張鳳鴿,陸繼明,易長松,2,楊德先
(1.華中科技大學(xué)強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室,湖北武漢430074;2.武漢華大電力自動技術(shù)有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430074)
雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬實驗平臺的研制
張鳳鴿1,陸繼明1,易長松1,2,楊德先1
(1.華中科技大學(xué)強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室,湖北武漢430074;2.武漢華大電力自動技術(shù)有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430074)
風(fēng)能是目前發(fā)展最快、最具競爭力的新能源之一。開發(fā)一種在實驗室環(huán)境下進行風(fēng)電技術(shù)研究和教學(xué)的實驗平臺是非常必要的。該文分析研究了多種風(fēng)速和風(fēng)力機特性,提出了一種適合科研和教學(xué)實驗的物理模型,研制了一套10 kW模擬雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺。該平臺可以獨立運行,也可以與電力系統(tǒng)動態(tài)模擬系統(tǒng)相連接,還可以接入到全國高校廣泛應(yīng)用的WDT-III電力系統(tǒng)綜合實驗教學(xué)系統(tǒng)中進行實驗。實驗研究結(jié)果表明,該模擬系統(tǒng)的動態(tài)特性與風(fēng)機的理論特性相吻合,可用于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究和教學(xué)實驗。該實驗平臺已在全國10多所科研院所和大專院校得到了應(yīng)用。
動態(tài)模擬;雙饋發(fā)電機;風(fēng)力機;SPWM變換器;實驗系統(tǒng)
風(fēng)力發(fā)電是一門新興學(xué)科,發(fā)展空間巨大,應(yīng)用前景廣闊。未來我國需要一大批從事風(fēng)電行業(yè)的專業(yè)技術(shù)人才。目前風(fēng)電產(chǎn)業(yè)專業(yè)技術(shù)人才嚴重不足,急需培養(yǎng)大量的在技術(shù)研發(fā)、設(shè)計制造、建設(shè)運維等方面具有專業(yè)技能和知識的人才,人才培養(yǎng)任重而道遠。為適應(yīng)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展需求,國家和社會要重視,高校和企業(yè)要行動,各方面都應(yīng)積極努力進行風(fēng)電專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng),因為人才是風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵,是中國風(fēng)電事業(yè)發(fā)展的基石[1]。
大多數(shù)科研單位的實驗室都不具備風(fēng)場環(huán)境,也沒有風(fēng)力機設(shè)備,這對一些新理論和新技術(shù)的驗證帶來了困難;因此,為教學(xué)和科研單位研發(fā)一套能在實驗室中模擬風(fēng)場和風(fēng)力機特性的模擬風(fēng)力發(fā)電實驗系統(tǒng)是非常必要的。實驗系統(tǒng)能極大地簡化風(fēng)電技術(shù)研究的實驗過程,提高實驗效率,縮短風(fēng)電新技術(shù)、新方法的研究周期[2-4]。
在一定的時空范圍內(nèi),風(fēng)速是不斷變化的且具有隨機性。為了能夠模擬出風(fēng)速的這一特性,精確地再現(xiàn)風(fēng)能所具有的間歇性和隨機性的特點,滿足不同的研究需求,常采用4種典型的風(fēng)速描述模型對風(fēng)速進行分析,即基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機風(fēng)。
1.1 基本風(fēng)
基本風(fēng)在一定程度上反映了風(fēng)電場平均風(fēng)速的變化,風(fēng)力發(fā)電機在正常運轉(zhuǎn)過程中它一直存在?;撅L(fēng)也決定了風(fēng)力發(fā)電機向電網(wǎng)輸送的額定功率的大小。
風(fēng)電場測風(fēng)所得的韋布爾分布參數(shù)可近似地確定基本風(fēng)風(fēng)速模型:
式中:VWB為基本風(fēng)速,單位為m/s;A為韋布爾分布的尺度參數(shù);Γ為伽馬函數(shù);k為韋布爾分布的形狀參數(shù)。
1.2 陣風(fēng)
除隨機性外,在自然狀態(tài)下風(fēng)速還具有突然變化的特性。對于風(fēng)速的這一特性可用陣風(fēng)模型來進行描述,在特定的時間段內(nèi)(TSG<T<TEG)風(fēng)速具有余弦特性。在對電力系統(tǒng)進行動態(tài)穩(wěn)定分析中,尤其是在分析研究風(fēng)電系統(tǒng)對電網(wǎng)系統(tǒng)電壓波動的影響時,通常用陣風(fēng)對電網(wǎng)系統(tǒng)在風(fēng)速突然存在較大變化情況下的動態(tài)特性進行考核。陣風(fēng)數(shù)學(xué)模型能夠比較精確地描述出風(fēng)速突然變化的特性。
式中,VWG為陣風(fēng)風(fēng)速,GMAX為陣風(fēng)最大值,TG為陣風(fēng)周期,TSG為陣風(fēng)起始時間,TEG為陣風(fēng)停止時間。
1.3 漸變風(fēng)
風(fēng)速的漸變特性可用漸變風(fēng)數(shù)學(xué)模型來描述,它可以反映出風(fēng)速在一定的時間段內(nèi)(TSR<T<TER)所表現(xiàn)出的線性變化的特性,它是在基本風(fēng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上乘一個比例系數(shù)AR,相當于在基本風(fēng)的基礎(chǔ)上疊加一個分量VWR,VWR就代表漸變風(fēng)分量。
式中,AR值取3 m/s,TSR為漸變風(fēng)起始時間,TER為漸變風(fēng)停止時間。
1.4 噪聲風(fēng)(隨機風(fēng))
風(fēng)速變化的隨機性可用噪聲風(fēng)數(shù)學(xué)模型來對其進行描述,該數(shù)學(xué)模型可以反映出在一定的高度上風(fēng)速變化所具有的隨機性特點。
式中,VWN為隨機風(fēng)風(fēng)速;VN為隨機分量的最大值;Ram(-1,1)為隨機函數(shù)的隨機數(shù),其值在-1~+1之間均勻分布;wv指風(fēng)速變化的平均間距,其值一般取0.5π~2π;φv為隨機變量,其值在0~2π之間均勻分布。
1.5 組合風(fēng)
組合風(fēng)數(shù)學(xué)模型包含了以上所述的四種風(fēng)速成分,可以較全面地模擬作用在風(fēng)力機上自然狀態(tài)下的實際風(fēng)速:
表1 模擬風(fēng)速的設(shè)定參數(shù)
按照表1參數(shù)對模擬風(fēng)力機的風(fēng)速進行設(shè)置,模擬出風(fēng)速曲線如圖1所示。從模擬風(fēng)速曲線圖中可以看出,在0~5 s時間段內(nèi)起作用的主要是基本風(fēng),在5~7 s時間段內(nèi)起作用的主要是陣風(fēng),在7~16 s時間段內(nèi)起作用的主要是漸變風(fēng),這里的漸變風(fēng)采用的是“漸變上升—維持—漸變下降”的典型波形,隨機風(fēng)作用于風(fēng)速變化的整個過程。
圖1 組合風(fēng)的時間曲線
1.6 風(fēng)速模型的應(yīng)用
實際應(yīng)用中,風(fēng)速的仿真分為以下4種情況。
1)基本風(fēng)和噪聲風(fēng)的組合,它適合在正常工作情況和關(guān)停機情況下使用;
2)基本風(fēng)和陣風(fēng)的組合,它適于研究風(fēng)電機組運行時陣風(fēng)擾動的動態(tài)特性;
3)基本風(fēng)和漸變風(fēng)的組合,它一般用于暫態(tài)、動態(tài)穩(wěn)定分析等情況;
4)基本風(fēng)、噪聲風(fēng)、漸變風(fēng)和陣風(fēng)按一定比例疊加在一起進行仿真,可用它來仿真實際風(fēng)場的自然風(fēng)[5]。
風(fēng)力機的特性體現(xiàn)在兩個方面:1)輸入風(fēng)速與風(fēng)力機輸出功率的關(guān)系;2)輸入風(fēng)速與轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性的關(guān)系。
2.1 風(fēng)力機的輸入、輸出功率
可以根據(jù)空氣動力學(xué)列出描述風(fēng)機輸入功率與風(fēng)速關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式:
式中,PV為風(fēng)機的輸入功率,ρ為空氣密度,A為風(fēng)機葉片掃掠面積,v為風(fēng)速,RW為風(fēng)機葉片半徑。
風(fēng)機輸出功率的數(shù)學(xué)表達式為:
式中,Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。
從式(7)可以看出,風(fēng)機的輸出功率等于風(fēng)機的輸入功率乘以一個效率系數(shù)即風(fēng)能利用系數(shù)。
2.2風(fēng)能利用系數(shù)Cp
1)風(fēng)能利用系數(shù)Cp的定義
Cp的數(shù)學(xué)表達式為:
Cp表征了風(fēng)力機在將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能的過程中的能量轉(zhuǎn)換效率,從式(8)可以看出,Cp在數(shù)值等于風(fēng)力機輸出功率與輸入功率之比。風(fēng)速、葉片直徑、葉片轉(zhuǎn)速及槳葉節(jié)距角都影響著Cp值的大小。風(fēng)機的輸出功率也是槳葉節(jié)距角和葉尖速比的函數(shù)。
葉尖速比λ的數(shù)學(xué)表達式為:
式中:ωW為風(fēng)力機葉片旋轉(zhuǎn)角速度,nW為葉片的轉(zhuǎn)速,λ等于風(fēng)輪葉尖速度除以風(fēng)速。對式(9)進行推導(dǎo),得風(fēng)速的表達式并代入式(7)中,則得到風(fēng)力機輸出功率的另外一種表達式為:
2)風(fēng)能利用系數(shù)Cp的曲線
風(fēng)力機分為定槳距型和變槳距型兩種類型。
變槳距型風(fēng)機的特性是一族Cp(λ)曲線。在槳葉節(jié)距角β值固定時,Cp的值只是葉尖速比λ的函數(shù),其特性曲線如圖2所示。圖中橫坐標是葉尖速比λ,縱坐標是風(fēng)能利用系數(shù)Cp。在槳葉距角β不固定時,Cp(λ)曲線值隨著槳葉距角的增加而明顯變小,如圖3所示。
圖2 葉尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)系曲線(槳距角固定)
圖3 風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ,β)的曲線
3)考慮槳距角β的風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ,β)的典型計算公式為:
由圖2和圖3可以看出,一臺運行的風(fēng)機,在保持風(fēng)速和槳距角不變的情況下,根據(jù)Cp-λ曲線,存在一個Cpmax使風(fēng)機的輸出功率達到最大值。所以在一定風(fēng)速下,可以通過控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速,使風(fēng)機的葉尖速比工作在最優(yōu)狀態(tài),從而使風(fēng)力機最大限度地利用風(fēng)能[6]。
2.3 風(fēng)力機特性模擬
風(fēng)力機特性模擬原理框圖如圖4所示,主要有以下5個步驟。
1)根據(jù)給定風(fēng)速v(由風(fēng)速模型的輸出給定)和實測風(fēng)力機轉(zhuǎn)速ω,按式(9)計算葉尖速比λ,其中Rw為風(fēng)力機葉輪半徑,是已知常數(shù)。
2)當風(fēng)速維持在額定時,風(fēng)機一般為定漿距運行,槳距角β=0,此時可根據(jù)Cp-λ曲線,確定風(fēng)機在某一葉尖速比λ下的風(fēng)能利用系數(shù)Cp的值。如果風(fēng)速大于額定風(fēng)速,則可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)機漿距角來改變Cp的值,從而使風(fēng)機輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。因此即使風(fēng)速大于額定風(fēng)速也可控制風(fēng)機輸出功率等于額定功率,跳到步驟4)。
3)已知v和Cp,可根據(jù)風(fēng)機輸出功率的數(shù)學(xué)表達式(7)算出風(fēng)機輸出功率P。
4)已知風(fēng)機的輸出功率P及實測風(fēng)機轉(zhuǎn)速ω,可根據(jù)功率計算公式“功率=轉(zhuǎn)速×轉(zhuǎn)矩”,算出轉(zhuǎn)矩T。
5)勵磁方式為他勵方式下的直流電動機的轉(zhuǎn)矩T和電樞電流Ia是成正比的,因此轉(zhuǎn)矩在一定程度上可與電樞電流進行線性轉(zhuǎn)換,通過閉環(huán)調(diào)節(jié)電樞電流可達到控制風(fēng)機轉(zhuǎn)矩的目的,實現(xiàn)了對風(fēng)力機特性的模擬。
圖4 風(fēng)力機特性模擬原理框圖
風(fēng)力機模擬器不僅能模擬不同特性的風(fēng)力機,而且模擬風(fēng)速的曲線可自由設(shè)定;它不依賴于實際風(fēng)力機裝置和風(fēng)場環(huán)境,但又能真實地模擬風(fēng)力機特性。該風(fēng)力機特性模擬裝置的應(yīng)用不僅十分有利于在實驗室環(huán)境中對風(fēng)電系統(tǒng)進行研究和探索,也為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其部件的研制和測試提供了一個便捷的實驗平臺。
風(fēng)力機特性的模擬可以簡述為:首先根據(jù)當前的風(fēng)速和風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速計算當前風(fēng)力機的轉(zhuǎn)矩,然后根據(jù)此轉(zhuǎn)矩指令來控制執(zhí)行電機的實際輸出轉(zhuǎn)矩來模擬風(fēng)力機特性。執(zhí)行電機通常采用感應(yīng)電動機或直流電動機[7]。由于直流電動機具有易于控制且控制性能好的特點,本實驗平臺采用15 kW直流電動機作為風(fēng)力機特性模擬系統(tǒng)的執(zhí)行電機。
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示。雙饋發(fā)電機的定子直接與工頻電網(wǎng)相連,而轉(zhuǎn)子則通過能量可以雙向流動的背靠背雙SPWM變換器組成的交直交系統(tǒng)和電網(wǎng)相連。
圖5 模擬雙饋風(fēng)力發(fā)電實驗平臺結(jié)構(gòu)簡圖
電網(wǎng)側(cè)變換器(頻率45~55 Hz,容量6 kVA)的交流端通過勵磁變壓器與電網(wǎng)相連,直流側(cè)則與轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的直流側(cè)并聯(lián)。電網(wǎng)側(cè)變換器采用PQ解耦控制策略,可實現(xiàn)變換器交流側(cè)的PQ四象限運行[8],在轉(zhuǎn)子亞同步速運行時向轉(zhuǎn)子提供勵磁功率和轉(zhuǎn)差功率,在轉(zhuǎn)子超同步速運行時,將轉(zhuǎn)子輸出的轉(zhuǎn)差功率傳送到電網(wǎng);根據(jù)電網(wǎng)對無功功率的需求與電網(wǎng)交換無功功率,但通常為降低變換器容量而運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。其工作原理:頻率跟蹤網(wǎng)頻,相序自動辨識自動適應(yīng);SPWM的變頻控制采用恒定載波比改變載波周期的方式調(diào)頻,查表獲得每個載波周期中的正弦脈沖寬度值[9]。采用與電網(wǎng)電壓同步,改變調(diào)制波相對電網(wǎng)電壓相位的方法進行調(diào)相,以改變有功功率傳送方向和大小,使直流電壓穩(wěn)定在給定水平上。
轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(頻率+15~-10 Hz,容量6 kVA)的直流側(cè)與電網(wǎng)側(cè)變換器的直流側(cè)并聯(lián),其交流側(cè)與雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組相連。主要任務(wù)是為雙饋發(fā)電機提供合適幅值和頻率的勵磁電流,實現(xiàn)發(fā)電機機端電壓的穩(wěn)定控制、負責(zé)并聯(lián)運行機組之間無功功率的合理分配,實現(xiàn)最大風(fēng)能功率追蹤等。其工作原理:并網(wǎng)前根據(jù)網(wǎng)頻和轉(zhuǎn)速自動確定勵磁電流頻率和相序,跟蹤并網(wǎng)相位,跟蹤電網(wǎng)電壓幅值,為準同步并網(wǎng)創(chuàng)造條件;并網(wǎng)后維持勵磁電流頻率不變,或由人工調(diào)節(jié),或由最大功率追蹤功能軟件自動調(diào)整;定電壓(定電流)控制時,根據(jù)電壓(電流)偏差自動調(diào)節(jié)輸出勵磁電流的大小,以維持機端電壓(勵磁電流)在給定水平上。采用恒定載波周期改變調(diào)制波頻率的方式調(diào)頻[10]。
轉(zhuǎn)子位置信號采用10位絕對式光電編碼器,以獲得準確的轉(zhuǎn)子實際位置信號,這樣控制系統(tǒng)才能進行一系列的坐標變換,確定轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值和相位,實現(xiàn)矢量控制,保證輸出電能恒頻恒壓。準確、可靠的轉(zhuǎn)子位置信號是高性能變速恒頻雙饋發(fā)電系統(tǒng)正常運行的必要條件。
實驗平臺由風(fēng)力機模擬控制屏、雙饋風(fēng)機勵磁控制屏、機組平臺(15 kW他勵式直流電動機+10 kW繞線式異步電機+機組鐵板底座)組成并配有上位機實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
4.1 模擬風(fēng)力機及調(diào)速控制屏功能
在不同風(fēng)速下的功率—速度特性的模擬是由該屏實現(xiàn)的,可以實現(xiàn)風(fēng)速、風(fēng)力機功率特性曲線的模擬。具有槳距角調(diào)節(jié)功能,發(fā)電系統(tǒng)的最大出力可根據(jù)后臺指令進行調(diào)整。方便了實驗室對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究,可以用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其部件的研制和測試,驅(qū)動功率為12 kW;轉(zhuǎn)速范圍為1 000~1 800 r/min。能完成以下功能:
1)實測風(fēng)速數(shù)據(jù)或由實測數(shù)據(jù)擬合出多項式公式;
2)4種風(fēng)速模式及其組合,即恒定風(fēng)速、漸變風(fēng)、陣風(fēng)、隨機風(fēng)和組合風(fēng)。
4.2 雙饋風(fēng)機勵磁控制屏功能
在繞線式異步電機的轉(zhuǎn)子側(cè)接入背靠背雙SPWM變換器,可以獨立控制定子側(cè)的有功功率和無功功率。雙SPWM變換器容量均為6 kVA。能完成以下功能:
1)自動判斷進入起動狀態(tài)或從電網(wǎng)退出;
2)雙饋發(fā)電機的空載并網(wǎng);
3)風(fēng)電發(fā)電機組的并網(wǎng)運行,包括超同步和亞同步運行狀態(tài)的實現(xiàn),以及兩種狀態(tài)的平滑過渡;
4)最大風(fēng)能追蹤(MPPT)的實現(xiàn);
5)風(fēng)電系統(tǒng)的獨立運行。
4.3 上位機監(jiān)控軟件功能
該軟件通過RS485接口和風(fēng)機控制器以及勵磁調(diào)節(jié)器進行通訊,實現(xiàn)風(fēng)機控制器和勵磁調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)監(jiān)視、控制等操作,以圖形化的形式反映風(fēng)電試驗系統(tǒng)的工作狀態(tài),方便實驗人員更好地進行風(fēng)電試驗研究。能完成以下功能:
1)調(diào)速控制器、勵磁調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)監(jiān)視;
2)試驗錄波曲線讀取、繪制和保存;
3)改變風(fēng)機控制器運行方式;
4)調(diào)速控制器和勵磁調(diào)節(jié)器的增減速(磁)控制。
4.4 雙饋風(fēng)機暫態(tài)特性試驗波形
針對實驗平臺進行雙饋風(fēng)機啟動及并網(wǎng)實驗、不同運行狀態(tài)下系統(tǒng)故障暫態(tài)特性實驗、低電壓故障穿越能力測試實驗,并記錄各點故障暫態(tài)錄波。模擬雙饋風(fēng)力發(fā)電機甩100負荷波形圖如圖6所示。
圖6 模擬雙饋風(fēng)力發(fā)電機甩100負荷波形圖
教學(xué)實驗內(nèi)容包括:1)起勵試驗;2)滅磁試驗;3)給定電壓調(diào)節(jié)范圍與調(diào)節(jié)速度;4)空載階躍試驗;5)運行方式切換試驗與穩(wěn)定運行;6)變速恒頻試驗;7)單機帶負荷試驗;8)轉(zhuǎn)速、勵磁電流與機端電壓的關(guān)系試驗;9)并網(wǎng)條件跟蹤試驗;10)并網(wǎng)運行與負荷調(diào)節(jié)試驗;11)并網(wǎng)狀態(tài)下的運行方式切換試驗;12)并網(wǎng)狀態(tài)下的階躍試驗;13)電力系統(tǒng)短路試驗;14)失步再同步功能試驗;15)甩負荷試驗等。
該平臺在華中科技大學(xué)電氣2011級的教學(xué)中開始了應(yīng)用,全部實驗結(jié)束時就教學(xué)實驗內(nèi)容的難易程度、涵蓋的專業(yè)知識面以及學(xué)生對實驗的興趣、接受程度和滿意度5方面進行了問卷調(diào)查,調(diào)查總?cè)藬?shù)為89人,調(diào)查的結(jié)果如表2所示。
調(diào)查結(jié)果表明,我校所選的實驗教學(xué)內(nèi)容難易程度適中、涵蓋的電力專業(yè)知識較全面,大多數(shù)學(xué)生能從風(fēng)力發(fā)電實驗中系統(tǒng)地獲得專業(yè)知識,從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。實驗調(diào)動了學(xué)生主動參與課堂教學(xué)和實驗教學(xué)的積極性,達到了電力專業(yè)教學(xué)的預(yù)期目的。
Development of the Simulated Doubly-Fed Wind Power System Experimental Platform
ZHANG Fengge1,LU Jiming1,YI Changsong1,2,YANG Dexian1
(1.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.Wuhan Huada Electric Auto Technique Company Limited,Wuhan 430074,China)
The wind energy is one of the fastest growing and most competitive new energy now,it's quite necessary to develop an experimental platform which can be used for the scientific research and teaching on wind power technology in the laboratory environment.This paper analyzes the characteristics of different wind velocities and wind turbines,proposes a physical model which fit the scientific research and teaching,developes a simulated doubly-fed wind power system experimental platform and the capacity of the model is 10kW,The platform can run independently or connect with the power system dynamic simulation system,and can be connected to the WDT-III power system comprehensive experimental teaching system which is widely used in the national universities.The experiment results show that the dynamic characteristic of the model is consistent with the theory characteristic of the wind turbine,and can be used for the research and teaching experiment,the experimental platform has been applied in more than ten scientific research institutions and colleges.
dynamic simulation;doubly-fed generator;wind turbine;SPWM convertor;experiment system
TK81
A
10.3969/j.issn.1672-4550.2016.06.021
2015-06-07;修改日期:2015-08-09
華中科技大學(xué)2013年實驗技術(shù)研究項目(01-34-131010)
張鳳鴿(1980-),女,碩士,高級工程師,主要從事電力系統(tǒng)動態(tài)模擬技術(shù)的科研和教學(xué)工作。