风力发电系统及其功率控制研究

吴军+胡晓光+周颖

摘要：对风速和发电功率进行有效调节，可有效减轻风力发电电场对电网的影响。根据风力发电系统的主要特点和相关数学模型，探讨风力发电机组无功功率调节的原理和方法，旨在有效减轻其对电网产生的不良影响。

关键词：功率控制；风力发电；风速；数学模型

中图发类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）07-0039-03

分散式风电场位于用电负荷中心附近，就近接入配电网后，风电的间歇性、波动性会对接入配电网的安全、稳定运行产生很大影响。若能根据风力发电系统数学模型，对风场的风速和发电功率进行有效调节，可有效减轻风电对电网的不良影响。

1 风力发电系统基本结构

1.1 风力发电系统

风力发电机一般由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成。其中，风轮的作用是将风能转换为机械能，其为气动性能优异的叶片（目前商业机组一般为2/3个叶片）装在轮毂上。轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力都通过轮毂传递到传动系统，再传至风力机驱动对象。同时，轮毂也是控制叶片桨距（使叶片绕自身轴作转动）的装置。

1.2 主流风力发电系统

风力机经历了从多种结构形式向少数形式过渡的过程，目前主要以水平轴、上风向、三叶片机组为主。根据风电机组的能量转换方式，可将风电机组分为三类：笼型异步发电机、双馈异步发电机和直驱式永磁同步风力发电机。

笼型异步发电机采用笼型异步发电机把机械能转变为电能。风力机叶轮与发电机的转速不同，需要齿轮对2种转速进行匹配。发电机转差随输出电功率不同而存在微小变化，并不是一个常数。

与笼型异步风电机一样，双馈异步发电机也需要齿轮箱。这种发电机的定子绕组与电网连接，转子绕组接至变换器，常采用具有電流闭环控制的背靠背电压源型变换器，转子的电气和机械频率互不影响。变换器通过给转子注入可变频率的电流，使机、电间频率差别得到补偿，从而使变速运行成为可能。

直驱式风电机不需要齿轮箱，由与风轮叶片旋转速度相同的多极同步发电机把机械能转变为电能。发电机有一个绕线式转子或者装有永久磁铁的转子。定子不是直接接入电网，而是通过电力电子变换器接入电网。

2 风力发电系统数学模型

2.1 风速模型

风力是自然资源，一般无法控制，但风速变化有一定的规律和趋势。常采用基本风、阵风、渐变风和随机风4种模型叠加来模拟自然界风速变化。具体数学模型如下。

利用公式画一簇数据的风能利用系数Cp立体曲线走向图形，见图1。

为方便分析，Cp和λ的二维空间如图2所示。

由图2可以看出，保持λ不变，桨距角β越大，风能利用系数Cp就越小；保持β不变，图中任意一条曲线存在最佳叶尖速比λopt，能使风能利用系数达到最大值Cpmax，该值称为最大风能利用系数。不在最佳叶尖速比的时候，都不能获得最好的风能捕获效率。不同桨距角下，控制叶尖速比使风力机运行在Cpmax下，是最大风能捕获的原理。

在风速发生变化时，为确保风力机运行在最大风能利用系数Cpmax附近，可通过改变风力机转速实现。在额定风速以下，一般桨距角β保持为0，尽量使风机运行在最大风能利用系数Cpmax附近。

3 风力发电机组功率调节

风力发电机并网后，发电功率将注入电网。由于风能的易变性和间歇性，风电功率输出也是波动的。为从风力中获取最大功率和平稳功率输出，必须对风力发电机组的输出功率（包括有功和无功功率）进行调节。

3.1 功率调节

永磁同步风力发电机用永磁体代替转子励磁绕组。风力发电机的输出功率经电力电子变换器与电网相连。发电机侧变换器为整流器，电网侧（线路侧）变换器为逆变器，中间用直流连接。在控制功率因数时，将输入电网的有功和无功电流分量加到逆变控制器中。

脉宽调制的电压源逆变器（PWM-VSI）被认为是一个理想电源，其产生基频电压，瞬时电压谐波可忽略不计。电网采用戴维南等效表示，X表示在公共连接点（PCC）的电网电抗，其中包括滤波电抗。通常滤波器电抗大于电网电抗，因此电网电抗可以忽略，电阻也可忽略。

根据对同步发电机相同的分析，由式（11）和式（12）可以得到以下结论：1） 只要控制功角和电压值，就可控制逆变器注入或吸收有功功率和无功功率，2） 为了注入有功功率，逆变器电压必须领先电网电压一个角度占。3） 为了注入无功功率，逆变器电压幅值Ui必须大于电网电压幅值U。

3.2 无功功率调节

直驱式永磁同步发电机系统的无功功率控制包括恒功率因数控制和恒电压控制2种方式。

1） 恒电压控制。在这种运行方式下，永磁同步发电机可以吸收或发出无功功率，以维持机端电压恒定。在风电机组无功调节范围内，风电场可视为PV节点。永磁同步风力发电机组的无功功率调节范围主要受变换器最大电流限制。

2） 恒功率因数控制。发电机由永磁体励磁提供恒定励磁，在发电机和整流器之间没有无功功率交换，所以控制电网侧逆变器电流在d，q轴的分量，可控制逆变器与电网之间交换的有功功率Pg和无功功率Qg，从而满足功率因数调节要求。利用机组最大功率跟踪特性来决定有功功率参考值，以保证机组在最优功率点运行。采用恒功率因数控制时，若功率因数设定为cosφ，则有

4 结语

根据以上讨论可知，具有电压控制能力的风电机可以通过改变其发出或者吸收无功功率的数量来控制节点电压。为进行电压控制，需要测量某一节点的电压，将其作为电压控制器输入。电压控制器按照自身传递函数来确定需要发出或吸收的无功功率大小。风电机控制端电压最容易，但有时要选择电网的某一节点电压进行控制，而根据电网电压的局部特性，这个节点必须在风电机附近。当测量电压低于设定值时，应增加发出的无功功率；当测量电压高于设定值时，应减少发出的无功功率。

参考文献

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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