風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其功率控制研究

吳軍+胡曉光+周穎

摘要：對風(fēng)速和發(fā)電功率進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，可有效減輕風(fēng)力發(fā)電電場對電網(wǎng)的影響。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和相關(guān)數(shù)學(xué)模型，探討風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功功率調(diào)節(jié)的原理和方法，旨在有效減輕其對電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響。

關(guān)鍵詞：功率控制；風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)速；數(shù)學(xué)模型

中圖發(fā)類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）07-0039-03

分散式風(fēng)電場位于用電負(fù)荷中心附近，就近接入配電網(wǎng)后，風(fēng)電的間歇性、波動性會對接入配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生很大影響。若能根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對風(fēng)場的風(fēng)速和發(fā)電功率進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，可有效減輕風(fēng)電對電網(wǎng)的不良影響。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般由風(fēng)輪、增速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成。其中，風(fēng)輪的作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其為氣動性能優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機(jī)組一般為2/3個葉片）裝在輪轂上。輪轂是風(fēng)輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件。所有從葉片傳來的力都通過輪轂傳遞到傳動系統(tǒng)，再傳至風(fēng)力機(jī)驅(qū)動對象。同時，輪轂也是控制葉片槳距（使葉片繞自身軸作轉(zhuǎn)動）的裝置。

1.2 主流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力機(jī)經(jīng)歷了從多種結(jié)構(gòu)形式向少數(shù)形式過渡的過程，目前主要以水平軸、上風(fēng)向、三葉片機(jī)組為主。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換方式，可將風(fēng)電機(jī)組分為三類：籠型異步發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)和直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

籠型異步發(fā)電機(jī)采用籠型異步發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋ｏL(fēng)力機(jī)葉輪與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，需要齒輪對2種轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差隨輸出電功率不同而存在微小變化，并不是一個常數(shù)。

與籠型異步風(fēng)電機(jī)一樣，雙饋異步發(fā)電機(jī)也需要齒輪箱。這種發(fā)電機(jī)的定子繞組與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組接至變換器，常采用具有電流閉環(huán)控制的背靠背電壓源型變換器，轉(zhuǎn)子的電氣和機(jī)械頻率互不影響。變換器通過給轉(zhuǎn)子注入可變頻率的電流，使機(jī)、電間頻率差別得到補(bǔ)償，從而使變速運(yùn)行成為可能。

直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)不需要齒輪箱，由與風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)速度相同的多極同步發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋０l(fā)電機(jī)有一個繞線式轉(zhuǎn)子或者裝有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子。定子不是直接接入電網(wǎng)，而是通過電力電子變換器接入電網(wǎng)。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 風(fēng)速模型

風(fēng)力是自然資源，一般無法控制，但風(fēng)速變化有一定的規(guī)律和趨勢。常采用基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)4種模型疊加來模擬自然界風(fēng)速變化。具體數(shù)學(xué)模型如下。

利用公式畫一簇數(shù)據(jù)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp立體曲線走向圖形，見圖1。

為方便分析，Cp和λ的二維空間如圖2所示。

由圖2可以看出，保持λ不變，槳距角β越大，風(fēng)能利用系數(shù)Cp就越?。槐３枝虏蛔?，圖中任意一條曲線存在最佳葉尖速比λopt，能使風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大值Cpmax，該值稱為最大風(fēng)能利用系數(shù)。不在最佳葉尖速比的時候，都不能獲得最好的風(fēng)能捕獲效率。不同槳距角下，控制葉尖速比使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在Cpmax下，是最大風(fēng)能捕獲的原理。

在風(fēng)速發(fā)生變化時，為確保風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax附近，可通過改變風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)。在額定風(fēng)速以下，一般槳距角β保持為0，盡量使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax附近。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率調(diào)節(jié)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，發(fā)電功率將注入電網(wǎng)。由于風(fēng)能的易變性和間歇性，風(fēng)電功率輸出也是波動的。為從風(fēng)力中獲取最大功率和平穩(wěn)功率輸出，必須對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率（包括有功和無功功率）進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.1 功率調(diào)節(jié)

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)用永磁體代替轉(zhuǎn)子勵磁繞組。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率經(jīng)電力電子變換器與電網(wǎng)相連。發(fā)電機(jī)側(cè)變換器為整流器，電網(wǎng)側(cè)（線路側(cè)）變換器為逆變器，中間用直流連接。在控制功率因數(shù)時，將輸入電網(wǎng)的有功和無功電流分量加到逆變控制器中。

脈寬調(diào)制的電壓源逆變器（PWM-VSI）被認(rèn)為是一個理想電源，其產(chǎn)生基頻電壓，瞬時電壓諧波可忽略不計。電網(wǎng)采用戴維南等效表示，X表示在公共連接點(diǎn)（PCC）的電網(wǎng)電抗，其中包括濾波電抗。通常濾波器電抗大于電網(wǎng)電抗，因此電網(wǎng)電抗可以忽略，電阻也可忽略。

根據(jù)對同步發(fā)電機(jī)相同的分析，由式（11）和式（12）可以得到以下結(jié)論：1） 只要控制功角和電壓值，就可控制逆變器注入或吸收有功功率和無功功率，2） 為了注入有功功率，逆變器電壓必須領(lǐng)先電網(wǎng)電壓一個角度占。3） 為了注入無功功率，逆變器電壓幅值Ui必須大于電網(wǎng)電壓幅值U。

3.2 無功功率調(diào)節(jié)

直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的無功功率控制包括恒功率因數(shù)控制和恒電壓控制2種方式。

1） 恒電壓控制。在這種運(yùn)行方式下，永磁同步發(fā)電機(jī)可以吸收或發(fā)出無功功率，以維持機(jī)端電壓恒定。在風(fēng)電機(jī)組無功調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，風(fēng)電場可視為PV節(jié)點(diǎn)。永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無功功率調(diào)節(jié)范圍主要受變換器最大電流限制。

2） 恒功率因數(shù)控制。發(fā)電機(jī)由永磁體勵磁提供恒定勵磁，在發(fā)電機(jī)和整流器之間沒有無功功率交換，所以控制電網(wǎng)側(cè)逆變器電流在d，q軸的分量，可控制逆變器與電網(wǎng)之間交換的有功功率Pg和無功功率Qg，從而滿足功率因數(shù)調(diào)節(jié)要求。利用機(jī)組最大功率跟蹤特性來決定有功功率參考值，以保證機(jī)組在最優(yōu)功率點(diǎn)運(yùn)行。采用恒功率因數(shù)控制時，若功率因數(shù)設(shè)定為cosφ，則有

4 結(jié)語

根據(jù)以上討論可知，具有電壓控制能力的風(fēng)電機(jī)可以通過改變其發(fā)出或者吸收無功功率的數(shù)量來控制節(jié)點(diǎn)電壓。為進(jìn)行電壓控制，需要測量某一節(jié)點(diǎn)的電壓，將其作為電壓控制器輸入。電壓控制器按照自身傳遞函數(shù)來確定需要發(fā)出或吸收的無功功率大小。風(fēng)電機(jī)控制端電壓最容易，但有時要選擇電網(wǎng)的某一節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行控制，而根據(jù)電網(wǎng)電壓的局部特性，這個節(jié)點(diǎn)必須在風(fēng)電機(jī)附近。當(dāng)測量電壓低于設(shè)定值時，應(yīng)增加發(fā)出的無功功率；當(dāng)測量電壓高于設(shè)定值時，應(yīng)減少發(fā)出的無功功率。

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Abstract： Effective regulation of wind speed and generated power can effectivly reduce the effect of electric field by wind power generation on power grid. This paper discussed the principle and method of WTGS reactive power regulation according to the main charateristic and relevant methematival model of wind power generation system. The purpose is to effectively reduce the harmful effect on power grid.

Key words： power control； wind power generation； wind speed； mathematical modelendprint