基于PSCAD/EMTDC的微電網(wǎng)永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真研究

周 圍韓禮冬　李 鋼趙 靜

（1. 大連供電公司，遼寧 大連 116031；2. 大連熱電集團公司香海熱電廠，遼寧 大連 116083）

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基于PSCAD/EMTDC的微電網(wǎng)永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真研究

周 圍1韓禮冬1李 鋼1趙 靜2

（1. 大連供電公司，遼寧 大連 116031；2. 大連熱電集團公司香海熱電廠，遼寧 大連 116083）

摘要闡述了微電網(wǎng)中永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組的工作原理，應用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真平臺，設(shè)計了一套并網(wǎng)運行的永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了具有定葉尖速比控制功能的永磁直驅(qū)風力發(fā)電機原動機模型，和基于非交互式電網(wǎng)跟隨控制策略的電壓前饋控制逆變系統(tǒng)模型。最后，建立了4種不同的風速模型來模擬永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的運行特性，通過對定直流電壓控制模塊接入前后仿真波形的對比，對該仿真系統(tǒng)進行了校核和驗證，為下一步建立微網(wǎng)孤網(wǎng)運行和孤網(wǎng)與并網(wǎng)互為切換的整體仿真系統(tǒng)，以及探討實際工程中分布式微源對系統(tǒng)的潮流影響奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：永磁直驅(qū)；PSCAD/EMTDC；葉尖速比；非交互式電網(wǎng)跟隨；電壓前饋控制

微電網(wǎng)（Microgrid）以自愈、安全、智能、環(huán)保等特征成為未來全球能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的重要環(huán)節(jié)[1]。伴隨化石能源的加速枯竭，中小型永磁直驅(qū)風力發(fā)電技術(shù)[2-3]將在智能微電網(wǎng)中發(fā)揮舉足輕重的作用。

我國擁有豐富的風力資源，近年來，我國大型風力發(fā)電發(fā)展迅速[4]，但大型風電場的開發(fā)及建設(shè)一直受到電網(wǎng)接入條件、電網(wǎng)容量及運輸及安裝條件的制約[5]。相比之下，中小型風力機組運輸及安裝靈活，能夠在山區(qū)、海島等地便捷應用，組成單臺離網(wǎng)獨立供電系統(tǒng)、單臺及多臺并網(wǎng)系統(tǒng)或多臺小型風電場等多種方式，實現(xiàn)風能資源的充分利用[6]。

當前，我國風電進入飛速擴張時期，在實際工程中大量安裝的機組主要有永磁直驅(qū)同步機組和雙饋異步機組兩種。其中，基于雙饋異步技術(shù)的機組其定子部分與電力系統(tǒng)直接連接，轉(zhuǎn)子部分則作為機組的控制中樞，經(jīng)過背靠背的交直交環(huán)流系統(tǒng)控制并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流[7]；基于永磁直驅(qū)技術(shù)的機組在結(jié)構(gòu)上要簡化得多，它將直接通過風輪機構(gòu)來驅(qū)動低轉(zhuǎn)速永磁同步發(fā)電機組，經(jīng)電力電子換流電路將電能整流逆變后并入外部大電網(wǎng)。與雙饋異步機組相比，永磁直驅(qū)技術(shù)使用多極發(fā)電機，使其定子側(cè)電壓即使在較低轉(zhuǎn)速下依然能夠保持穩(wěn)定的頻率輸出，并且其定子側(cè)不與大電網(wǎng)直接相連，所以定子頻率的變化對主網(wǎng)的沖擊幾乎可以忽略。在永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)中，原動機葉輪主軸與同步發(fā)電機直接耦合，省去了雙饋機組中較易發(fā)生故障的齒輪箱以及勵磁機構(gòu)，因而大大提高了機組運行效率和安全性，具有運行安全，結(jié)構(gòu)簡潔，維護成本低等多種優(yōu)勢[8]。

在國外，越來越多的客戶采用中小型風力發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電。在日本和德國的光伏屋頂計劃之后[9]，荷蘭、丹麥及陽光資源匱乏的英國等西方國家已經(jīng)開始大力推廣風力屋頂發(fā)電計劃[10]。在我國大力倡導全球能源互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，將中小型永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)以微電網(wǎng)分布式電源的形式并入電網(wǎng)將是未來我國風電企業(yè)大力發(fā)展的主流趨勢和前進方向。

本文從永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理出發(fā)，在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)平臺下建立了包括前置風力原動機及傳動部分和交直交換流部分的一整套微電網(wǎng)永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)，并應用多種不同的風速模型代入進行對比分析，校核和驗證了模型的有效性，對我國微網(wǎng)交流型電源的相關(guān)研究提供了理論依據(jù)。

1　永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看到，風力原動機部分與永磁同步發(fā)電機軸直接耦合，轉(zhuǎn)子主要受風速曲線影響，經(jīng)永磁同步電機（Permanent-Magnet Synchronous Generator，PMSG）的輸出電壓頻率隨風速改變，經(jīng)過電力電子背靠背換流系統(tǒng)（AC-DC-AC），將變頻電源經(jīng)整流、逆變后輸出穩(wěn)定的工頻電源。

2　模型建立

2.1風速模型

風速是表征風力特征的基本參數(shù)，在自然條件下，其形成具有時而間歇，時而漸變，時而隨機的特性，因此研究人員往往采用持續(xù)法預測模型、自回歸-滑動平均模型[11]（Auto-Regressive and Moving Average Model，ARMA）、自適應模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[12]（Adaptive Neural Fuzzy Inference System，ANFIS）以及四分法模型等。為更精確表征風力特征，且清晰描述其物理概念，選擇使用基本（Basic）、漸變（Ramp）、陣性（Gust）和隨機（Noise）4種形態(tài)來模擬自然界真實的風況。

1）基本風

基本風作為風力模型中幅值不隨時間變化而改變的分量，根據(jù)威布爾分布參數(shù)[13]理論，在仿真系統(tǒng)中作為常數(shù)出現(xiàn)。

2）陣性風

陣性風作為風力模型中風速在某時刻發(fā)生突變的分量，在仿真系統(tǒng)中常使用三角函數(shù)公式來表征其特性，如式（2）及圖2所示。

圖2　陣性風隨時間變化曲線

式中，Vgust、Vgmax、Tga、Tg分別表示陣性風速率（m/s）、峰值（m/s）、起始時刻（s）和持續(xù)時長（s）。

3）漸變風

漸變風作為風力模型中風速隨時間線性變化的分量，用來表征風力的漸變特性，如式（3）及圖3所示。

式中，Vramp、Vrmax、Tra、Trb、Tr分別表示漸變風速率（m/s）、峰值（m/s）、起始時刻（s）、持續(xù)時長（s）和終止時刻（s）。

圖3　漸變性風隨時間變化曲線

4）隨機風

隨機風作為風力模型中風速與時間無明顯對應關(guān)系的分量，用來表征風的隨機特性，在數(shù)學表達上采用如式（4）—（6）及圖4所示。

圖4　隨機風隨時間變化曲線

式中，Vnoise表示速率，m/s；Sv為頻譜分布密度，m2/s；ωi為各頻段頻率；φi為0～2π間均勻分布的隨機初相值；Kn為地表粗糙系數(shù)；F為擾動范圍，m2；μ 為相對高度的平均風速，m/s。

2.2風力機模型

風力機原動機部分主要利用風輪槳葉捕獲風能，并將其轉(zhuǎn)換為機械能，然后以轉(zhuǎn)矩的形式輸出至發(fā)電機。風力機的轉(zhuǎn)矩特性方程基于空氣動力學的貝茨（Betz）極限值理論，表達為

式中，Pm為風力原動機的輸出功率，kW；ρ 為空氣密度，kg/m3；A為掃風面積，m2；v為上游風速，m/s；Cp(λ,β )為風能利用系數(shù)；ωr為風輪角頻率，rad/s。

葉尖速比λ 參數(shù)的引入實現(xiàn)了風力機葉輪與其他部件間的合理匹配，表示為

式中，R為風力機葉輪半徑，m；n為風輪的轉(zhuǎn)速，r/s。

風能利用系數(shù)反映了將風力轉(zhuǎn)化成電能的效率，其理論峰值稱為貝茨極限0.593，而在實際工況下其一般不會超過0.5。在工程計算中，采用Cp(λ,β )的計算公式為

其中，λi滿足

當槳距角β 發(fā)生改變時，Cp- λ曲線變化特性如圖5所示。

由圖5可知，風能利用系數(shù)受槳距角和葉尖速比影響。當槳距角β 確定時，總能確定一個最佳葉尖速比λmax和最大風能利用系數(shù)Cpmax，在這個狀態(tài)下運行時，能量轉(zhuǎn)換效率最高。據(jù)圖5所示，當槳距角為零度時，曲線可求出各工況下的最佳葉尖速比λmax=8.1，即在該工況下工作的風能利用系數(shù)達到最大Cpmax=0.48。

圖5　風力機的Cp-λ曲線

風力原動機與同步發(fā)電機間的機械傳動部分可用一階慣性方程來表示：

式中，J為轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Tm、Te分別為風力原動機機械轉(zhuǎn)矩和同步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；RΩ為阻力系數(shù)；ω 為轉(zhuǎn)子角速度，r/min。

本文在PSCAD/EMTDC平臺上建立的風力機原動機部分及其機械傳動部分的仿真模型如圖6所示。

圖6　永磁直驅(qū)風力發(fā)電機模型

2.3換流器模型

自然界中風力的不確定性使得人們對逆變器的穩(wěn)壓性能提出了更高的要求，本文基于非交互式電網(wǎng)跟隨控制理論[14]，在PSCAD/EMTDC電磁仿真平臺上建立了直流側(cè)電壓前饋控制的逆變單元，通過電壓控制器和無功控制器對“d軸”、“q軸”電流誤差分量的反饋調(diào)節(jié)，以及鎖相環(huán)對主網(wǎng)電壓相角的跟蹤鎖定[15]，實現(xiàn)了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，而輸出功率完全取決于風況和原動機對風力的捕捉，同時逆變器實現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)能量和主網(wǎng)能量的雙向輸送，控制模型如圖7所示。

圖7　并網(wǎng)逆變器控制框圖

3　仿真分析

本算例中主網(wǎng)降壓后額定線電壓0.38kV、50Hz，電阻0.0641Ω，電感0.0322mH；負荷容量40kW；風力發(fā)電系統(tǒng)額定輸出功率100kVA，額定風速10.35m/s。

3.1風力機原動機部分輸出特性仿真分析

本算例中風力機原動機部分及機械傳動部分模型如圖6所示，其輸出電壓頻率和幅值將隨不同的風速模型而呈現(xiàn)不同的變化。

算例1：陣性風（Gust），設(shè)定原始風力6m/s，在6s時刻出現(xiàn)陣風使得風力峰值達到10m/s，4s后恢復到原始風速。仿真結(jié)果如圖8所示。

算例2：漸變風（Ramp），設(shè)定原始風力6m/s，在6s時刻出現(xiàn)漸變風使得風力峰值達到10m/s并持續(xù)最大風力2s，而后漸變風突然消失，恢復到原始風速。仿真結(jié)果如圖9所示。

算例3：隨機風（Noise），設(shè)定原始風力6m/s，在6s時刻出現(xiàn)漸變風，風力峰值超過10m/s，最小達到2m/s，整個過程持續(xù)5s，而后恢復到原始風速。仿真結(jié)果如圖10所示。

通過以上仿真可以看出，本文建立的風力機原動機部分及傳動系統(tǒng)模型能夠?qū)崿F(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩對機械轉(zhuǎn)矩快速而平滑的響應，輸出電壓幅值、相角和功率在控制器的調(diào)整下隨間歇性激勵的不同反映出良好的響應性能。

圖8　陣性風作用下風力機輸出特性

圖9　漸變風作用下風力機輸出特性

圖10　隨機風作用下風力機輸出特性

3.2電壓前饋控制逆變器接入輸出特性仿真分析

電壓前饋控制逆變單元模型如圖7所示。算例中設(shè)置原始環(huán)境為基本風（6m/s），在t=10s時刻出現(xiàn)陣風，使得最大瞬間風力達10m/s，持續(xù)5s后陣風消失；在t=18s時刻出現(xiàn)漸變風，在t=22s時刻內(nèi)達到峰值（10m/s），持續(xù)3s后漸變風消失；在t=28s時刻出現(xiàn)隨機風，瞬間最大風速超過8m/s，最小風速低于4m/s，持續(xù)約8s后消失，仿真結(jié)果如圖11至圖13所示。

圖11　風速及對應轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速輸出波形

圖12　機械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩及逆變側(cè)輸出功率曲線

圖13　風力發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)電壓及逆變側(cè)母線電壓

通過以上仿真可以看出，本文建立的基于非交互式電網(wǎng)跟隨控制理論的電壓前饋控制逆變器在各種極端風況環(huán)境下成功保證了輸出的穩(wěn)定和平滑。

4　結(jié)論

本文從微電網(wǎng)中典型的交流型微源——風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，應用電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC設(shè)計并建立了一整套永磁直驅(qū)風機并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，針對幾種不同的風況進行了仿真分析，得到以下結(jié)論：

1）基于貝茲極限理論的風力原動機模型能夠很好的實現(xiàn)最大功率輸出，且一階慣性環(huán)節(jié)的應用保證了風力機電磁轉(zhuǎn)矩對機械轉(zhuǎn)矩的平滑響應，并通過算例仿真形象的反映出該模型具備優(yōu)異的輸出性能。

2）基于非交互式電網(wǎng)跟隨控制理論的換流部分模型，在交流型微源間歇性、隨機性的特性下，做到了頻率與電壓的穩(wěn)定輸出，實現(xiàn)了與主網(wǎng)的良好對接，通過多種極端風況環(huán)境下的算例仿真，對整套模型進行了驗證。

微電網(wǎng)并網(wǎng)及孤網(wǎng)發(fā)電技術(shù)在我國的發(fā)展尚處于起步階段，本文設(shè)計的微網(wǎng)永磁直驅(qū)風力發(fā)電仿真系統(tǒng)可以作為微網(wǎng)中交流型分布式電源并網(wǎng)典型模型應用于后續(xù)擴展研究，同時對我國通過智能微電網(wǎng)的方式開發(fā)利用風能資源具有一定指導意義。

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周圍（1981-），男，遼寧大連人，本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護工作。

Modeling and Simulation of the Direct-drive Permanent-magnetic Wind Power System in Microgrid based on PSCAD/EMTDC

Zhou Wei1Han Lidong1Li Gang1Zhao Jing2
(1. Dalian Power Supply Company, Dalian, Liaoning 116033; 2. Dalian Thermal Power Group Company Xianghai Thermal Power Plant, Dalian, Liaoning 116083)

Abstract Introduction was made to the working principle of direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine on the microgrid. In this paper, we developed a complete mathematic wind power generation system model in parallel operation on PSCAD/EMTDC software platform, which includes the permanent-magnetic direct-drive wind power generator, the rectification circuit and an inverter with feed-forward voltage control method. The wind power generation system is applied to maximum power point tracking by fixing the optimal tip speed ratio, and the constant DC voltage control method is based on the non interactive grid-following theory. At last, three different wind speed models were built to stimulating the operation characteristics of the direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine, and the comparison between output waveforms before and after the feed-forward voltage control module accessing to the system was made to prove the validity of the model, which would be the basis of the further study of developing a complete microgrid model and studying the variation of power system with AC micro sources.

Keywords：direct-drive permanent-magnetic; PSCAD/EMTDC; tip speed ratio; non interactive grid-following; feed-forward voltage control

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