直驅(qū)式風(fēng)電機組并網(wǎng)動態(tài)性能研究*

侯世英，肖旭，張闖，薛原

(重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044)

風(fēng)能以其無污染和分布廣泛的特點，日益受到世界各國的重視。近年來，風(fēng)電技術(shù)己從采用鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機的固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機組發(fā)展到基于雙饋型和直驅(qū)型發(fā)電機變速風(fēng)電機組。發(fā)電機中采用的變速恒頻技術(shù)能夠提高風(fēng)力發(fā)電機組在低風(fēng)速情況下的出力水平，使得其能源利用率高出固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機組20%～30%[1]。

目前對變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的研究主要集中在基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機DFIG(Doubly-Fed Induction Generator)的雙饋式系統(tǒng)與基于永磁同步發(fā)電機PMSG(Permanent Magnet Synchronous Generator)的直驅(qū)式系統(tǒng)[2]。DFIG系統(tǒng)具有變流器容量小、電機運行速度高、體積小、可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和無功功率等優(yōu)點。但雙饋感應(yīng)發(fā)電機需要增速齒輪箱，而齒輪箱維護復(fù)雜、工作時噪聲大、且容易發(fā)生故障。相比之下，PMSG系統(tǒng)無需齒輪箱、機械損耗小、維護簡單，輸出的有功、無功功率可調(diào)，在低風(fēng)速情況下仍可高效發(fā)電，并且在電壓跌落時，可以只在網(wǎng)側(cè)逆變器和直流側(cè)采取應(yīng)對措施，而不會影響到電機側(cè)整流器以及電機系統(tǒng)的正常運行。但直驅(qū)式系統(tǒng)需要全功率變流器，即變流器的容量為系統(tǒng)額定容量，這就限制了直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展[3]。但隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，變流器的大容量問題得到了解決，使得直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)的控制變得簡單易行。

以往的研究大多是將風(fēng)機、發(fā)電機簡化成三相電壓源，這種方法較為簡單，但是難以準(zhǔn)確地反映發(fā)電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流之間的關(guān)系。本文以直驅(qū)式風(fēng)電機組為研究對象，以電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC為平臺，搭建直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)運行動態(tài)仿真模型，利用本文提出的控制方案進(jìn)行仿真驗證。仿真結(jié)果表明了該控制方案的合理性以及直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)良好的運行特性和動態(tài)品質(zhì)。

1 直驅(qū)式風(fēng)電機組中各組成部分模型

圖1為基于永磁同步發(fā)電機的直驅(qū)式風(fēng)電機組模型結(jié)構(gòu)簡化圖，其結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)速模型、風(fēng)機模型、永磁同步發(fā)電機模型、變流器模型、控制模型5部分組成。

1.1 風(fēng)速模型

風(fēng)能作為風(fēng)力發(fā)電的原動力，直接決定了機組的動態(tài)性能，本文中風(fēng)速Vwind由4個分量組成，分別為基礎(chǔ)分量、陣風(fēng)分量、漸變風(fēng)分量、隨機風(fēng)分量[4]。即:

其中，基礎(chǔ)分量Vbase為恒定風(fēng)速，陣風(fēng)分量Vgust可用正弦波或者余弦半波模擬，漸變風(fēng)分量Vramp則用一定斜率的直線上升分量代替，隨機風(fēng)分量Vnoise可用頻率、幅值可調(diào)的三角波代替。

1.2 風(fēng)機模型

風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)能的動力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機提升旋轉(zhuǎn)的速度來促使發(fā)電機發(fā)電[5]。風(fēng)機末端輸出的機械轉(zhuǎn)矩Tm為:

其中，Pm、ωtur分別為風(fēng)機的機械功率和轉(zhuǎn)動角速度，風(fēng)機的功率特性方程則為:

其中，ρ為空氣密度，S為葉片的氣流截面積，Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù):

其中，λ為葉尖速比(即風(fēng)機轉(zhuǎn)動的線速度與風(fēng)速的比值)，β為槳距角。

由式(3)、(4)可以看出，風(fēng)機將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成的電能與風(fēng)速的3次方成正比，而風(fēng)機能量轉(zhuǎn)換率則與風(fēng)機葉片的轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

1.3 永磁同步發(fā)電機模型

由于采用永磁體勵磁，發(fā)電機不必從電網(wǎng)或發(fā)電機側(cè)變流器得到無功功率；中間直流環(huán)節(jié)的存在，使得發(fā)電機與電力系統(tǒng)沒有無功能量交換；根據(jù)風(fēng)能變化，通過變速恒頻控制優(yōu)化系統(tǒng)輸出功率。圖2為PSCAD下的永磁同步電機模型。

對于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)機將與發(fā)電機同軸運行，發(fā)電機的運動方程為:

其中，Jm為發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量，Te為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。

1.4 變流器模型

圖3為全功率變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中所有的開關(guān)器件均采用全控器件IGBT。發(fā)電機的輸出端與三相整流橋相連，整流橋輸出端接儲能電容，與右邊的三相逆變橋形成背靠背的結(jié)構(gòu)，逆變器的輸出端通過濾波器并入電網(wǎng)，故該結(jié)構(gòu)又稱為背靠背雙PWM變換器。

2 控制模型

由于本文是以不斷變化的風(fēng)速為輸入量，因此隨著風(fēng)速的變化，發(fā)電機輸出的三相電壓會出現(xiàn)較大的波動。為了使整流橋輸出的直流電壓保持穩(wěn)定、發(fā)電機側(cè)電流與電壓同頻同相、保證發(fā)電機高功率因素運行，提高發(fā)電機的效率是整流橋控制的主要目標(biāo)。圖4為發(fā)電機側(cè)三相橋式整流器的控制結(jié)構(gòu)圖。

將直流側(cè)電壓參考值與儲能電容兩端的電壓差值通過PI調(diào)節(jié)器，由電壓互感器得到與發(fā)電機輸出電壓同頻同相的電壓信號，將該信號與PI調(diào)節(jié)器輸出信號相乘得到發(fā)電機側(cè)三相電流的參考值，并通過PWM控制電路產(chǎn)生觸發(fā)信號，控制整流橋中6個大功率開關(guān)管的通斷。在該控制方式下，發(fā)電機側(cè)的電流與發(fā)電機輸出電壓同頻同相，使發(fā)電機在高功率因素下運行，提高了發(fā)電機的效率，同時使儲能電容兩端電壓保持穩(wěn)定，為逆變器提供了良好的直流電源，提高了并入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

電網(wǎng)側(cè)三相橋式逆變器的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示，控制目標(biāo)就是使輸出的有功功率(Pinv)、無功功率(Qinv)跟隨給定值Pref和Qref，保證逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1，減小并網(wǎng)電流諧波，提高并網(wǎng)電能質(zhì)量。

電網(wǎng)側(cè)逆變器采樣電網(wǎng)側(cè)電壓usa、usb、usc和輸出到電網(wǎng)的電流isa、isb、isc經(jīng)過功率計算單元得到實際輸入電網(wǎng)的Pinv、Qinv，可由式(6)描述為:

其中，vd、vq，id、iq分別是三相電壓、電流經(jīng)過3s/2r變換后得到的在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的分量。在dq坐標(biāo)下，若令d軸沿電網(wǎng)電壓的方向，則vd為0，于是式(6)可簡化為:

如果電網(wǎng)電壓恒定，則vq也恒定。電網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)交換的有功、無功功率可以通過控制交軸和直軸電流iq、id來實現(xiàn)。將有功功率參考值(Pref)、無功功率參考值(Qref)與Pinv、Qinv差值分別通過PI調(diào)節(jié)器，選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)參數(shù)，就可以得到在dq坐標(biāo)系下的電流參考值iq-ref、id-ref，再經(jīng)過2r/3s變換，得到三相靜止坐標(biāo)下電流參考值ia-ref、ib-ref、ic-ref，最后經(jīng)過PWM控制電路產(chǎn)生觸發(fā)信號，控制逆變橋6個大功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。

在變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中，可以調(diào)節(jié)Pinv使風(fēng)機工作在最大功率運行點，即最大功率點跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)，風(fēng)機的功率特性曲線如圖6所示。由式(2)得出輸出功率Pmax為:

在同一個風(fēng)速下，不同轉(zhuǎn)速會使風(fēng)力機輸出不同的功率，如果追蹤Pmax曲線，則必須在風(fēng)速變化時，及時調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速，保持最佳葉尖速比?？紤]到風(fēng)機的效率問題，有功功率的參考值為:

為了保證并網(wǎng)功率因素λ為1，將無功功率參考值Qref設(shè)為0。

3 仿真驗證

基于以上模型，為了驗證控制方式的可行性及性能，在PSCAD/EMTDC中搭建電路進(jìn)行仿真驗證，仿真時間為40 s，仿真參數(shù)設(shè)置如下:

(1)風(fēng)速參數(shù):基礎(chǔ)分量8.2 m/s，陣風(fēng)分量幅值3.5 m/s、持續(xù)時間10 s，隨機風(fēng)分量由頻率為1 Hz、10 Hz的三角波合成。

(2)風(fēng)機參數(shù):風(fēng)機容量500 kW，風(fēng)力機槳葉半徑38 m，漿距角0°。

(3)同步發(fā)電機參數(shù):極對數(shù)42，額定容量600 kVA，輸出線電壓1 kV。

(4)變頻器參數(shù):直流側(cè)儲能電容為30 000 μF，LC濾波器電容為10 μF，電感為2 mH，三角載波頻率為10 kHz。

(5)電網(wǎng)參數(shù):電網(wǎng)電壓為10 kV，頻率為50 Hz，變壓器變比為1 k/10 k，負(fù)載為10 mW。

仿真結(jié)果如圖7～圖11所示。圖7為風(fēng)速和風(fēng)機轉(zhuǎn)動角頻率的波形，在模擬自然風(fēng)的情況下，風(fēng)速的變化很大，本系統(tǒng)風(fēng)機的轉(zhuǎn)動速度能夠隨風(fēng)速的變化而變化。風(fēng)機總是工作在最大功率點處，從而保證了良好的風(fēng)能利用率。圖8(a)為電網(wǎng)側(cè)逆變器輸出a相電流在0～40 s內(nèi)的波形，由于終端電壓為電網(wǎng)電壓保持不變，因此，隨著風(fēng)機輸出功率的變化，逆變器輸出電流也會隨之變化；圖8(b)為逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓在4.53 s～4.61 s內(nèi)的波形，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，逆變器工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。圖9為同步發(fā)電機輸出端其中一相的電流、電壓波形，其電壓、電流保持同頻同相，因此發(fā)電機工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。圖10為風(fēng)機輸出的有功、無功功率波形，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，風(fēng)機輸出的有功功率隨著風(fēng)速的變化規(guī)律而變化，而無功功率保持為0。因此，整個風(fēng)電系統(tǒng)的功率因數(shù)保持為1，從而驗證了前面兩個仿真結(jié)果。圖11為全功率變流器中儲能電容上的電壓波形，可以看出，無論風(fēng)速如何變化，儲能電容上的電壓可保持2 000 V恒定，避免對后級逆變器產(chǎn)生影響。

對基于永磁同步發(fā)電機的變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行了特性分析，并以電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC為平臺，建立了系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性均較好。在不斷變化的風(fēng)速下能穩(wěn)定運行，風(fēng)機工作在最大功率點處時，發(fā)電機側(cè)輸出電流接近正弦波，諧波含量少。整個系統(tǒng)以單位功率因數(shù)并入電網(wǎng)，使得并網(wǎng)電流的諧波小，并入電網(wǎng)的電能質(zhì)量高。這種控制策略實現(xiàn)方法簡單，在中、小型功率的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)中有一定的實用價值。

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