吳軍+胡曉光+周穎

摘要：對風速和發(fā)電功率進行有效調節(jié)，可有效減輕風力發(fā)電電場對電網的影響。根據風力發(fā)電系統(tǒng)的主要特點和相關數學模型，探討風力發(fā)電機組無功功率調節(jié)的原理和方法，旨在有效減輕其對電網產生的不良影響。

關鍵詞：功率控制；風力發(fā)電；風速；數學模型

中圖發(fā)類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）07-0039-03

分散式風電場位于用電負荷中心附近，就近接入配電網后，風電的間歇性、波動性會對接入配電網的安全、穩(wěn)定運行產生很大影響。若能根據風力發(fā)電系統(tǒng)數學模型，對風場的風速和發(fā)電功率進行有效調節(jié)，可有效減輕風電對電網的不良影響。

1 風力發(fā)電系統(tǒng)基本結構

1.1 風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電機一般由風輪、增速齒輪箱、發(fā)電機、偏航裝置、控制系統(tǒng)、塔架等部件組成。其中，風輪的作用是將風能轉換為機械能，其為氣動性能優(yōu)異的葉片（目前商業(yè)機組一般為2/3個葉片）裝在輪轂上。輪轂是風輪的樞紐，也是葉片根部與主軸的連接件。所有從葉片傳來的力都通過輪轂傳遞到傳動系統(tǒng)，再傳至風力機驅動對象。同時，輪轂也是控制葉片槳距（使葉片繞自身軸作轉動）的裝置。

1.2 主流風力發(fā)電系統(tǒng)

風力機經歷了從多種結構形式向少數形式過渡的過程，目前主要以水平軸、上風向、三葉片機組為主。根據風電機組的能量轉換方式，可將風電機組分為三類：籠型異步發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機和直驅式永磁同步風力發(fā)電機。

籠型異步發(fā)電機采用籠型異步發(fā)電機把機械能轉變?yōu)殡娔堋ｏL力機葉輪與發(fā)電機的轉速不同，需要齒輪對2種轉速進行匹配。發(fā)電機轉差隨輸出電功率不同而存在微小變化，并不是一個常數。

與籠型異步風電機一樣，雙饋異步發(fā)電機也需要齒輪箱。這種發(fā)電機的定子繞組與電網連接，轉子繞組接至變換器，常采用具有電流閉環(huán)控制的背靠背電壓源型變換器，轉子的電氣和機械頻率互不影響。變換器通過給轉子注入可變頻率的電流，使機、電間頻率差別得到補償，從而使變速運行成為可能。

直驅式風電機不需要齒輪箱，由與風輪葉片旋轉速度相同的多極同步發(fā)電機把機械能轉變?yōu)殡娔?。發(fā)電機有一個繞線式轉子或者裝有永久磁鐵的轉子。定子不是直接接入電網，而是通過電力電子變換器接入電網。

2 風力發(fā)電系統(tǒng)數學模型

2.1 風速模型

風力是自然資源，一般無法控制，但風速變化有一定的規(guī)律和趨勢。常采用基本風、陣風、漸變風和隨機風4種模型疊加來模擬自然界風速變化。具體數學模型如下。

利用公式畫一簇數據的風能利用系數Cp立體曲線走向圖形，見圖1。

為方便分析，Cp和λ的二維空間如圖2所示。

由圖2可以看出，保持λ不變，槳距角β越大，風能利用系數Cp就越??；保持β不變，圖中任意一條曲線存在最佳葉尖速比λopt，能使風能利用系數達到最大值Cpmax，該值稱為最大風能利用系數。不在最佳葉尖速比的時候，都不能獲得最好的風能捕獲效率。不同槳距角下，控制葉尖速比使風力機運行在Cpmax下，是最大風能捕獲的原理。

在風速發(fā)生變化時，為確保風力機運行在最大風能利用系數Cpmax附近，可通過改變風力機轉速實現。在額定風速以下，一般槳距角β保持為0，盡量使風機運行在最大風能利用系數Cpmax附近。

3 風力發(fā)電機組功率調節(jié)

風力發(fā)電機并網后，發(fā)電功率將注入電網。由于風能的易變性和間歇性，風電功率輸出也是波動的。為從風力中獲取最大功率和平穩(wěn)功率輸出，必須對風力發(fā)電機組的輸出功率（包括有功和無功功率）進行調節(jié)。

3.1 功率調節(jié)

永磁同步風力發(fā)電機用永磁體代替轉子勵磁繞組。風力發(fā)電機的輸出功率經電力電子變換器與電網相連。發(fā)電機側變換器為整流器，電網側（線路側）變換器為逆變器，中間用直流連接。在控制功率因數時，將輸入電網的有功和無功電流分量加到逆變控制器中。

脈寬調制的電壓源逆變器（PWM-VSI）被認為是一個理想電源，其產生基頻電壓，瞬時電壓諧波可忽略不計。電網采用戴維南等效表示，X表示在公共連接點（PCC）的電網電抗，其中包括濾波電抗。通常濾波器電抗大于電網電抗，因此電網電抗可以忽略，電阻也可忽略。

根據對同步發(fā)電機相同的分析，由式（11）和式（12）可以得到以下結論：1） 只要控制功角和電壓值，就可控制逆變器注入或吸收有功功率和無功功率，2） 為了注入有功功率，逆變器電壓必須領先電網電壓一個角度占。3） 為了注入無功功率，逆變器電壓幅值Ui必須大于電網電壓幅值U。

3.2 無功功率調節(jié)

直驅式永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)的無功功率控制包括恒功率因數控制和恒電壓控制2種方式。

1） 恒電壓控制。在這種運行方式下，永磁同步發(fā)電機可以吸收或發(fā)出無功功率，以維持機端電壓恒定。在風電機組無功調節(jié)范圍內，風電場可視為PV節(jié)點。永磁同步風力發(fā)電機組的無功功率調節(jié)范圍主要受變換器最大電流限制。

2） 恒功率因數控制。發(fā)電機由永磁體勵磁提供恒定勵磁，在發(fā)電機和整流器之間沒有無功功率交換，所以控制電網側逆變器電流在d，q軸的分量，可控制逆變器與電網之間交換的有功功率Pg和無功功率Qg，從而滿足功率因數調節(jié)要求。利用機組最大功率跟蹤特性來決定有功功率參考值，以保證機組在最優(yōu)功率點運行。采用恒功率因數控制時，若功率因數設定為cosφ，則有

4 結語

根據以上討論可知，具有電壓控制能力的風電機可以通過改變其發(fā)出或者吸收無功功率的數量來控制節(jié)點電壓。為進行電壓控制，需要測量某一節(jié)點的電壓，將其作為電壓控制器輸入。電壓控制器按照自身傳遞函數來確定需要發(fā)出或吸收的無功功率大小。風電機控制端電壓最容易，但有時要選擇電網的某一節(jié)點電壓進行控制，而根據電網電壓的局部特性，這個節(jié)點必須在風電機附近。當測量電壓低于設定值時，應增加發(fā)出的無功功率；當測量電壓高于設定值時，應減少發(fā)出的無功功率。

參考文獻

[1] 陳杰，陳家偉，龔春英.變速風力發(fā)電系統(tǒng)統(tǒng)一功率控制策略研究[J].電工技術學報，2014（10）：257-265.

[2] 茅靖峰，吳愛華，吳國慶，等.垂直軸永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)全風速功率控制[J]. 可再生能源，2014（9）：1 339-1 345.

[3] 張迪.電網故障情況下雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)直接功率控制策略研究[D].河北：燕山大學，2015.

[4] 孫士濤. 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)預測功率控制研究[D].杭州：浙江大學，2013.

Abstract： Effective regulation of wind speed and generated power can effectivly reduce the effect of electric field by wind power generation on power grid. This paper discussed the principle and method of WTGS reactive power regulation according to the main charateristic and relevant methematival model of wind power generation system. The purpose is to effectively reduce the harmful effect on power grid.

Key words： power control； wind power generation； wind speed； mathematical modelendprint