兩種常用風(fēng)電機(jī)組的特性介紹

摘要：恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是我國(guó)目前常用的兩種機(jī)型，了解其機(jī)組特性是對(duì)電力系統(tǒng)分析工作者研究、把握其機(jī)理及運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)間的相互影響特性的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組 特性 介紹

1 概述

一種新型的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電具有環(huán)境友好、技術(shù)成熟、全球可行的特點(diǎn)，并且具有超過20年的良好運(yùn)行記錄，越來越被廣泛認(rèn)可，國(guó)家十一五電力規(guī)劃也明確提出了全面發(fā)展新能源的目標(biāo)，風(fēng)力發(fā)電作為新能源的主力已得到業(yè)界廣泛重視，發(fā)展日趨迅速。

隨著風(fēng)電場(chǎng)的容量越來越大，對(duì)系統(tǒng)的影響也越來越明顯，分析風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響成為電網(wǎng)運(yùn)行的必要課題。風(fēng)電的隨機(jī)性給發(fā)電和運(yùn)行計(jì)劃的制定都帶來許多困難，諸如風(fēng)電場(chǎng)出力變化對(duì)系統(tǒng)頻率的影響；風(fēng)力發(fā)電功率及無(wú)功特性對(duì)系統(tǒng)電壓的影響；風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響；因此對(duì)電網(wǎng)某一接入點(diǎn)能夠接納風(fēng)電的最大容量等內(nèi)容都亟需深入研究。要進(jìn)行機(jī)理的研究必須把握風(fēng)力發(fā)電的機(jī)理，本文通過對(duì)恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特性進(jìn)行介紹，以幫助從事電力系統(tǒng)分析工作者簡(jiǎn)單了解。

2 風(fēng)力發(fā)電模型

2.1 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型 鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速基本恒定，并網(wǎng)后電機(jī)定子頻率與電網(wǎng)一致，且大多數(shù)鼠籠式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為定槳距，模型如圖1所示。其基本環(huán)節(jié)包括：風(fēng)能的吸收和轉(zhuǎn)換裝置——風(fēng)力機(jī)，起連接和傳動(dòng)作用的裝置——輪轂、齒輪箱和傳動(dòng)軸，能量轉(zhuǎn)換裝置——異步發(fā)電機(jī)。其能量轉(zhuǎn)換過程是：風(fēng)能→機(jī)械能→電能。

2.1.1標(biāo)幺值系統(tǒng)的選取 風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型可以分為電氣部分和機(jī)械部分。電氣部分模型和網(wǎng)絡(luò)方程接口，為了計(jì)算的方便，應(yīng)將各變量歸算為系統(tǒng)統(tǒng)一基準(zhǔn)值下的標(biāo)幺值。機(jī)械部分模型中，各參數(shù)及狀態(tài)變量若采用有名值，則其物理意義更加明確，但在計(jì)算過程中不可避免的需要經(jīng)常進(jìn)行有名值與標(biāo)幺值之間的轉(zhuǎn)換。另外，風(fēng)電場(chǎng)中各種型號(hào)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械特性（比如葉輪直徑，額定葉輪轉(zhuǎn)速）有所不同，同一臺(tái)風(fēng)力機(jī)齒輪箱兩側(cè)高低速軸的額定轉(zhuǎn)速的大小也不相同，因此這里對(duì)機(jī)械模型中的各個(gè)變量也采用統(tǒng)一的標(biāo)幺值系統(tǒng)。

2.1.2風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩模型 對(duì)于恒速風(fēng)機(jī)來說，不同出力時(shí)的轉(zhuǎn)速變化很小，實(shí)際投運(yùn)的風(fēng)電一般不配備槳距角調(diào)節(jié)功能，因此可用三次函數(shù)擬合風(fēng)速—功率曲線，如式（2-1）所示。

其中，P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪輸入機(jī)械功率，Pr為風(fēng)電機(jī)額定功率，vr、vci和vco分別為風(fēng)電機(jī)的額定風(fēng)速、切入風(fēng)速和切出風(fēng)速。

2.1.3傳動(dòng)部分模型 在電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真中，不需要詳細(xì)建立機(jī)械部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，并可忽略傳動(dòng)部分的損耗。用一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)來表示風(fēng)能通過葉片到達(dá)發(fā)電機(jī)處做功的時(shí)滯。簡(jiǎn)化的傳動(dòng)部分模型如式（2-2）所示。

其中，Tae為風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，Tm為輸入到發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，τh為傳動(dòng)部分的慣性時(shí)間常數(shù)。

2.1.4 異步發(fā)電機(jī)模型 異步發(fā)電機(jī)的等值電路如圖2所示，為考慮轉(zhuǎn)子回路電磁暫態(tài)過程和轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動(dòng)暫態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型。

異步發(fā)電機(jī)采用考慮轉(zhuǎn)子暫態(tài)的三階機(jī)電暫態(tài)模型，如式（2- 3）所示：

2.2變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型 雙反饋和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以在較大范圍內(nèi)變化。雙反饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后電機(jī)定子頻率與電網(wǎng)一致，轉(zhuǎn)子通過變頻器與電網(wǎng)相連。直驅(qū)風(fēng)機(jī)一般采用多極永磁同步發(fā)電機(jī)，定子通過變頻器與電網(wǎng)相連。大多數(shù)變速恒頻風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為變槳距，模型如圖3所示。其基本環(huán)節(jié)包括：風(fēng)輪葉片、起連接和傳動(dòng)作用的裝置、發(fā)電機(jī)、風(fēng)電機(jī)控制系統(tǒng)。其能量轉(zhuǎn)換過程是：風(fēng)能→機(jī)械能→電能。

2.2.1 發(fā)電機(jī)模型 發(fā)電機(jī)/變頻器模型如圖4所示。

發(fā)電機(jī)/換流器模型是風(fēng)力機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的接口。與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)模型不同，模型中不包含發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械狀態(tài)變量，這部分在風(fēng)力機(jī)模型中描述。另外，與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)模型不同，由于換流器的電氣控制響應(yīng)速度快，簡(jiǎn)化了勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)。

發(fā)電機(jī)模型從系統(tǒng)中讀取電壓Vterm，根據(jù)電氣控制部分提供的控制變量E”qcmd、Ipcmd，計(jì)算注入并網(wǎng)點(diǎn)的電流I。輸入量為E”qcmd、Ipcmd和Vterm，輸出量為I。其中x”是發(fā)電機(jī)等效次暫態(tài)電抗。

2.2.2 控制系統(tǒng)模型 控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。其中有功功率需求Pord由風(fēng)力機(jī)模型提供。無(wú)功功率控制信號(hào)Qcmd由風(fēng)電場(chǎng)管理系統(tǒng)（Wind Park Management System，WPMS）模型提供。

WPMS模型模擬整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)電壓無(wú)功控制作用，它監(jiān)測(cè)某節(jié)點(diǎn)電壓，控制另一節(jié)電的電壓（疊加線路壓降補(bǔ)償），將這個(gè)電壓與參考電壓進(jìn)行比較。調(diào)節(jié)器本身是一個(gè)PI控制器加上一階慣性環(huán)節(jié)，時(shí)間常數(shù)為Tv，Tv是考慮通信等相關(guān)環(huán)節(jié)的延遲以及穩(wěn)定性的需要（待高頻分量衰減）。測(cè)量延遲由Tr表示。增益系數(shù)是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)得到的，其目的是為了改善系統(tǒng)性能，如果需要的話可以在模型中進(jìn)行調(diào)節(jié)。

勵(lì)磁控制器模擬變流器/勵(lì)磁系統(tǒng)。控制器監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)無(wú)功功率Qgen和端電壓Vterm，計(jì)算勵(lì)磁電壓和有功電流命令E\"qcmd和IPcmd。為了調(diào)節(jié)Qgen為給定值，對(duì)Vterm進(jìn)行閉環(huán)控制。電壓偏差通過一個(gè)比例積分環(huán)節(jié)得到電壓命令信號(hào)E\"qcmd。增益的大小決定了與電壓控制環(huán)有關(guān)的有效時(shí)間常數(shù)。

有功電流命令I(lǐng)Pcmd由風(fēng)力機(jī)模型輸出的Pord除以發(fā)電機(jī)端電壓Vterm得到，IPcmd受換流器的短時(shí)有功電流輸出能力的限制。