液壓型風力發電機組并網沖擊抑制研究

艾　超　閆桂山　孔祥東　陳立娟

1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島,0660042.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學)，秦皇島,066004

液壓型風力發電機組并網沖擊抑制研究

艾超1,2閆桂山1孔祥東1,2陳立娟1

1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，秦皇島,0660042.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學)，秦皇島,066004

以液壓型風力發電機組為研究對象，針對其并網沖擊問題，建立了風力發電機數學模型、定量泵-變量馬達液壓調速系統數學模型、同步發電機與勵磁系統數學模型，推導了并網過程的沖擊電流與沖擊轉矩數學模型。以數學模型為基礎，提出了液壓型風力發電機組并網沖擊抑制方法，即通過發電機穩速控制、勵磁電壓控制和準同期監控相結合對機組并網沖擊進行抑制。以30 kV·A液壓型風力發電機組實驗臺為仿真和實驗基礎，對機組并網沖擊抑制展開研究。仿真和實驗結果表明，所提出的并網沖擊抑制方法對并網沖擊轉矩和沖擊電流具有較好的控制效果，基本實現了機組柔性并網。

風力發電；液壓傳動；并網沖擊；沖擊抑制

0　引言

風能作為一種豐富可再生的綠色能源[1-3]，是最具大規模開發應用前景的可再生能源之一。隨著大容量風電機組的出現，并網沖擊[4]成為一個迫切需要解決的問題。并網沖擊嚴重時不僅導致電力系統電壓的大幅度下降，并且可能對發電機和機械部件造成嚴重損壞。因此，風力發電機組并網沖擊抑制是決定機組性能的關鍵技術之一，也是其順利并網的一項基本要求。

國內外學者對風力發電機組并網沖擊抑制展開了一系列研究。文獻[5]針對雙饋式風力發電機組，通過定子磁鏈定向和轉子電流閉環的控制方法實現并網過程沖擊電流抑制；文獻[6]針對永磁直驅風力發電機組，通過柔性直流換流器控制實現機組的柔性并網和沖擊抑制；文獻[7]針對液壓型風力發電機組，對準并網時機組沖擊特性展開研究，并進行了仿真分析。

本文所述液壓型風力發電機組由定量泵-變量馬達液壓調速系統組成，以配合勵磁同步發電機。為保證機組可靠性與電能質量，與傳統風力發電機組一樣，需要抑制并網沖擊。因此，本文針對液壓型風力發電機組并網沖擊展開研究，提出了一種并網沖擊抑制方法，通過發電機穩速控制、勵磁電壓控制和準同期監控相結合對機組并網沖擊進行抑制。

1　液壓型風力發電機組簡介

1.1工作原理簡介

液壓型風力發電機組[8-9]主要包括風力機、定量泵、變量馬達、同步發電機等，其工作原理如圖1所示。風力發電機同軸驅動定量泵，定量泵輸出高壓油經定量泵-變量馬達液壓調速系統驅動變量馬達旋轉，將液壓能轉化為機械能。最后，同步發電機在變量馬達驅動下實現并網發電。機組工作過程中，通過實時調整變量馬達擺角，實現液壓調速系統傳輸特性的控制。

圖1　液壓型風力發電機組的工作原理

1.2機組準同期并網控制要求

液壓型風力發電機組采用準同期并網法實現并網控制，即機組在實際并網過程中允許一定的偏差，機組并網時的準同期條件[10]為：①發電機頻率與電網頻率的最大允許誤差為額定頻率的±0.5%；②發電機電壓與電網電壓的最大允許誤差為額定電壓的±10%；③發電機同期合閘時同期點兩側電壓相位差不大于5°，在斷路器觸頭閉合瞬間應接近于零。

上述三條分別是機組實現準同期并網的頻率、電壓和相位要求。具體來講，機組準同期并網要求發電機在與電網相位差為零的瞬間閉合合閘開關，即當脈動電壓包絡線在零點時，機組完成并網。在此條件下，整個風力發電機組可平滑柔性切入電網，減小沖擊。

2　數學模型分析

2.1風力機數學模型

風力機驅動定量泵旋轉，是整個系統的能量捕獲機構，同時風力機的波動能量輸入為并網沖擊問題帶來了一定的影響。風力機輸出功率與轉矩的數學模型分別為

(1)

(2)

式中，P為風力機輸出功率；ω為風力機角速度；ρ為空氣氣流密度；R為葉片半徑；v為風速；Tv為風力機輸出轉矩；CP(λ,β)為風能利用系數。

進一步，風力機動力學方程為

(3)

式中，Tp為定量泵負載轉矩；J為風力機等效轉動慣量。

2.2液壓調速系統數學模型

液壓型風力發電機組通過定量泵-變量馬達閉式系統實現能量傳輸，其原理如圖2所示。

圖2　定量泵-變量馬達液壓閉式系統原理

由數學模型分析可得，變量馬達角速度數學模型[11]為

ωm=

(4)

式中，ph為系統壓力，ph0為ph的初始值；γ為變量馬達斜盤傾角與其最大傾角比值，γ0為γ的初始值；Km為變量馬達排量梯度，Km0為Km初始值；ωm為變量馬達角速度，ωm0為ωm的初始值；Ct為總泄漏系數；V0為單個腔室的總容積；qVp為定量泵額定流量；βe為有效體積彈性模量；Jm為變量馬達和負載的總慣量；Tm為變量馬達負載力矩；Bm為變量馬達側黏性阻尼系數。

2.3勵磁同步發電機及勵磁系統數學模型

2.3.1勵磁同步發電機數學模型

同步發電機模型相對復雜，變量比較多，在實際工程實現時比較困難，所以，常用派克(Park)變換[12]對方程中的變量進行變換處理。

經派克變換后，同步發電機電壓方程為

(5)

經派克變換后，同步發電機磁鏈方程為

(6)

式中，ud、uq、u0分別為機端電壓在d軸、q軸和零軸的分量；uf為勵磁電壓；ψd為直軸磁鏈；ψq為交軸磁鏈；ψ0為零軸磁鏈；ψf為勵磁繞組磁鏈；ψD為縱軸阻尼繞組磁鏈；ψQ為橫軸阻尼繞組磁鏈；Xd、Xq、X0分別為直軸、交軸和零軸的同步電抗；Xad、Xaq分別為直軸和交軸反應電抗；XD、XQ分別縱軸、橫軸阻尼繞組電抗；Xf為勵磁繞組電抗；id、iq分別為負載電流在d軸和q軸的分量；ra、rb、rc為定子三相繞組電阻；rf為勵磁繞組電阻；rD、rQ為縱軸、橫軸阻尼繞組電阻；iD、iQ、i0分別為縱軸、橫軸和零軸的阻尼繞組電流；if為勵磁繞組電流。

2.3.2勵磁系統數學模型

本文所研究的同步發電機采用無刷勵磁系統[13]，省去了滑環和電刷，主要組成部分有勵磁調節器、交流勵磁機、旋轉整流器等，其結構原理如圖3所示。

圖3　勵磁控制原理

同步發電機在工作過程中，由勵磁系統對其工作狀態進行控制，其控制框圖見圖4。圖4中，UR為勵磁調節器輸出電壓；U為發電機機端電壓；Uref為給定勵磁電壓；KA為綜合放大倍數；KR為電壓比例系數；KE為自勵系數；SE為飽和系數；TA為綜合時間常數；TR為電壓測量系統時間常數；TE為勵磁時間常數；KG為發電機放大倍數；TG為發電機時間常數。

圖4　同步發電機勵磁系統傳遞函數框圖

由圖4傳遞函數框圖可知，同步發電機機端電壓輸出傳遞函數為

(7)

2.4并網沖擊特性數學模型

2.4.1沖擊電流數學模型

并網合閘時須保證發電機機端電壓與電網母線電壓保持相等，否則在合閘瞬間會產生一定的沖擊電流，沖擊電流有效值為

(8)

式中，ΔU為發電機電動勢與電網母線電壓瞬態差值；X″d為發電機系統次暫態電抗。

2.4.2沖擊轉矩數學模型

并網合閘時，電磁轉矩數學模型為

(9)

式中,E為電網母線電壓；Xx為系統阻抗；δ為發電機機端電壓U超前母線電壓E的相角；t為時間。

3　并網沖擊抑制方法研究

以上述數學模型為基礎，為抑制液壓型風力發電機組并網沖擊，實現機組柔性并網，本文提出了一種并網沖擊抑制方法，其控制框圖見圖5。

(a)發電機穩速控制框圖

(b)勵磁控制與準同期監控框圖圖5　并網沖擊抑制控制框圖

由圖5可知，液壓型風力發電機組并網沖擊抑制主要包括三部分：發電機穩速控制、勵磁電壓控制和準同期監控。

機組在準同期并網過程中，首先利用發電機穩速控制[14]，將風輪轉速折算為變量馬達擺角值，并通過變量馬達輸出轉速反饋，實現發電機(變量馬達)輸出轉速穩定于1500 r/min(±6 r/min)；然后加入勵磁電壓控制，發電機在勵磁作用下，其電壓與電網電壓逐步接近相等；最后，實施準同期監控，調整變量馬達轉速使發電機攜帶一定有功功率，在同期點兩側電壓相位差為零瞬間合閘并網，使機組平滑柔性切入電網。

4　仿真與實驗研究

依據液壓型風力機組并網沖擊抑制控制原理，以30 kV·A液壓型風力發電機組實驗臺為基礎，利用MATLAB/Simulink軟件搭建系統仿真平臺，仿真平臺具體包括風速與風輪特性模塊、主控與穩速控制模塊、勵磁同步與準同期監控模塊等，其中發電機仿真模型采用Simulink軟件Synchronous Machine模塊，該模型考慮了發電機內部電壓、磁鏈與電流等關鍵參量之間的數學模型關系，同時也可反映勵磁系統對發電機的控制關系。仿真平臺見圖6，系統參數設定見表1。

圖6　并網沖擊抑制控制仿真平臺

名稱參數風力機轉動慣量(kg·m2)400定量泵排量(mL/r)63變量馬達最大排量(mL/r)40變量馬達恒轉速輸出值(r/min)1500發電機負載轉動慣量(kg·m2)0.45額定勵磁電流(A)2.7額定發電機電壓(kV)0.4額定發電機電流(A)43.3

實驗過程中，通過變頻器控制變頻電機模擬風力機特性。采用相似模擬原理，并對轉動慣量進行模擬補償[15]，可對風力機輸出轉矩、轉速和轉動慣量進行相似模擬。實驗平臺見圖7。

圖7　并網沖擊抑制實驗平臺

4.1風力機輸出仿真與實驗研究

考慮到風能本身的間歇性和不完全可控性，風力機輸入液壓系統的轉矩和轉速存在一定的波動，為并網沖擊問題帶來了一定的影響。

依托燕山大學30 kV·A液壓型風力發電機組實驗臺，模擬波動風速下風力機輸出特性，對其輸出轉矩和轉速進行研究，得到仿真和實驗結果如圖8所示。

(a)風力機(定量泵)轉速曲線

(b)風力機輸出轉矩曲線圖8　風力機輸出仿真與實驗曲線

由圖8仿真和實驗結果可知，采用相似模擬原理，通過變頻器控制變頻電機對風力機特性進行模擬可以得到波動風速下風力機轉速和輸出轉矩的特性曲線。風力機輸出轉矩和轉速作為并網沖擊過程的波動能量輸入，是并網沖擊抑制過程的重要因素。

4.2并網沖擊仿真研究

依據所提出的并網沖擊抑制方法，利用仿真平臺進行研究。在第1 s時刻模擬合閘并網，采用所提出的并網沖擊抑制方法進行并網仿真研究，結果如圖9所示。

(a)相角差(b)電壓幅值差

(c)機端電流(d)電磁轉矩

(e)發電機轉速(f)高壓壓力圖9　并網沖擊抑制仿真曲線

由圖9仿真結果可知，在發電機電壓和相位角與電網基本一致時合閘并網。其中，相角差為0°左右(不大于5°)；電壓幅值差控制在0 V上下(不超過電壓幅值的最大允許誤差)。采用并網沖擊抑制方法，并網瞬間沖擊轉矩標幺值只有0.05，沖擊電流標幺值只有0.09；同時發電機轉速穩定于1500 r/min(±3 r/min)，即發電機頻率誤差不超過同期并網頻率的最大允許誤差，保證了機組并網運行，系統壓力在并網后逐漸提高，提升了機組輸入電網的有功功率。采用所提出并網沖擊抑制方法，可使機組在穩定并網的同時，實現并網沖擊電流和沖擊轉矩的抑制，使機組柔性切入電網。

4.3并網沖擊實驗研究

對上述并網沖擊抑制方法進行實驗研究。采用變頻電機模擬風力機典型工況，在第1 s時刻合閘并網，所得實驗結果如圖10所示。

(a)發電機轉速(b)有功功率

(c)相角差(d)電磁轉矩

(e)電壓幅值差(f)高壓壓力圖10　并網沖擊抑制實驗曲線

由圖10實驗結果可知，在實驗過程中，并網相角差為1°左右(不大于5°)；機端電壓與網側電壓差控制在0 V上下(不超過電壓幅值的最大允許誤差)；發電機轉速誤差穩定在±4 r/min內(不超過發電頻率的最大允許誤差)。采用并網沖擊抑制方法，發電機轉速和有功功率小幅波動后趨于穩定；系統壓力在并網后逐漸增大，提高了機組傳輸功率；整個過程無較大的并網沖擊。

5　結論

(1)建立了機組風力機數學模型、定量泵-變量馬達液壓調速系統數學模型和勵磁系統同步發電機數學模型，推導了并網沖擊轉矩與沖擊電流數學模型。

(2)提出了一種液壓型風力發電機組并網沖擊抑制方法，通過發電機穩速控制、勵磁電壓控制和準同期監控相結合對機組并網沖擊進行抑制，實現機組的柔性并網。

(3)仿真和實驗分析結果表明，所提出的并網沖擊抑制方法具有良好的控制效果。

[1]Guo Yi，Hosseini S，Tang C Y．An Approximate Wind Turbine Control System Model for Wind Farm Power Control[J]．IEEE Transactions on Sustainable Energy，2013，4(1)：262-274．

[2]Redha A M，Dincer I，Gadalla M. Thermodynamic Performance Assessment of Wind Energy System：an Application[J]．Energy，2011，36(7)：4002-4010．

[3]王曉，謝振宇，周紅凱. 磁懸浮風力發電機零偏置電流控制策略研究[J].振動與沖擊，2014，33(23)：63-67．

Wang Xiao，Xie Zhenyu，Zhou Hongkai. Control Strategy with Zero-bias Current for Magnetic Levitation Wind Power Generator[J]．Journal of Vibration and Shock，2014，33(23)：63-67．

[4]賀益康，胡家兵. 雙饋異步風力發電機并網運行中的幾個熱點問題[J]. 中國電機工程學報，2012，32(27)：1-15.

He Yikang，Hu Jiabing. Several Hot-spot Issues Associated with the Grid-connected Operations of Wind-turbine Driven Doubly Fed Induction Generators[J]. Proceedings of the CSEE，2012，32(27)：1-15.

[5]李文津，湯廣福，康勇，等. 基于VSC-HVDC的雙饋式變速恒頻風電機組啟動及并網控制[J].中國電機工程學報，2014，34(12)：1864-1873．

Li Wenjin，Tang Guangfu，Kang Yong，et al. Starting Up and Integration Control of Doubly-fed Variable-speed Constant-frequency Wind Power Generator Based on VSC-HVDC[J]. Proceedings of the CSEE，2014，34(12)：1864-1873．

[6]Muyeen S，Takahashi R，Tamura J．Operation and Control of HVDC-connected Offshore Wind Farm[J]．IEEE Transactions on Sustainable Energy，2010，1(1)：30-37．

[7]孔祥東，艾超，婁霄翔. 液壓型風力發電機組并網沖擊仿真研究[J]. 系統仿真學報，2012，24(9)：2012-2018.

Kong Xiangdong，Ai Chao，Lou Xiaoxiang. Impact of Grid-connecting Simulation Research of Hydraulic Wind Turbine[J]. Journal of System Simulation，2012，24(9)：2012-2018.

[8]Diepeveen N F B, Segeren M L A. Stretching the Applicability of the Monopile by Using a Delft Offshore Turbine [J].Wind Energy, 2012，5(3)：1-10.

[9]董泳，周緒強，畢強. 風力機與液力變速傳動裝置匹配工作特性研究[J]. 中國機械工程，2012，23(6)：660-665.

Dong Yong，Zhou Xuqiang，Bi Qiang.Research on Working Characteristics about Wind Rotor Matching with Hydrodynamic Variable Speed Drive Uint[J]. China Mechanical Engineering，2012，23(6)：660-665.

[10]國家電網公司. Q/GDW392-2009風電場接入電網技術規定[S]. 北京：中國電力出版社，2009.

[11]孔祥東，艾超，閆桂山，等．液壓型風力發電機組低電壓穿越控制方法研究[J]. 中國機械工程，2014，25(16)：2137-2142.

Kong Xiangdong，Ai Chao，Yan Guishan，et al. Research on Control Method of Low Voltage Ride Through for Hydraulic Wind Turbine[J]. China Mechanical Engineering，2014，25(16)：2137-2142.

[12]李光琦. 電力系統暫態分析[M]. 3版. 北京：中國電力出版社，2007.

[13]侯亞敏. 無刷勵磁同步發電機勵磁控制系統的研究[D]. 廣州：華南理工大學，2013.

[14]艾超，孔祥東，陳文婷，等. 液壓型風力發電機組主傳動系統穩速控制研究[J]. 太陽能學報，2014，35(9)：1757-1763.

Ai Chao，Kong Xiangdong，Chen Wenting，et al. Research on Speed Control of the Main Translation System of Hydraulic Wind Energy Conversion System[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2014，35(9)：1757-1763.

[15]艾超，孔祥東，閆桂山，等. 液壓型風力發電機組最優功率追蹤控制方法研究[J]. 動力工程學報，2015，35(2)：126-133.

Ai Chao，Kong Xiangdong，Yan Guishan，et al. Research on Maximum Power Point Tracking of Hydraulic Wind Turbine[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering，2015，35(2)：126-133.

(編輯王艷麗)

Research on Grid Impact Suppression in Hydraulic Wind Turbine

Ai Chao1,2Yan Guishan1Kong Xiangdong1,2Chen Lijuan1

1.Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science(Yanshan University),Ministry of Education of China,Qinhuangdao,Hebei,066004

Taking a hydraulic wind turbine as the research object, mathematical models for wind turbine, fixed displacement pump-variable displacement motor of hydraulic system, synchronous generator and excitation system were established, for the problem of grid impact in hydraulic wind turbine. The mathematical models for impulse current and impact torque were derived. A suppression method for grid impact in hydraulic wind turbine was proposed, by the combination of generator speed control, excitation voltage control and quasi-synchronization monitoring. Using 30 kV·A hydraulic wind turbine simulation platform as the simulation and experimental foundation, the grid impact suppression was researched. Simulation and experimental results show that the grid impact suppression proposed has good control effect for impulse current and impact torque, achieving the flexible grid-connection for generator.

wind power; hydraulic transmission; grid impact; impact suppression

2015-01-30

國家自然科學基金資助項目(51405423)；河北省青年基金資助項目(QN20132017)；燕山大學青年教師自主研究計劃課題(13LGB005)

TH137DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.15.001

艾超，男，1982年生。燕山大學機械工程學院講師。主要研究方向為液壓型風力發電機組。發表論文18篇。閆桂山，男，1988年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。孔祥東(通信作者)，男，1959年生。燕山大學機械工程學院教授、博士研究生導師。陳立娟，女，1989年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。