（广东技术师范大学天河学院广州510540）
摘要：随着世界能源需求的不断增长，越来越多的国家大力开发新能源和可再生能源，而风力发电被认为是安全、环保、技术成熟的新能源。为了较准确地反映风电场在发电状况，也让更多想要了解风电场发电特性的人可以借助仿真模型进行学习和进一步了解，利用MATLAB/Simulink对风力发电系统在典型风况下建立模型，使用一台风力发电机进行仿真。由于风具有不确定性和随机性等特点，仿真将采用四分量风速进行建模，包括基本风、阵风、渐变风和随机风，力求较准确地反映真实发电的情况。利用晶闸管投切电容器对风电场的无功功率进行补偿以及谐波的有效治理。
关键词：MATLAB；风力发电；组合风；建模；无功补偿
一、引言
随着经济和社会的不断发展，我国城镇化进程也进一部推进，能源需求必然会持续增长，由此能源供需矛盾也越来越突出，除此之外环境污染的问题日益严峻，保护环境的思想也越来越深入人心，所以开发新能源和可再生能源是迫在眉睫的问题。风力发电被世界各国公认的，是安全、环保、技术成熟的新能源。相对核电，其更安全。晶闸管投切电容器在对风力发电系统的无功补偿具有应用前景，晶闸管投切电力电容器比传统的机械式开关投入或切除电容器对系统的产生的冲击电流小许多，对系统的稳定运行具有重要意义。此外，晶闸管作为无触点电力电子开关器件，使用寿命长，抗干扰性能优越。本文将研究电力电容器的投入对风力发电系统中整流产生的谐波是否能够滤除，具体的投切过程不作仿真[1]。
二、风力发电机的基本原理及特性
风力发电机的基本结构是桨叶、轮轴、主轴、机舱、齿轮箱和发电机等。风力发电机的发电原理就是风带动桨叶进行旋转，桨叶固定在轮毂之上，轮毂转动进而带动轮轴进行旋转，将风能转换成机械能，而后再经过齿轮箱带动发电机进行发电，即再将机械能转化为电能。
三、风速模型
为了能够更加准确地表现出自然风的不确定性和随机性等特点，本文拟采用四分量风速模型组合而成，这样能够更加贴近自然风的实际情况，四分量组合风一般包括：基本风、阵风vg、渐变风vr和随机风vr这四种分量[3]。
（一）基本风
基本风可以认为是在风力机运行的全过程始终存在，它反映了风电场的平均风速变化情况。在实际计算的过程中一般认定基本风为不随时间变化的，故而常常取某一固定值。在MATLAB/Simulink中，作者选择Constant模块，该模块为常数信号模块，输出为常数。
（二）阵风
因为自然风具有随机性和不确定性，在实际情况中会存在风速突然变化的特点，本文为了体现出这一情况，仿真模型则采用阵风模型，阵风风速定会在某段区间内出现余弦的特性，而在电力系统分析的时候，一般会将这一特性用来考虑风力发电在较大的风速变化情况时的动态稳定性。
（三）渐变风
渐变风模型用来反映风速的逐渐变化特性，可以根据分段函数来表示渐变风模型
（四）随机风
风是大自然的产物，人类无法估摸，随机风就是用来反映自然风这样的随机波动性，在Simulink中建模时，将采用SignalGenerator里面的RandomNumber模块来模拟随机风，该模块可以产生正态分布的随机数，达到随机风所需的随机性的这一特性。
（五）组合自然风
综合上文将四种类型的风速分量进行叠加处理，即是将其代数求和的方式，可以由此方程，得到四个分量组合而成模拟自然风速模型。
四、建立风力发电系统
本文将采用直驱式风力发电机，故而简化的风力机与发电机的传动齿轮部分，发电机将采用永磁同步发电机，永磁直驱式的机组不论是从整体可靠性还是从提高机组的发电效率而言都具有较大的优势。首先，直驱式的机组没有增速的齿轮箱，这就解决了齿轮箱故障的问题，大大提升了发电可靠性。其次，采用永磁同步发电机可以有效提高风力机的效率，因为该发电机无励磁损耗。再而，永磁直驱式的机组的运行成本低，对风力发电厂的建立和运行都非常有利。最重要的是我国低风速的地区占全部风力资源的一半左右，更适合永磁直驱式的机组，再加上我国企业具有永磁直驱式风力机的自主知识产权，所以永磁直驱式风力机占全国风力机的比例不断提高。[4]
在Simulink中搭建的系统模型如下图所示：
典型风况条件下的仿真结果与实际风机的运行情况基本吻合，证明由四分量构成的组合风速模型可以很好地描述实际风速的特点。在组合风速影的响下，风力机带动永磁同步发电机旋转进行发电，发电机个参数随风速变化曲线如图7的（c）（d）（e）所示，图12（c）为同步发电机的三相输出电流，可以看出发电机发出的电流波形畸变，说明其中含有较多的谐波电流，这就需要使用电力电容器对系统中的谐波电流过滤，同时又可对系统的无功进行补偿[7][8]。在实际的应用中可以使用双向并联的晶闸管向系统中投入电容器，本文意在展现晶闸管投切电容器在风电系统的应用，在仿真模型中省略晶闸管控制部分，直接将多组电容器接入，最终达到将线路中的高次谐波滤除，
本文的风力发电机组的系统控制策略是自然风的风速，是以组合风的变化作为依据，为的是能够将风能的利用率最大化，达到最优的发电效果。可以将该风力发电系统的模型用于优化风能利用系数，同时，又因为永磁直驱式的风力发电机会使用的整流过程以及直流传输之后的逆变过程，在这两个过程中将会引入大量谐波信号，谐波信号会掺杂在发出的电流里面，则我们就可以在永磁同步发电机发出的流中通过powergui模块自带的FFT工具，即快速分析，将三相电流中含有的谐波计算出来。利用通滤波器可以将电流中含有的高次谐波“吸引”出来，从发出的电流中过滤，使得风力发电机发出的电流质量更加标准。至于滤波电容在系统中的投入和切除均可以采用TSC进行智能投切。
五、结论
文章使用MATLAB/Simulink建立了一种由基本风、阵风、渐变风和随机风这四个基本分量组合而成的模拟大自然风速的数学模型，在此基础上又搭建了风力发电机组的系统仿真模型，用来模拟风力发电机组在典型风况下的运行情况，可以根据实际情况需要修改风力发电机组的系统仿真参数，可以将其应用于电力系统的仿真中去，仿真结果可以与实际风力发电机的情况进行对比，并通过Simulink中的海量模型以及工具对风力发电系统的电能质量进行分析，对系统中的整流以及逆变部分进行滤波器的设计，一般采用低通滤波器进行高次谐波的滤除，使用的滤波电容还可以对系统进行补偿无功功率的作用。待在仿真模型中仿真试验通过以后，可以在实际风力发电系统中采用TSC复合开关来控制无功功率的补偿和滤波器的投切。所以这个仿真模型可以满足在短时间内验证自然风的各种特性，为了解和进一步学习风力发电系统以及对风力发电系统的仿真实验提供了良好的保障，还可以对整个系统的无功功率和谐波电流进行测量，以便合理地设计补偿容量以及安装合适的滤波器。
参考文献：
[1]孔屹.风力发电技术及其MATLAB与Bladed仿真[M].北京：电子工业出版社,2013
[2]宋永瑞.风力发电系统与控制技术[M].北京：电子工业出版社,2012
[3]王毅.风力发电系统的建模与仿真[M].北京：中国水利水电出版社,2015
[4]张德丰.MATLAB/Simulink电子信息工程建模与仿真[M].北京：电子工业出版社,2017
[5]金立帅.风力发电模拟系统的研究与仿真[D].浙江大学,2017.