風(fēng)速擾動(dòng)下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出特性數(shù)值計(jì)算

秦　艷　劉　偉　羅昌芬　孔維超

（1. 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安生物工程分院，江蘇 淮安　223200；2. 電子科技大學(xué)成都學(xué)院通信工程系，成都　611731；3. 東方電氣集團(tuán)東風(fēng)電機(jī)有限公司，四川 樂山　614000；4. 中節(jié)能港建（甘肅）風(fēng)力發(fā)電有限公司，甘肅 玉門　735200）

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風(fēng)速擾動(dòng)下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出特性數(shù)值計(jì)算

秦艷1劉偉2羅昌芬3孔維超4

（1. 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安生物工程分院，江蘇 淮安223200；2. 電子科技大學(xué)成都學(xué)院通信工程系，成都611731；3. 東方電氣集團(tuán)東風(fēng)電機(jī)有限公司，四川 樂山614000；4. 中節(jié)能港建（甘肅）風(fēng)力發(fā)電有限公司，甘肅 玉門735200）

摘要闡述了風(fēng)速的擾動(dòng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出性能的影響。為了研究隨機(jī)風(fēng)速下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出特性規(guī)律，分析了某1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特征，建立了仿真數(shù)學(xué)模型。以風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速模型為條件，選擇了電壓控制和無(wú)功功率控制兩種策略進(jìn)行輸出特性仿真。結(jié)果顯示，機(jī)組正常運(yùn)行下，采用無(wú)功功率控制策略，機(jī)組的輸出性能參數(shù)較為穩(wěn)定；而發(fā)生短路故障時(shí)，為保證輸出電壓值盡快恢復(fù)，采用電壓控制策略較為合理。為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)速；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；輸出特性；數(shù)值計(jì)算；控制策略

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出特性，是指當(dāng)風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能之后，發(fā)電機(jī)輸出端的電壓、功率以及故障擾動(dòng)等參數(shù)變化規(guī)律。與其他發(fā)電形式（如水力發(fā)電、火力發(fā)電等）不同之處在于，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，作為原動(dòng)力的風(fēng)能（如陣風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)等）變化較為復(fù)雜，目前還法精確掌握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即風(fēng)速變化的隨機(jī)性較大。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的理想運(yùn)行狀態(tài)，是在恒定風(fēng)速下工作。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化，便稱之為擾動(dòng)。此時(shí)，機(jī)組參數(shù)必須做出相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)波動(dòng)后的風(fēng)速。近年來(lái)，就風(fēng)速變化對(duì)于機(jī)組性能的影響，人們做了大量的研究。如文獻(xiàn)[1]采用模態(tài)分析法，計(jì)算出了不同風(fēng)速條件下，風(fēng)輪葉片的自振頻率變化規(guī)律；文獻(xiàn)[2]采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，達(dá)到了定子端有功和無(wú)功功率解耦控制的目的；文獻(xiàn)[3]計(jì)算出了機(jī)組輸出功率的波動(dòng)規(guī)律。然而，文獻(xiàn)[1]研究的對(duì)象僅限于頻率分析，未討論系統(tǒng)的其余輸出參數(shù)特性；文獻(xiàn)[2]雖然分析了輸出端的電壓、功率等特性，卻未考慮故障擾動(dòng)的因素；文獻(xiàn)[3]則沒有涉及輸出功率分布。而在隨機(jī)風(fēng)速條件下，只有全面了解系統(tǒng)的輸出特性（包括電壓控制特性、無(wú)功功率控制特性以及故障擾動(dòng)下的輸出特性等），才能優(yōu)化自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)具備較強(qiáng)的抗干擾性和隨機(jī)調(diào)節(jié)能力，機(jī)組才能實(shí)現(xiàn)安全、高效運(yùn)行。因此，建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的仿真模型，分析風(fēng)速擾動(dòng)下的各種輸出參數(shù)情況，在實(shí)現(xiàn)隨機(jī)風(fēng)速工況下的轉(zhuǎn)速自我調(diào)節(jié)、保證機(jī)組的最佳運(yùn)行狀態(tài)以及監(jiān)測(cè)輸出電壓質(zhì)量等方面，具有重要的意義。

1　計(jì)算模型結(jié)構(gòu)分析

要建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真數(shù)學(xué)模型，首先需要對(duì)機(jī)組結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。以便確定數(shù)學(xué)模型的模塊結(jié)構(gòu)。以某風(fēng)電場(chǎng)1.5MW水平軸雙饋?zhàn)兯侔l(fā)電機(jī)為例，該機(jī)組的主要部件[4]有：風(fēng)輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、變頻器等。風(fēng)輪軸與電機(jī)軸通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)變頻器接入電網(wǎng)。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，無(wú)論是電機(jī)軸還是風(fēng)輪，均不是恒速運(yùn)行，而是根據(jù)風(fēng)速的變化而變化，變頻器可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的有功與無(wú)功功率解耦控制。機(jī)組基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

2　數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。主要包括：雙饋發(fā)電機(jī)模塊、測(cè)量模塊、三相雙繞組變壓器模塊、并聯(lián)負(fù)載模塊等，數(shù)學(xué)模型如圖2所示。部分參數(shù)設(shè)置[5]，見表1。

圖2　風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

表1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)部分參數(shù)

3　風(fēng)速波動(dòng)下的風(fēng)力機(jī)輸出特性仿真

3.1風(fēng)速模型的確定

在對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，首先要設(shè)定的參數(shù)就是入口風(fēng)速。以隨機(jī)風(fēng)為例，由于計(jì)算對(duì)象所在風(fēng)場(chǎng)與文獻(xiàn)[6]位置接近，故選用該文獻(xiàn)的隨機(jī)風(fēng)速模型，取樣方式為等時(shí)間間隔法，采樣時(shí)間為15s，風(fēng)速模型如圖3所示。

圖3　風(fēng)速模型

3.2輸出特性分析

在數(shù)值計(jì)算時(shí)，由于風(fēng)速的擾動(dòng)頻率較高，有功功率在隨機(jī)風(fēng)的作用下，只存在小幅度變化[7]。故主要對(duì)風(fēng)速波動(dòng)下的電壓、無(wú)功功率以及短路故障狀態(tài)進(jìn)行分析。所有單位均選用標(biāo)幺值（pu）表示，控制策略選擇為：電壓控制和無(wú)功功率控制。設(shè)定短路故障發(fā)生時(shí)間為0.5s，結(jié)束時(shí)間為0.6s。

在計(jì)算中，考慮到累計(jì)誤差對(duì)于精度的影響，計(jì)算方法選擇為ode23tb法，即數(shù)值計(jì)算方法為顯式RK法，由于精度的階數(shù)與微分方程之間的并非遞增關(guān)系[8]，故計(jì)算函數(shù)的次數(shù)選擇為2～3次即可?；疚⒎址匠瘫磉_(dá)式[9]為

式中，Wi為待定權(quán)因子；r為函數(shù)次數(shù)；ki為離散點(diǎn)函數(shù)值；ci=0；aij為待定系數(shù)。仿真結(jié)果如圖4至圖7所示。

圖4　電壓與無(wú)功功率控制下輸出電壓變化

圖5　電壓與無(wú)功功率控制下無(wú)功功率變化

圖6　三相短路時(shí)電壓與無(wú)功功率控制下輸出電壓變化

圖7　三相短路時(shí)電壓與無(wú)功功率控制下無(wú)功功率變化

3.3結(jié)果分析

由圖4至圖5可以看出，雖然在電壓控制和無(wú)功功率控制模式下，無(wú)論風(fēng)速如何擾動(dòng)，發(fā)電機(jī)組的輸出電壓始終保持不變。但是，在電壓控制模式下，由于風(fēng)速的不斷變化，機(jī)組從電網(wǎng)中吸收的無(wú)功功率也會(huì)不斷增大，如此才能保持輸出電壓為恒定值。而在無(wú)功功率控制模式下，除了初始階段（約1s內(nèi)），系統(tǒng)會(huì)從電網(wǎng)中吸收少量無(wú)功功率，之后無(wú)功功率便接近于穩(wěn)定值?？梢姡L(fēng)速的波動(dòng)對(duì)于機(jī)組吸收電網(wǎng)無(wú)功功率的變化影響并不明顯，整個(gè)過程中，無(wú)功功率能夠基本不變。所以，在風(fēng)速變化規(guī)律性不強(qiáng)，為保持機(jī)組的正常運(yùn)行，可以選擇無(wú)功功率控制模式。

由圖6至圖7所示，若電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，兩種控制模式下的機(jī)組輸出電壓均會(huì)下降。此時(shí)，由無(wú)功功率曲線顯示，無(wú)故障狀態(tài)下的平衡趨勢(shì)被打破，因此產(chǎn)生較大的波動(dòng)。原因在于，隨著輸出電壓的下降，電網(wǎng)會(huì)吸收機(jī)組提供的無(wú)功功率。當(dāng)短路故障消除后，電壓和無(wú)功功率都將恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。按照電力系統(tǒng)穩(wěn)定性原則[10]可以知道，在兩種控制模式下，該系統(tǒng)都是穩(wěn)定的。但是，就兩種控制模式的比較而言，無(wú)功功率控制模式下，當(dāng)短路故障結(jié)束以后，輸出電壓的恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，約為1.05s，而電壓控制模式下，恢復(fù)時(shí)間僅需0.7s。因此，在發(fā)生短路故障時(shí)，采用電壓控制模式，有利于發(fā)電機(jī)組的輸出參數(shù)更快恢復(fù)到穩(wěn)定值。

4　結(jié)論

在隨機(jī)風(fēng)速變化的狀態(tài)下，分別采取了電壓和無(wú)功功率兩種控制策略進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出特性數(shù)值計(jì)算。仿真結(jié)果表明，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同的狀態(tài)下，選擇與之匹配的控制策略，能夠使輸出特性保持在給定值附近，繼而達(dá)到良好的運(yùn)行特征。然而，控制系統(tǒng)的精度是一個(gè)不斷完善的過程，故下一步的研究工作，主要是優(yōu)化控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，比如：考慮添加PI或PID控制模塊等，繼而達(dá)到進(jìn)一步晚上系統(tǒng)控制性能的目的。

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秦艷（1977-），女，江蘇淮安人，碩士，講師，主要從事機(jī)電一體化教學(xué)研究。

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The Simulation of Output Characteristic for Wind Turbine based Wind Velocity Variation

Qin Yan1Liu Wei2Luo Changfen3Kong Weichao4
(1. Huaian Higher Vocational School of Biological Engineering, Huaian, Jiangsu223200; 2. Chengdu College of University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu611731; 3. DEC Dongfeng Electric Machinery Co., Ltd, Leshan, Sichuan614000; 4. In Such Port Construction (Gansu) Wind Power Co., Ltd, Yumen, Gansu735200)

Abstract The paper discussed how wind speed influenced the output characteristic of wind turbine. For studied the rule of output by random wind. Took a 1.5MW wind turbine as a example. Based the turbine’s structure. The paper set up a simulation model. Choose two control tactics which called voltage control and reactive power control. The result shows that took reactive power control at normal operation, the turbine get a well performance. If fault happened, choose voltage control was reasonable. So it provide reference for turbine operation.

Keywords：wind velocity; wind turbine; output characteristic; simulation; control tactics

作者簡(jiǎn)介