風(fēng)速不確定性對(duì)PMSG機(jī)組并網(wǎng)電流質(zhì)量影響的研究

劉景鵬 馬開放

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

風(fēng)速不確定性對(duì)PMSG機(jī)組并網(wǎng)電流質(zhì)量影響的研究

劉景鵬 馬開放

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

近年來風(fēng)電發(fā)展勢(shì)頭迅猛，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)漸顯，針對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)、全功率變流技術(shù)的研究也較為成熟，但對(duì)其并網(wǎng)問題的研究卻頗顯不足。基于直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)探討風(fēng)速不確定性給風(fēng)電并網(wǎng)帶來的電流質(zhì)量問題，通過搭建PMSG機(jī)組并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)3種不同風(fēng)況進(jìn)行并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)速大小及其湍流強(qiáng)度是影響PMSG機(jī)組并網(wǎng)電流質(zhì)量的重要因素。

風(fēng)速不確定性；永磁同步發(fā)電機(jī)；三相電流不平衡；諧波電流

當(dāng)前全球能源短缺、環(huán)境惡化等問題日益嚴(yán)峻，現(xiàn)有的化石能源尋求突破已顯得十分困難。因此，新能源的開發(fā)與利用無疑成為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中的必然走向。風(fēng)能的“綠色”特性使其具備與傳統(tǒng)能源相比的明顯優(yōu)勢(shì)，因而倍受世界各國的青睞。然而，風(fēng)能資源本身具有間接性、隨機(jī)性以及不可控制等不確定因素[1-4]。風(fēng)能極差的穩(wěn)定性會(huì)引起整個(gè)風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率和輸出電流波動(dòng)，從而給公用電網(wǎng)帶來不可避免的沖擊[5-6]。

直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題主要取決于兩方面因素：①風(fēng)力機(jī)本身的機(jī)械特性；②風(fēng)能資源的不可控性和隨機(jī)性。風(fēng)力機(jī)的機(jī)械特性可以在設(shè)計(jì)階段通過優(yōu)化設(shè)計(jì)有效避免；風(fēng)能資源的不確定性成為風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的瓶頸，因此，有必要針對(duì)風(fēng)能資源的特點(diǎn)，對(duì)直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)過程的電能質(zhì)量問題進(jìn)行研究與分析，從而為今后的電能質(zhì)量治理提供有力依據(jù)[7-9]。

1 基于PMSG的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包含 5個(gè)組成部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī)由葉片、輪轂和變槳距系統(tǒng)組成，其能將空氣中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能，是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的能量來源。

2）永磁同步發(fā)電機(jī)。永磁同步發(fā)電機(jī)（permanent magnetic synchronous generator, PMSG）采用永磁體材料代替體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，省去集電環(huán)和電刷結(jié)構(gòu)，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性[10]。

3）機(jī)側(cè)變流器。機(jī)側(cè)PWM變流器將發(fā)電機(jī)側(cè)幅值頻率變化的交流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流，可以實(shí)現(xiàn)有功率和無功的解耦控制，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定值來控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)輸出的有功功率。

4）直流環(huán)節(jié)。直流環(huán)節(jié)目的是穩(wěn)定直流側(cè)電壓，使直流側(cè)保持電壓源特性，同時(shí)可以起到緩沖直流側(cè)與交流側(cè)之間的能量交換的作用。

5）網(wǎng)側(cè)變流器。網(wǎng)側(cè)PWM變流器將直流電逆變成與電網(wǎng)電壓幅值、頻率、相位都相同的交流電，方便對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行控制，有效補(bǔ)償電網(wǎng)中存在的無功功率。通過網(wǎng)側(cè) PWM變流器輸出的交流電，幅值和頻率較穩(wěn)定，諧波含量較少，可以作為提高風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量的一種控制手段。

2 PMSG機(jī)組并網(wǎng)電流質(zhì)量問題

風(fēng)力發(fā)電的電能質(zhì)量與火力、水力等傳統(tǒng)發(fā)電方式相比要差很多，從風(fēng)力機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)到風(fēng)力機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，再到發(fā)電機(jī)、電力電子變流裝置等，每個(gè)環(huán)節(jié)的特征參數(shù)都會(huì)影響到風(fēng)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量。由于風(fēng)力機(jī)時(shí)刻處在不斷變化的風(fēng)速之中，風(fēng)速的隨機(jī)性使得風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩不平穩(wěn)，從而導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而影響風(fēng)電并網(wǎng)電壓或電流質(zhì)量。本文僅針對(duì)PMSG機(jī)組并網(wǎng)電流質(zhì)量問題進(jìn)行深入探討，其存在的主要電流質(zhì)量問題如下。

2.1 三相電流不平衡

三相電流不平衡是指電網(wǎng)的三相電流在幅值上不同或相位差不是 120°。對(duì)于電流不平衡問題，用電流負(fù)序基波分量或零序基波分量與正序基波分量的均方根值百分比表示：

式中，0Iε為電流的零序不平衡度；2Iε為電流的負(fù)序不平衡度；I1為電流正序分量的均方根值；I2為電流負(fù)序分量的均方根值；I0為電流零序分量的均方根值。

關(guān)于三相電流不平衡度的具體要求已在我國的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15543—2008中給予了明確的闡述。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的三相電流不平衡問題，目前暫時(shí)沒有對(duì)這一指標(biāo)明確的界定與規(guī)范。

2.2 電流諧波

對(duì)于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力機(jī)時(shí)刻處于不斷變化的風(fēng)速中，變流器為了保持發(fā)電機(jī)定子側(cè)電壓頻率恒定，控制系統(tǒng)必須隨風(fēng)速的變化時(shí)刻調(diào)整控制脈沖，達(dá)到變速恒頻的控制目標(biāo)。因此，不同的風(fēng)況條件下變流器將呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)，變流器的這種變化對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)電流諧波特性產(chǎn)生影響。

電壓或電流中含有基波頻率整數(shù)倍的分量稱為諧波，對(duì)于電流波形畸變的程度，通常用諧波含有率和總諧波畸變率兩個(gè)量來進(jìn)行衡量[11-12]。

諧波含有率（harmonic ratio, HR）指信號(hào)中含有的諧波與基波之比的百分?jǐn)?shù)形式，其計(jì)算式為

總諧波畸變率（total harmonic distortion, THD）定義為諧波的均方根值（消除基波之后）與基波均方根值之比用百分?jǐn)?shù)形式來表示，其計(jì)算式為

式中，Ih為h次諧波均方根值；I1是基波均方根值。

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，其輸出電流諧波的允許值需要滿足GB/T 14549—1993和GB/T 24337—2009兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)也要考慮到實(shí)際的裝機(jī)容量、諧波源的設(shè)備總?cè)萘康纫蛩貋泶_定諧波的允許范圍。

3 PMSG機(jī)組并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

針對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)過程的研究，大多停留在軟件仿真階段，軟件的模擬仿真只能進(jìn)行理論值的計(jì)算，粗略的模擬風(fēng)電并網(wǎng)過程的各種波形，但是無法反映出實(shí)際運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的各種電能質(zhì)量問題。因此，要想針對(duì)這些問題深入探究就必須搭建一套實(shí)物仿真平臺(tái)，這樣才能更加真實(shí)的反應(yīng)出各種電能質(zhì)量問題。

3.1 風(fēng)電并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

整個(gè)實(shí)物仿真平臺(tái)由模擬風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、整流、逆變四大模塊組成。通過變頻器和異步電動(dòng)機(jī)組合來模擬風(fēng)力機(jī)，用控制頻率的變化來實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化從而模擬現(xiàn)實(shí)中的風(fēng)力機(jī)；異步電機(jī)通過皮帶輪驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)完成發(fā)電環(huán)節(jié)；永磁同步發(fā)電機(jī)輸出的三相電經(jīng)過整流、逆變環(huán)節(jié)并入實(shí)驗(yàn)室電網(wǎng)，從而模擬出完整的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，最后借助電能質(zhì)量測(cè)試儀進(jìn)行并網(wǎng)電能質(zhì)量分析。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場接線圖如圖2所示。

圖2 PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備及參數(shù)如下：

1）變頻器。輸入側(cè)額定電壓380～480V，額定電流8.8A，額定頻率48～63Hz；輸出側(cè)額定電壓0～380V，額定電流8.8A，額定頻率0～500Hz可調(diào)，額定功率4000W。

2）異步電動(dòng)機(jī)。額定電壓為 380V，額定電流為 6.72A，額定轉(zhuǎn)速為 1415r/min，極對(duì)數(shù)為 2，可調(diào)節(jié)頻率20～50Hz，可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速720～1415r/min。

3）永磁同步發(fā)電機(jī)。額定功率為 2000W，額定電壓為120V，額定轉(zhuǎn)速為500r/min；額定電流為16A。

4）逆變器。直流輸入側(cè)最大直流功率為2500W，最大直流電壓為 500V，最小啟動(dòng)電壓為 100V，最大輸入電流為 13A；交流輸出側(cè)額定輸出功率為2200W，最大輸出功率為2420W，最大輸出電流為12A。

5）電能質(zhì)量檢測(cè)儀。額定電壓 220V，額定功率40W，電壓測(cè)量范圍0～480V，電流測(cè)量范圍0～10A，諧波次數(shù)2～100次。

3.2 PMSG機(jī)組并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)及電流質(zhì)量分析

本文通過選擇變頻器與異步電動(dòng)機(jī)組合來模擬風(fēng)力機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對(duì)應(yīng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，通過搭建PMSG機(jī)組并網(wǎng)仿真模型得出風(fēng)速與永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由于發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)通過軸帶連接，因此，可以通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率計(jì)算公式推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的控制頻率，其計(jì)算式為

式中，f為異步電動(dòng)機(jī)的控制頻率；n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；p為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。

軟件仿真得出不同風(fēng)速下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及電動(dòng)機(jī)控制頻率計(jì)算結(jié)果見表 1。并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分 3次進(jìn)行，分別測(cè)試PMSG機(jī)組在3種不同風(fēng)速下并網(wǎng)側(cè)電流質(zhì)量問題，進(jìn)一步找到風(fēng)速對(duì)其電流質(zhì)量的影響程度。

表1 風(fēng)速與轉(zhuǎn)速、控制頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系

1）基本風(fēng)測(cè)試

基本風(fēng)風(fēng)速恒定8m/s，如圖3（a）所示，對(duì)應(yīng)變頻器輸入頻率25Hz，起動(dòng)變頻器，測(cè)試時(shí)間60s，網(wǎng)側(cè)電流波形如圖3（b）所示，利用電能質(zhì)量測(cè)試儀進(jìn)行電能質(zhì)量趨勢(shì)分析，總諧波含量如圖3（c）所示，三相不平衡分析如圖3（d）至（e）所示。

圖3 基本風(fēng)測(cè)試電流波形及單項(xiàng)電能質(zhì)量分析

從圖3中看出，風(fēng)速穩(wěn)定情況下，網(wǎng)側(cè)電流總諧波含有率不超過3.5%，零序和負(fù)序不平衡度也保持在2.6%以內(nèi)，電能質(zhì)量較好。

2）漸變風(fēng)測(cè)試

漸變風(fēng)風(fēng)速變化趨勢(shì)為 8m/s逐漸上升至12m/s，對(duì)應(yīng)變頻器控制頻率從 25Hz緩慢上升至45Hz，整個(gè)測(cè)試過程持續(xù)時(shí)間 60s，漸變風(fēng)風(fēng)速變化曲線如圖4（a）所示，并網(wǎng)側(cè)電流波形及電能質(zhì)量趨勢(shì)分析結(jié)果如圖4（b）至（e）所示。

圖4 漸變風(fēng)測(cè)試電流波形及單項(xiàng)電能質(zhì)量分析

從圖4可以看出，隨著風(fēng)速的增大，總諧波電流幅值隨之增大，總諧波含有率達(dá)到6%左右，最大可達(dá)10%；負(fù)序和零序不平衡度與基本風(fēng)測(cè)試結(jié)果相比有所上升，表明三相不平衡程度有所加劇。

3）隨機(jī)風(fēng)測(cè)試

隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速保持在8～12m/s內(nèi)隨機(jī)變化，對(duì)應(yīng)變頻器控制頻率保持在 25～45Hz內(nèi)隨機(jī)變化，測(cè)試持續(xù)時(shí)間180s，隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速變化曲線如圖5（a）所示，并網(wǎng)側(cè)電流波形及電能質(zhì)量趨勢(shì)分析結(jié)果如圖5（b）至（e）所示。

圖5 隨機(jī)風(fēng)測(cè)試電流波形及單項(xiàng)電能質(zhì)量分析

圖5 可以看出，當(dāng)風(fēng)速隨機(jī)劇烈變化時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流波形發(fā)生類似變化，電流諧波幅值波動(dòng)于0.2～1A，總諧波含有率在10%～20%之間，較之前兩種情況有較大增加，電流質(zhì)量明顯較差；負(fù)序和零序不平衡度增加較明顯，達(dá)到6%左右，三相不平衡程度進(jìn)一步加劇。

3種風(fēng)況條件下PMSG機(jī)組并網(wǎng)側(cè)各項(xiàng)電流質(zhì)量分析結(jié)果見表2。

表2 不同風(fēng)況條件下網(wǎng)側(cè)電流質(zhì)量參數(shù)

綜合表2中數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)速穩(wěn)定情況下，PMSG機(jī)組并網(wǎng)側(cè)各項(xiàng)電流質(zhì)量指標(biāo)滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，PMSG機(jī)組并網(wǎng)側(cè)各項(xiàng)電流質(zhì)量指標(biāo)表現(xiàn)較差，且超出國家標(biāo)準(zhǔn)限定值；當(dāng)風(fēng)速劇烈增大或減小時(shí)，PMSG機(jī)組并網(wǎng)側(cè)各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)表現(xiàn)更差。

4 結(jié)論

風(fēng)速不確定性是影響PMSG機(jī)組并網(wǎng)電能質(zhì)量好壞的重要因素，且PMSG機(jī)組并網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量好壞與風(fēng)速大小及波動(dòng)強(qiáng)度存在一定正比關(guān)系。風(fēng)速增大，諧波電流和三相不平衡程度也有所增加；當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)越劇烈時(shí)，諧波電流大小和三相不平衡程度明顯增大。風(fēng)速的這種不確定性將是制約風(fēng)電發(fā)展的重要因素，針對(duì)風(fēng)速的不確定性，準(zhǔn)確有效的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)將是今后研究的重點(diǎn)方向，也是風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的大勢(shì)所趨。

[1] 熊來紅, 單瑞卿, 汪皓鈺, 等. 不同風(fēng)況和系統(tǒng)容量下雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)諧波特性研究[J]. 電網(wǎng)與清潔能源,2011, 27(12)： 106-111, 117.

[2] 薛禹勝, 雷興, 薛峰, 等. 關(guān)于風(fēng)電不確定性對(duì)電力系統(tǒng)影響的評(píng)述[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014,34(29)： 5029-5040.

[3] 卓毅鑫, 徐鋁洋, 林湘寧. 風(fēng)電場動(dòng)態(tài)聯(lián)合仿真平臺(tái)構(gòu)建及風(fēng)況影響分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014,29(1)： 356-364.

[4] 于東, 孫欣, 高丙團(tuán), 等. 考慮風(fēng)電不確定出力的風(fēng)電并網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化模型[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(9)：34-41.

[5] 吳俊, 李建設(shè), 周劍, 等. 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2010, 4(5)： 48-52.

[6] 郭健. 大規(guī)模風(fēng)電并入電網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].電氣自動(dòng)化, 2010, 32(1)： 47-50.

[7] 周圍, 韓禮冬, 李鋼, 等. 基于 PSCAD/EMTDC 的微電網(wǎng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真研究[J].電氣技術(shù), 2016, 17(2)： 52-57, 66.

[8] 林焱, 王劍, 江偉, 等. 大規(guī)模變速風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)研究[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(12)： 1-4, 25.

[9] Shanthini K, Verappan D N. Power quality enhancement of wind generators connected to grid[C]//IEEE International Conference on Emerging Trends in Electrical Engineering and Energy Management, 2012：398-403.

[10] Alexandrova Y, Semken R S, Pyrhonen J. Permanent magnet synchronous generator design solution for large Direct-Drive wind turbines[J]. International Review of Electrical Engineering, 2013, 8(6)： 1728-1737.

[11] GB/T 14549—1993. 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].

[12] GB/T 24337—2009. 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)間諧波[S].

Study on the Influence of Wind Speed Uncertainty on the Current Quality of Grid-connected PMSG Units

Liu Jingpeng Ma Kaifang
(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306)

In recent years, the rapid development of wind power, direct drive PMSG wind power generation system advantages fade, for PMSG and full power converter technology research is more mature, but the power quality research of grid-connected wind power generation system is quite inadequate. Based on the direct drive PMSG wind power generation system, discusses the current quality problems of grid-connected wind power system caused by the wind speed uncertainty. Through the construction of experimental platform of grid-connected PMSG units, for three different wind conditions and carry out the experiments. The experimental results show that, the wind speed and its turbulence intensity are the important factors influencing the current quality of grid-connected PMSG units.

wind speed uncertainty; permanent magnet synchronous generator; three-phase current unbalance; harmonic current

上海海事大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YXR2016109）

劉景鵬（1989-），男，安徽亳州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電的電能質(zhì)量檢測(cè)與控制技術(shù)。