恒頻/恒速異步風力機并網(wǎng)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(fā)電系統(tǒng)因采用籠型異步發(fā)電機并通過變壓器直接接入電網(wǎng)，而由于籠型異步發(fā)電機只能工作在額定轉(zhuǎn)速之上很窄的范圍內(nèi)，所以通常稱之為恒速風力發(fā)電機［1］。并網(wǎng)運行時，異步發(fā)電機需要從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，這惡化了電網(wǎng)的功率因數(shù)，易使電網(wǎng)無功容量不足，影響電壓的穩(wěn)定性。由于籠型異步發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單（方便變極）、成本低且可靠性高［2］，適合風力發(fā)電這種特殊場合，在風力發(fā)電發(fā)展的初期，籠型異步發(fā)電機得到了廣泛的應用，有效地促進了風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2 異步風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及其模型

2.1 結(jié)構(gòu)組成

直接并網(wǎng)的異步風力發(fā)電系統(tǒng)［3～4］主要由風速、風力機、異步發(fā)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(huán)節(jié)的模型。

2.2 系統(tǒng)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(chǎn)生，風源風速采用了內(nèi)部+外部輸入的方式，內(nèi)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(diào)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(lián)軸器等中間傳動裝置構(gòu)成。其機械部分與異步發(fā)電機是柔性連接，相互之間的剛性度較低。當考察風電系統(tǒng)電氣部分的動態(tài)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(zhuǎn)換成作用在輪轂上的機械轉(zhuǎn)矩。風力機調(diào)速器的主要設置為：允許變槳距控制、調(diào)速器傳遞函數(shù)采用MOD2型。

2.2.3 異步發(fā)電機模型

直接并網(wǎng)的大中型風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機大多是是異步發(fā)電機［8］，計及轉(zhuǎn)子繞組電磁暫態(tài)時，以三階模型建立異步發(fā)電機的數(shù)學模型［9］。本文所采用的發(fā)電機功率輸出參考值為2MW（0.8pu），發(fā)電機電氣轉(zhuǎn)速參考值為377rad/s。0～6s內(nèi)的功率輸入采用0.8pu，發(fā)電機轉(zhuǎn)速輸入采用1pu，不對槳距角進行調(diào)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(fā)電機的功率輸出信號，轉(zhuǎn)速輸入來自發(fā)電機轉(zhuǎn)速，槳距角將自動進行調(diào)整［10～11］。

圖1為其軟并網(wǎng)裝置結(jié)構(gòu)圖。裝置基本工作原理是：在發(fā)電機轉(zhuǎn)速建立之前，通過反并聯(lián)晶閘管對并網(wǎng)，此時系統(tǒng)提供有功和無功功率，風力機提供轉(zhuǎn)矩，帶電發(fā)電機增速。晶閘管的觸發(fā)角隨發(fā)電機速度的增大逐步減小，通過這種方法使得發(fā)電機速度平滑上升，避免沖擊電流的產(chǎn)生。圖2為系統(tǒng)控制圖。

圖1 軟并網(wǎng)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)控制圖

3 恒頻/恒速風力發(fā)電系統(tǒng)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(zhuǎn)換效率，是葉尖速比λ與葉片槳距角θ的函數(shù)，表達式為

葉尖速比入定義為

典型的恒頻/恒速風力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)主要由異步感應發(fā)電機模塊、槳距控制模塊、空氣動力系統(tǒng)模塊和軸系模塊構(gòu)成［12］。在恒頻/恒速風力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機直接與電網(wǎng)相連，風速變化時，采用失速控制維持發(fā)電機轉(zhuǎn)速恒定。這種風力發(fā)電系統(tǒng)一般以異步發(fā)電機直接并網(wǎng)的形式為主。鼠籠異步發(fā)電機相較于其他風力發(fā)電機，結(jié)構(gòu)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(tǒng)模型

空氣動力系統(tǒng)模型用于描述將風能轉(zhuǎn)化為風機功率輸出的過程，其能量轉(zhuǎn)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(fā)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(shù)，一般取1～3。

3.2 槳距控制模型

早期的風力發(fā)電系統(tǒng)以定槳距（失速型）風力發(fā)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(fā)電系統(tǒng)容量的增大，變槳距控制技術(shù)日益獲得重視，并逐漸獲得了廣泛的應用。變槳距風力發(fā)電機組的槳距角一般是以發(fā)電機的電氣量作為反信號加以控制。相對定槳距風力發(fā)電機組來說，變槳距控制風力發(fā)電機組有明顯的優(yōu)越性。當恒頻/恒速風力發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電機的轉(zhuǎn)速和輸出功率超過額定值。

PI調(diào)節(jié)器的下限值θrefmin一般設為零，而當發(fā)電機轉(zhuǎn)速ωg高于額定轉(zhuǎn)速ωref時，PI調(diào)節(jié)器的輸出θref大于零，伺服控制系統(tǒng)動作，實現(xiàn)槳距角的調(diào)節(jié)。伺服系統(tǒng)中相關(guān)的限幅環(huán)節(jié)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(fā)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(tǒng)的比例控制常數(shù)；Tmax和Tmin為伺服控制系統(tǒng)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(wǎng)類型的風力發(fā)電系統(tǒng)，軸系模型具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，一般包含有三個質(zhì)塊［15］：風機質(zhì)塊、齒輪箱質(zhì)塊和發(fā)電機質(zhì)塊。一般風機質(zhì)塊慣性較大，齒輪箱質(zhì)塊慣性較小，其主要用是通過低速轉(zhuǎn)軸和高速轉(zhuǎn)軸將風機和發(fā)電機嚙合在一起。在系統(tǒng)仿真過程中，三質(zhì)塊模型、兩質(zhì)塊模型和單質(zhì)塊模型都可能會涉及。

1）三質(zhì)塊模型

三質(zhì)塊模型中包含風機質(zhì)塊、齒輪箱質(zhì)塊和發(fā)電機質(zhì)塊，考慮軸的剛性系數(shù)和阻尼系數(shù)，三質(zhì)塊模型對應的狀態(tài)方程如下：

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

2）兩質(zhì)塊模型

由于齒輪箱的慣性相比風機和發(fā)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(tài)方程如下：

3）單質(zhì)塊模型

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

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

4 仿真分析

按初始設置值仿真得到的發(fā)電機轉(zhuǎn)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(fā)電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，在電動機狀態(tài)下，發(fā)電機間歇吸收有功功率，在轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)后將發(fā)出有功功率，并基本保持于2.0MW。而全過程中發(fā)電機基本均吸收無功功率。發(fā)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(fā)電機輸出2MW功率的要求自動調(diào)整槳距角。

圖4 風力機輸出功率及槳距角曲線

軟并網(wǎng)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(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)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(lián)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(wǎng)裝置的A相電流

5 結(jié)語

由于恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低且可靠性高，但籠型異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速只能在額定轉(zhuǎn)速（±（1%～5%））的范圍內(nèi)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(xiàn)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(jié)論如下：一方面，若發(fā)電機超過轉(zhuǎn)速上限，將進入不穩(wěn)定運行區(qū)；另一方面，風速的波動使風力機的氣動轉(zhuǎn)矩隨之波動，因為發(fā)電機轉(zhuǎn)速不變，風力機和發(fā)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。