PSCAD∕EMTDC環(huán)境下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模與仿真

PSCAD∕EMTDC環(huán)境下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模與仿真雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的變速發(fā)電機(jī)組。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為了一種越來(lái)越受歡迎的新能源利用技術(shù)，使得人們更加關(guān)注風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模和仿真問題。PSCAD/EMTDC是一種全球領(lǐng)先的電力系統(tǒng)仿真軟件，能夠用于對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。本文將重點(diǎn)探討如何在PSCAD/EMTDC環(huán)境下對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行建模和仿真，并對(duì)其相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行分析。

一、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、變速器、發(fā)電機(jī)輪軸、發(fā)電機(jī)架、液壓油箱、控制系統(tǒng)等部件組成。其中，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)是核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。


圖1雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

在雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子是由銅棒繞成的圓筒形結(jié)構(gòu)，采用了較小的磁阻，使得旋轉(zhuǎn)時(shí)損失較小。另外，在繞線方面采用非對(duì)稱繞組設(shè)計(jì)，使得轉(zhuǎn)子與定子之間的轉(zhuǎn)子電勢(shì)異步，從而使得轉(zhuǎn)矩?fù)p失減小。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于具有較高的效率和較低的成本，從而使得其成為獲得很大發(fā)展的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理如下：當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)葉葉片中的動(dòng)能通過(guò)風(fēng)機(jī)主軸、減速器傳遞給發(fā)電機(jī)組。葉片通過(guò)變速器轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子并與定子形成轉(zhuǎn)子磁通，因而在定子中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的轉(zhuǎn)換。此時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，輸出電能的頻率與電網(wǎng)電能頻率相同。在此基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)通過(guò)變頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)將發(fā)電機(jī)的輸出電壓調(diào)制到合適的頻率，并注入到電網(wǎng)中。

二、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的PSCAD/EMTDC建模

在PSCAD/EMTDC中，建模分為磁場(chǎng)分布模型和仿真模型兩個(gè)部分。其中，磁場(chǎng)分布模型是用于描述發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)分布的模型，仿真模型則是用于模擬發(fā)電機(jī)的整體工作過(guò)程的模型。以下是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在PSCAD/EMTDC中的建模方法：

1.磁場(chǎng)分布模型

在PSCAD/EMTDC中，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)分布模型可以采用有限元方法（FEM）或邊元方法（BEM）來(lái)進(jìn)行磁場(chǎng)分析。具體方法如下：

（1）有限元方法

有限元方法是一種常見的磁場(chǎng)分析方法，其主要步驟包括：建立磁場(chǎng)分析模型、建立網(wǎng)格模型、求解電磁場(chǎng)分布、計(jì)算磁場(chǎng)參數(shù)等。在PSCAD/EMTDC中，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)挠邢拊椒ㄜ浖?，可以得到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在各種工況下的電磁場(chǎng)分布等相關(guān)參數(shù)。

（2）邊元方法

邊元方法是一種基于幾何邊界的磁場(chǎng)分析方法，其主要步驟包括：建立幾何模型、劃分邊界、確定邊界條件、計(jì)算磁場(chǎng)分布等。在PSCAD/EMTDC中，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)倪呍椒ㄜ浖?，同樣可以得到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在各種工況下的電磁場(chǎng)分布等相關(guān)參數(shù)。

2.仿真模型

在進(jìn)行仿真模型建立前，需要先將雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型的各參數(shù)逐一設(shè)定，并將其配置到合適的電路圖中。一般而言，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型的參數(shù)包括發(fā)電機(jī)的容量、直軸轉(zhuǎn)速、安裝高度、機(jī)組類型等。在此基礎(chǔ)上，可以搭建以雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)為核心的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并對(duì)其進(jìn)行PSCAD/EMTDC仿真分析。具體操作步驟如下：

（1）雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型的配置

在PSCAD/EMTDC中，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型需要進(jìn)行如下配置：選擇合適的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型、設(shè)置模型參數(shù)、選擇模型電路圖等。具體來(lái)說(shuō)，可以在PSCAD/EMTDC仿真軟件中打開雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型，并將其配置到相應(yīng)的電路板中。

（2）風(fēng)力機(jī)模型的配置

在電路板中配置風(fēng)力機(jī)模型的基本操作包括：選擇合適的風(fēng)力機(jī)模型、設(shè)置模型參數(shù)、連接建模等。具體來(lái)說(shuō)，可以在PSCAD/EMTDC仿真軟件中打開風(fēng)力機(jī)模型，并將其連接到相應(yīng)的電路板中。

（3）控制系統(tǒng)模型的配置

在PSCAD/EMTDC中，控制系統(tǒng)模型的配置包括選擇模型、設(shè)置模型參數(shù)、設(shè)置模型電路圖等。具體來(lái)說(shuō)，可以在PSCAD/EMTDC仿真軟件中打開控制系統(tǒng)模型，并將其配置到相應(yīng)的電路板中。

（4）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真

在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真前，需要先為電路板設(shè)置仿真時(shí)間，然后在仿真界面中按下仿真按鈕開始仿真。這將會(huì)顯示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的所有參數(shù)以及輸出功率等電力參數(shù)，是研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能的關(guān)鍵步驟。

三、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真分析

在PSCAD/EMTDC環(huán)境下對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行建模和仿真后，我們可以對(duì)其相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行分析。以下是對(duì)三個(gè)最為關(guān)鍵的性能指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析：

1.風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作時(shí)最為重要的性能指標(biāo)之一。在PSCAD/EMTDC仿真軟件中，可以通過(guò)查看風(fēng)力機(jī)的輸出功率、機(jī)組轉(zhuǎn)速等參數(shù)來(lái)分析雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。如圖2所示，這是一張雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率曲線圖。


圖2雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率曲線

由圖2可以看出，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率曲線呈現(xiàn)出非線性變化的趨勢(shì)，同時(shí)與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、機(jī)組轉(zhuǎn)速等參數(shù)有關(guān)。

2.發(fā)電機(jī)輪軸扭矩

發(fā)電機(jī)輪軸扭矩是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的另一重要性能指標(biāo)。在PSCAD/EMTDC仿真軟件中，可以通過(guò)查看發(fā)電機(jī)的輸出電功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)來(lái)分析發(fā)電機(jī)輪軸扭矩的變化。如圖3所示，這是一張雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電功率曲線圖。


圖3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電功率曲線

由圖3可以看出，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電功率曲線呈現(xiàn)出非線性變化的趨勢(shì)，同時(shí)與發(fā)電機(jī)輪軸扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)有關(guān)。

3.電網(wǎng)實(shí)際功率和無(wú)功功率

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電功率具有時(shí)變性，主要與風(fēng)速、機(jī)組狀態(tài)等因素有關(guān)。在PSCAD/EMTDC仿真軟件中，可以通過(guò)查看風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電功率、電網(wǎng)實(shí)際功率、無(wú)功功率等參數(shù)來(lái)分析其輸出電功率的時(shí)變性以及電網(wǎng)實(shí)際功率和無(wú)功功率的變化規(guī)律。如圖4所示，這是一張雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電網(wǎng)實(shí)際功率和無(wú)功功率曲線圖。


圖4雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)電網(wǎng)實(shí)際功率和無(wú)功功率曲線

由圖4可以看出，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電網(wǎng)實(shí)際功率和無(wú)功功率呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，并與輸出電功率、風(fēng)速等參數(shù)有關(guān)。此時(shí)，需要通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)整輸出功率，保持電網(wǎng)實(shí)際功率和無(wú)功功率的穩(wěn)定性。

四、結(jié)論

在PSCAD/EMTDC環(huán)境下，對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行建模和仿真可以幫助我們更好地理解其工作原理，獲取其關(guān)鍵性能指標(biāo)。此外，通過(guò)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真分析，我們還可以深入了解其在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的變化規(guī)律，并優(yōu)化其工作控制策略，從而使其能夠更好地適應(yīng)各種復(fù)雜工況，為人類提供更多清潔能源。由于風(fēng)能是一種不穩(wěn)定的、時(shí)變的能源，因此對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能分析需要考慮其在不同工況下的輸出特性以及與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)性。本文將通過(guò)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在PSCAD/EMTDC仿真軟件中進(jìn)行的建模和仿真，對(duì)其相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行分析，并總結(jié)出以下結(jié)論。

1.風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是影響發(fā)電機(jī)組輸出性能的重要因素之一。在PSCAD/EMTDC仿真軟件中，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)軸扭矩呈現(xiàn)出非線性變化的趨勢(shì)，與電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)負(fù)載等參數(shù)有關(guān)。此時(shí)需要通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)整風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，保持與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)性。

2.發(fā)電機(jī)輪軸扭矩是決定發(fā)電機(jī)輸出電功率的重要因素之一。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的輸出電功率呈現(xiàn)出非線性變化的趨勢(shì)，與發(fā)電機(jī)輪軸扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)有關(guān)。此時(shí)需要通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輪軸扭矩，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率的控制。

3.電網(wǎng)實(shí)際功率和無(wú)功功率是反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能輸出質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。在PSCAD/EMTDC仿真軟件中，電網(wǎng)實(shí)際功率和無(wú)功功率呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，與輸出電功率、電網(wǎng)電壓等參數(shù)有關(guān)。此時(shí)需要通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)整輸出功率，保持電網(wǎng)實(shí)際功率和無(wú)功功率的穩(wěn)定性。

4.變頻調(diào)速技術(shù)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能輸出控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。在PSCAD/EMTDC仿真軟件中，通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，從而保證對(duì)電能輸出水平的可控性和穩(wěn)定性。

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