風力發(fā)電機建模和風電并網(wǎng)研究現(xiàn)狀

文／神華準格爾能源有限公司 曲忠偉 ／

1 風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀70 年代發(fā)生世界性能源危機以來，許多國家都更加重視新能源和可再生能源的研究、開發(fā)和利用工作。在新能源領域風力發(fā)電技術比較成熟，商品化大型風力發(fā)電機組單機容量已由80年代初期的幾十千瓦發(fā)展到1兆瓦 以上；風力發(fā)電的經(jīng)濟指標逐漸接近清潔煤發(fā)電。由于化石燃料的有限性和使用化石燃料發(fā)電對環(huán)境產(chǎn)生污染，各國政府都在積極開發(fā)利用潔凈的新能源和可再生能源。許多國家把發(fā)展風力發(fā)電作為改善能源結構、減少環(huán)境污染和保護生態(tài)環(huán)境的一種措施，納入國家發(fā)展規(guī)劃。雖然近年來我國風電有了較大水平的發(fā)展， 但與發(fā)達國家風電相比，發(fā)展規(guī)模還很小，速度也較慢。制約我國風電發(fā)展的突出問題主要在政策和技術兩個方面。從技術角度來講，風電機組的制造水平較低，同時風電機組性能測試設備和技術相對落后，并缺少相應的認證機構。風電場的運行和維護水平與國外風電場及國內火電生產(chǎn)和運行相比有明顯的差距，缺乏對運行過程中出現(xiàn)的問題和故障的詳細記錄和分析。但近年來我國風電也得到了較快的發(fā)展，初步具備了規(guī)模開發(fā)和建設大型風力發(fā)電場的能力。從單機容量來講，我國已經(jīng)能夠獨立研制600kW的風力發(fā)電機組。風電機組的國產(chǎn)化水平是反映一個國家風電發(fā)展的重要指標，我國從上世紀70年代開始研制大型并網(wǎng)型風電機組，但直到1997年在國家“乘風計劃”的支持下才真正從科研走向了市場。目前我國已基本掌握了200～600KW 大型風電機組的制造技術，主要零部件國內都能自己制造，并開始研制兆瓦級風電機組。

2 主流風力發(fā)電機模型

過去的20年間，風力發(fā)電機的主要特點是采用異步發(fā)電機,裝機規(guī)模較小，與配電網(wǎng)直接相連。盡管目前風電場大多使用恒速風力發(fā)電機，但是有趨勢表明，未來幾年變速風力發(fā)電機將逐漸取代恒速風力發(fā)電機，以達到最大限度地提高風能的利用效率。使用變速風力發(fā)電機有幾種方案可供選擇：采用通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連的同步電機，如果進一步采用多極同步電機，甚至有可能取消風機上常用的變速齒輪箱，減少風力發(fā)電機的故障率。或者是采用雙饋異步電機，可以實現(xiàn)風力發(fā)電機以最佳葉尖比運行。

2.1 幾種主流風力發(fā)電機模型

2.1.1 恒速型風力發(fā)電機

此模型包含一個直接聯(lián)接電網(wǎng)的鼠籠異步發(fā)電機。風力發(fā)電機葉輪通過一個齒輪箱和異步發(fā)電機直接相連。使用安裝效果決定了風能的利用效率，這意味著在高風速條件下，風力發(fā)電機葉輪的效率會有所降低，從而使葉輪從風力中獲取的機械功率不會過大。如下圖：

圖1 恒速型風力發(fā)電機

2.2.2 直驅型變速同步風力發(fā)電機

同步發(fā)電機配有葉輪以及永磁體作為勵磁。通過一個電壓源變頻器與電網(wǎng)相連。模型的同步發(fā)電機是低速多極發(fā)電機，因此沒有必要安裝齒輪箱。在高風速條件下，從風力獲得的功率可以通過減少風力發(fā)電機葉輪的葉片數(shù)量來得到限制。如下圖：

圖2 直驅型變速同步風力發(fā)電機

2.2.3 雙饋型變速異步風力發(fā)電機

該模型包含一個雙饋型異步發(fā)電機。轉子繞組由一個電壓源變頻器供電。和上一個模型一樣，風力發(fā)電機的輪通過一個齒輪箱和異步發(fā)電機相連。和第二種模型一樣，在高風速條件下，從風力獲得的功率可以用減少風力發(fā)電機葉輪的葉片數(shù)量或者改變槳距角來得到限制。如下圖：

圖3 雙饋型變速異步風力發(fā)電機

2.2 對三種風力發(fā)電機模型的評價

不同的風力發(fā)電機模型有著各自的優(yōu)點和缺點。恒速型風力發(fā)電機相對來說設計比較簡單而且結實耐用，而它的缺點也是很明顯的：無法控制有功或無功功率的輸出；因為功率波動被轉移到轉矩波動從而導致機械負荷過大，這會導致齒輪箱的故障；輸出功率波動過大。

風力發(fā)電設備制造商正在加速向生產(chǎn)變速型風力發(fā)電機設備，變速風力發(fā)電機將逐漸取代恒速風力發(fā)電機。這種變化可以通過以下幾點來解釋：在變速型風力發(fā)電機設備中不可或缺的電力電子元件正變得更加廉價和可靠；和恒速型風力發(fā)電機相比，變速型風力發(fā)電機的能量產(chǎn)出率更高；風力發(fā)電機組變得越來越龐大。采用變風速運行可使機械負荷減少；變風速型風力發(fā)電機對無功和有功的都有廣泛的控制力，在邊遠地區(qū)和近海風電場，這個優(yōu)點尤為明顯；變速型風力發(fā)電機比較容易滿足電網(wǎng)公司的并網(wǎng)要求，大規(guī)模的風電場尤其適應并網(wǎng)；變速型風力發(fā)電機在功率輸出時波動比較小，因為大型風力發(fā)電機葉輪的慣性巨大，能夠緩沖風速的變化，這樣是電壓閃絡的幾率大大減少。

若要比較兩種變風速型風力發(fā)電機的優(yōu)缺點，雙饋型異步風力發(fā)電機的優(yōu)點是其電力電子轉換器的功率只要風力發(fā)電機額定功率的三分之一。而電力電子轉換器功率的大小則可以通過風力發(fā)電機轉子繞組的星三角變換進一步減小。缺點是雙饋型異步風力發(fā)電機仍然需要一個齒輪箱，使得整機的可靠性有所降低。直驅型變速同步風力發(fā)電機沒有安裝齒輪箱的必要，但是由于它需要大功率、大體積的電力電子轉換器，更加復雜、更加昂貴的發(fā)電機，這個優(yōu)點也被抵消了不少。

3 建模平臺的開發(fā)和模型的驗證

3.1 建模和平臺開發(fā)

風力發(fā)電機的建模和風電場的建模和仿真是研究風力發(fā)電的重要手段。為了對電氣、機械和控制的相互作用進行深入的研究，需要建立包含電力系統(tǒng)所有元素的細致模型。利用“虛擬樣機”的仿真是分析和評估風力發(fā)電的唯一可行和有效的方法。建立完善準確的風力發(fā)電機和風電場的仿真模型，是進行其他研究的重要前提。

到目前為止，還沒有公認的用于風電并網(wǎng)分析的專業(yè)程序。建模工作一般會應用商業(yè)化的軟件平臺進行。這些軟件包一般建立了一系列電力系統(tǒng)常規(guī)元件的完善模型，例如燃燒化石燃料的火電站和輸電網(wǎng)元件。用于電力系統(tǒng)分析研究的風力發(fā)電機動態(tài)模型對大多數(shù)電力工具軟件而言還不是一個標準功能，雖然越來越多的研究機構、大學、企業(yè)都在研發(fā)這個功能，獨立的用戶不得不在工作時自己建立風力發(fā)電機的模型。常用的軟件有：

PSS/E 該軟件用于分析大型輸電網(wǎng)絡的潮流計算及暫態(tài)穩(wěn)定分析，可進一步分析暫態(tài)過程結束后的動態(tài)穩(wěn)定性，提供各種類型的鍋爐、同步電機、異步電機、調速器、勵磁系統(tǒng)、負荷及電力電子元件模型庫。更有用戶自定義模型的強大功能，只需較少的工作，就可以模擬風電場并入系統(tǒng)以后的情形。ATP/EMTP主要用于分析電磁暫態(tài)和諧波問題。PSCAD/EMTDC適合分析風電機組并網(wǎng)帶來的暫態(tài)現(xiàn)象和諧波以及電壓閃變問題。SuperHarm是一個專用的電力系統(tǒng)諧波仿真和分析工具，可以用來分析風電場并網(wǎng)導致的諧波污染問題。MATLAB/SIMULINK用途廣泛，可以進行各種風力發(fā)電機的建模和仿真。由于建模的目的各不相同，風力發(fā)電機模型種類也顯得比較復雜。三階模型往往用于仿真大型電力系統(tǒng)的工具軟件中，如PSS/E，而更加細致的模型往往用于仿真小型電力系統(tǒng)的工具軟件中，如PSCAD。更加普遍的是應用MATLAB的建模和仿真。

目前兆瓦級變速風電機組多采用雙饋感應發(fā)電機，有關其模型和仿真方面各個科研機構和大學已做了一些研究工作，如dq/abc 混合坐標下的電機模型考慮了雙饋電機轉子繞組與系統(tǒng)間變流器的作用，可以建立適用于諧波分析的雙饋電機動態(tài)模型，但模型階數(shù)較高，不適用于變速恒頻風機（VSWT）整體動態(tài)特性的分析；將描述雙饋電機動態(tài)過程的復數(shù)形式數(shù)學模型線性化，可以建立“小干擾穩(wěn)定”數(shù)學模型，通過分析轉子勵磁繞組電壓幅值和相角變化對雙饋電機穩(wěn)定域的影響，說明這種模型也適用于電網(wǎng)發(fā)生大擾動后的穩(wěn)定分析，但這種模型是在假設擾動過程中發(fā)電機轉子轉速變化不大的前提下得到的，因此不適用于轉子轉速變化范圍較大的變速恒頻風電機組的建模。在大型電力系統(tǒng)仿真軟件中，為了節(jié)省計算時間，往往用到三階模型,用于仿真小型電力系統(tǒng)的軟件往往使用更加細致的發(fā)電機模型，比如包含定子動態(tài)特性的五階模型,更有描述全部三相電路的發(fā)電機模型。在大型電力系統(tǒng)仿真軟件中，變頻器可以認為是理想元件，可以忽略功率損耗和開關暫態(tài)過程。在更細致的研究中，如諧波估計中，這些因素必須加以考慮。

3.2 模型的驗證

模型的驗證是建模成敗的關鍵所在，當前的情況是：一方面規(guī)模不斷擴大的風電場項目在提上日程，另一方面各個單位對風電并網(wǎng)模型研究的可靠程度和了解程度參差不齊。在電力系統(tǒng)研究中使用無效的模型會引發(fā)嚴重錯誤的結論。比如，預測時大大高估或低估風電場對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響。目前來講，由九個歐洲國家參與的國際型工作組IEA Wind R&D Annex 21正在從事這項任務。從國內來看，新疆風能公司在這方面處于領先地位。該公司已經(jīng)研發(fā)成功兆瓦級的風力發(fā)電機，規(guī)模化的風力發(fā)電場和先進的控制和數(shù)據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)可以為模型的驗證提供詳實的數(shù)據(jù)資料。

4 風電并網(wǎng)的研究

4.1 風力發(fā)電機和電網(wǎng)相互作用

所有的風力發(fā)電機有一個相同的重要特性，就是發(fā)出的功率是基于風速的。然而，在與電網(wǎng)相互作用方面，恒速型風力發(fā)電機和變速型風力發(fā)電機有著顯著的不同。引起這些不同的原因是變速型風力發(fā)電機裝配有電力電子變頻器，而恒速型風力發(fā)電機則沒有。

首先，對于恒速型風力發(fā)電機來說，當前的系統(tǒng)中幾乎沒有任何能量緩沖裝置。因為使用了與電網(wǎng)相連的感應電機，任何風力的變化都會馬上引起輸出功率的變化。對于變速型風力發(fā)電機來講，基于風力發(fā)電機葉輪的真實速度，輸出功率是由電力電子元件來控制的。風力發(fā)電機葉輪的慣性很大，葉輪速度的變化會非常的平穩(wěn)，由于輸出功率由葉輪轉速獲得，輸出功率的變化也是非常平穩(wěn)的。第二個不同是兩者和電網(wǎng)相互作用。恒速型風力發(fā)電機包含一個鼠籠異步發(fā)電機，而發(fā)電機的定子直接和電網(wǎng)相連。所以，諸如發(fā)電機阻抗這樣的電氣屬性，諸如軸振蕩頻率，向定子端的傳播都可以由輸出功率的類型來得到識別。故障一旦發(fā)生，發(fā)電機會因為機械功率和電氣功率的不平衡而轉動過快。當端電壓下降時，發(fā)電機必須通過電網(wǎng)來實現(xiàn)同步，在實現(xiàn)同步期間發(fā)電機會消耗很多的無功功率，這樣會導致系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定問題。相反，變速型風力發(fā)電機的特性不是由發(fā)電機的電氣和機械特性來決定的，而時由電力電子元件來控制的。發(fā)電機是由電力電子元件和其控制器來補償?shù)模收习l(fā)生時，變速型風力發(fā)電機會和電網(wǎng)脫離。當電壓恢復時，按照事先設計的控制算法，風力發(fā)電機會再次和電網(wǎng)相連。在故障期間，風力發(fā)電機會加速，葉輪的速度可以通過調節(jié)葉片的傾斜角來得控制。

4.2 并網(wǎng)的影響

早期風電的單機容量較小，大多采用結構簡單，并網(wǎng)方便的異步發(fā)電機直接和配電網(wǎng)相連。而風電場所在地區(qū)往往人口稀少，處于供電網(wǎng)絡的末端，承受沖擊的能力很弱。因此，風電很有可能給配電網(wǎng)帶來諧波污染、電壓波動及閃變問題。風電的隨機性給發(fā)電和運行計劃的制定帶來很多困難，需要重新評估系統(tǒng)的發(fā)電可靠性分析風電的容量可信度，研究新的無功調度及電壓控制策略以保證風電場和整個系統(tǒng)的電壓水平及無功平衡及對孤立系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響等。隨著電力電子元件的性價比不斷提高變速恒頻電機等新型發(fā)電機組開始在風機上推廣應用，風電場可以像常規(guī)機組一樣承擔電壓及無功控制的任務正逐漸成為新的研究熱點。

5 結語

風力發(fā)電機的建模和仿真是研究風力發(fā)電的重要手段，本文對目前主流風力發(fā)電機模型的種類、建模平臺的開發(fā)、模型驗證的手段的研究現(xiàn)狀做了介紹。隨著單機功率和風電場容量的增大，風電場對系統(tǒng)的影響也越來越明顯，風電并網(wǎng)已成為重要課題。隨著新一輪風力發(fā)電建設的到來，隨著國家各項政策支持得到落實，和風力發(fā)電相關的研究將成為新能源發(fā)電領域的一個亮點。

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