周 圍韓禮冬　李 鋼趙 靜

（1. 大連供電公司，遼寧 大連 116031；2. 大連熱電集團(tuán)公司香海熱電廠，遼寧 大連 116083）

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基于PSCAD/EMTDC的微電網(wǎng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真研究

周 圍1韓禮冬1李 鋼1趙 靜2

（1. 大連供電公司，遼寧 大連 116031；2. 大連熱電集團(tuán)公司香海熱電廠，遼寧 大連 116083）

摘要闡述了微電網(wǎng)中永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理，應(yīng)用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套并網(wǎng)運(yùn)行的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了具有定葉尖速比控制功能的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)模型，和基于非交互式電網(wǎng)跟隨控制策略的電壓前饋控制逆變系統(tǒng)模型。最后，建立了4種不同的風(fēng)速模型來(lái)模擬永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性，通過(guò)對(duì)定直流電壓控制模塊接入前后仿真波形的對(duì)比，對(duì)該仿真系統(tǒng)進(jìn)行了校核和驗(yàn)證，為下一步建立微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)與并網(wǎng)互為切換的整體仿真系統(tǒng)，以及探討實(shí)際工程中分布式微源對(duì)系統(tǒng)的潮流影響奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：永磁直驅(qū)；PSCAD/EMTDC；葉尖速比；非交互式電網(wǎng)跟隨；電壓前饋控制

微電網(wǎng)（Microgrid）以自愈、安全、智能、環(huán)保等特征成為未來(lái)全球能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的重要環(huán)節(jié)[1]。伴隨化石能源的加速枯竭，中小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[2-3]將在智能微電網(wǎng)中發(fā)揮舉足輕重的作用。

我國(guó)擁有豐富的風(fēng)力資源，近年來(lái)，我國(guó)大型風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速[4]，但大型風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)及建設(shè)一直受到電網(wǎng)接入條件、電網(wǎng)容量及運(yùn)輸及安裝條件的制約[5]。相比之下，中小型風(fēng)力機(jī)組運(yùn)輸及安裝靈活，能夠在山區(qū)、海島等地便捷應(yīng)用，組成單臺(tái)離網(wǎng)獨(dú)立供電系統(tǒng)、單臺(tái)及多臺(tái)并網(wǎng)系統(tǒng)或多臺(tái)小型風(fēng)電場(chǎng)等多種方式，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能資源的充分利用[6]。

當(dāng)前，我國(guó)風(fēng)電進(jìn)入飛速擴(kuò)張時(shí)期，在實(shí)際工程中大量安裝的機(jī)組主要有永磁直驅(qū)同步機(jī)組和雙饋異步機(jī)組兩種。其中，基于雙饋異步技術(shù)的機(jī)組其定子部分與電力系統(tǒng)直接連接，轉(zhuǎn)子部分則作為機(jī)組的控制中樞，經(jīng)過(guò)背靠背的交直交環(huán)流系統(tǒng)控制并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流[7]；基于永磁直驅(qū)技術(shù)的機(jī)組在結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)化得多，它將直接通過(guò)風(fēng)輪機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)低轉(zhuǎn)速永磁同步發(fā)電機(jī)組，經(jīng)電力電子換流電路將電能整流逆變后并入外部大電網(wǎng)。與雙饋異步機(jī)組相比，永磁直驅(qū)技術(shù)使用多極發(fā)電機(jī)，使其定子側(cè)電壓即使在較低轉(zhuǎn)速下依然能夠保持穩(wěn)定的頻率輸出，并且其定子側(cè)不與大電網(wǎng)直接相連，所以定子頻率的變化對(duì)主網(wǎng)的沖擊幾乎可以忽略。在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，原動(dòng)機(jī)葉輪主軸與同步發(fā)電機(jī)直接耦合，省去了雙饋機(jī)組中較易發(fā)生故障的齒輪箱以及勵(lì)磁機(jī)構(gòu)，因而大大提高了機(jī)組運(yùn)行效率和安全性，具有運(yùn)行安全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，維護(hù)成本低等多種優(yōu)勢(shì)[8]。

在國(guó)外，越來(lái)越多的客戶(hù)采用中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。在日本和德國(guó)的光伏屋頂計(jì)劃之后[9]，荷蘭、丹麥及陽(yáng)光資源匱乏的英國(guó)等西方國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始大力推廣風(fēng)力屋頂發(fā)電計(jì)劃[10]。在我國(guó)大力倡導(dǎo)全球能源互聯(lián)網(wǎng)的大背景下，將中小型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以微電網(wǎng)分布式電源的形式并入電網(wǎng)將是未來(lái)我國(guó)風(fēng)電企業(yè)大力發(fā)展的主流趨勢(shì)和前進(jìn)方向。

本文從永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理出發(fā)，在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)平臺(tái)下建立了包括前置風(fēng)力原動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)部分和交直交換流部分的一整套微電網(wǎng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并應(yīng)用多種不同的風(fēng)速模型代入進(jìn)行對(duì)比分析，校核和驗(yàn)證了模型的有效性，對(duì)我國(guó)微網(wǎng)交流型電源的相關(guān)研究提供了理論依據(jù)。

1　永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看到，風(fēng)力原動(dòng)機(jī)部分與永磁同步發(fā)電機(jī)軸直接耦合，轉(zhuǎn)子主要受風(fēng)速曲線影響，經(jīng)永磁同步電機(jī)（Permanent-Magnet Synchronous Generator，PMSG）的輸出電壓頻率隨風(fēng)速改變，經(jīng)過(guò)電力電子背靠背換流系統(tǒng)（AC-DC-AC），將變頻電源經(jīng)整流、逆變后輸出穩(wěn)定的工頻電源。

2　模型建立

2.1風(fēng)速模型

風(fēng)速是表征風(fēng)力特征的基本參數(shù)，在自然條件下，其形成具有時(shí)而間歇，時(shí)而漸變，時(shí)而隨機(jī)的特性，因此研究人員往往采用持續(xù)法預(yù)測(cè)模型、自回歸-滑動(dòng)平均模型[11]（Auto-Regressive and Moving Average Model，ARMA）、自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[12]（Adaptive Neural Fuzzy Inference System，ANFIS）以及四分法模型等。為更精確表征風(fēng)力特征，且清晰描述其物理概念，選擇使用基本（Basic）、漸變（Ramp）、陣性（Gust）和隨機(jī)（Noise）4種形態(tài)來(lái)模擬自然界真實(shí)的風(fēng)況。

1）基本風(fēng)

基本風(fēng)作為風(fēng)力模型中幅值不隨時(shí)間變化而改變的分量，根據(jù)威布爾分布參數(shù)[13]理論，在仿真系統(tǒng)中作為常數(shù)出現(xiàn)。

2）陣性風(fēng)

陣性風(fēng)作為風(fēng)力模型中風(fēng)速在某時(shí)刻發(fā)生突變的分量，在仿真系統(tǒng)中常使用三角函數(shù)公式來(lái)表征其特性，如式（2）及圖2所示。

圖2　陣性風(fēng)隨時(shí)間變化曲線

式中，Vgust、Vgmax、Tga、Tg分別表示陣性風(fēng)速率（m/s）、峰值（m/s）、起始時(shí)刻（s）和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)（s）。

3）漸變風(fēng)

漸變風(fēng)作為風(fēng)力模型中風(fēng)速隨時(shí)間線性變化的分量，用來(lái)表征風(fēng)力的漸變特性，如式（3）及圖3所示。

式中，Vramp、Vrmax、Tra、Trb、Tr分別表示漸變風(fēng)速率（m/s）、峰值（m/s）、起始時(shí)刻（s）、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)（s）和終止時(shí)刻（s）。

圖3　漸變性風(fēng)隨時(shí)間變化曲線

4）隨機(jī)風(fēng)

隨機(jī)風(fēng)作為風(fēng)力模型中風(fēng)速與時(shí)間無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系的分量，用來(lái)表征風(fēng)的隨機(jī)特性，在數(shù)學(xué)表達(dá)上采用如式（4）—（6）及圖4所示。

圖4　隨機(jī)風(fēng)隨時(shí)間變化曲線

式中，Vnoise表示速率，m/s；Sv為頻譜分布密度，m2/s；ωi為各頻段頻率；φi為0～2π間均勻分布的隨機(jī)初相值；Kn為地表粗糙系數(shù)；F為擾動(dòng)范圍，m2；μ 為相對(duì)高度的平均風(fēng)速，m/s。

2.2風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)原動(dòng)機(jī)部分主要利用風(fēng)輪槳葉捕獲風(fēng)能，并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后以轉(zhuǎn)矩的形式輸出至發(fā)電機(jī)。風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性方程基于空氣動(dòng)力學(xué)的貝茨（Betz）極限值理論，表達(dá)為

式中，Pm為風(fēng)力原動(dòng)機(jī)的輸出功率，kW；ρ 為空氣密度，kg/m3；A為掃風(fēng)面積，m2；v為上游風(fēng)速，m/s；Cp(λ,β )為風(fēng)能利用系數(shù)；ωr為風(fēng)輪角頻率，rad/s。

葉尖速比λ 參數(shù)的引入實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)葉輪與其他部件間的合理匹配，表示為

式中，R為風(fēng)力機(jī)葉輪半徑，m；n為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，r/s。

風(fēng)能利用系數(shù)反映了將風(fēng)力轉(zhuǎn)化成電能的效率，其理論峰值稱(chēng)為貝茨極限0.593，而在實(shí)際工況下其一般不會(huì)超過(guò)0.5。在工程計(jì)算中，采用Cp(λ,β )的計(jì)算公式為

其中，λi滿(mǎn)足

當(dāng)槳距角β 發(fā)生改變時(shí)，Cp- λ曲線變化特性如圖5所示。

由圖5可知，風(fēng)能利用系數(shù)受槳距角和葉尖速比影響。當(dāng)槳距角β 確定時(shí)，總能確定一個(gè)最佳葉尖速比λmax和最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax，在這個(gè)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，能量轉(zhuǎn)換效率最高。據(jù)圖5所示，當(dāng)槳距角為零度時(shí)，曲線可求出各工況下的最佳葉尖速比λmax=8.1，即在該工況下工作的風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最大Cpmax=0.48。

圖5　風(fēng)力機(jī)的Cp-λ曲線

風(fēng)力原動(dòng)機(jī)與同步發(fā)電機(jī)間的機(jī)械傳動(dòng)部分可用一階慣性方程來(lái)表示：

式中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Tm、Te分別為風(fēng)力原動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩和同步發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；RΩ為阻力系數(shù)；ω 為轉(zhuǎn)子角速度，r/min。

本文在PSCAD/EMTDC平臺(tái)上建立的風(fēng)力機(jī)原動(dòng)機(jī)部分及其機(jī)械傳動(dòng)部分的仿真模型如圖6所示。

圖6　永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

2.3換流器模型

自然界中風(fēng)力的不確定性使得人們對(duì)逆變器的穩(wěn)壓性能提出了更高的要求，本文基于非交互式電網(wǎng)跟隨控制理論[14]，在PSCAD/EMTDC電磁仿真平臺(tái)上建立了直流側(cè)電壓前饋控制的逆變單元，通過(guò)電壓控制器和無(wú)功控制器對(duì)“d軸”、“q軸”電流誤差分量的反饋調(diào)節(jié)，以及鎖相環(huán)對(duì)主網(wǎng)電壓相角的跟蹤鎖定[15]，實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，而輸出功率完全取決于風(fēng)況和原動(dòng)機(jī)對(duì)風(fēng)力的捕捉，同時(shí)逆變器實(shí)現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)能量和主網(wǎng)能量的雙向輸送，控制模型如圖7所示。

圖7　并網(wǎng)逆變器控制框圖

3　仿真分析

本算例中主網(wǎng)降壓后額定線電壓0.38kV、50Hz，電阻0.0641Ω，電感0.0322mH；負(fù)荷容量40kW；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定輸出功率100kVA，額定風(fēng)速10.35m/s。

3.1風(fēng)力機(jī)原動(dòng)機(jī)部分輸出特性仿真分析

本算例中風(fēng)力機(jī)原動(dòng)機(jī)部分及機(jī)械傳動(dòng)部分模型如圖6所示，其輸出電壓頻率和幅值將隨不同的風(fēng)速模型而呈現(xiàn)不同的變化。

算例1：陣性風(fēng)（Gust），設(shè)定原始風(fēng)力6m/s，在6s時(shí)刻出現(xiàn)陣風(fēng)使得風(fēng)力峰值達(dá)到10m/s，4s后恢復(fù)到原始風(fēng)速。仿真結(jié)果如圖8所示。

算例2：漸變風(fēng)（Ramp），設(shè)定原始風(fēng)力6m/s，在6s時(shí)刻出現(xiàn)漸變風(fēng)使得風(fēng)力峰值達(dá)到10m/s并持續(xù)最大風(fēng)力2s，而后漸變風(fēng)突然消失，恢復(fù)到原始風(fēng)速。仿真結(jié)果如圖9所示。

算例3：隨機(jī)風(fēng)（Noise），設(shè)定原始風(fēng)力6m/s，在6s時(shí)刻出現(xiàn)漸變風(fēng)，風(fēng)力峰值超過(guò)10m/s，最小達(dá)到2m/s，整個(gè)過(guò)程持續(xù)5s，而后恢復(fù)到原始風(fēng)速。仿真結(jié)果如圖10所示。

通過(guò)以上仿真可以看出，本文建立的風(fēng)力機(jī)原動(dòng)機(jī)部分及傳動(dòng)系統(tǒng)模型能夠?qū)崿F(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)矩快速而平滑的響應(yīng)，輸出電壓幅值、相角和功率在控制器的調(diào)整下隨間歇性激勵(lì)的不同反映出良好的響應(yīng)性能。

圖8　陣性風(fēng)作用下風(fēng)力機(jī)輸出特性

圖9　漸變風(fēng)作用下風(fēng)力機(jī)輸出特性

圖10　隨機(jī)風(fēng)作用下風(fēng)力機(jī)輸出特性

3.2電壓前饋控制逆變器接入輸出特性仿真分析

電壓前饋控制逆變單元模型如圖7所示。算例中設(shè)置原始環(huán)境為基本風(fēng)（6m/s），在t=10s時(shí)刻出現(xiàn)陣風(fēng)，使得最大瞬間風(fēng)力達(dá)10m/s，持續(xù)5s后陣風(fēng)消失；在t=18s時(shí)刻出現(xiàn)漸變風(fēng)，在t=22s時(shí)刻內(nèi)達(dá)到峰值（10m/s），持續(xù)3s后漸變風(fēng)消失；在t=28s時(shí)刻出現(xiàn)隨機(jī)風(fēng)，瞬間最大風(fēng)速超過(guò)8m/s，最小風(fēng)速低于4m/s，持續(xù)約8s后消失，仿真結(jié)果如圖11至圖13所示。

圖11　風(fēng)速及對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速輸出波形

圖12　機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩及逆變側(cè)輸出功率曲線

圖13　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)電壓及逆變側(cè)母線電壓

通過(guò)以上仿真可以看出，本文建立的基于非交互式電網(wǎng)跟隨控制理論的電壓前饋控制逆變器在各種極端風(fēng)況環(huán)境下成功保證了輸出的穩(wěn)定和平滑。

4　結(jié)論

本文從微電網(wǎng)中典型的交流型微源——風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，應(yīng)用電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC設(shè)計(jì)并建立了一整套永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，針對(duì)幾種不同的風(fēng)況進(jìn)行了仿真分析，得到以下結(jié)論：

1）基于貝茲極限理論的風(fēng)力原動(dòng)機(jī)模型能夠很好的實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，且一階慣性環(huán)節(jié)的應(yīng)用保證了風(fēng)力機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)矩的平滑響應(yīng)，并通過(guò)算例仿真形象的反映出該模型具備優(yōu)異的輸出性能。

2）基于非交互式電網(wǎng)跟隨控制理論的換流部分模型，在交流型微源間歇性、隨機(jī)性的特性下，做到了頻率與電壓的穩(wěn)定輸出，實(shí)現(xiàn)了與主網(wǎng)的良好對(duì)接，通過(guò)多種極端風(fēng)況環(huán)境下的算例仿真，對(duì)整套模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

微電網(wǎng)并網(wǎng)及孤網(wǎng)發(fā)電技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展尚處于起步階段，本文設(shè)計(jì)的微網(wǎng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)可以作為微網(wǎng)中交流型分布式電源并網(wǎng)典型模型應(yīng)用于后續(xù)擴(kuò)展研究，同時(shí)對(duì)我國(guó)通過(guò)智能微電網(wǎng)的方式開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能資源具有一定指導(dǎo)意義。

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周?chē)?981-），男，遼寧大連人，本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。

Modeling and Simulation of the Direct-drive Permanent-magnetic Wind Power System in Microgrid based on PSCAD/EMTDC

Zhou Wei1Han Lidong1Li Gang1Zhao Jing2
(1. Dalian Power Supply Company, Dalian, Liaoning 116033; 2. Dalian Thermal Power Group Company Xianghai Thermal Power Plant, Dalian, Liaoning 116083)

Abstract Introduction was made to the working principle of direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine on the microgrid. In this paper, we developed a complete mathematic wind power generation system model in parallel operation on PSCAD/EMTDC software platform, which includes the permanent-magnetic direct-drive wind power generator, the rectification circuit and an inverter with feed-forward voltage control method. The wind power generation system is applied to maximum power point tracking by fixing the optimal tip speed ratio, and the constant DC voltage control method is based on the non interactive grid-following theory. At last, three different wind speed models were built to stimulating the operation characteristics of the direct-drive permanent magnet synchronous wind turbine, and the comparison between output waveforms before and after the feed-forward voltage control module accessing to the system was made to prove the validity of the model, which would be the basis of the further study of developing a complete microgrid model and studying the variation of power system with AC micro sources.

Keywords：direct-drive permanent-magnetic; PSCAD/EMTDC; tip speed ratio; non interactive grid-following; feed-forward voltage control

作者簡(jiǎn)介