mode 2下，风力涡轮将保持连接并穿越故障，同时将其有功和无功电流设定为零。
控制增益：
- 在欠压穿越（UVRT）和过压穿越（OVRT）期间，额外无功电流量分别由模型掩模中设置的k_UVRT和k_OVRT控制增益来控制。
- 通过调整这些控制增益，可以优化风力发电机系统在故障期间的动态响应和稳定性。

五、仿真结果与分析

稳态性能：
- 在稳态条件下，模型能够准确模拟风力发电机系统的输出功率、电压和频率等参数。
- 通过与实际风力发电机系统的对比验证，证明了模型的准确性和可靠性。
暂态性能：
- 在电网故障等暂态过程中，模型能够准确模拟风力发电机系统的动态响应和稳定性。
- 通过仿真分析，研究了不同FRT模式和控制增益对风力发电机系统暂态性能的影响，为风力发电机系统的设计与优化提供了有力支持。