風速不確定性對PMSG機組并網(wǎng)電流質(zhì)量影響的研究

劉景鵬 馬開放

（上海海事大學，上海 201306）

風速不確定性對PMSG機組并網(wǎng)電流質(zhì)量影響的研究

劉景鵬 馬開放

（上海海事大學，上海 201306）

近年來風電發(fā)展勢頭迅猛，直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢漸顯，針對永磁同步發(fā)電機、全功率變流技術(shù)的研究也較為成熟，但對其并網(wǎng)問題的研究卻頗顯不足?；谥彬?qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)探討風速不確定性給風電并網(wǎng)帶來的電流質(zhì)量問題，通過搭建PMSG機組并網(wǎng)實驗平臺，針對3種不同風況進行并網(wǎng)實驗，實驗結(jié)果表明，風速大小及其湍流強度是影響PMSG機組并網(wǎng)電流質(zhì)量的重要因素。

風速不確定性；永磁同步發(fā)電機；三相電流不平衡；諧波電流

當前全球能源短缺、環(huán)境惡化等問題日益嚴峻，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)代社會發(fā)展進程中的必然走向。風能的“綠色”特性使其具備與傳統(tǒng)能源相比的明顯優(yōu)勢，因而倍受世界各國的青睞。然而，風能資源本身具有間接性、隨機性以及不可控制等不確定因素[1-4]。風能極差的穩(wěn)定性會引起整個風電并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率和輸出電流波動，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風力機本身的機械特性；②風能資源的不可控性和隨機性。風力機的機械特性可以在設(shè)計階段通過優(yōu)化設(shè)計有效避免；風能資源的不確定性成為風電技術(shù)發(fā)展的瓶頸，因此，有必要針對風能資源的特點，對直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)過程的電能質(zhì)量問題進行研究與分析，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的風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

圖1 永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）風力機。風力機由葉片、輪轂和變槳距系統(tǒng)組成，其能將空氣中的動能轉(zhuǎn)化為機械能進而轉(zhuǎn)化為電能，是整個發(fā)電系統(tǒng)的能量來源。

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

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

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，方便對功率因數(shù)進行控制，有效補償電網(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，可以作為提高風電并網(wǎng)電能質(zhì)量的一種控制手段。

2 PMSG機組并網(wǎng)電流質(zhì)量問題

風力發(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，從風力機的葉片結(jié)構(gòu)到風力機的傳動機構(gòu)，再到發(fā)電機、電力電子變流裝置等，每個環(huán)節(jié)的特征參數(shù)都會影響到風電并網(wǎng)的電能質(zhì)量。由于風力機時刻處在不斷變化的風速之中，風速的隨機性使得風力機輸出的機械轉(zhuǎn)矩不平穩(wěn)，從而導(dǎo)致風力機輸出功率產(chǎn)生波動，進而影響風電并網(wǎng)電壓或電流質(zhì)量。本文僅針對PMSG機組并網(wǎng)電流質(zhì)量問題進行深入探討，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°。對于電流不平衡問題，用電流負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為電流的負序不平衡度；I1為電流正序分量的均方根值；I2為電流負序分量的均方根值；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準GB/T 15543—2008中給予了明確的闡述。對于風力發(fā)電系統(tǒng)中的三相電流不平衡問題，目前暫時沒有對這一指標明確的界定與規(guī)范。

2.2 電流諧波

對于變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)，風力機時刻處于不斷變化的風速中，變流器為了保持發(fā)電機定子側(cè)電壓頻率恒定，控制系統(tǒng)必須隨風速的變化時刻調(diào)整控制脈沖，達到變速恒頻的控制目標。因此，不同的風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風電并網(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量來進行衡量[11-12]。

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

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數(shù)形式來表示，其計算式為

式中，Ih為h次諧波均方根值；I1是基波均方根值。

對于風力發(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—2009兩項國家標準的要求，同時也要考慮到實際的裝機容量、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機組并網(wǎng)實驗

針對風電并網(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行理論值的計算，粗略的模擬風電并網(wǎng)過程的各種波形，但是無法反映出實際運行過程中可能產(chǎn)生的各種電能質(zhì)量問題。因此，要想針對這些問題深入探究就必須搭建一套實物仿真平臺，這樣才能更加真實的反應(yīng)出各種電能質(zhì)量問題。

3.1 風電并網(wǎng)實驗平臺搭建

整個實物仿真平臺由模擬風力機、發(fā)電機、整流、逆變四大模塊組成。通過變頻器和異步電動機組合來模擬風力機，用控制頻率的變化來實現(xiàn)異步電動機轉(zhuǎn)速的變化從而模擬現(xiàn)實中的風力機；異步電機通過皮帶輪驅(qū)動永磁同步發(fā)電機完成發(fā)電環(huán)節(jié)；永磁同步發(fā)電機輸出的三相電經(jīng)過整流、逆變環(huán)節(jié)并入實驗室電網(wǎng)，從而模擬出完整的風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，最后借助電能質(zhì)量測試儀進行并網(wǎng)電能質(zhì)量分析。實驗平臺現(xiàn)場接線圖如圖2所示。

圖2 PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)實驗平臺

實驗平臺設(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）異步電動機。額定電壓為 380V，額定電流為 6.72A，額定轉(zhuǎn)速為 1415r/min，極對數(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。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)量檢測儀。額定電壓 220V，額定功率40W，電壓測量范圍0～480V，電流測量范圍0～10A，諧波次數(shù)2～100次。

3.2 PMSG機組并網(wǎng)實驗及電流質(zhì)量分析

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

式中，f為異步電動機的控制頻率；n為電動機的轉(zhuǎn)速；p為電動機的極對數(shù)。

軟件仿真得出不同風速下發(fā)電機轉(zhuǎn)速及電動機控制頻率計算結(jié)果見表 1。并網(wǎng)實驗測試分 3次進行，分別測試PMSG機組在3種不同風速下并網(wǎng)側(cè)電流質(zhì)量問題，進一步找到風速對其電流質(zhì)量的影響程度。

表1 風速與轉(zhuǎn)速、控制頻率對應(yīng)關(guān)系

1）基本風測試

基本風風速恒定8m/s，如圖3（a）所示，對應(yīng)變頻器輸入頻率25Hz，起動變頻器，測試時間60s，網(wǎng)側(cè)電流波形如圖3（b）所示，利用電能質(zhì)量測試儀進行電能質(zhì)量趨勢分析，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 基本風測試電流波形及單項電能質(zhì)量分析

從圖3中看出，風速穩(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）漸變風測試

漸變風風速變化趨勢為 8m/s逐漸上升至12m/s，對應(yīng)變頻器控制頻率從 25Hz緩慢上升至45Hz，整個測試過程持續(xù)時間 60s，漸變風風速變化曲線如圖4（a）所示，并網(wǎng)側(cè)電流波形及電能質(zhì)量趨勢分析結(jié)果如圖4（b）至（e）所示。

圖4 漸變風測試電流波形及單項電能質(zhì)量分析

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

3）隨機風測試

隨機風風速保持在8～12m/s內(nèi)隨機變化，對應(yīng)變頻器控制頻率保持在 25～45Hz內(nèi)隨機變化，測試持續(xù)時間180s，隨機風風速變化曲線如圖5（a）所示，并網(wǎng)側(cè)電流波形及電能質(zhì)量趨勢分析結(jié)果如圖5（b）至（e）所示。

圖5 隨機風測試電流波形及單項電能質(zhì)量分析

圖5 可以看出，當風速隨機劇烈變化時，網(wǎng)側(cè)電流波形發(fā)生類似變化，電流諧波幅值波動于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；負序和零序不平衡度增加較明顯，達到6%左右，三相不平衡程度進一步加劇。

3種風況條件下PMSG機組并網(wǎng)側(cè)各項電流質(zhì)量分析結(jié)果見表2。

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

綜合表2中數(shù)據(jù)可以看出，風速穩(wěn)定情況下，PMSG機組并網(wǎng)側(cè)各項電流質(zhì)量指標滿足相關(guān)國家標準；當風速增大時，PMSG機組并網(wǎng)側(cè)各項電流質(zhì)量指標表現(xiàn)較差，且超出國家標準限定值；當風速劇烈增大或減小時，PMSG機組并網(wǎng)側(cè)各項電能質(zhì)量指標表現(xiàn)更差。

4 結(jié)論

風速不確定性是影響PMSG機組并網(wǎng)電能質(zhì)量好壞的重要因素，且PMSG機組并網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量好壞與風速大小及波動強度存在一定正比關(guān)系。風速增大，諧波電流和三相不平衡程度也有所增加；當風速波動越劇烈時，諧波電流大小和三相不平衡程度明顯增大。風速的這種不確定性將是制約風電發(fā)展的重要因素，針對風速的不確定性，準確有效的風電功率預(yù)測技術(shù)將是今后研究的重點方向，也是風電技術(shù)發(fā)展的大勢所趨。

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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

上海海事大學研究生創(chuàng)新基金項目（YXR2016109）

劉景鵬（1989-），男，安徽亳州人，碩士研究生，主要研究方向為新能源發(fā)電的電能質(zhì)量檢測與控制技術(shù)。