適用于中長期仿真的風(fēng)電場模型

孫小燕，朱永強，朱凌志，何光泉

(1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206; 2．中國電力科學(xué)研究院新能源研究所，江蘇南京210037)

適用于中長期仿真的風(fēng)電場模型

孫小燕1，朱永強1，朱凌志2，何光泉1

(1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206; 2．中國電力科學(xué)研究院新能源研究所，江蘇南京210037)

永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組由于其效率和可靠性高等優(yōu)點在風(fēng)電場中所占比重越來越大，而以往的建模分析多以適用于電磁暫態(tài)的詳細(xì)模型為主，對于分析大規(guī)模系統(tǒng)擾動以及由此引發(fā)的有功和無功之間不平衡等現(xiàn)象的中長期過程不再適用。本文以適用于中長期仿真分析的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組為研究對象，首先建立了適用于中長期仿真的永磁直驅(qū)式風(fēng)電機組的簡化模型，然后提出了相應(yīng)的風(fēng)電場模型，設(shè)計了風(fēng)電場有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，最后進(jìn)行了相關(guān)的仿真驗證，結(jié)果表明所提出的風(fēng)電場中長期簡化模型是正確且有效的。

中長期仿真;永磁直驅(qū)式同步風(fēng)電機組;簡化模型;風(fēng)電場

1 引言

據(jù)中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會發(fā)布的2013年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計報告顯示，中國2013年新增裝機容量16088.7MW，同比增長了24.1%，累計裝機容量為91412.89MW，同比增長21.4%，新增裝機和累計裝機容量均為世界第一［1］。永磁直驅(qū)式同步發(fā)電機沒有齒輪箱，具有效率和可靠性較高、噪聲小、設(shè)備維護(hù)量小等優(yōu)點，因而在風(fēng)電場中所占比重越來越大［2］。

由文獻(xiàn)［3］知，針對多時間尺度的仿真過程，需要建立不同的仿真模型。文獻(xiàn)［4］中建立了適用于電磁暫態(tài)仿真的永磁直驅(qū)式風(fēng)電機組的詳細(xì)模型，文獻(xiàn)［5，6］建立了適用于機電暫態(tài)仿真的簡化模型。電力系統(tǒng)中長期仿真中要涉及一般暫態(tài)穩(wěn)定仿真中不考慮的電力系統(tǒng)長過程和慢速的動態(tài)特性，包括繼電保護(hù)系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等［8］，對于風(fēng)電場，則主要包括風(fēng)機的槳距角控制、自動發(fā)電控制等。文獻(xiàn)［6］中雖然考慮了槳距角控制和自動發(fā)電控制，但是該模型研究只針對美國GE公司的機組模型，對于其他的風(fēng)機模型，參數(shù)需自行設(shè)計，文獻(xiàn)［7］建立了參與自動發(fā)電控制(Automatic Generation Control，AGC)的風(fēng)電場模型，但僅考慮了風(fēng)電場的有功調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并未考慮風(fēng)電場無功調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也并未說明中長期仿真特性對建模的簡化要求。

本文在文獻(xiàn)［6-8］的基礎(chǔ)之上，首先對永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組的電磁暫態(tài)模型進(jìn)行了化簡，得到適用于中長期仿真的單機簡化模型;然后提出了中長期仿真過程中的風(fēng)電場模型，該模型包括有功控制模塊和無功控制模塊;最后，對所提模型進(jìn)行了仿真驗證，結(jié)果表明了模型的正確性以及在中長期仿真過程中風(fēng)電場模型的有效性。

2 直驅(qū)式風(fēng)電機組的模型

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括風(fēng)力機、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、變流器及其控制模塊。

2.1 風(fēng)力機模型

風(fēng)力機是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它負(fù)責(zé)將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，由空氣動力學(xué)的知識可得風(fēng)力機的輸出功率Pm為:

式中，ρ為空氣密度，一般是1.225kg/m3;A為風(fēng)力機掃過的有效面積，且A=πR2(R為葉片半徑);V為風(fēng)速;Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系為:

其中，ωm為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速;R為風(fēng)輪半徑。

將式(2)～式(4)組合起來構(gòu)成圖2所示的風(fēng)力機模塊。

圖1 永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Fig．1 Basic structure of PMSG wind turbines

圖2 風(fēng)力機模塊Fig．2 Module of wind turbine

2.2 傳動系統(tǒng)模型

傳動系統(tǒng)將風(fēng)力機轉(zhuǎn)化的機械能傳遞給發(fā)電機，采用單質(zhì)量塊模型，其關(guān)系為:

式中，Pm為風(fēng)力機輸出的機械功率;Pe為發(fā)電機輸出的電磁功率;Tm為機械轉(zhuǎn)矩;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動慣量。

對于直驅(qū)式風(fēng)機，由于不存在齒輪箱，則有ωm=ωe(ωe為發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速)。將式(5)和式(6)組合起來構(gòu)成圖3所示的傳動模塊。

2.3 發(fā)電機及變流器模塊

發(fā)電機模塊將風(fēng)力機輸入的機械功率轉(zhuǎn)換為電功率，并通過機側(cè)變流器的控制使得發(fā)電機的輸出功率跟蹤功率指令，在中長期仿真過程中，仿真步長可達(dá)到數(shù)十毫秒級甚至秒級，因而可忽略發(fā)電機的電磁暫態(tài)過程，其模型可表示為:式中，PWTcmd為功率指令。

變流器采用交直交變頻電路，作用是將發(fā)電機輸出的交流電轉(zhuǎn)化為符合并網(wǎng)要求的交流電，變流器中的開關(guān)器件動作迅速，在中長期仿真中可忽略其具體的響應(yīng)過程，而用一階慣性環(huán)節(jié)來表示其動態(tài)過程，因此變流器的輸出功率為:

式中，Pg為變流器輸出功率，即風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)注入電網(wǎng)的功率;Ta為變流器的動作時間，一般為0.02s。

圖3 傳動模塊Fig．3 Module of drive system

2.4 功率控制模塊

2.4.1 有功功率控制

根據(jù)式(3)和式(4)可得到風(fēng)能利用系數(shù)與槳距角和葉尖速比的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 風(fēng)能利用系數(shù)波形Fig．4 Waveforms of power coefficient

由圖4可以看出，當(dāng)葉尖速比λ相同時，隨著槳距角的增大，風(fēng)能利用系數(shù)減小;當(dāng)槳距角一定時，只有在最佳的葉尖速比下才能保證在此槳距角下的風(fēng)能利用系數(shù)最大。

風(fēng)力機運行在最大功率點處時其輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為［9］:

因而要獲得最大的功率輸出，需要使槳距角最小，并在風(fēng)速變化時改變轉(zhuǎn)速ωm的值，從而保證最佳的葉尖速比。

根據(jù)文獻(xiàn)［7］可知，輸出功率的調(diào)節(jié)有兩種方式:槳距角控制和轉(zhuǎn)速控制。由于直驅(qū)式風(fēng)機的調(diào)速范圍較小，可采用槳距角控制。在中長期仿真中，風(fēng)電場各機組可能會參與系統(tǒng)AGC控制，跟蹤上級部門下發(fā)的功率指令，此時風(fēng)力機可能運行在偏離最大功率點處，這就要求槳距角控制模塊不僅可以實現(xiàn)MPPT控制，還可以跟蹤上級部門下發(fā)的功率指令，其控制框圖如圖5所示。其中Tp是槳距角伺服機構(gòu)動作時間常數(shù)，Pref在風(fēng)電機組參與AGC控制時，為上級部門下發(fā)的功率指令PWTcmd，不參與時，為最大功率點功率Pmax。

圖5 槳距角控制模塊一Fig．5 Pitch angle control module one

為了使得風(fēng)力發(fā)電機組在參與系統(tǒng)AGC控制時輸出功率可調(diào)，文獻(xiàn)［10］中提出其可以降功率運行，使風(fēng)力機在運行時與最大功率曲線之間留有一定的裕度。對于采用轉(zhuǎn)速控制的雙饋式風(fēng)機，可以使留有的裕量功率儲存在轉(zhuǎn)子的動能中，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速偏離最大功率點處的轉(zhuǎn)速［10］，而直驅(qū)式風(fēng)機可以通過改變槳距角來降功率運行。

降功率運行時，仍保持λ在最佳葉尖速比下，則風(fēng)能利用系數(shù)Cp僅與β有關(guān)，為了簡便，采用二次曲線擬合公式［11］，可得到槳距角與風(fēng)能利用系數(shù)的關(guān)系:

結(jié)合式(3)和式(4)，可得a=－36.2552，b= －41.4575，c=24.3671。則風(fēng)機降功率運行時，可將功率的變化轉(zhuǎn)化為風(fēng)能利用系數(shù)的變化ΔCp，得到降功率運行時的風(fēng)能利用系數(shù)C'p=Cpmax+ΔCp，由式(10)得到槳距角參考值βref。此模式下槳距角控制框圖如圖6所示。

若采用圖5所示的槳距角控制模塊一，則風(fēng)機參與AGC控制時只能通過降低功率來減小系統(tǒng)頻率;若采用圖6所示的控制模塊二，則既可以增大一定功率來增大系統(tǒng)頻率，也可以減小功率來減小系統(tǒng)頻率。

圖6 槳距角控制模塊二Fig．6 Pitch angle control module two

2.4.2 無功功率控制

風(fēng)電場并網(wǎng)準(zhǔn)則要求風(fēng)電場具備無功調(diào)節(jié)能力。當(dāng)上級調(diào)度部門下發(fā)無功指令時，通過調(diào)節(jié)注入電網(wǎng)的無功電流來實現(xiàn)對無功功率的調(diào)節(jié)，無功功率控制一般采用功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制方式，其中電流內(nèi)環(huán)給出開關(guān)器件的控制信號，考慮到電流環(huán)響應(yīng)時間遠(yuǎn)小于系統(tǒng)中長期動態(tài)響應(yīng)時間，因此，忽略內(nèi)環(huán)的具體響應(yīng)過程，而用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，從而得到無功控制模塊如圖7所示。

圖7 無功控制模塊Fig．7 Module of reactive power control

圖7中，Qg為注入電網(wǎng)的無功功率，輸入輸出關(guān)系如式(11)所示:

式中，UG為電網(wǎng)電壓。

3 風(fēng)電場模型

大型風(fēng)電場的模型有兩種:詳細(xì)模型和綜合模型［12］，詳細(xì)模型包含了風(fēng)電場的所有風(fēng)電機組，綜合模型則將整個風(fēng)電場用一個單機等值模型表示。風(fēng)電場在參與調(diào)度時，需要對各臺風(fēng)機進(jìn)行功率分配［13］，文獻(xiàn)［6］中的風(fēng)電場模型采用的是綜合模型，雖然也考慮了場站級控制，但是綜合等值模型無法實現(xiàn)單個機組的功率分配。因而需采用詳細(xì)模型，風(fēng)電場的模型如圖8所示，包括有功控制模塊和無功控制模塊。

4 仿真驗證

為了驗證所提出模型的正確性，以單臺風(fēng)機為例，在PSCAD/EMTDC中分別搭建了風(fēng)力發(fā)電機組的電磁暫態(tài)模型和適用于中長期仿真的簡化模型。

電磁暫態(tài)仿真原理圖如圖1所示，簡化模型如圖8所示，這里采用單機模型結(jié)構(gòu)，其中槳距角控制采用如圖5所示的控制框圖。

圖8 風(fēng)電場模型Fig．8 Module of wind farm

仿真參數(shù)如下:風(fēng)機的額定容量為1.5MW，額定轉(zhuǎn)速為65rad/s，電網(wǎng)電壓為690V，發(fā)電機極對數(shù)為46，風(fēng)力機半徑為42m，電容為8640μF，直流側(cè)電壓為1200V，網(wǎng)側(cè)濾波電感為1mH。

(1)仿真一:風(fēng)速在0.8s時，由8m/s升高為12m/s，并在1.2s時又降低為8m/s。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 仿真一對比結(jié)果Fig．9 Comparison results of simulation 1

(2)仿真二:當(dāng)風(fēng)速升高為12m/s時，要求風(fēng)力機輸出功率為0.7 pu，得到的仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 仿真二對比結(jié)果Fig．10 Comparison results of simulation 2

在仿真一中，風(fēng)力機始終運行在MPPT控制下，則在風(fēng)速變化時，為了保持最佳的葉尖速比，風(fēng)速增大時轉(zhuǎn)速增加，風(fēng)力機的輸出功率增加，如圖9(a)和圖9(b)所示;在仿真二中風(fēng)力機在低風(fēng)速時運行在最大功率點處，此時槳距角保持在最小，在高風(fēng)速時要求風(fēng)力機偏離最大功率，即減小輸出功率，則槳距角增大，而風(fēng)速降低后，又恢復(fù)至之前的運行狀態(tài)，如圖10(a)和圖10(b)所示?？梢钥闯?，在兩種仿真下，本文所提出的適用于中長期仿真的簡化模型與風(fēng)力發(fā)電機的電磁暫態(tài)模型的輸出基本保持一致，驗證了本文所提簡化模型的正確性。

以上是有功模塊的驗證，改變無功功率參考值，得到仿真結(jié)果如圖11所示，兩者的輸出波形基本一致，驗證了簡化模型無功控制模塊的正確性。

圖11 無功功率輸出對比曲線Fig．11 Comparison curves of output reactive power

為了驗證風(fēng)電場模型在中長期仿真過程的有效性，以兩臺1.5 MW風(fēng)機為例進(jìn)行了仿真，仿真時間為100s，仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 仿真結(jié)果Fig．12 Simulation results

圖12(a)為風(fēng)速變化波形，其中WT1為風(fēng)力發(fā)電機組1，WT2為風(fēng)力發(fā)電機組2，仿真時要求風(fēng)力發(fā)電機組1的輸出功率不超過0.6pu，風(fēng)力發(fā)電機組2始終運行在最大功率點。當(dāng)WT1輸出功率超過0.6pu時，通過控制槳距角來進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到圖12(b)所示波形，功率曲線如圖12(c)所示，其中WT為兩臺風(fēng)機的功率之和。

仿真結(jié)果表明所提風(fēng)電場模型在仿真時間為100s時仍可以很快得到輸出結(jié)果，驗證了所提風(fēng)電場模型在中長期仿真中的有效性。

5 結(jié)論

電力系統(tǒng)中長期仿真模型主要用來分析電力系統(tǒng)長時間(幾十秒到數(shù)小時)的動態(tài)過程，而電磁暫態(tài)模型的仿真規(guī)模有限，不適于大規(guī)模新能源發(fā)電系統(tǒng)的研究，因此，本文對電磁暫態(tài)模型進(jìn)行了化簡，得到了適用于中長期仿真的簡化模型，并提出了相關(guān)的風(fēng)電場模型，最后對簡化模型和詳細(xì)模型進(jìn)行了仿真對比分析，仿真結(jié)果證明了所提出簡化模型的正確性以及風(fēng)電場模型在中長期仿真過程中的有效性。

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(，cont．on p.60)(，cont．from p.27)

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Wind farm models suitable for mid-term and long-term simulation

SUN Xiao-yan1，ZHU Yong-qiang1，ZHU Ling-zhi2，HE Guang-quan1
(1．School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China;2．Renewable Energy Department，China Electric Power Research Institute，Nanjing 210037，China)

Direct-drive permanent magnet synchronous generator(PMSG)wind turbines make up a growing portion of the wind farm because of its high efficiency and reliability．Previous modeling analysis mainly applies to the electromagnetic transient detail model，but it doesn’t apply to the long-term process，such as large-scale system disturbance and the imbalance between active and reactive power caused by it．This paper takes the wind farm model made up of PMSG wind turbines，which is suitable for mid-term and long-term simulation as the research object．Firstly，the simplified model of the PMSG wind turbine suitable for mid-term and long-term simulation is established in this paper．And then the corresponding model of wind farm is put forward，which has the ability to adjust the active power and reactive power．Finally related simulations are carried out．The simulation results prove the correctness of the proposed simplified model and the effectiveness of wind farm model used in mid-term and long-term simulation process．

mid-term and long-term simulation;PMSG wind turbine;simplified model;wind farm

TM614

A

1003-3076(2015)10-0023-05

2014-09-29

新能源電力系統(tǒng)國家重點室開放基金課題(KZ0003)、中國電力科學(xué)研究院科技項目(NY81-12-003)

孫小燕(1990-)，女，河北籍，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù);朱永強(1975-)，男，天津籍，副教授，博士，研究方向為新能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)。