恒頻/恒速異步風力機并網仿真研究

陳 嶺 楊 靜 孫潤誠 鐘騰飛

（1.中國人民解放軍陸軍勤務學院 重慶 401331）（2.中國人民解放軍95982部隊 開封 475004）

1 引言

恒速風力機發電系統因采用籠型異步發電機并通過變壓器直接接入電網，而由于籠型異步發電機只能工作在額定轉速之上很窄的范圍內，所以通常稱之為恒速風力發電機［1］。并網運行時，異步發電機需要從電網吸收滯后的無功功率以產生旋轉磁場，這惡化了電網的功率因數，易使電網無功容量不足，影響電壓的穩定性。由于籠型異步發電機系統結構簡單（方便變極）、成本低且可靠性高［2］，適合風力發電這種特殊場合，在風力發電發展的初期，籠型異步發電機得到了廣泛的應用，有效地促進了風電產業的發展。

2 異步風力發電系統的結構組成及其模型

2.1 結構組成

直接并網的異步風力發電系統［3～4］主要由風速、風力機、異步發電機與補償電容器組四個部分組成，在變槳距風機中還應包括槳距角控制環節的模型。

2.2 系統模型

2.2.1 風速模型

主要包括基本風、陣風、漸變風和隨機風四種基礎風速模型［5］。為更好地模擬作用在風力機上的風速隨時間變化的特征，本文采用基本風（-V）+陣風（VWG）模擬風速［6～7］。輸入至風力機的風速信號由風源文件產生，風源風速采用了內部+外部輸入的方式，內部風速為固定的8m/s，外部風速初始值為6m/s，可在運行過程中調整外部風速輸入，模擬風速的波動。

2.2.2 風力機模型

風力機主要由葉片和輪轂、齒輪箱、聯軸器等中間傳動裝置構成。其機械部分與異步發電機是柔性連接，相互之間的剛性度較低。當考察風電系統電氣部分的動態特性時，可以對風力機做一定的簡化。葉片的主要作用是將風能轉換成作用在輪轂上的機械轉矩。風力機調速器的主要設置為：允許變槳距控制、調速器傳遞函數采用MOD2型。

2.2.3 異步發電機模型

直接并網的大中型風力發電系統中的發電機大多是是異步發電機［8］，計及轉子繞組電磁暫態時，以三階模型建立異步發電機的數學模型［9］。本文所采用的發電機功率輸出參考值為2MW（0.8pu），發電機電氣轉速參考值為377rad/s。0～6s內的功率輸入采用0.8pu，發電機轉速輸入采用1pu，不對槳距角進行調整。而對應于0.8pu有功功率的初始槳距角為11.88°。6s后功率輸入采用來自發電機的功率輸出信號，轉速輸入來自發電機轉速，槳距角將自動進行調整［10～11］。

圖1為其軟并網裝置結構圖。裝置基本工作原理是：在發電機轉速建立之前，通過反并聯晶閘管對并網，此時系統提供有功和無功功率，風力機提供轉矩，帶電發電機增速。晶閘管的觸發角隨發電機速度的增大逐步減小，通過這種方法使得發電機速度平滑上升，避免沖擊電流的產生。圖2為系統控制圖。

圖1 軟并網裝置結構圖

圖2 系統控制圖

3 恒頻/恒速風力發電系統模型

式中，ρ為空氣密度（kg/m3）；R為風機葉片的半徑（m）；v為葉尖來風速度（m/s）；CP為風能轉換效率，是葉尖速比λ與葉片槳距角θ的函數，表達式為

葉尖速比入定義為

典型的恒頻/恒速風力發電并網控制系統主要由異步感應發電機模塊、槳距控制模塊、空氣動力系統模塊和軸系模塊構成［12］。在恒頻/恒速風力發電系統中，發電機直接與電網相連，風速變化時，采用失速控制維持發電機轉速恒定。這種風力發電系統一般以異步發電機直接并網的形式為主。鼠籠異步發電機相較于其他風力發電機，結構簡單堅固、可靠性高、維護及運行費用低、功率密度大［13］。

3.1 空氣動力系統模型

空氣動力系統模型用于描述將風能轉化為風機功率輸出的過程，其能量轉換公式為

式中，ωw為風機機械角速度（rad/s）。

對于恒頻/恒速定距型風力發電機組，下式給出了一種CP特性曲線近似描述［14］：

式中，Cf為葉片設計參數，一般取1～3。

3.2 槳距控制模型

早期的風力發電系統以定槳距（失速型）風力發電機組為主導機型，仿真中可利用式（4）給出的CP特性來模擬被動失速效應。近年來，隨著風力發電系統容量的增大，變槳距控制技術日益獲得重視，并逐漸獲得了廣泛的應用。變槳距風力發電機組的槳距角一般是以發電機的電氣量作為反信號加以控制。相對定槳距風力發電機組來說，變槳距控制風力發電機組有明顯的優越性。當恒頻/恒速風力發電系統采用變槳距控制時，一般采取主動失速控制。當風速超過額定風速時，通過槳距角控制可以防止發電機的轉速和輸出功率超過額定值。

PI調節器的下限值θrefmin一般設為零，而當發電機轉速ωg高于額定轉速ωref時，PI調節器的輸出θref大于零，伺服控制系統動作，實現槳距角的調節。伺服系統中相關的限幅環節動作特性如下：3，且滿足4≤λ≤ 20和≥20時，能夠較高精度地擬合實際CP特性曲線，對于變槳距型風力發電機組，與上式對應的一種CP特性曲線近似式為

式中，T為伺服控制系統的比例控制常數；Tmax和Tmin為伺服控制系統比例控制輸出的上限和下限幅值，θmax和θmin為槳距角上限和下限幅值。

3.3 軸系模型

不同并網類型的風力發電系統，軸系模型具有統一的結構，一般包含有三個質塊［15］：風機質塊、齒輪箱質塊和發電機質塊。一般風機質塊慣性較大，齒輪箱質塊慣性較小，其主要用是通過低速轉軸和高速轉軸將風機和發電機嚙合在一起。在系統仿真過程中，三質塊模型、兩質塊模型和單質塊模型都可能會涉及。

1）三質塊模型

三質塊模型中包含風機質塊、齒輪箱質塊和發電機質塊，考慮軸的剛性系數和阻尼系數，三質塊模型對應的狀態方程如下：

式中，Tw為風機的轉矩，Jw為風機的慣性常數，ωw為風機的轉速，Dw為風機阻尼系數，kw為風機軸系的剛性系數，θw為風機質塊轉角，θ1為齒輪箱低速軸轉角，T1為齒輪箱低速軸轉矩，Jgear1為齒輪箱低速軸慣性常數，ω1為齒輪箱低速軸轉速，T2為齒輪箱高速軸轉矩，Jgear2為齒輪箱高速軸慣性常數；ω2為齒輪箱高速軸轉速，θ2為齒輪箱高速軸轉角，Tg為發電機的機械轉矩，Jg為發電機的慣性常數，ωg為發電機的轉速，Dg為發電機阻尼系數，kg為發電機軸系的剛性系數，θg為發電機質塊轉角，kgear為齒輪箱變比。

2）兩質塊模型

由于齒輪箱的慣性相比風機和發電機而言較小，有時可以將齒輪箱的慣性忽略，即假設Jgear1=Jgear2=0，將低速軸各量折算到高速軸上。對應的狀態方程如下：

3）單質塊模型

如果進一步忽略傳動軸的阻尼系數和剛性系數，即假設Dtg=0，ktg=0，則可以得到傳統的單質塊模型：

不同的軸系模型應用場合不同，在風力發電系統的建模仿真中，兩質塊的較為常用［16］。

4 仿真分析

按初始設置值仿真得到的發電機轉速、機端電壓有效值和有功功率輸出以及無功功率輸出如圖3所示。

圖3 發電機轉速、機端電壓及功率曲線

可以看到，約2.0s后感應電動機由電動轉為發電狀態，在電動機狀態下，發電機間歇吸收有功功率，在轉入發電狀態后將發出有功功率，并基本保持于2.0MW。而全過程中發電機基本均吸收無功功率。發電機機端電壓逐步建立，在2s后基本達到額定值。

風力機輸出功率及槳距角如圖4所示。在6.0s之前，風力機按照14m/s風速和11.88°的槳距角輸出0.8pu的功率，6.0s之后將按照發電機輸出2MW功率的要求自動調整槳距角。

圖4 風力機輸出功率及槳距角曲線

軟并網裝置的A相電流如圖5所示。該電流在約2s之前不是正弦波，主要是受晶閘管導通角控制的影響。發電機處于發電狀態后，該電流即為正弦波。在5.02s處的電流突升是由于投入了并聯無功補償電容器，且未采用過零投切的方式，導致沖擊電流較大。

圖5 軟并網裝置的A相電流

5 結語

由于恒速恒頻風力發電系統結構簡單、成本低且可靠性高，但籠型異步發電機轉速只能在額定轉速（±（1%～5%））的范圍內運行，輸入的風功率不能過大或過小。論文通過運用PSCAD軟件實現了恒頻/恒速普通異步電動機組仿真運行，通過仿真可得出結論如下：一方面，若發電機超過轉速上限，將進入不穩定運行區；另一方面，風速的波動使風力機的氣動轉矩隨之波動，因為發電機轉速不變，風力機和發電機之間的軸承、齒輪箱將會承受巨大的機械摩擦力和疲勞應力。