液控分布式风力发电并网控制研究

李锐华，赵彤，李豪，胡波，施光林

（1.同济大学电子与信息工程学院，上海 201804；2.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

在各种新能源中，风能是世界上最具大规模应用潜力的可再生能源，而风力发电作为一种具有悠久历史的可再生能源利用形式，在世界范围内正得到越来越广泛的应用[1-4]。

目前，主流变速恒频风力发电机组主要有2种：双馈感应风力发电机组（doubly fed induction generator，DFIG）和直驱永磁同步风力发电机组（permanent magnet synchronous generator，PMSG）。双馈感应发电机组通过转子励磁控制，不但可实现变速恒频运行，而且还能实现输出有功、无功功率的解耦。采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合，省去齿轮箱，这样可以大大减小系统运行噪声，提高可靠性。然而，这2种风力发电技术在实际运营中仍存在一些不足。双馈异步发电机电气损耗大，其齿轮箱故障率高，且系统造价高。直驱永磁同步发电机同样电气损耗大，电机体积大，励磁不可调，且永磁材料价格昂贵。除此之外，这2种系统均采用了变流器，并网控制复杂，增加了并网难度；大多数风力机组件均封闭在位于塔架顶端的机舱内，增加了安装和维护的成本[5-8]。因此，设计一种新型的变速恒频风力发电系统对于发展新能源应用技术具有重要的理论意义和实际应用价值。

本文以分布式风力发电系统的工程化应用为背景，设计一种液控分布式风力发电并网控制器，对其并网控制方法进行研究。该系统基于液压的二次换能原理，将恒速恒频技术与变速恒频技术进行结合，大部分组件均安装于地面，具有维护方便，成本低的优点。首先，研究该风力发电系统的整体结构，其次，在同步发电机的数学模型和液压调速模型的基础上，应用功率下垂控制策略，对液控风力发电系统的并网控制器进行设计。最后，通过系统实验对其有效性和可行性进行验证。

1 液控风力发电系统构成

液控风力发电系统构成图如图1所示，主要由风力机系统、液压调速系统、并网发电系统及监控系统4部分构成。

图1 液控风力发电系统构成图Fig. 1 Structure of hydraulic control wind power generation system

风力机系统主要完成实际风能动力捕获功能；液压调速系统主要由数字配流泵、控制阀组和液压马达组成，主要完成对风力机变速输出到风力发电机恒转速输入的转换控制；并网发电系统主要包括风力发电机、功率控制模块和隔离变压器。其中，发电机采用普通同步发电机。功率控制模块分别通过控制液压调速系统，控制发电机有功输出；控制发电机励磁，控制电压和无功功率，实现风能发电。风电监控系统主要完成系统控制及外部各种状态监测、数据采集、显示、存储、保护等功能。

2 同步发电机数学模型及运行原理

2.1 同步发电机数学模型

在并网发电系统中，发电机将马达的机械能转化为电能，完成发电，具有至关重要的作用。该液压风力发电系统中，由于马达输出转速恒定，故可以采用传统的同步发电机，简化了系统结构，降低了系统成本。以下给出同步发电机的数学模型，在此基础上得到系统的功率控制策略。

不计磁饱和时，凸极同步发电机的电压方程为：

式中：E觶0为激磁电动势；U觶、I觶分别为端电压和负载电流；I觶d、I觶q分别为电枢电流的直轴和交轴分量；Ra为电枢电阻；Xd和Xq分别为直轴同步电抗和交轴同步电抗。

同步发电机的功率方程为：

式中：m为定子相数；φ为功率因数角。

转矩方程为：

式中：T1为原动机的驱动转矩；Te为电磁转矩；T0为发电机的空载转矩[9-10]。

2.2 同步发电机运行原理

同步发电机并联到无穷大电网之后，其频率和端电压将受到电网的约束而与电网保持一致。不计电枢电阻时，发电机的电磁功率将近似等于电枢端点的输出功率，可以表达为

式中：δ为功率角。功率角δ是时间相量E觶0与U觶之间的夹角，也可以近似地认为是主磁场B0与电枢合成磁场Bu在空间的夹角，额定情况下的功率角δ约为30°～40°。

在调节有功功率时，例如要增大有功功率，则增大液压系统的输出转速，使得发电机转子加速，这样将使主磁场B0与电枢合成磁场Bu之间的夹角发生变化，功率角δ将逐步增大，由式（4）可得发电机的电磁功率随之增加，这样输入功率和输出功率之间将逐步恢复平衡，保持在新的工作点同步运行。

若要调节电机的无功功率，则应调节励磁电流If。该液压风力发电系统利用自动电压调节器（automatic voltage regulator，AVR）对励磁电流进行调节。增加励磁，将使输出的滞后无功功率增大；此时若电机处于过励状态，电枢电流将增大；若为次励，则电枢电流将减小。

3 液控风力发电机组调速系统模型及调速特性

液控风力发电系统的风轮与定量泵直接连接，带动定量泵旋转，将高压油液输送到变量液压马达，液压马达与同步发电机相连，驱动同步发电机旋转发电。通过调节液压马达的排量改变液压马达的转速，进而改变同步交流发电机的转速。

采用液压传动技术，风轮和发电机之间由刚性连接变为柔性连接，液压传动系统可以在一定范围内储能，风速突然波动对系统带来的扰动通过储能装置吸收，提高了发电效率且避免对系统本身和电网造成冲击；采用变量液压马达进行无级调速、采用同步交流发电机直接并入电网，省去了昂贵的变频器和变压器，大大降低了系统的成本。

液压型风力发电机组调速系统采用定量泵-变量马达容积式调速回路，其原理如图2所示[11-12]。

图2 定量泵-变量马达闭式回路原理简图Fig. 2 Schematic diagram of quantitative pump-variable motor closed circuit

变量马达转速的传递函数为：

式中：Dp为定量泵的输出流量，m3/s；ωp为定量泵的角速度，rad/s；Dm0为变量马达的最大排量，m3/rad；x0为斜盘位置的初始值；ph0为调节变量马达时高压侧初始压力，Pa；V0为单个腔室的总容积，m3；βe为有效体积弹性模量，m3；ωm0为变量马达的初始转速；x为变量马达斜盘倾角与斜盘最大摆角的比值；TL为作用在变量马达轴上的任意外负载力矩，Nm；Jm为变量马达和负载的总惯量，kg·m2；Bm为变量马达黏性阻尼系数，kg/s。

在AMESim软件平台下，液压系统仿真模型如图3所示。

在该调速系统中，为了模拟风轮机的转速变化，液压调速系统的输入转速为一变化的波形，0～5 s时，输入转速从0上升到15 r/min，维持10 s再在5 s内上升到20 r/min，如图4所示。

图3 液压调速系统仿真模型Fig. 3 Simulation model of hydraulic speed regulation system

图4 液压调速系统输入转速Fig. 4 Input speed of hydraulic speed regulation system

在转动惯量特定的负载情况下，该液压系统的输入转速如图4变化的曲线，给定该系统的同步转速，则可以实现输出转速和同步转速保持一致。同时，根据有功功率的调整需要，可以改变给定的同步转速，并使液压系统输出转速实现跟随。

该仿真负载的转动惯量为0.9 kg·m2，仿真结果如5所示。

图5 同步转速与输出转速Fig. 5 Synchronous speed and output speed

图5中红色曲线为马达输出转速，蓝色为同步转速1 500 r/min。在该负载情况下，液压调速系统可以较好地实现变转速输入，恒转速输出，当同步转速为1 500 r/min时，其输出转速从0开始上升，经过一个抖动过程后基本稳定在1 500 r/min。

当系统需要调节转速以调节有功功率的时候，需要该液压系统能够较好地实现转速跟随。当给定转速在20～25 s内从1 500 r/min上升到1 520 r/min时，系统的输出转速如图6所示。

图6 给定转速与输出转速（转速提高20 r/min）Fig. 6 Given speed and output speed（speed increased by 20 r/min）

在20～30 s时间内转速波形的变化如图7所示。

图7 20～30 s的给定转速与输出转速（转速提高20 r/min）Fig. 7 Given speed and output speed from 20 s to 30 s（speed increased by 20 r/min）

当给定转速在20～25 s内从1 500 r/min下降到1 480 r/min时，系统的输出转速如图8所示。

图8 给定转速与输出转速（转速降低20 r/min）Fig. 8 Given speed and output speed（speed decreased by 20 r/min）

在20～30 s时间内转速波形的变化如图9所示。

从以上图中可以看出，当风速变化而导致风轮机转速变化时，液压系统的输出转速可以维持在1 500 r/min；且当需要调节转速来改变有功功率时，系统输出转速也可以达到给定的转速，其转速波动范围为±5 r/min，可以满足发电要求。

图9 20～30 s的给定转速与输出转速（转速降低20 r/min）Fig. 9 Given speed and output speed from 20 s to 30 s（speed decreased by 20 r/min）

4 液控风力发电并网及功率控制策略

为避免并网过程中产生过大的冲击电流，液控风力发电系统在投入并网时需满足以下条件[13]：

（1）发电机的相序应与电网一致；

（2）发电机的频率应与电网相同；

（3）发电机的电压应与电网相同；

（4）发电机电压相位与电网电压相位一致。

系统并网时，将发电机输出电压的幅值、频率、相位与电网电压的幅值、频率、相位进行比较，通过改变液压系统的输出转速来调节电压的频率和相位，利用AVR调节电压幅值，使得发电机输出电压参数与电网实现同步，即满足并网条件，可以并网。

与电网并联运行后，并网控制器采用下垂控制策略对功率进行调节。下垂控制是模拟发电机组功频静特性的一种控制方法，其控制方法简单，应用广泛，下垂控制的原理如图10所示[14-16]。

图10 下垂控制原理Fig. 10 Principle of droop control

图10中，分布式风力发电系统的初始运行点为A，输出的有功功率为P0，无功功率为Q0，系统频率为f0，分布式电源所接交流母线处的电压为V0。当系统有功负荷突然增大时，有功功率不足，导致频率下降；系统无功负荷突然增大时，无功功率不足，导致电压幅值下降。反之亦然。以系统有功负荷突然增大时频率下降为例，下垂控制系统的调节作用为：频率减小时，控制系统调节分布式电源系统输出的有功功率按下垂特性相应地增大，与此同时，负荷功率也因频率下降而有所减小，最终在控制系统下垂特性和负荷本身调节效应的共同作用下达到新的功率平衡，即过渡到B点运行。由图4可以给出有功功率P和频率f以及无功功率Q与电压V的下垂关系为：

5 实验测试及结果

为了验证液控分布式风力发电的并网特性，实验系统的并网控制器基于贝加莱X20CP1485-PLC平台，该平台主要由并网控制模块、液压调速控制模块、AVR控制模块等组成。液压控制模块通过对液压调速系统进行控制，进而控制系统的有功功率；AVR控制模块通过对自动励磁调节器的控制来改变励磁电压，从而控制系统的无功功率。

15 kW液控风力发电系统的实物照片如图11所示。

图11 风力机及15 kW液控风力发电系统的实物照片Fig. 11 Photos of wind turbine and 15 kW hydraulicwind power generation system

所进行的实验主要有：离网空载运行实验；离网带载运行实验；并网实验，并网功率输出实验。

实验结果如图12—15所示。

图12 液控风力发电样机空载运行Fig. 12 Hydraulic wind power generation prototype with no-loaded

图13 液控风力发电样机离网带载运行Fig. 13 Islanded hydraulic wind power generation prototype with load

图14 液控风力发电样机并网运行Fig. 14 Grid-connected hydraulic wind power generation prototype

图15 液控风力发电样机功率输出控制Fig. 15 Output power control of hydraulic wind power generation prototype

从图12—15的实验结果可以看出：研制的15 kW液控风力发电系统能够发出较为稳定的交流电，如图12所示发电机空载电压稳定在发电机额定电压400 V，频率稳定在50±0.5 Hz。负载实验中发电机输出有用功率稳定在1.5 kW附近，如图13所示，系统运行较为平稳。并网实验中，控制系统能调整发电机输出电能，使电压、频率、相位与电网一致，并网效果良好，对主网的冲击小，能保证长时间不脱网的安全运行；液控风电系统输出功率稳定，如图14所示，输出功率稳定在1.8 kW，且具有良好的功率调整性能，能根据负载需求或调度指令进行功率调整，如图15所示，样机系统根据调度指令在0～3 kW之间功率平稳可调。

6 结论

本文通过对液控分布式风力发电系统的组成及其并网控制器的研究，得出了以下结论：基于二次换能原理，液控风力发电系统实现了传统恒速恒频和变速恒频的结合，使风力机和发电机之间的刚性连接变为柔性连接，缓解了风速改变对系统的冲击。在同步发电机数学模型的基础上，依据功率下垂控制策略设计和实现了液控分布式风力发电系统的并网控制模块，通过对液压系统转速的改变来调节有功功率，通过AVR调节励磁来调节无功功率。整体应用系统经初步测试，结果验证了系统设计方案的可行性，为液控分布式风力发电系统的工程化应用奠定了基础。

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