基于MATLAB的定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性研究
——以黃石筠山風(fēng)電場(chǎng)為例

潘成勇，涂 建，陳 強(qiáng)

(湖北師范大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 引言

以電力為主的能源需求與日俱增，目前為止，有近75%的電能是火力發(fā)電而來。人類社會(huì)急需一種清潔能源，風(fēng)能是自然界中廣泛存在，且含量豐富，清潔無害，可再生的一種能源。風(fēng)力以其所具備的優(yōu)勢(shì)，從眾多選擇中脫穎而出。考慮實(shí)際因素，開發(fā)和利用風(fēng)能，已成為必然的趨勢(shì)[1]。隨著技術(shù)的成熟，中國(guó)國(guó)內(nèi)的風(fēng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘浚苍诓粩嗯噬⑶铱梢源竽戭A(yù)測(cè)，在未來，風(fēng)力發(fā)電占比會(huì)越來越大。位于湖北省黃石市的筠山風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，就是一個(gè)很好的印證。相關(guān)資料記載，早在2015年就已立項(xiàng)建設(shè)，并于2016年成功并網(wǎng)發(fā)電。截至目前已形成總裝機(jī)80MW，年產(chǎn)能1.5億千瓦時(shí)的規(guī)模[2]。本文基于此背景，以筠山風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目為基準(zhǔn)，采用定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，研究風(fēng)力發(fā)電的動(dòng)態(tài)特性。這對(duì)于后續(xù)的深入研究和風(fēng)電項(xiàng)目的推廣，都具有重要意義。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 筠山風(fēng)電項(xiàng)目簡(jiǎn)介

項(xiàng)目地處鄂東南陽新縣北部筠山一帶山脊，風(fēng)場(chǎng)規(guī)劃容量為80MW，安裝40臺(tái)單機(jī)容量為2MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[2]。

1.2 定速風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理簡(jiǎn)述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理，基本可以簡(jiǎn)述為：風(fēng)力推動(dòng)風(fēng)輪機(jī)的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳動(dòng)裝置，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而產(chǎn)生電能，電能通過穩(wěn)壓、逆變等一系列步驟，最終并入電網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 定速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

值得注意的是，實(shí)際的風(fēng)速不會(huì)一直恒定。所以，要使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，有穩(wěn)定的扭力，就需要風(fēng)機(jī)的葉片角度實(shí)時(shí)根據(jù)風(fēng)速的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)[3]。本文研究風(fēng)機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)葉片的運(yùn)行原理及規(guī)則不做深入探究。

2 風(fēng)的建模

2.1 基本風(fēng)

基本風(fēng)在風(fēng)速模型中占據(jù)很大的比例,在風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)行的過程中一直存在,反映了風(fēng)電場(chǎng)的平均風(fēng)速的時(shí)刻變化,一般認(rèn)為基本風(fēng)速不隨時(shí)間變化，取之為常數(shù),為

(1)

2.2 陣風(fēng)

陣風(fēng)反映了風(fēng)速的突變性。該數(shù)學(xué)模型為

(2)

vg表示陣風(fēng)風(fēng)速(m/s)，t1g表示啟動(dòng)時(shí)間(s)，Tg表示周期(s)，Gmax表示最大值(m/s)。在Simulink中建模如圖2所示。

圖2 陣風(fēng)的仿真模型

2.3 漸變風(fēng)

漸變風(fēng)風(fēng)速反映了其風(fēng)速的迂緩慢變化的特性。該數(shù)學(xué)模型為

(3)

vr表示漸變風(fēng)風(fēng)速(m/s)，Rmax表示最大值(m/s)，t1r表示啟動(dòng)時(shí)間(s)，t2r表示終止時(shí)間(s)。在Simulink中建模如下圖3所示。

困難也是機(jī)遇，中國(guó)油企應(yīng)抓住歐美國(guó)家公司退出伊朗市場(chǎng)的機(jī)會(huì)，加強(qiáng)與伊朗國(guó)家石油公司的合作，獲得伊朗國(guó)家石油公司的信任和支持，著眼當(dāng)前布局長(zhǎng)遠(yuǎn)，才能獲得更好的發(fā)展。

圖3 漸變風(fēng)的仿真模型

2.4 隨機(jī)風(fēng)

隨機(jī)風(fēng)速(vn)反映了風(fēng)速變化的隨機(jī)性。可用隨機(jī)噪聲風(fēng)速來模擬。

(4)

式中：φi為0～2π之間均勻分布的隨機(jī)變量；KN為地表粗糙系數(shù)；F為擾動(dòng)的范圍(m2)；μ為相對(duì)高度的平均風(fēng)速(m/s)；ωi為頻率段的頻率；N為頻譜取樣點(diǎn)數(shù)。在Simulink中建模如圖4所示。

圖4 隨機(jī)風(fēng)的仿真模型

2.5 實(shí)際風(fēng)速

綜合上述四種風(fēng)速成分，可建立模擬風(fēng)速的模型為

(5)

式中v—作用在風(fēng)機(jī)上的組合風(fēng)速/(m/s).

風(fēng)速系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真圖像如圖5所示。

圖5 實(shí)際風(fēng)速模型

風(fēng)速的疊加，其實(shí)際結(jié)果如圖6所示。

圖6 疊加風(fēng)速圖

實(shí)際風(fēng)是在基礎(chǔ)風(fēng)速(5.8m/s)基礎(chǔ)上，由其他三類風(fēng)疊加而來。由圖6可見，風(fēng)有一定的波動(dòng)性，基本呈現(xiàn)先增加后又逐漸減小的趨勢(shì)，這個(gè)風(fēng)速作為后續(xù)風(fēng)機(jī)的輸入值。

3 定速風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性分析

3.1 定速風(fēng)電機(jī)組建模

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過軸系與風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪連接，而發(fā)電機(jī)定子回路與電網(wǎng)用交流線路連接。這種類型的風(fēng)電機(jī)組一旦啟動(dòng)，其風(fēng)輪轉(zhuǎn)速是不變的(取決于電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率)，與風(fēng)速無關(guān)[5]。

風(fēng)機(jī)模型如圖7所示。

圖7 風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行情況下，并網(wǎng)模型建模如圖8所示。

圖8 定速風(fēng)電機(jī)組仿真模型

3.2 定速風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行結(jié)果

當(dāng)引入混合風(fēng)后，本次系統(tǒng)數(shù)值采用標(biāo)幺制，仿真結(jié)果如圖9所示：

圖9 混合風(fēng)作用效果圖

設(shè)置風(fēng)機(jī)內(nèi)部基本風(fēng)速為5.8 m/s(額定轉(zhuǎn)速)，在實(shí)際風(fēng)速條件下，由圖6可知，有大部分時(shí)間實(shí)際值是會(huì)超過系統(tǒng)額定值。由圖9曲線可知，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，風(fēng)機(jī)發(fā)出的有功功率值變化趨勢(shì)，基本和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持一致；系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，無功功率始終處于負(fù)半軸(Q<0)，說明風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行中向電網(wǎng)吸收了無功功率；電壓值隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升略有下降，恰好相反。

此次仿真的是風(fēng)電機(jī)組正常發(fā)電特性，由仿真曲線可以看出，風(fēng)電機(jī)組端電壓、輸出有功功率和無功功率都隨其輸入風(fēng)速的變化而變化。由于定速風(fēng)電機(jī)組采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)，因此其在輸出有功功率的同時(shí)，要從電網(wǎng)中吸收無功功率。

3.3 出現(xiàn)故障時(shí)的運(yùn)行結(jié)果

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)三相故障時(shí)，建立如圖10所示模型：

圖10 三相故障模型

在模擬三項(xiàng)故障實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)為四種風(fēng)速(基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng))疊加后的值[6]。在系統(tǒng)運(yùn)行2.2 s時(shí)引入故障，持續(xù)時(shí)間為0.4 s，設(shè)置仿真時(shí)間為10 s，此時(shí)仿真結(jié)果如圖11所示[6，7]。

圖11 出現(xiàn)三相故障時(shí)仿真結(jié)果

由上述仿真的結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，系統(tǒng)輸出的有功功率急劇下降到零，此時(shí)系統(tǒng)立即發(fā)出較大的無功功率且振蕩下降。當(dāng)故障清除時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出的有功功率迅速恢復(fù)，出現(xiàn)了一個(gè)較大的波動(dòng)，而后又振蕩，直至恢復(fù)正常，此時(shí)，系統(tǒng)又開始向電網(wǎng)吸收無功功率。不難發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，上述有功和無功變化的直接反映是電壓的突變，即立刻降到零，故障清除后又逐漸振蕩恢復(fù)。

這種故障對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行，是非常不利的，可能觸發(fā)機(jī)組并網(wǎng)的保護(hù)機(jī)制，將原本并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)中剝離，對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)的正常運(yùn)行造成損害[8]。

4 總結(jié)與展望

本文使用MATLAB/Simulink仿真軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)定速風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)基于定速風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力發(fā)電的簡(jiǎn)單系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。借用了黃石筠山風(fēng)電項(xiàng)目的部分實(shí)際參數(shù)，通過仿真分析，檢驗(yàn)了所建立的風(fēng)電力發(fā)電系統(tǒng)的可行性和正確性。

顯然，風(fēng)速的變化，會(huì)帶來系統(tǒng)參數(shù)的變化，最理想的條件還是恒風(fēng)[9]。這為如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了要求，值得后續(xù)跟進(jìn)研發(fā)。同時(shí)，風(fēng)力機(jī)在工作的時(shí)候，向電網(wǎng)吸收無功功率，這一點(diǎn)為今后的研究做了好的開場(chǎng)，由于電力系統(tǒng)中很多大型負(fù)荷的存在(其中大多數(shù)都是非純阻性存在)，導(dǎo)致電能品質(zhì)不佳，需要做出無功補(bǔ)償，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在電網(wǎng)中吸收無功功率，有望提升電能品質(zhì)因數(shù)。