潘明九

摘要：雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)將電力電子器件運(yùn)用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，不但有效增加了風(fēng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換率，此外還進(jìn)一步顯著降低了渦輪機(jī)械損耗。建立了采用變速恒頻方式完成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制的模型，通過模型的仿真運(yùn)行，得到風(fēng)速變化下不同控制模式的風(fēng)機(jī)側(cè)、電網(wǎng)側(cè)波形。仿真結(jié)果表明，無功功率控制模式下的并網(wǎng)效果更好。改變負(fù)載，初步探究了負(fù)載對(duì)并網(wǎng)的影響。

Abstract： Doubly-fed induction generators use power electronic devices in variable speed constant frequency wind power generation system， which not only effectively increase the energy conversion rate of the wind turbine， but also significantly reduce the mechanical loss of the turbine. A model for implementing the grid-connected control of the wind power generation system by using the variable speed constant frequency method is established. Through the simulation operation of the model， the wind turbine side and grid side waveforms of different control modes under the wind speed change are obtained. The simulation results show that the grid connection effect is better in reactive power control mode. It changes the load and initially explores the impact of the load on the grid.

關(guān)鍵詞：變速恒頻；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；并網(wǎng)控制；仿真

Key words： variable speed constant frequency；wind power generation system；grid-connected control；simulation

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）33-0114-02

0 引言

風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)力變化的隨機(jī)性影響，其風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制方式和動(dòng)態(tài)響應(yīng)存在較大差別。故風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定程度的沖擊。嚴(yán)重時(shí)可能造成電網(wǎng)電壓大幅度下降、發(fā)電機(jī)損壞甚至使電力系統(tǒng)解列[1]。因此，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)問題也是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。本文就變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，以雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)為例，對(duì)其運(yùn)用雙變換器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)側(cè)與電網(wǎng)側(cè)的信息互通，共同控制使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無沖擊柔性并網(wǎng)進(jìn)行分析。采用MATLAB軟件構(gòu)建了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)模型，在帶負(fù)載情況下進(jìn)行并網(wǎng)仿真[2]，并對(duì)此模型的若干特性進(jìn)行了研究。

1 變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

轉(zhuǎn)子側(cè)電流以流入為正；定子側(cè)電流以流出為正[3]。

式中P1、Q1依次對(duì)應(yīng)定子側(cè)向電網(wǎng)的輸出有功與無功；P2、Q2依次對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子側(cè)向電網(wǎng)的輸入有功與無功。

2 Matlab/Simulink仿真分析

建立風(fēng)電場(chǎng)仿真模型如圖1所示。

2.1 并網(wǎng)特性仿真分析 風(fēng)速大小是對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響的最重要因素。因此需要對(duì)風(fēng)速模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，研究風(fēng)速條件對(duì)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的影響。由于風(fēng)速變化下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)壓方式、無功補(bǔ)償方式會(huì)影響電網(wǎng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的潮流分布和電壓穩(wěn)定[4]。故在不同的調(diào)壓方式下分別進(jìn)行模擬，來檢測(cè)并網(wǎng)控制的可靠性。

2.2 風(fēng)速波動(dòng)下有載調(diào)壓方式并網(wǎng)分析 選擇Voltage regulation（電壓控制模式）[5-10]。分別打開網(wǎng)側(cè)、機(jī)側(cè)波形監(jiān)測(cè)模塊，可以觀察到：風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)值為1.2，此時(shí)風(fēng)機(jī)處于超同步運(yùn)行狀況。風(fēng)機(jī)可以從電網(wǎng)中得到充足的無功功率，因此當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)該系統(tǒng)依然能夠處于穩(wěn)定狀態(tài)。

風(fēng)電系統(tǒng)采用電壓控制模式下，隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功出力開始上升，由于負(fù)載不變，風(fēng)電系統(tǒng)多出的有功被電網(wǎng)吸收，同時(shí)風(fēng)電系統(tǒng)吸收電網(wǎng)的無功以維持自身電壓穩(wěn)定。根據(jù)模擬結(jié)果可知，大概風(fēng)速改變之后，電網(wǎng)有功功率與無功功率變化狀態(tài)不斷趨于平穩(wěn)，電網(wǎng)潮流重新分配，但系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。

2.3 風(fēng)速波動(dòng)下無功補(bǔ)償方式并網(wǎng)分析 采用無功功率控制模式，仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖2中可以看到5s時(shí)，風(fēng)速開始逐漸上升。風(fēng)電系統(tǒng)采用無功功率控制模式下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出波形仿真結(jié)果如圖3所示。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的上升逐漸增大，輸出有功功率增加，無功補(bǔ)償裝置提供了充足的無功功率，因此母線電壓對(duì)于風(fēng)速波動(dòng)的敏感性不高。經(jīng)過仿真系統(tǒng)模擬可以知道，此系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

風(fēng)電系統(tǒng)采用無功功率控制模式下，電網(wǎng)波動(dòng)仿真結(jié)果如圖4所示，隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功出力開始上升，由于風(fēng)機(jī)的運(yùn)行模式為無功補(bǔ)償類型，通過無功調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓作用，不需要從電網(wǎng)中吸收過多無功功率，從而確保電網(wǎng)的無功狀態(tài)不出現(xiàn)顯著改變，不同點(diǎn)的電壓也不會(huì)發(fā)生太明顯的波動(dòng)。可以看出，與電壓控制模式相比，無功功率控制模式下電網(wǎng)無功功率的波動(dòng)較小，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 小結(jié) 運(yùn)用MATLAB/SIMULIK中提供的風(fēng)電系統(tǒng)模塊搭建了一個(gè)典型的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的帶負(fù)載并網(wǎng)仿真模型，對(duì)其在風(fēng)速變化情況下的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化分析風(fēng)機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的運(yùn)行情況。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，使用不同的控制模式也會(huì)對(duì)電網(wǎng)及風(fēng)電系統(tǒng)造成影響。所以在相同風(fēng)速變化情況下，分別對(duì)系統(tǒng)使用電壓控制和無功功率控制兩種控制模式進(jìn)行仿真。由仿真結(jié)果表明雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的帶負(fù)載并網(wǎng)模型可以很好地對(duì)風(fēng)速變化做出跟蹤響應(yīng)且沒有明顯振蕩；而相比電壓控制模式，采用無功功率控制具有明顯的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

本文研究了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作機(jī)理及其實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)過程的控制結(jié)構(gòu)。通過MATLAB/SIMULINK軟件建立了采用變速恒頻方式完成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制的模型。通過模型的仿真運(yùn)行，得到風(fēng)速變化下不同控制模式的風(fēng)機(jī)側(cè)、電網(wǎng)側(cè)波形。仿真結(jié)果表明，無功功率控制模式下的并網(wǎng)效果更好。

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