賀篤貴

(銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 銅陵 244061)

0 引 言

隨著世界范圍內(nèi)的能源革命再一次掀起，分布式清潔能源替代或者補充傳統(tǒng)化石能源的基本趨勢已經(jīng)形成。自然界內(nèi)蘊含著巨量的風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電也逐漸被各國科研工作者所重視，也逐漸被世界各國電網(wǎng)慢慢接入接受[1]?？紤]到短路容量大、間歇性強、集中式接入的大容量風(fēng)力發(fā)電場會對電網(wǎng)帶來一定的不利影響，風(fēng)力發(fā)電機以一種分散、分布接入的方式就成了一種可行性方案。分布式風(fēng)機單機容量較小，受制于制造成本的約束，鼠籠型發(fā)電機因結(jié)構(gòu)簡單、成本經(jīng)濟(jì)的原因，在分布式風(fēng)機中得到了更加廣泛的應(yīng)用，目前主要接入配電網(wǎng)。若鼠籠風(fēng)機以一種無序、無控的模式接入，仍然會給配電網(wǎng)的安全可靠性運行帶來災(zāi)難性的影響，所以鼠籠風(fēng)機控制策略研究也就具有十分重要的意義。

1 鼠籠型風(fēng)力發(fā)電機模型

鼠籠風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)由風(fēng)輪機、鼠籠異步電機、軟啟動裝置、無功補償裝置以及變壓器等幾個部分構(gòu)成[2]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)輪機捕獲風(fēng)能，風(fēng)能驅(qū)動風(fēng)輪機轉(zhuǎn)動從而轉(zhuǎn)換成齒輪動能，從而驅(qū)動鼠籠異步電機發(fā)出電能。異步電機剛啟動時由于內(nèi)部電勢較低所以啟動電流會很大，對電網(wǎng)的沖擊也比較大。為了降低風(fēng)機啟動對電網(wǎng)的沖擊，一般鼠籠風(fēng)機會采用軟啟動方式啟動，通過軟啟動器從而降低對電網(wǎng)的影響。異步風(fēng)機雖然結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是其功率因素都不會太高，通過無功補償裝置提高其并網(wǎng)時的功率因素。最后通過變壓器將風(fēng)機發(fā)出的電能變換成與電網(wǎng)相同的電壓，從而實現(xiàn)鼠籠風(fēng)機系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)的相互連接。

圖1 鼠籠風(fēng)機并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PSCAD軟件是一款能夠進(jìn)行微步長計算的時域仿真軟件，其自帶的模型庫也是很強大的。異步鼠籠風(fēng)機采用PSCAD自帶的異步電動機元件，通過軟開關(guān)并入電力系統(tǒng)。軟開關(guān)的工作原理是當(dāng)異步電機轉(zhuǎn)速較低時，軟開關(guān)呈現(xiàn)斷開效應(yīng)。當(dāng)檢測到異步電機轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值，其端電壓也接近電網(wǎng)電壓，此時軟開關(guān)呈現(xiàn)連通效應(yīng)，使異步電機電能輸送給電網(wǎng)。電機采用轉(zhuǎn)矩控制方式，速度控制方式下的設(shè)定速度為零，其模型如圖2所示。

2 鼠籠風(fēng)機控制策略

2.1 風(fēng)機數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電機是由風(fēng)能驅(qū)動齒輪從而帶動鼠籠異步電機轉(zhuǎn)動發(fā)電的一套裝置，風(fēng)能是其獲得發(fā)電能力的原始能源。風(fēng)力發(fā)電機輸出的有功功率與風(fēng)能的風(fēng)速呈現(xiàn)相關(guān)性關(guān)系[3]。根據(jù)不同的風(fēng)速，表征鼠籠風(fēng)機有3個重要的參數(shù)，分別是切入風(fēng)速vci、額定風(fēng)速vN和切出風(fēng)速vco。當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速時，鼠籠風(fēng)機并不輸出功率，此時其輸出有功功率為零。當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速時，鼠籠風(fēng)機開始輸出功率，其輸出有功功率值與風(fēng)速的三次方成正比。但是風(fēng)機輸出的有功功率并不是無限增大的，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速時，風(fēng)機輸出功率達(dá)到額定有功功率，也是其最大值。當(dāng)風(fēng)速過大時超過了切出風(fēng)速，此時風(fēng)機輸出功率為零。鼠籠風(fēng)機輸出有功功率與風(fēng)速關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中，PW為有功功率；PN為額定功率；Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)化率；ρ為空氣密度；S為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動面的面積。

圖2 風(fēng)機的異步電機和并網(wǎng)軟開關(guān)模型

2.2 鼠籠式異步發(fā)電機模型

異步電機種類很多，恒頻恒速風(fēng)電機組采用的是鼠籠式異步電機，數(shù)學(xué)模型介紹如下。

忽略鼠籠異步電機暫態(tài)過程，即讓PΨds=PΨqs=0，定子電壓方程為：

(2)

式中，Ud,Id,Ψq為定子繞組電壓、電流、磁鏈；Uq,Iq,Ψq為定子繞組電壓、電流、磁鏈；Rs為電阻，ωs為同步角速度。

磁鏈與暫態(tài)電勢E′和電流的關(guān)系：

(3)

以暫態(tài)電勢為狀態(tài)變量,可推得：

(4)

式中，為定子的同步電抗，X=Xs+Xm。

該電勢方程的相量形式為：

(5)

式中，s為滑差；f0為頻率(50Hz)，E′為暫態(tài)電勢。

可以得到，定子繞組電磁方程式：

(6)

式中，X為同步電抗；X′為暫態(tài)電抗(p.u)；T0′為時間常數(shù)。

轉(zhuǎn)子運動方程可以反映作用于轉(zhuǎn)子兩者之間的轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。電機轉(zhuǎn)子的之間的關(guān)系為：

(7)

式中，ΔM=MT-ME，為不平衡轉(zhuǎn)矩。ω為轉(zhuǎn)子機械角速度，J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。由此可得下式：

(8)

式中，MT,ME分別為兩種轉(zhuǎn)矩(p.u)，Tj為異步發(fā)電機慣性時間常數(shù)。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

ME=ψdIq-ψqId

(9)

式中，Id,ψd為電流與磁鏈。Iq,ψq為定子繞組q軸繞組磁鏈。

2.3 風(fēng)機控制策略

在風(fēng)電發(fā)展早期，異步風(fēng)電機組占的比重比較大，雖然現(xiàn)在在主網(wǎng)中不再應(yīng)用異步風(fēng)機，但是在配電網(wǎng)中，仍然是目前使用最典型以及最廣泛的風(fēng)力機組控制模式如圖3所示。

圖3 鼠籠風(fēng)機控制模式

采用PSCAD軟件元件庫里的風(fēng)力機和控制模塊模型，如圖4所示。

鼠籠風(fēng)機輸出的功率來源于鼠籠異步電機，風(fēng)輪機對鼠籠異步電機輸出轉(zhuǎn)矩。所以對鼠籠異步風(fēng)機的控制主要是對風(fēng)輪機的控制。主要從三個方面體現(xiàn)：風(fēng)速控制，風(fēng)輪機轉(zhuǎn)速以及風(fēng)輪機槳距角。風(fēng)速選用模塊式風(fēng)速，有穩(wěn)定風(fēng)、陣風(fēng)、波動風(fēng)幾種不同的風(fēng)速來選擇。轉(zhuǎn)速主要來源于異步電動機轉(zhuǎn)速的負(fù)反饋，從而實現(xiàn)對風(fēng)輪機頻率的控制。風(fēng)輪機的槳距角直接影響風(fēng)輪機輸出到異步電機的轉(zhuǎn)矩，由控制模塊輸出并由Beta端口輸入，并加以控制邏輯。Tm為輸出的機械轉(zhuǎn)矩，P為輸出的機械功率。風(fēng)機控制模塊會監(jiān)測鼠籠型異步風(fēng)機輸出的有功功率情況來調(diào)節(jié)槳距角，以促使風(fēng)機維持在額定功率輸出狀態(tài)，控制策略如圖4所示。

圖4 風(fēng)力機及控制系統(tǒng)模型

3 實例仿真分析

以實際的IEEE13節(jié)點配電網(wǎng)算例為模型，鼠籠異步風(fēng)機并網(wǎng)點為671節(jié)點。PSCAD軟件是從時間0s開始進(jìn)行仿真計算的，然而實際中的配電網(wǎng)是時時刻刻在運行的電網(wǎng)，鼠籠風(fēng)機是不斷啟停并網(wǎng)離網(wǎng)的一個過程。對于未接入鼠籠風(fēng)機的IEEE13節(jié)點配電網(wǎng)的仿真分析得出，該電網(wǎng)是在1.6秒后建立的穩(wěn)定電壓，所以鼠籠風(fēng)機并網(wǎng)時間設(shè)置在1.6秒以后。選定風(fēng)機容量為1.2MW，為了模擬實際風(fēng)不穩(wěn)定的特點，在鼠籠異步風(fēng)機并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定后在穩(wěn)定風(fēng)的基礎(chǔ)上加入波動風(fēng)量，仿真鼠籠風(fēng)機的有功功率輸出特點。設(shè)定風(fēng)速如圖5所示。

鼠籠異步風(fēng)機輸出有功功率如圖6所示。

在此控制策略下，異步風(fēng)機在2s系統(tǒng)穩(wěn)定時并網(wǎng)由于鼠籠風(fēng)機轉(zhuǎn)速低其端口電壓未完全建立，此時功率是從電網(wǎng)流入異步風(fēng)機。隨著端口電壓建立完成，風(fēng)機慢慢向電網(wǎng)輸出有功功率，而且風(fēng)機功率因數(shù)值較高，其向電網(wǎng)輸入的無功功率較小。隨著較大波動風(fēng)的作用，異步風(fēng)機的輸出功率隨機變化，但是在異步電機向風(fēng)輪機負(fù)反饋以及槳距角的控制策略下，其有功功率變動值較小，在電網(wǎng)可承受范圍內(nèi)。

圖5 風(fēng)速曲線

圖6 鼠籠風(fēng)機輸出有功功率

4 結(jié) 論

基于PSCAD軟件搭建了鼠籠異步風(fēng)機的并網(wǎng)模型，建立了風(fēng)速控制、異步電機轉(zhuǎn)速負(fù)反饋以及風(fēng)輪機槳距角追蹤的有功功率輸出控制策略。最后以實際的IEEE13節(jié)點配電網(wǎng)為仿真算例，研究該控制策略下的鼠籠風(fēng)機并網(wǎng)以及風(fēng)速波動時的有功功率輸出狀態(tài)。研究表明：隨著較大波動風(fēng)的作用，在異步電機向風(fēng)輪機負(fù)反饋以及槳距角的控制策略下，其有功功率變動值較小，在電網(wǎng)可承受范圍內(nèi)。