直驅(qū)型永磁風(fēng)機(jī)復(fù)合低壓穿越方法研究和驗(yàn)證

李 娟

（淮南聯(lián)合大學(xué) 機(jī)電系，安徽 淮南 232038）

1 緒論

隨著傳統(tǒng)能源的枯竭和開發(fā)成本上升，在世界范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得到廣發(fā)的應(yīng)用，有效減低了電力生產(chǎn)成本減輕了環(huán)境壓力.同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電作為一個(gè)新技術(shù)還存在著不少問題，低電壓穿越（LVRT，lowvoltageridethrough）就是影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可靠性的重要問題之一，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用起著關(guān)鍵性作用[1].低電壓穿越一般意義上指由于風(fēng)機(jī)輸出的不穩(wěn)定性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在電壓突然跌落時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠保持繼續(xù)并網(wǎng)，同時(shí)要為電網(wǎng)輸出無功功率一直到該電網(wǎng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，這樣就“穿越”了該電壓降低的時(shí)間區(qū)域，從而支撐了電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行也保護(hù)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組.為了提高風(fēng)力發(fā)電的可用性和應(yīng)對(duì)政府和企業(yè)的強(qiáng)制性技術(shù)要求，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和企業(yè)界外對(duì)低壓穿越技術(shù)和應(yīng)用的研究從2005年開始逐漸增多，也取得了一定的研究成果和成功應(yīng)用.德國(guó)的西門子、中國(guó)的金風(fēng)科技等風(fēng)機(jī)領(lǐng)先企業(yè)在新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)上都能夠?qū)崿F(xiàn)低壓穿越.目前能夠?qū)崿F(xiàn)低壓穿越的主要方法有：對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器的矢量控制器進(jìn)行優(yōu)化、直流母線加裝UPS、使用超級(jí)電容增加儲(chǔ)存能量、增加電機(jī)定子側(cè)的靜態(tài)開關(guān)、增加修改Crowbar電路以及使用無功功率補(bǔ)償?shù)萚2].在實(shí)際應(yīng)用中采用單一的低壓穿越控制方法策略具有局限性，復(fù)合控制方法和策略成為新的研究熱點(diǎn).

2 直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模

為了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低壓穿越控制方法和策略，首選要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行建模分析.直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)力發(fā)電的主要機(jī)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛.直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力利用系數(shù)Cp(λ，β)[3]可以根據(jù)式2.1得到：

上式中：Cl為 0.5345，C2為 121，C3為 0.392，C4為4.98，C5為 21，C6為 0.0069.由式 2.2可知，當(dāng)槳矩角（用 β表示）不變的情況下，在風(fēng)速不同的時(shí)候，通過對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制使得其在最優(yōu)葉尖速比（用λ表示）的狀態(tài)下運(yùn)行，就能夠?qū)崿F(xiàn)分勻速風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到最大捕獲功率.在Matlab的Simulink工具箱通過建模把λ、β分別作為輸入、而Cp作為輸出，然后再通過f()函數(shù)模塊來具體實(shí)現(xiàn)Cp(λ，β)功能，建立的CP(λ，β)模型圖如圖2-1所示.

圖2-1 風(fēng)能利用系數(shù)CP(λ，β)模型

依照風(fēng)力發(fā)電機(jī)的靜態(tài)功率特性，也采用Matlab的Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行建模分析.然后把風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主機(jī)漿半徑R、主導(dǎo)風(fēng)速v、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的角頻率ω作為輸入?yún)?shù)，還需要把風(fēng)機(jī)附近的空氣密度ρ、風(fēng)漿的矩角β作為輸入?yún)?shù)，把風(fēng)力發(fā)電機(jī)的捕獲功率P以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩作為輸出參數(shù).通過Simulink搭建的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型入圖所示2-2所示.

圖2-2 風(fēng)力機(jī)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2-2的風(fēng)力發(fā)電機(jī)核心部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，然后把風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)的各個(gè)參數(shù)添加到風(fēng)力發(fā)電仿真模型中，實(shí)現(xiàn)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型.如圖2-3所示.

圖2-3中的Kopt可以視為主導(dǎo)風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速間的最合理比例，scope是輸出模擬波形的示波器.根據(jù)實(shí)際情況，空氣的密度ρ取值為1.72kg/m，風(fēng)力發(fā)電機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)的槳矩角取值為0，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)槳葉半徑取值為36.2m，變速風(fēng)速取值為0.1m/s～15m/s.

3 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)復(fù)合低電壓穿越技術(shù)

通過單一的低壓穿越實(shí)現(xiàn)方式具有一定的局限性，要么響應(yīng)時(shí)間不及時(shí)，要么對(duì)電壓跌落的幅度有嚴(yán)格要求.為了增強(qiáng)直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越的實(shí)際效果和可靠性，本文提出了一種復(fù)合型的低壓穿越實(shí)現(xiàn)方案.具體設(shè)計(jì)方法和策略如下：

圖2-3 風(fēng)力機(jī)仿真模型

3.1 通過檢測(cè)網(wǎng)側(cè)的電壓情況，一旦檢測(cè)出電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電壓出現(xiàn)跌落，網(wǎng)側(cè)的變流器就要及時(shí)啟動(dòng)低電壓情況下的無功功率補(bǔ)償措施，直流母線電壓則通過Crowbar對(duì)母線的最大通過電壓進(jìn)行限壓，同時(shí)及時(shí)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速脫離最佳葉尖速比，這樣就能降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大輸出功率.

3.2 當(dāng)電網(wǎng)的電壓再次回到正常狀態(tài)后，又自動(dòng)回到正常狀態(tài)下的無功功率補(bǔ)償狀態(tài)，同時(shí)，母線的電壓又回到通過網(wǎng)側(cè)直流電壓環(huán)路的控制.

3.3 當(dāng)直流母線的電壓回到正常的電壓時(shí)，通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使其還原到最優(yōu)的葉尖速比狀態(tài).

3.4 當(dāng)網(wǎng)側(cè)的電壓回到正常水平時(shí)，由于網(wǎng)側(cè)的變流器電流環(huán)有一定的延遲，母線的電壓此時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定幅度的下降.如果檢測(cè)到母線的實(shí)際電壓比母線規(guī)定的電壓下線還低，就需要開啟Crowbar來通過對(duì)儲(chǔ)能模塊的能量進(jìn)行釋放達(dá)到支撐母線電壓的目的，當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器的電流恢復(fù)時(shí)則停止能量釋放.

依照以上控制策略，建立的直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越模型如圖3-1.

圖3-1 直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越仿真模型

4 實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證

仿真參數(shù)的設(shè)計(jì)：仿真時(shí)間設(shè)計(jì)為2 s，電網(wǎng)在0.3 s時(shí)候出現(xiàn)電壓跌落，跌落幅度為40%，跌落時(shí)間為300 m s，風(fēng)機(jī)的最大功率設(shè)計(jì)為2 M W；網(wǎng)側(cè)的變流器電流限額為1.6 p.u；Crowbar儲(chǔ)能電容容量為300*4500 μF；母線電壓最大值為1.2 p.u，最小值為0.950 p.u.

仿真曲線如圖4-1所示.

仿真結(jié)果分析：圖4-1 a為發(fā)生了電壓跌落，圖4-1 c為檢測(cè)到電壓跌落后迅速降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，圖4-1 d為脫離葉尖速比，4-1 e為風(fēng)機(jī)實(shí)際功率將為標(biāo)稱功率的一半.在轉(zhuǎn)速改變的同時(shí)，網(wǎng)側(cè)開啟無功功率補(bǔ)償控制如圖4-1 i、圖4-1 j、圖 4-1 f、圖 4-1 g所示.

圖4-1 直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越仿真結(jié)果

在0.3 s～0.5 s段，母線電壓由Crowbar控制數(shù)值為1.2 p.u，電壓復(fù)原時(shí)，母線電壓通過直流電壓環(huán)控制，儲(chǔ)能模塊向母線出入能量，讓電壓同步下降，母線電壓到標(biāo)定值后，由于電流環(huán)存在延遲，母線電壓還要下降，Crowbar需要重新運(yùn)行放出儲(chǔ)能模塊的能量在0.5 s～0.8 s段網(wǎng)側(cè)的輸出功率比額定功率大.然后在網(wǎng)側(cè)電壓環(huán)的作用下，母線電壓復(fù)原到標(biāo)定值，系統(tǒng)整體回到正常工作狀態(tài)，結(jié)束低壓穿越過程.

通過實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，本文通過結(jié)合多種低壓穿越的控制方法設(shè)計(jì)出的直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)復(fù)合低電壓穿越方案是切實(shí)可行的，實(shí)驗(yàn)效果良好，具有一定的實(shí)用價(jià)值.

〔1〕王偉,孫明冬,朱曉.雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007,31(23).

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