李銳華，趙彤，李豪，胡波，施光林

（1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

在各種新能源中，風(fēng)能是世界上最具大規(guī)模應(yīng)用潛力的可再生能源，而風(fēng)力發(fā)電作為一種具有悠久歷史的可再生能源利用形式，在世界范圍內(nèi)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-4]。

目前，主流變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有2種：雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（doubly fed induction generator，DFIG）和直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（permanent magnet synchronous generator，PMSG）。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組通過(guò)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制，不但可實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行，而且還能實(shí)現(xiàn)輸出有功、無(wú)功功率的解耦。采用永磁發(fā)電機(jī)可做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合，省去齒輪箱，這樣可以大大減小系統(tǒng)運(yùn)行噪聲，提高可靠性。然而，這2種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中仍存在一些不足。雙饋異步發(fā)電機(jī)電氣損耗大，其齒輪箱故障率高，且系統(tǒng)造價(jià)高。直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)同樣電氣損耗大，電機(jī)體積大，勵(lì)磁不可調(diào)，且永磁材料價(jià)格昂貴。除此之外，這2種系統(tǒng)均采用了變流器，并網(wǎng)控制復(fù)雜，增加了并網(wǎng)難度；大多數(shù)風(fēng)力機(jī)組件均封閉在位于塔架頂端的機(jī)艙內(nèi)，增加了安裝和維護(hù)的成本[5-8]。因此，設(shè)計(jì)一種新型的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于發(fā)展新能源應(yīng)用技術(shù)具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文以分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工程化應(yīng)用為背景，設(shè)計(jì)一種液控分布式風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制器，對(duì)其并網(wǎng)控制方法進(jìn)行研究。該系統(tǒng)基于液壓的二次換能原理，將恒速恒頻技術(shù)與變速恒頻技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，大部分組件均安裝于地面，具有維護(hù)方便，成本低的優(yōu)點(diǎn)。首先，研究該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，其次，在同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和液壓調(diào)速模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用功率下垂控制策略，對(duì)液控風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)其有效性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 液控風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

液控風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示，主要由風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)、液壓調(diào)速系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)4部分構(gòu)成。

圖1 液控風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig. 1 Structure of hydraulic control wind power generation system

風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)主要完成實(shí)際風(fēng)能動(dòng)力捕獲功能；液壓調(diào)速系統(tǒng)主要由數(shù)字配流泵、控制閥組和液壓馬達(dá)組成，主要完成對(duì)風(fēng)力機(jī)變速輸出到風(fēng)力發(fā)電機(jī)恒轉(zhuǎn)速輸入的轉(zhuǎn)換控制；并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、功率控制模塊和隔離變壓器。其中，發(fā)電機(jī)采用普通同步發(fā)電機(jī)。功率控制模塊分別通過(guò)控制液壓調(diào)速系統(tǒng)，控制發(fā)電機(jī)有功輸出；控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，控制電壓和無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電。風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)控制及外部各種狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)、保護(hù)等功能。

2 同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型及運(yùn)行原理

2.1 同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)將馬達(dá)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，完成發(fā)電，具有至關(guān)重要的作用。該液壓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速恒定，故可以采用傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本。以下給出同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上得到系統(tǒng)的功率控制策略。

不計(jì)磁飽和時(shí)，凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程為：

式中：E觶0為激磁電動(dòng)勢(shì)；U觶、I觶分別為端電壓和負(fù)載電流；I觶d、I觶q分別為電樞電流的直軸和交軸分量；Ra為電樞電阻；Xd和Xq分別為直軸同步電抗和交軸同步電抗。

同步發(fā)電機(jī)的功率方程為：

式中：m為定子相數(shù)；φ為功率因數(shù)角。

轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：T1為原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；T0為發(fā)電機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩[9-10]。

2.2 同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理

同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)到無(wú)窮大電網(wǎng)之后，其頻率和端電壓將受到電網(wǎng)的約束而與電網(wǎng)保持一致。不計(jì)電樞電阻時(shí)，發(fā)電機(jī)的電磁功率將近似等于電樞端點(diǎn)的輸出功率，可以表達(dá)為

式中：δ為功率角。功率角δ是時(shí)間相量E觶0與U觶之間的夾角，也可以近似地認(rèn)為是主磁場(chǎng)B0與電樞合成磁場(chǎng)Bu在空間的夾角，額定情況下的功率角δ約為30°～40°。

在調(diào)節(jié)有功功率時(shí)，例如要增大有功功率，則增大液壓系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速，這樣將使主磁場(chǎng)B0與電樞合成磁場(chǎng)Bu之間的夾角發(fā)生變化，功率角δ將逐步增大，由式（4）可得發(fā)電機(jī)的電磁功率隨之增加，這樣輸入功率和輸出功率之間將逐步恢復(fù)平衡，保持在新的工作點(diǎn)同步運(yùn)行。

若要調(diào)節(jié)電機(jī)的無(wú)功功率，則應(yīng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If。該液壓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)利用自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（automatic voltage regulator，AVR）對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。增加勵(lì)磁，將使輸出的滯后無(wú)功功率增大；此時(shí)若電機(jī)處于過(guò)勵(lì)狀態(tài)，電樞電流將增大；若為次勵(lì)，則電樞電流將減小。

3 液控風(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)模型及調(diào)速特性

液控風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)輪與定量泵直接連接，帶動(dòng)定量泵旋轉(zhuǎn)，將高壓油液輸送到變量液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)與同步發(fā)電機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。通過(guò)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的排量改變液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變同步交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

采用液壓傳動(dòng)技術(shù)，風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)之間由剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)可以在一定范圍內(nèi)儲(chǔ)能，風(fēng)速突然波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的擾動(dòng)通過(guò)儲(chǔ)能裝置吸收，提高了發(fā)電效率且避免對(duì)系統(tǒng)本身和電網(wǎng)造成沖擊；采用變量液壓馬達(dá)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速、采用同步交流發(fā)電機(jī)直接并入電網(wǎng)，省去了昂貴的變頻器和變壓器，大大降低了系統(tǒng)的成本。

液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)采用定量泵-變量馬達(dá)容積式調(diào)速回路，其原理如圖2所示[11-12]。

圖2 定量泵-變量馬達(dá)閉式回路原理簡(jiǎn)圖Fig. 2 Schematic diagram of quantitative pump-variable motor closed circuit

變量馬達(dá)轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)為：

式中：Dp為定量泵的輸出流量，m3/s；ωp為定量泵的角速度，rad/s；Dm0為變量馬達(dá)的最大排量，m3/rad；x0為斜盤(pán)位置的初始值；ph0為調(diào)節(jié)變量馬達(dá)時(shí)高壓側(cè)初始?jí)毫?，Pa；V0為單個(gè)腔室的總?cè)莘e，m3；βe為有效體積彈性模量，m3；ωm0為變量馬達(dá)的初始轉(zhuǎn)速；x為變量馬達(dá)斜盤(pán)傾角與斜盤(pán)最大擺角的比值；TL為作用在變量馬達(dá)軸上的任意外負(fù)載力矩，Nm；Jm為變量馬達(dá)和負(fù)載的總慣量，kg·m2；Bm為變量馬達(dá)黏性阻尼系數(shù)，kg/s。

在AMESim軟件平臺(tái)下，液壓系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

在該調(diào)速系統(tǒng)中，為了模擬風(fēng)輪機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，液壓調(diào)速系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)速為一變化的波形，0～5 s時(shí)，輸入轉(zhuǎn)速?gòu)?上升到15 r/min，維持10 s再在5 s內(nèi)上升到20 r/min，如圖4所示。

圖3 液壓調(diào)速系統(tǒng)仿真模型Fig. 3 Simulation model of hydraulic speed regulation system

圖4 液壓調(diào)速系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速Fig. 4 Input speed of hydraulic speed regulation system

在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特定的負(fù)載情況下，該液壓系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)速如圖4變化的曲線，給定該系統(tǒng)的同步轉(zhuǎn)速，則可以實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速保持一致。同時(shí)，根據(jù)有功功率的調(diào)整需要，可以改變給定的同步轉(zhuǎn)速，并使液壓系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)跟隨。

該仿真負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.9 kg·m2，仿真結(jié)果如5所示。

圖5 同步轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速Fig. 5 Synchronous speed and output speed

圖5中紅色曲線為馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速，藍(lán)色為同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min。在該負(fù)載情況下，液壓調(diào)速系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速輸入，恒轉(zhuǎn)速輸出，當(dāng)同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)速?gòu)?開(kāi)始上升，經(jīng)過(guò)一個(gè)抖動(dòng)過(guò)程后基本穩(wěn)定在1 500 r/min。

當(dāng)系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)有功功率的時(shí)候，需要該液壓系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟隨。當(dāng)給定轉(zhuǎn)速在20～25 s內(nèi)從1 500 r/min上升到1 520 r/min時(shí)，系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速如圖6所示。

圖6 給定轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速提高20 r/min）Fig. 6 Given speed and output speed（speed increased by 20 r/min）

在20～30 s時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速波形的變化如圖7所示。

圖7 20～30 s的給定轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速提高20 r/min）Fig. 7 Given speed and output speed from 20 s to 30 s（speed increased by 20 r/min）

當(dāng)給定轉(zhuǎn)速在20～25 s內(nèi)從1 500 r/min下降到1 480 r/min時(shí)，系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速如圖8所示。

圖8 給定轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速降低20 r/min）Fig. 8 Given speed and output speed（speed decreased by 20 r/min）

在20～30 s時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速波形的變化如圖9所示。

從以上圖中可以看出，當(dāng)風(fēng)速變化而導(dǎo)致風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，液壓系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速可以維持在1 500 r/min；且當(dāng)需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)改變有功功率時(shí)，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速也可以達(dá)到給定的轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍為±5 r/min，可以滿足發(fā)電要求。

圖9 20～30 s的給定轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速降低20 r/min）Fig. 9 Given speed and output speed from 20 s to 30 s（speed decreased by 20 r/min）

4 液控風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)及功率控制策略

為避免并網(wǎng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的沖擊電流，液控風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在投入并網(wǎng)時(shí)需滿足以下條件[13]：

（1）發(fā)電機(jī)的相序應(yīng)與電網(wǎng)一致；

（2）發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)與電網(wǎng)相同；

（3）發(fā)電機(jī)的電壓應(yīng)與電網(wǎng)相同；

（4）發(fā)電機(jī)電壓相位與電網(wǎng)電壓相位一致。

系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，將發(fā)電機(jī)輸出電壓的幅值、頻率、相位與電網(wǎng)電壓的幅值、頻率、相位進(jìn)行比較，通過(guò)改變液壓系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)電壓的頻率和相位，利用AVR調(diào)節(jié)電壓幅值，使得發(fā)電機(jī)輸出電壓參數(shù)與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)同步，即滿足并網(wǎng)條件，可以并網(wǎng)。

與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行后，并網(wǎng)控制器采用下垂控制策略對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。下垂控制是模擬發(fā)電機(jī)組功頻靜特性的一種控制方法，其控制方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，下垂控制的原理如圖10所示[14-16]。

圖10 下垂控制原理Fig. 10 Principle of droop control

圖10中，分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的初始運(yùn)行點(diǎn)為A，輸出的有功功率為P0，無(wú)功功率為Q0，系統(tǒng)頻率為f0，分布式電源所接交流母線處的電壓為V0。當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷突然增大時(shí)，有功功率不足，導(dǎo)致頻率下降；系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷突然增大時(shí)，無(wú)功功率不足，導(dǎo)致電壓幅值下降。反之亦然。以系統(tǒng)有功負(fù)荷突然增大時(shí)頻率下降為例，下垂控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用為：頻率減小時(shí)，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)分布式電源系統(tǒng)輸出的有功功率按下垂特性相應(yīng)地增大，與此同時(shí)，負(fù)荷功率也因頻率下降而有所減小，最終在控制系統(tǒng)下垂特性和負(fù)荷本身調(diào)節(jié)效應(yīng)的共同作用下達(dá)到新的功率平衡，即過(guò)渡到B點(diǎn)運(yùn)行。由圖4可以給出有功功率P和頻率f以及無(wú)功功率Q與電壓V的下垂關(guān)系為：

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

為了驗(yàn)證液控分布式風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)特性，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的并網(wǎng)控制器基于貝加萊X20CP1485-PLC平臺(tái)，該平臺(tái)主要由并網(wǎng)控制模塊、液壓調(diào)速控制模塊、AVR控制模塊等組成。液壓控制模塊通過(guò)對(duì)液壓調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，進(jìn)而控制系統(tǒng)的有功功率；AVR控制模塊通過(guò)對(duì)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制來(lái)改變勵(lì)磁電壓，從而控制系統(tǒng)的無(wú)功功率。

15 kW液控風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)物照片如圖11所示。

圖11 風(fēng)力機(jī)及15 kW液控風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)物照片F(xiàn)ig. 11 Photos of wind turbine and 15 kW hydraulicwind power generation system

所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)主要有：離網(wǎng)空載運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；離網(wǎng)帶載運(yùn)行實(shí)驗(yàn)；并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，并網(wǎng)功率輸出實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12—15所示。

圖12 液控風(fēng)力發(fā)電樣機(jī)空載運(yùn)行Fig. 12 Hydraulic wind power generation prototype with no-loaded

圖13 液控風(fēng)力發(fā)電樣機(jī)離網(wǎng)帶載運(yùn)行Fig. 13 Islanded hydraulic wind power generation prototype with load

圖14 液控風(fēng)力發(fā)電樣機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行Fig. 14 Grid-connected hydraulic wind power generation prototype

圖15 液控風(fēng)力發(fā)電樣機(jī)功率輸出控制Fig. 15 Output power control of hydraulic wind power generation prototype

從圖12—15的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：研制的15 kW液控風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠發(fā)出較為穩(wěn)定的交流電，如圖12所示發(fā)電機(jī)空載電壓穩(wěn)定在發(fā)電機(jī)額定電壓400 V，頻率穩(wěn)定在50±0.5 Hz。負(fù)載實(shí)驗(yàn)中發(fā)電機(jī)輸出有用功率穩(wěn)定在1.5 kW附近，如圖13所示，系統(tǒng)運(yùn)行較為平穩(wěn)。并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中，控制系統(tǒng)能調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出電能，使電壓、頻率、相位與電網(wǎng)一致，并網(wǎng)效果良好，對(duì)主網(wǎng)的沖擊小，能保證長(zhǎng)時(shí)間不脫網(wǎng)的安全運(yùn)行；液控風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定，如圖14所示，輸出功率穩(wěn)定在1.8 kW，且具有良好的功率調(diào)整性能，能根據(jù)負(fù)載需求或調(diào)度指令進(jìn)行功率調(diào)整，如圖15所示，樣機(jī)系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度指令在0～3 kW之間功率平穩(wěn)可調(diào)。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)液控分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成及其并網(wǎng)控制器的研究，得出了以下結(jié)論：基于二次換能原理，液控風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)恒速恒頻和變速恒頻的結(jié)合，使風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間的剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接，緩解了風(fēng)速改變對(duì)系統(tǒng)的沖擊。在同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)功率下垂控制策略設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了液控分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制模塊，通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的改變來(lái)調(diào)節(jié)有功功率，通過(guò)AVR調(diào)節(jié)勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率。整體應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)初步測(cè)試，結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性，為液控分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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