户用风力发电系统离网运行控制策略

第26卷第5期农业工程学报Vol.26No.52322010年5月TransactionsoftheCSAEMay2010户用风力发电系统离网运行控制策略宁世国，叶林※（中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083）摘要：利用户用风力发电系统开发广大农村地区风能资源，可以有效缓解农村地区用电难问题。通过分析风速、风轮机和永磁同步发电机的数学模型，在电力系统电磁暂态软件平台上建立户用风力发电系统仿真模型，并对户用风力发电系统在离网运行模式下的负载跟踪控制策略进行研究，给出户用风力发电系统离网运行控制策略。仿真结果表明：根据文章所提出的离网运行控制策略，户用风力发电系统能够及时响应风速变化并跟踪负载变化。关键词：风力，发电，同步发电机，离网运行，电力系统仿真doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.05.040中图分类号：S213，TM614文献标识码：A文章编号：1002-6819(2010)-05-0232-08宁世国，叶林.户用风力发电系统离网运行控制策略[J].农业工程学报，2010，26(5)：232－239.NingShiguo,YeLin.Controlstrategyofoff-gridhouseholdwindpowergenerationsystem[J].TransactionsoftheCSAE,2010,26(5):232－239.(inChinesewithEnglishabstract)0引言中国农村仍有许多地区存在缺电、无电问题，而这些地区大多具有丰富的风能资源，因此，利用户用风力发电系统开发这些地区的风能资源，可以在一定程度上解决这些地区用电问题[1]。户用风力发电系统由风轮机、发电机和整流逆变装置等部分组成。目前户用风力发电系统多使用永磁同步发电机，永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，不消耗励磁功率，效率较高；没有换相装置和电刷，结构简单，运行可靠；采用稀土永磁同步发电机，更进一步提高系统发电效率。采用永磁同步发电机的户用风力发电系统一般由风轮机直接驱动发电机，省去齿轮箱，具有工作噪音小，成本低，可靠性高等优点。无齿轮箱结构中，永磁同步发电机输出电压幅值与风速有关，频率也很不稳定，需要采用整流逆变装置对发电机输出电压进行调频调压后再对负载供电。电力系统电磁暂态软件EMTP/ATP软件是应用最广泛的电力系统分析软件之一。EMTP/ATP软件平台可以用来模拟电力系统电磁暂态和机电暂态特性，具有规模大、功能强、模拟真实和运算速度快等优点[2]，并且拥有良好的二次开发功能，为用户进行建模仿真提供了仿真平台[3]。目前EMTP/ATP软件平台中没有永磁同步发电机相收稿日期：2010-02-04修订日期：2010-04-27项目基金：国家“十一五”科技支撑计划研究项目（2006BAJ04B03）；教育部新世纪优秀人才资助计划（NCET-08-0543）；教育部科学技术重点研究项目（109017）作者简介：宁世国（1985－），男，辽宁人，从事风力发电方面的研究。北京中国农业大学信息与电气工程学院，100083。Email:[e-mail]※通信作者：叶林（1968－），男，湖北人，教授，博士生导师，德国洪堡学者，从事电力系统自动化、新能源发电与超导电力应用方面的科研和教学工作。北京中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083。Email:[e-mail]关模型，因此本文在EMTP/ATP软件平台上，根据永磁同步发电机数学模型建立了永磁同步发电机仿真模型，结合风速模型和风轮机模型建立户用风力发电系统仿真模型，并在此基础上研究户用风力发电系统离网运行控制问题。1户用风力发电系统数学模型1.1风速数学模型风速模型采用四分量法。四分量法将风速分为基本风、阵风、渐变风和随机风4个分量[4]，其数学模型为[3]wmgrnvvvvv（1）mavv（2）max0(1cos(2))20gsggsggsgegegsgetTvtTvTtTTTtT（3）0()0rsrsrramxrsrerersretTtTvvTtTTTtT（4）式中：vw——风速，m/s；vm——基本风风速，m/s；vg——阵风风速，m/s；vr——渐变风风速，m/s；vn——随机风风速，m/s；va——风速平均值，m/s；vgmax——阵风的最大值，m/s；Tgs——阵风开始时间，s；Tge——阵风停止时间，s；vrmax——渐变风的最大值，m/s；Trs——渐变风开始时间，s；Tre——渐变风停止时间，s。随机风采用二分量法中湍流分量建立模型。湍流分量模型连续谱密度函数为[5]523()(11.5)lnsvsnLvSffLHvZ（5）转载中国科技论文在线第5期宁世国等：户用风力发电系统离网运行控制策略233式中：fv——频率，Hz；L——湍流尺度，m；vs——平均风速，m/s；H——风力机塔高，m；Zn——地面粗糙程度。1.2风轮机数学模型风轮机捕获风能为[3]3230.50.5πwpwpwPACvRCv（6）式中：Pw——风轮机功率，W；ρ——空气密度，kg/m3；A——风轮扫掠面积，m2；R——风轮机叶片半径，m；Cp——风能利用系数。风轮机轮毂具有较大惯性，采用一阶惯性环节描述轮毂[6]d1()dhwhJTTTt（7）式中：Th——轮毂输出机械转矩，N·m；Tw——风力机叶片输出转矩，N·m；τJ——轮毂惯性时间常数，s。1.3永磁同步发电机数学模型本文忽略影响较弱的非线性因素，对永磁同步发电机做如下假设：相绕组完全对称，气隙磁场呈正弦分布；忽略磁通影响；永磁材料电导率为零；磁路饱和效应和涡流损耗忽略不计[7-9]。永磁同步发电机数学模型建立在dq同步旋转坐标系下，因此需要将abc静止坐标系下的量变换到dq同步旋转坐标系中，坐标变换过程为[10-11]111cossin222sincos333022adbqcSSSSS（8）式中：Sd——d轴变量；Sq——q轴变量；Sa——abc坐标系中变量a；Sb——abc坐标系中变量b；Sc——abc坐标系中变量c；θ——发电机转子位置角，rad。永磁同步发电机基于dq同步旋转坐标系等值电路如图1所示[12]。注：ed——反电势d轴分量；eq——反电势q轴分量图1d轴和q轴等值电路图Fig.1Diagramofd-axisandq-axisequivalentcircuits永磁同步发电机基于dq同步旋转坐标系方程为[8]：定子电压方程为dsddrqqsqqrduRipuRip（9）永磁同步发电机基于dq同步旋转坐标系的磁链为dddfqqqLiLi（10）电磁转矩推导方程为3[()]22eqdqdfqPTLLiLi（11）d()d2rmePTTtJ（12）ddrt（13）rmP（14）式中：ud——定子电压d轴分量，V；uq——定子电压q轴分量，V；Rs——定子电阻，Ω；p——微分算子；id——定子电流d轴分量，A；iq——定子电流q轴分量，A；ψd——永磁体磁链d轴分量，Wb；ψq——永磁体磁链q轴分量，Wb；ωr——发电机电角频率，rad/s；ψf——永磁体磁链，Wb；Ld——定子电感d轴分量，H；Lq——定子电感q轴分量，H；Te——发电机电磁转矩，N·m；P——极对数；ωm——发电机转速，rad/s；J——等效转动惯量，kg/m。2整流逆变电路本文采用交—直—交整流逆变电路。整流部分采用不可控整流电路，使用二极管整流，不需要控制部分。永磁同步发电机发出电压幅值随着风速波动而变化，整流后直流电压幅值不稳定，需要用Cuk斩波电路稳定直流电压。Cuk斩波电路如图2所示。图2Cuk斩波电路图Fig.2DiagramofCuk-choppercircuit图2中输出电压Uo与输入电压Uin关系为1ononoinininoffonttaUUUUtTta（15）式中：ton——V处于导通状态的时间，s；toff——V处于断开状态的时间，s；T——开关周期，s；α——导通占空比。逆变电路为PWM逆变电路，采用调制法，即把等腰三角波作为载波，把希望输出的波形作为调制波，二者比较后产生控制信号，控制逆变电路中开关器件通断。中国科技论文在线户用风力发电系统离网运行模式根据风力发电系统工作状态，将风速分为切入风速、额定风速和切出风速3个点。切入风速是满足系统发电要求的最低风速，额定风速是系统达到额定状态时的风速，切出风速是系统能够安全发电的最大风速[13]。本文将户用风力发电系统运行模式分为4种：当风速低于切入风速时，风轮机不工作，系统为模式A；当风速值在切入风速和额定风速之间时，风轮机正常工作，系统为模式B；当风速高于额定风速而低于切出风速时，系统为模式C；当风速高于切出风速时，为保护风力发电系统，风轮机停止工作，系统为模式D。通过判断风力发电系统运行模式来确定风力发电系统发电状态，当风力发电系统为模式A和模式D时，系统为不发电状态；当风力发电系统为模式B和模式C时，系统为发电状态，可以对负载供电。户用风力发电系统离网运行模式工作流程如图3所示。当PoPL时，风力发电系统和蓄电池同时对负载供电；当PLPoPL+Pb时，风力发电系统既向负载供电，也向蓄电池供电；当PoPL+Pb时，系统按照负载跟踪控制策略运行。注：vw——风速；v切入——切入风速值；v切出——切出风速值；v额定——额定风速值；Po——系统输出功率；PL——负载功率；Pb——蓄电池充电功率，下同图3户用风力发电系统离网运行模式工作流程图Fig.3Flowchartofoperatingmodeofhouseholdoff-gridwindpowergenerationsystem3.2最大风能捕获控制系统为模式B时，以最大风能捕获为控制目标；系统为模式C时，风能过剩，控制风轮机转速，使转速固定在额定值，保持在恒功率输出状态[13-14]。风轮机叶片半径、空气密度和风速都是客观因素，由式（6）可以看出，客观因素不变时，风轮机捕获风能大小由风能利用系数CP决定。风能利用系数CP是叶尖速比和桨距角的函数，户用风力发电系统一般采用定桨距结构，桨距角固定，因此CP的大小只由叶尖速比决定。只有当叶尖速比在某一定值时，风能利用系数CP才能达到最大值，设使CP达到最大值时叶尖速比为λcmax。叶尖速比为wRv（16）式中：λ——叶尖速比；ω——风轮机转速，rad/s。根据风速调整风轮机转速，使叶尖速比保持为λcmax，则CP始终保持在最大值，达到最大风能捕获控制目标。3.3负载跟踪控制当风力发电系统输出功率超过负载功率与蓄电池充电功率之和时，则采用负载跟踪控制策略控制系统，使系统输出功率与消耗功率相匹配。负载跟踪控制框图如图4所示，系统通过检测负载电流IL和负载电压UL计算出负载功率PL，再将PL和风力发电系统输出功率Po作比较，得到功率变化量ΔP，经过控制器后，产生逆变器控制信号，使发电机输出电流Io增大。由式（11）和（12）可知，电流增大时，电磁转矩增大，发电机转速下降，风轮机转速也下降。又由式（16）可知叶尖速比也减小，风能利用系数Cp减小，则风力发电系统捕获风能减少，达到控制目标。注：IL——负载电流；UL——负载电压；PL——负载功率；Po——风力发电系统输出功率；ΔP——功率变化量；Io——发电机输出电流，下同图4户用风力发电系统负载跟踪控制框图Fig.4Loadtrackingcontrolblockdiagramofhouseholdwindpowersystem户用风力发电系统整体结构和离网运行控制框