徐 迪,莫岳平,華 敏,劉志偉

（揚(yáng)州大學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225127）

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展,風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源已經(jīng)被世界各國(guó)充分利用,以風(fēng)力發(fā)電為代表的分布式發(fā)電得到廣泛關(guān)注。風(fēng)力提水是對(duì)風(fēng)能的有效利用形式之一,現(xiàn)階段,將風(fēng)力發(fā)電用于提水或者滴灌領(lǐng)域成為一種趨勢(shì)[1]。

根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合,可將風(fēng)力發(fā)電分為離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種形式。文獻(xiàn)[2]介紹了一種新型的直驅(qū)交流勵(lì)磁風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng),并網(wǎng)控制采用基于矢量控制的空載并網(wǎng)。文獻(xiàn)[3]研究了基于PSCAD/EMTDC的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)和控制策略,驗(yàn)證模型的正確性。文獻(xiàn)[4]表述了由小水電群和風(fēng)電組成的水風(fēng)互補(bǔ)的微電網(wǎng)系統(tǒng),研究了不同數(shù)量的水輪機(jī)在風(fēng)水微網(wǎng)孤島初期的幅頻特性。基于上述研究,本文提出由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、PWM變流器以及水泵機(jī)組等各部分組成一個(gè)小型的風(fēng)力提水并網(wǎng)系統(tǒng),在分析各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,利用仿真軟件搭建系統(tǒng)的整體仿真模型,驗(yàn)證所提方案的有效性和可行性。

1 風(fēng)電提水微網(wǎng)的數(shù)學(xué)建模

1.1 風(fēng)電提水微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電提水并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由風(fēng)力機(jī)、永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous generator,PMSG）、機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)PWM變換器、水泵機(jī)組以及電網(wǎng)組成。

圖1 風(fēng)力提水并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率為

式中：ρ為空氣密度,R為葉片半徑,v為風(fēng)速,Cp為風(fēng)能利用系數(shù),λ為葉尖速比,β為槳距角。

1.3 永磁同步電機(jī)模型

建立PMSG在d-q軸下的數(shù)學(xué)模型,電機(jī)的定子電壓方程為

電磁轉(zhuǎn)矩為

式（2）、（3）中：Lsd、Lsq為d-q軸電感,Rs為定子電阻,ωe為轉(zhuǎn)子的電角速度,ψf為永磁磁鏈。

1.4 機(jī)側(cè)PWM變流器模型

基于坐標(biāo)變換原理,PMSG-PWM變流器在d-q坐標(biāo)下的電壓方程為：

式中：esd、esq為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),isd、isq為定子電流,ωs為同步角速度,Sd、Sq為開關(guān)函數(shù)。

1.5 網(wǎng)側(cè)PWM變流器模型

網(wǎng)側(cè)變流器采用三相電壓源型PWM逆變器,其數(shù)學(xué)模型如下：

式中：egd、egq為電網(wǎng)電壓,ugd、ugq為變流器側(cè)電壓,Sgd、Sgq為開關(guān)函數(shù),ωq為電網(wǎng)同步旋轉(zhuǎn)角速度。1.6三相異步電機(jī)模型

三相異步電機(jī)在d-q軸下的電壓和轉(zhuǎn)矩方程分別為

式中：ωdqs、ωdqr為定、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度；Rs、Rr為定、轉(zhuǎn)子繞組電阻；pn為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；Lm為定轉(zhuǎn)子繞組間的互感。

2 風(fēng)力提水并網(wǎng)系統(tǒng)的控制

2.1 發(fā)電機(jī)側(cè)變流器控制

機(jī)側(cè)變流器采取基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制,選取葉尖速比法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤[5]。利用PI調(diào)節(jié)、坐標(biāo)變換和SVPWM空間電壓矢量法進(jìn)行控制,其控制原理圖如圖2所示。

圖2 機(jī)側(cè)變流器控制原理圖

2.2 電網(wǎng)側(cè)變流器控制

網(wǎng)側(cè)變流器采用基于電壓定向的矢量控制[6],即電壓外環(huán)（維持直流母線電壓的穩(wěn)定,給定d軸電流分量,iq*=0）,雙電流內(nèi)環(huán)（實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無功電流的快速追蹤）的雙閉環(huán)控制,其控制原理圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)側(cè)三相VSR控制框圖

2.3 三相異步電機(jī)矢量控制

三相異步電機(jī)采用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方式,其中定子電流閉環(huán)控制采用定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制。通過4個(gè)PI調(diào)節(jié)器以及坐標(biāo)變換、SVPWM調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生PWM波形控制逆變器,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速。其矢量控制原理如圖4所示。

圖4 三相異步電機(jī)矢量控制原理圖

3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真結(jié)構(gòu)圖的建立

為了驗(yàn)證提出的風(fēng)力提水并網(wǎng)系統(tǒng)的正確性,應(yīng)用Matlab/Simulink模塊進(jìn)行仿真分析。風(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)直接相連構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),將風(fēng)力機(jī)發(fā)出的電能一部分并入電網(wǎng),一部分驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)行。機(jī)側(cè)變換器、網(wǎng)側(cè)變換器以及異步電機(jī)側(cè)變換器都是三相電壓源型PWM變換器,三者協(xié)調(diào)控制,通過中間直流母線電壓的穩(wěn)定來維持風(fēng)電系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)和水泵機(jī)組的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)上述搭建的風(fēng)力提水并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型,給出具體參數(shù)如下：風(fēng)力機(jī)葉輪半徑為1.05m,空氣密度為1.225kg/m3,槳距角為0°。發(fā)電機(jī)定子電阻R=0.958Ω,定子電感Ld=Lq=5.25×10-3H,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J＝3×10-3kg·m2,極對(duì)數(shù)p=4。三相異步電機(jī)額定功率為1.5kW,定子電阻Rs=0.435Ω,轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.816Ω,定、轉(zhuǎn)子自感L1s=L1r=2mH,定轉(zhuǎn)子互感Lm=0.069H,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.189kg·m2,極對(duì)數(shù)p=2。網(wǎng)側(cè)三相電源線電壓為380V,直流母線電壓為600V。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 發(fā)電機(jī)機(jī)械角速度

由圖5可知,在1.5s時(shí)風(fēng)速由8m/s變化到10m/s,發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度能迅速追蹤到實(shí)際值,風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到0.452,實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤。

由圖6、7可知,網(wǎng)側(cè)逆變器可以輸出同電網(wǎng)電壓同頻同相的標(biāo)準(zhǔn)的正弦電壓波形,功率因數(shù)達(dá)到最大,滿足并網(wǎng)的要求,直流母線電壓能夠穩(wěn)定在600V左右。

圖6 網(wǎng)側(cè)線電壓

圖7 直流母線電壓

由圖8、9可知,三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速由1000r/min變化到1400r/min,相應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比增加。因此,從仿真結(jié)果來看,風(fēng)力提水并網(wǎng)系統(tǒng)理論上滿足并網(wǎng)和驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)行的要求,能迅速響應(yīng)負(fù)載變化,具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

圖8 異步電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖9 負(fù)載轉(zhuǎn)矩

4 結(jié)論

隨著風(fēng)能等新能源的開發(fā)和利用,風(fēng)力發(fā)電提水技術(shù)也在不斷提高。本文通過仿真軟件模擬小型直驅(qū)式風(fēng)力提水并網(wǎng)模型,將風(fēng)力機(jī)發(fā)出的電能并入電網(wǎng),同時(shí)驅(qū)動(dòng)水泵的運(yùn)行。結(jié)果表明,所提的風(fēng)力提水并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性,為進(jìn)一步將風(fēng)能作為新能源發(fā)電推動(dòng)提水技術(shù)提供一定的參考依據(jù)。