小型風力發電提水系統設計

徐 迪,莫岳平,華 敏,劉志偉

（揚州大學,江蘇 揚州 225127）

隨著新能源技術的不斷發展,風能作為一種清潔的可再生能源已經被世界各國充分利用,以風力發電為代表的分布式發電得到廣泛關注。風力提水是對風能的有效利用形式之一,現階段,將風力發電用于提水或者滴灌領域成為一種趨勢[1]。

根據不同的應用場合,可將風力發電分為離網和并網兩種形式。文獻[2]介紹了一種新型的直驅交流勵磁風電并網系統,并網控制采用基于矢量控制的空載并網。文獻[3]研究了基于PSCAD/EMTDC的直驅永磁風力發電并網系統和控制策略,驗證模型的正確性。文獻[4]表述了由小水電群和風電組成的水風互補的微電網系統,研究了不同數量的水輪機在風水微網孤島初期的幅頻特性。基于上述研究,本文提出由風力發電系統、PWM變流器以及水泵機組等各部分組成一個小型的風力提水并網系統,在分析各部分數學模型的基礎上,利用仿真軟件搭建系統的整體仿真模型,驗證所提方案的有效性和可行性。

1 風電提水微網的數學建模

1.1 風電提水微網的拓撲結構

直驅式永磁風力發電提水并網系統的結構如圖1所示,主要由風力機、永磁同步電機（permanent magnet synchronous generator,PMSG）、機側和網側PWM變換器、水泵機組以及電網組成。

圖1 風力提水并網系統結構圖

1.2 風力機模型

風力機輸出的機械功率為

式中：ρ為空氣密度,R為葉片半徑,v為風速,Cp為風能利用系數,λ為葉尖速比,β為槳距角。

1.3 永磁同步電機模型

建立PMSG在d-q軸下的數學模型,電機的定子電壓方程為

電磁轉矩為

式（2）、（3）中：Lsd、Lsq為d-q軸電感,Rs為定子電阻,ωe為轉子的電角速度,ψf為永磁磁鏈。

1.4 機側PWM變流器模型

基于坐標變換原理,PMSG-PWM變流器在d-q坐標下的電壓方程為：

式中：esd、esq為感應電動勢,isd、isq為定子電流,ωs為同步角速度,Sd、Sq為開關函數。

1.5 網側PWM變流器模型

網側變流器采用三相電壓源型PWM逆變器,其數學模型如下：

式中：egd、egq為電網電壓,ugd、ugq為變流器側電壓,Sgd、Sgq為開關函數,ωq為電網同步旋轉角速度。1.6三相異步電機模型

三相異步電機在d-q軸下的電壓和轉矩方程分別為

式中：ωdqs、ωdqr為定、轉子的旋轉角速度；Rs、Rr為定、轉子繞組電阻；pn為電動機極對數；Lm為定轉子繞組間的互感。

2 風力提水并網系統的控制

2.1 發電機側變流器控制

機側變流器采取基于轉子磁場定向的矢量控制,選取葉尖速比法實現最大功率跟蹤[5]。利用PI調節、坐標變換和SVPWM空間電壓矢量法進行控制,其控制原理圖如圖2所示。

圖2 機側變流器控制原理圖

2.2 電網側變流器控制

網側變流器采用基于電壓定向的矢量控制[6],即電壓外環（維持直流母線電壓的穩定,給定d軸電流分量,iq*=0）,雙電流內環（實現對有功和無功電流的快速追蹤）的雙閉環控制,其控制原理圖如圖3所示。

圖3 網側三相VSR控制框圖

2.3 三相異步電機矢量控制

三相異步電機采用按轉子磁鏈定向的矢量控制方式,其中定子電流閉環控制采用定子電流勵磁分量和轉矩分量閉環控制。通過4個PI調節器以及坐標變換、SVPWM調制技術產生PWM波形控制逆變器,實現對電機的變頻調速。其矢量控制原理如圖4所示。

圖4 三相異步電機矢量控制原理圖

3 系統仿真實驗

3.1 仿真結構圖的建立

為了驗證提出的風力提水并網系統的正確性,應用Matlab/Simulink模塊進行仿真分析。風力機與永磁同步發電機直接相連構成風力發電系統,將風力機發出的電能一部分并入電網,一部分驅動水泵運行。機側變換器、網側變換器以及異步電機側變換器都是三相電壓源型PWM變換器,三者協調控制,通過中間直流母線電壓的穩定來維持風電系統、并網系統和水泵機組的持續穩定運行。

3.2 仿真結果與分析

根據上述搭建的風力提水并網系統的仿真模型,給出具體參數如下：風力機葉輪半徑為1.05m,空氣密度為1.225kg/m3,槳距角為0°。發電機定子電阻R=0.958Ω,定子電感Ld=Lq=5.25×10-3H,轉動慣量J＝3×10-3kg·m2,極對數p=4。三相異步電機額定功率為1.5kW,定子電阻Rs=0.435Ω,轉子電阻Rr=0.816Ω,定、轉子自感L1s=L1r=2mH,定轉子互感Lm=0.069H,轉動慣量J=0.189kg·m2,極對數p=2。網側三相電源線電壓為380V,直流母線電壓為600V。仿真結果如圖5所示。

圖5 發電機機械角速度

由圖5可知,在1.5s時風速由8m/s變化到10m/s,發電機的機械角速度能迅速追蹤到實際值,風能利用系數達到0.452,實現了最大功率跟蹤。

由圖6、7可知,網側逆變器可以輸出同電網電壓同頻同相的標準的正弦電壓波形,功率因數達到最大,滿足并網的要求,直流母線電壓能夠穩定在600V左右。

圖6 網側線電壓

圖7 直流母線電壓

由圖8、9可知,三相異步電機轉速由1000r/min變化到1400r/min,相應的負載轉矩與轉速的平方成正比增加。因此,從仿真結果來看,風力提水并網系統理論上滿足并網和驅動水泵運行的要求,能迅速響應負載變化,具有良好的動靜態性能。

圖8 異步電機轉速

圖9 負載轉矩

4 結論

隨著風能等新能源的開發和利用,風力發電提水技術也在不斷提高。本文通過仿真軟件模擬小型直驅式風力提水并網模型,將風力機發出的電能并入電網,同時驅動水泵的運行。結果表明,所提的風力提水并網系統設計的可行性,為進一步將風能作為新能源發電推動提水技術提供一定的參考依據。