風(fēng)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(shù)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

風(fēng)能是可再生能源中較為廉價(jià)、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(jià)值。作為新型能源，風(fēng)能的穩(wěn)定性不佳。在能量的轉(zhuǎn)換過程中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)氣流速度的影響不明顯，并不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境造成太大的影響或污染。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)控制溫室氣體排放、污染等方面有突出的作用，同時(shí)可以較好地促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與人口的協(xié)調(diào)發(fā)展，受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[1]。近年來，各國(guó)都在積極研究風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)能的開發(fā)與應(yīng)用，使得風(fēng)能得到了迅速的發(fā)展及應(yīng)用。由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[1]應(yīng)用廣泛，受環(huán)境氣候和時(shí)間、空間的影響，風(fēng)力的大小和方向是時(shí)刻變化的，使得風(fēng)能的不穩(wěn)定因素增加。因此，風(fēng)能在利用過程中存在很多問題。

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性，學(xué)者們采用了諸多研究策略。文獻(xiàn)[2]采用離網(wǎng)運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并在傳統(tǒng)“三相不控整流器-Buck電路-負(fù)載”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上研究先進(jìn)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(fù)載形式單一、可選擇范圍狹窄，使其應(yīng)用范圍有限。文獻(xiàn)[3]提出了一種控制算法。該算法采用最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)進(jìn)行精度控制、速度追蹤與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以達(dá)到控制的目的，試驗(yàn)證明了該算法的有效性。文獻(xiàn)[4]同樣在MPPT控制的基礎(chǔ)上，提出一種高風(fēng)速保護(hù)的控制方法，來拓寬系統(tǒng)的高風(fēng)速性能，并證明了該算法的有效性。本文采用混合動(dòng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，通過一個(gè)整流器和一個(gè)直流/直流(direct current/direct current,DC/DC)轉(zhuǎn)換器與DC總線連接，多極永磁同步發(fā)電機(jī)(multi-ploe permanent magnet synchronous generator,MPMSG)允許無齒輪耦合至渦輪機(jī)，從而提高系統(tǒng)的魯棒性。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，根據(jù)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可以分為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)。該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guān)頻率分別為100 kHz、100 kHz 和 20 kHz。各個(gè)部件互相配合，保障了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1 風(fēng)速建模

風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵考慮因素之一。風(fēng)速可以用瞬時(shí)風(fēng)速和平均風(fēng)速來表征。瞬時(shí)風(fēng)速定義為系統(tǒng)在短時(shí)間發(fā)生的實(shí)際風(fēng)速。平均風(fēng)速則是一段時(shí)間間隔之內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組瞬時(shí)風(fēng)速的平均值。由于風(fēng)的變化是不定的，因此通過不同地點(diǎn)的風(fēng)向、風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行定量衡量，以促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組更好地運(yùn)行。

氣動(dòng)功率調(diào)節(jié)作為衡量風(fēng)速的因素，用于參數(shù)分析。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際風(fēng)速較大時(shí)，其功率受到風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變流器、控制系統(tǒng)等影響。因此，通過降低風(fēng)輪的能量、減少葉片的承受載荷，提高實(shí)際風(fēng)機(jī)的輸出功率，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率保持在額定范疇之內(nèi)。在風(fēng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過程中，根據(jù)風(fēng)機(jī)從切入風(fēng)速到切出風(fēng)速的不同，得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的不同動(dòng)態(tài)特性。風(fēng)輪氣動(dòng)功率調(diào)節(jié)曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，由于額定風(fēng)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(fù)荷和滿負(fù)荷這2個(gè)區(qū)域[5]。

圖2 風(fēng)輪氣動(dòng)功率調(diào)節(jié)曲線

在風(fēng)速的額定范圍內(nèi)，通過空氣制動(dòng)法來限制控制子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的影響，進(jìn)而對(duì)功率系數(shù)參數(shù)進(jìn)行限制，以改變風(fēng)輪的動(dòng)力。通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片外形特性來調(diào)節(jié)功率的大小，稱為被動(dòng)控制；通過改變?nèi)~片位置以適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)水平的方法，稱為主動(dòng)控制。這些控制方案的目的是將整個(gè)風(fēng)輪轉(zhuǎn)向側(cè)風(fēng)，以減小空氣動(dòng)力效率[6]。

空氣動(dòng)力的重點(diǎn)在于對(duì)葉片的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)的風(fēng)速隨著槳距角的減小而增大。因此，空氣動(dòng)力受到葉片角度的影響。

簡(jiǎn)單的風(fēng)速模型可以通過四分量確定[7]，分別為平均風(fēng)速、陣風(fēng)風(fēng)速、階躍風(fēng)速和隨機(jī)風(fēng)速。

Vw=VWB+VWG+VWS+VWN

(1)

式中：VWB為平均風(fēng)速；VWG為陣風(fēng)風(fēng)速，是風(fēng)速突變的特性；VWS為階躍風(fēng)速；VWN為隨機(jī)風(fēng)速。

(2)

式中：t1G為陣風(fēng)的開始時(shí)間；t2G為陣風(fēng)的結(jié)束時(shí)間；VGmax為陣風(fēng)的最大風(fēng)速。

(3)

式中：t1S為啟動(dòng)時(shí)間；t2S為終止時(shí)間；tS為保持時(shí)間；VSmax為階躍峰值。

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)建模

本文所研究的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為直驅(qū)型，機(jī)組由低速軸、齒輪箱、高速軸、風(fēng)輪及發(fā)電機(jī)構(gòu)成。傳動(dòng)系統(tǒng)可以用三質(zhì)量塊模型準(zhǔn)確描述，但需要全面的參數(shù)才能建模并仿真。本文采用風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)等進(jìn)行建模[8]。其運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

(4)

式中：Jr為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2；Ω為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；Twtr為動(dòng)力矩，Nm；TD為能力吸收的阻力矩，Nm；k為齒輪的傳動(dòng)比；Tm為扭矩。

發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

(5)

式中：Jg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kgm2；ωg為發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度，rad/s；Tm為高速軸上的扭矩，Nm；Te為發(fā)電機(jī)上的反扭矩，Nm。

通過與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型結(jié)合，當(dāng)TD=0時(shí)，得到傳動(dòng)系統(tǒng)模型為：

(6)

1.3 發(fā)電機(jī)建模

對(duì)同步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能作進(jìn)一步的分析。設(shè)d軸為永磁體轉(zhuǎn)自極中心線，q軸則超前d軸90°。建立d、q軸數(shù)學(xué)模型，電壓方程為[9]：

(7)

(8)

根據(jù)式(7)、式(8)，電磁轉(zhuǎn)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(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與其定子電流的大小成正比。通過調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，可以改變電流的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使永磁同步發(fā)電機(jī)能達(dá)到其額定輸出功率[10]。

本文通過對(duì)以上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模，分析風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況。但實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率和額定容量不同。為了避免對(duì)模型階數(shù)的過高要求，以及仿真時(shí)間過長(zhǎng)等因素對(duì)仿真效率的嚴(yán)重影響，在建模時(shí)，應(yīng)盡量降低系數(shù)的維數(shù)，從而提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度、減少運(yùn)行時(shí)間、提高仿真效率。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制及穩(wěn)定性分析

2.1 系統(tǒng)的運(yùn)行控制

由于風(fēng)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(yùn)行。風(fēng)速是時(shí)刻變化的。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式不同，其輸出功率如圖3所示。圖3中：Va為切入風(fēng)速；Vb為額定風(fēng)速；Vc為切除風(fēng)速。根據(jù)各個(gè)區(qū)域的不同控制方法和特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用混合動(dòng)力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法[11-12]。

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率圖

發(fā)電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)(generator hybrid power system，GHPS)存在許多不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文所考慮的發(fā)電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的原理如圖4所示。其風(fēng)力渦輪機(jī)的固定槳距直接連接到MPMSG上，通過一個(gè)整流器和一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器與DC總線連接[12]。PMSG允許無齒輪耦合至渦輪機(jī)，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(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)具有葉片渦輪俯仰變速拓?fù)涔δ堋＿@意味著風(fēng)力發(fā)電的電力對(duì)應(yīng)的功率也輸入到DC總線。因此，必須由電子控制渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖4 混合發(fā)電動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

風(fēng)力發(fā)電的控制目標(biāo)是充分利用充電的電池組，調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電以滿足負(fù)載需求，本文對(duì)光伏陣列進(jìn)行控制。該發(fā)電陣列產(chǎn)生的功率通過太陽(yáng)能子系統(tǒng)注入DC總線，電流的變化是由于太陽(yáng)的隨機(jī)性輻射造成的。

2.2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

本文考慮到風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)為單輸入、雙輸出，所以有兩個(gè)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(diǎn)分布圖、奈奎斯特圖，分別如圖5和圖6所示。

圖5 零極點(diǎn)分布圖

圖6 奈奎斯特圖

從圖5可以看出，零極點(diǎn)在左平面內(nèi)，則系統(tǒng)開環(huán)零極點(diǎn)全部分布于左半平面；圖6則沒有包含點(diǎn)(-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(yàn)證本文所提方法的正確性，通過Matlab搭建仿真模型并進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖7所示。本文參數(shù)設(shè)置如下，風(fēng)力發(fā)電的額定風(fēng)速設(shè)置為12 m/s，葉輪半徑為25 m，槳距角為0，永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率為1.5 MW，極對(duì)數(shù)為48，定子阻值為0.28 Ω，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓為690 V，風(fēng)機(jī)的額定頻率為50 Hz，直流側(cè)電壓值為1 100 V，直流側(cè)電容為2 200 μF，仿真時(shí)間為10 s。

圖7 仿真結(jié)果圖

對(duì)以上三個(gè)仿真圖進(jìn)行對(duì)比，可以看出，當(dāng)風(fēng)速在2 s時(shí)的注入電流為65 A，4.5 s時(shí)升至75 A，8 s時(shí)降為60 A。在整個(gè)過程中，永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電流基本控制趨于平穩(wěn)，不再波動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性能進(jìn)行了研究。首先，分析了影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的因素，并構(gòu)建了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型，對(duì)各個(gè)重要的部件進(jìn)行說明；然后，采用混合動(dòng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，通過一個(gè)整流器和一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)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(yàn)證控制方案的合理性；最后，采用仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，通過判斷零極點(diǎn)分布圖和奈奎斯特圖對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(yùn)行。