風力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性研究與分析

張 軍

(蘭州石化職業(yè)技術學院電子電氣工程學院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

風能是可再生能源中較為廉價、具有較大發(fā)展空間的清潔能源。其發(fā)展迅速，具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)利用價值。作為新型能源，風能的穩(wěn)定性不佳。在能量的轉換過程中，風力發(fā)電系統(tǒng)對氣流速度的影響不明顯，并不會對當?shù)氐沫h(huán)境造成太大的影響或污染。風力發(fā)電系統(tǒng)對控制溫室氣體排放、污染等方面有突出的作用，同時可以較好地促進經(jīng)濟與人口的協(xié)調發(fā)展，受到了世界各國的廣泛關注[1]。近年來，各國都在積極研究風力發(fā)電產(chǎn)能的開發(fā)與應用，使得風能得到了迅速的發(fā)展及應用。由于風力發(fā)電技術[1]應用廣泛，受環(huán)境氣候和時間、空間的影響，風力的大小和方向是時刻變化的，使得風能的不穩(wěn)定因素增加。因此，風能在利用過程中存在很多問題。

針對風力發(fā)電的不穩(wěn)定性，學者們采用了諸多研究策略。文獻[2]采用離網(wǎng)運行的小型風力發(fā)電系統(tǒng)，并在傳統(tǒng)“三相不控整流器-Buck電路-負載”的系統(tǒng)結構上研究先進的控制算法。該控制算法能起到一定的控制作用，但離網(wǎng)系統(tǒng)負載形式單一、可選擇范圍狹窄，使其應用范圍有限。文獻[3]提出了一種控制算法。該算法采用最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)進行精度控制、速度追蹤與動態(tài)響應，以達到控制的目的，試驗證明了該算法的有效性。文獻[4]同樣在MPPT控制的基礎上，提出一種高風速保護的控制方法，來拓寬系統(tǒng)的高風速性能，并證明了該算法的有效性。本文采用混合動力發(fā)電機系統(tǒng)，通過一個整流器和一個直流/直流(direct current/direct current,DC/DC)轉換器與DC總線連接，多極永磁同步發(fā)電機(multi-ploe permanent magnet synchronous generator,MPMSG)允許無齒輪耦合至渦輪機，從而提高系統(tǒng)的魯棒性。

1 風力發(fā)電系統(tǒng)建模

在風力發(fā)電系統(tǒng)中，根據(jù)結構，系統(tǒng)可以分為風能轉換系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)等相互關聯(lián)的子系統(tǒng)。該風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結構如圖1所示。

圖1 風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結構圖

從圖1中可以看出，系統(tǒng)由DC-DC整流器、逆變器和電池組成。各變換器的開關頻率分別為100 kHz、100 kHz 和 20 kHz。各個部件互相配合，保障了風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1.1 風速建模

風場的風速是風力發(fā)電系統(tǒng)的關鍵考慮因素之一。風速可以用瞬時風速和平均風速來表征。瞬時風速定義為系統(tǒng)在短時間發(fā)生的實際風速。平均風速則是一段時間間隔之內(nèi)風力發(fā)電機組瞬時風速的平均值。由于風的變化是不定的，因此通過不同地點的風向、風速對風電機組進行定量衡量，以促進風力發(fā)電機組更好地運行。

氣動功率調節(jié)作為衡量風速的因素，用于參數(shù)分析。當風力發(fā)電機組的實際風速較大時，其功率受到風力發(fā)電機、變流器、控制系統(tǒng)等影響。因此，通過降低風輪的能量、減少葉片的承受載荷，提高實際風機的輸出功率，使風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率保持在額定范疇之內(nèi)。在風機的整個運行過程中，根據(jù)風機從切入風速到切出風速的不同，得到風力發(fā)電機的不同動態(tài)特性。風輪氣動功率調節(jié)曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，由于額定風速的不同，額定功率也在變化。具體的額定功率可分為部分負荷和滿負荷這2個區(qū)域[5]。

圖2 風輪氣動功率調節(jié)曲線

在風速的額定范圍內(nèi)，通過空氣制動法來限制控制子系統(tǒng)對系統(tǒng)的影響，進而對功率系數(shù)參數(shù)進行限制，以改變風輪的動力。通過風力發(fā)電機組的葉片外形特性來調節(jié)功率的大小，稱為被動控制；通過改變?nèi)~片位置以適應風電機組的旋轉水平的方法，稱為主動控制。這些控制方案的目的是將整個風輪轉向側風，以減小空氣動力效率[6]。

空氣動力的重點在于對葉片的角度進行調節(jié)，使風機的風速隨著槳距角的減小而增大。因此，空氣動力受到葉片角度的影響。

簡單的風速模型可以通過四分量確定[7]，分別為平均風速、陣風風速、階躍風速和隨機風速。

Vw=VWB+VWG+VWS+VWN

(1)

式中：VWB為平均風速；VWG為陣風風速，是風速突變的特性；VWS為階躍風速；VWN為隨機風速。

(2)

式中：t1G為陣風的開始時間；t2G為陣風的結束時間；VGmax為陣風的最大風速。

(3)

式中：t1S為啟動時間；t2S為終止時間；tS為保持時間；VSmax為階躍峰值。

1.2 傳動機構建模

本文所研究的風力發(fā)電機為直驅型，機組由低速軸、齒輪箱、高速軸、風輪及發(fā)電機構成。傳動系統(tǒng)可以用三質量塊模型準確描述，但需要全面的參數(shù)才能建模并仿真。本文采用風輪、發(fā)電機等進行建模[8]。其運動方程可表示為：

(4)

式中：Jr為轉動慣量，kgm2；Ω為轉動角速度，rad/s；Twtr為動力矩，Nm；TD為能力吸收的阻力矩，Nm；k為齒輪的傳動比；Tm為扭矩。

發(fā)電機的運動方程可表示為：

(5)

式中：Jg為發(fā)電機轉動慣量，kgm2；ωg為發(fā)電機的機械角速度，rad/s；Tm為高速軸上的扭矩，Nm；Te為發(fā)電機上的反扭矩，Nm。

通過與風力發(fā)電機的數(shù)學模型結合，當TD=0時，得到傳動系統(tǒng)模型為：

(6)

1.3 發(fā)電機建模

對同步發(fā)電機的動態(tài)性能作進一步的分析。設d軸為永磁體轉自極中心線，q軸則超前d軸90°。建立d、q軸數(shù)學模型，電壓方程為[9]：

(7)

(8)

根據(jù)式(7)、式(8)，電磁轉矩方程可表示為：

Te=1.5p(φsdisq-φsqisd)

(9)

由式(9)可知，永磁同步發(fā)電機的電磁轉矩與其定子電流的大小成正比。通過調節(jié)永磁同步發(fā)電機的電磁轉矩，可以改變電流的大小，進而調節(jié)永磁同步發(fā)電機的轉速，使永磁同步發(fā)電機能達到其額定輸出功率[10]。

本文通過對以上風力發(fā)電系統(tǒng)建模，分析風機的運行情況。但實際的風力發(fā)電系統(tǒng)功率和額定容量不同。為了避免對模型階數(shù)的過高要求，以及仿真時間過長等因素對仿真效率的嚴重影響，在建模時，應盡量降低系數(shù)的維數(shù)，從而提高系統(tǒng)的準確度、減少運行時間、提高仿真效率。

2 風力發(fā)電系統(tǒng)運行控制及穩(wěn)定性分析

2.1 系統(tǒng)的運行控制

由于風的方向及大小不同，使得系統(tǒng)性能不穩(wěn)定，極大地影響了系統(tǒng)正常運行。風速是時刻變化的。根據(jù)風力發(fā)電機組的運行方式不同，其輸出功率如圖3所示。圖3中：Va為切入風速；Vb為額定風速；Vc為切除風速。根據(jù)各個區(qū)域的不同控制方法和特點，對風力發(fā)電機采用混合動力系統(tǒng)的調節(jié)方法[11-12]。

圖3 風力發(fā)電機輸出功率圖

發(fā)電機混合動力系統(tǒng)(generator hybrid power system，GHPS)存在許多不同的拓撲結構。本文所考慮的發(fā)電機混合動力系統(tǒng)的原理如圖4所示。其風力渦輪機的固定槳距直接連接到MPMSG上，通過一個整流器和一個DC/DC轉換器與DC總線連接[12]。PMSG允許無齒輪耦合至渦輪機，提高了系統(tǒng)的魯棒性和效率。光伏發(fā)電子系統(tǒng)也與直流母線連接。總線電壓由電池組施加。可變備選載荷使用靜態(tài)逆變器饋電。

風力發(fā)電子系統(tǒng)具有葉片渦輪俯仰變速拓撲功能。這意味著風力發(fā)電的電力對應的功率也輸入到DC總線。因此，必須由電子控制渦輪機的轉速調節(jié)。

圖4 混合發(fā)電動力系統(tǒng)原理圖

風力發(fā)電的控制目標是充分利用充電的電池組，調節(jié)風力發(fā)電以滿足負載需求，本文對光伏陣列進行控制。該發(fā)電陣列產(chǎn)生的功率通過太陽能子系統(tǒng)注入DC總線，電流的變化是由于太陽的隨機性輻射造成的。

2.2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

本文考慮到風電發(fā)電系統(tǒng)為單輸入、雙輸出，所以有兩個傳遞函數(shù)。

電壓的輸出傳遞函數(shù)可表示為：

(10)

由傳遞函數(shù)求出系統(tǒng)的零極點分布圖、奈奎斯特圖，分別如圖5和圖6所示。

圖5 零極點分布圖

圖6 奈奎斯特圖

從圖5可以看出，零極點在左平面內(nèi)，則系統(tǒng)開環(huán)零極點全部分布于左半平面；圖6則沒有包含點(-1,j0)。因此，說明了該系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

3 仿真分析

為了驗證本文所提方法的正確性，通過Matlab搭建仿真模型并進行仿真分析。仿真結果如圖7所示。本文參數(shù)設置如下，風力發(fā)電的額定風速設置為12 m/s，葉輪半徑為25 m，槳距角為0，永磁同步風力發(fā)電機的額定功率為1.5 MW，極對數(shù)為48，定子阻值為0.28 Ω，風力發(fā)電機的輸出電壓為690 V，風機的額定頻率為50 Hz，直流側電壓值為1 100 V，直流側電容為2 200 μF，仿真時間為10 s。

圖7 仿真結果圖

對以上三個仿真圖進行對比，可以看出，當風速在2 s時的注入電流為65 A，4.5 s時升至75 A，8 s時降為60 A。在整個過程中，永磁同步風力發(fā)電機的電流基本控制趨于平穩(wěn)，不再波動。

4 結束語

本文對風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性能進行了研究。首先，分析了影響風力發(fā)電系統(tǒng)的因素，并構建了風力發(fā)電系統(tǒng)模型，對各個重要的部件進行說明；然后，采用混合動力發(fā)電機系統(tǒng)，通過一個整流器和一個DC/DC轉換器與DC總線連接，提高系統(tǒng)的魯棒性，并通過注入電流驗證控制方案的合理性；最后，采用仿真模型進行驗證，通過判斷零極點分布圖和奈奎斯特圖對系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析，證明了該控制方法能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。