劉坤

摘 要：本文首先概括性介紹了永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)并網(wǎng)永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的模態(tài)進(jìn)行研究。期望通過本文的論述能夠?qū)μ岣咧彬?qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性有所幫助。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)；永磁同步電機(jī)；直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)；建模

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有兩種系統(tǒng)，一種是恒速恒頻，另一種是變速恒頻。前者的發(fā)電機(jī)為異步發(fā)電機(jī)，以風(fēng)能對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，經(jīng)由齒輪箱提升速度后，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，最終將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速會(huì)受到風(fēng)速變化的影響，并且還需要從電網(wǎng)當(dāng)中吸收無(wú)功功率構(gòu)建勵(lì)磁電壓，因限制其運(yùn)行的因素較多，所以它的應(yīng)用已經(jīng)越來越少。隨著電力電子技術(shù)的不斷完善，變速恒頻機(jī)組現(xiàn)已成為風(fēng)電發(fā)展的主流趨勢(shì)，它的應(yīng)用前景也更為廣闊。國(guó)內(nèi)比較常見的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組有兩種，一種是雙饋式，另一種是直驅(qū)式。借此本文就并網(wǎng)永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的模態(tài)展開研究。

1.永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)主要是由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)及變流系統(tǒng)等等。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖

由于直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)中的風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子能夠直接耦合，故此，發(fā)電機(jī)輸出端的電壓以及頻率均會(huì)隨著風(fēng)速的變化而變化。為了保證風(fēng)力機(jī)能夠順利并網(wǎng)，必須確保機(jī)組的電壓幅值、頻率、相序和相位等與電網(wǎng)相一致。

1.2系統(tǒng)的基本原理

直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的基本原理如下：先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為幅值與頻率變化的交流電，在通過整流之后使其變?yōu)榻涣?，隨后經(jīng)由逆變器變換為三相頻率恒定的直流傳輸給電網(wǎng)。中間的變換環(huán)節(jié)，能夠?qū)ο到y(tǒng)的有功和無(wú)功起到有效的控制作用，這樣便可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的目的。

1.3系統(tǒng)的特點(diǎn)

直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的特點(diǎn)可歸納為以下幾個(gè)方面：

1.3.1系統(tǒng)采用的是永磁同步發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性和效率較高，并且整體損耗相對(duì)較小。它能夠與風(fēng)力機(jī)進(jìn)行直接耦合，省去了增速箱，簡(jiǎn)化了機(jī)組結(jié)構(gòu)，減輕了維護(hù)工作，噪聲也大幅度下降。

1.3.2系統(tǒng)為解耦控制，可靠性更高，逆變器可獨(dú)立設(shè)計(jì)，多級(jí)外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的加入，進(jìn)一步提高額機(jī)組的運(yùn)行可靠性，減少了運(yùn)維費(fèi)用。

2.并網(wǎng)永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的模態(tài)分析

2.1系統(tǒng)建模

2.1.1風(fēng)力機(jī)模型。在永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)當(dāng)中，風(fēng)力機(jī)屬于能量轉(zhuǎn)換裝置，其可分為兩種類型，一種是定槳距風(fēng)力機(jī)，另一種是變槳距風(fēng)力機(jī)。前者輸出的機(jī)械功率與風(fēng)速V、風(fēng)力機(jī)角速度 有關(guān)；后者輸出的機(jī)械功率除了與V和 有關(guān)外，還與槳葉節(jié)距角 有關(guān)。風(fēng)力機(jī)的模型為：

（1）

在上式當(dāng)中， 代表風(fēng)力機(jī)的輸出功率，S代表槳葉掃風(fēng)的面積； 代表空氣密度； 代表風(fēng)速； 代表槳距角與葉尖速比的功率系數(shù)； 代表風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出轉(zhuǎn)矩；R表示風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子半徑； 代表葉尖速比。

按照式（1）可在Simulink環(huán)境下，構(gòu)建風(fēng)力機(jī)及其相關(guān)子模塊的仿真模型。

2.1.2永磁同步發(fā)電機(jī)模型。這是整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的核心部分，該模型是基于電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電壓方程與電磁轉(zhuǎn)矩方程進(jìn)行構(gòu)建的，具體如下：

（2）

按照式（2）可在Simulink環(huán)境下，構(gòu)建電機(jī)的仿真模型。

2.1.3系統(tǒng)整體模型。結(jié)合風(fēng)力機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)的仿真模型，應(yīng)用Matlab/Simulink工具箱，便可構(gòu)建起永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的整體仿真模型。

2.2仿真結(jié)果分析

本次研究采用了Matlab/Simulink仿真軟件，構(gòu)建了并網(wǎng)永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的仿真模型，具體參數(shù)如下：風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速為12m/s；葉輪半徑為25m；槳距角為零度；發(fā)電機(jī)額定功率為1.5MW；定子電阻為28Ω；機(jī)端輸出電壓及頻率分別為690V和50Hz；仿真算法為ode23tb；仿真時(shí)間設(shè)定為10s。仿真結(jié)果如下：

2.2.1在2s和6s時(shí)，風(fēng)速發(fā)生階段性跳躍變化，這說明，風(fēng)力機(jī)的輸出功率會(huì)隨著風(fēng)速的變化而變化，功率輸出響應(yīng)良好。

2.2.2在不同風(fēng)速條件下，發(fā)電機(jī)定子電流的波形在2s和6s時(shí)發(fā)生跳變后，電流趨于穩(wěn)定，這說明波形與正弦波非常接近。

2.2.3在風(fēng)速發(fā)生變化的過程中，發(fā)電機(jī)定子電流q軸分量的響應(yīng)情況良好，d軸分量略有波動(dòng)變化，但在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，由此進(jìn)一步驗(yàn)證了 的控制策略。

2.2.4因發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子q軸的電流成正比例關(guān)系，所以當(dāng)q軸電流出現(xiàn)跳變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩也隨之出現(xiàn)變化，最終達(dá)到穩(wěn)定。

2.2.5網(wǎng)側(cè)的有功功率隨著風(fēng)速的變化出現(xiàn)變化，由于網(wǎng)側(cè)的交流器采用的是單位功率因數(shù)的控制策略，故此無(wú)功功率始終保持在零附近。這說明，電網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)了有功與無(wú)功的解耦控制。

通風(fēng)上述分析可得出如下結(jié)論：本文應(yīng)用Matlab/Simulink仿真軟件所構(gòu)建的并網(wǎng)永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)模型，可以正確反映出風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)物理量之間的邏輯關(guān)系，仿真所得的結(jié)果與風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況基本相符。

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