风速不确定性对PMSG机组并网电流质量影响的研究

刘景鹏 马开放

（上海海事大学，上海 201306）

风速不确定性对PMSG机组并网电流质量影响的研究

刘景鹏 马开放

（上海海事大学，上海 201306）

近年来风电发展势头迅猛，直驱永磁同步风力发电系统优势渐显，针对永磁同步发电机、全功率变流技术的研究也较为成熟，但对其并网问题的研究却颇显不足。基于直驱永磁同步风力发电系统探讨风速不确定性给风电并网带来的电流质量问题，通过搭建PMSG机组并网实验平台，针对3种不同风况进行并网实验，实验结果表明，风速大小及其湍流强度是影响PMSG机组并网电流质量的重要因素。

风速不确定性；永磁同步发电机；三相电流不平衡；谐波电流

当前全球能源短缺、环境恶化等问题日益严峻，现有的化石能源寻求突破已显得十分困难。因此，新能源的开发与利用无疑成为现代社会发展进程中的必然走向。风能的“绿色”特性使其具备与传统能源相比的明显优势，因而倍受世界各国的青睐。然而，风能资源本身具有间接性、随机性以及不可控制等不确定因素[1-4]。风能极差的稳定性会引起整个风电并网系统的输出功率和输出电流波动，从而给公用电网带来不可避免的冲击[5-6]。

直驱永磁同步风力发电系统中的电能质量问题主要取决于两方面因素：①风力机本身的机械特性；②风能资源的不可控性和随机性。风力机的机械特性可以在设计阶段通过优化设计有效避免；风能资源的不确定性成为风电技术发展的瓶颈，因此，有必要针对风能资源的特点，对直驱永磁同步风力发电系统并网过程的电能质量问题进行研究与分析，从而为今后的电能质量治理提供有力依据[7-9]。

1 基于PMSG的风力发电系统结构

直驱永磁同步风力发电系统包含 5个组成部分，其基本结构如图1所示。

图1 永磁同步风力发电系统结构图

1）风力机。风力机由叶片、轮毂和变桨距系统组成，其能将空气中的动能转化为机械能进而转化为电能，是整个发电系统的能量来源。

2）永磁同步发电机。永磁同步发电机（permanent magnetic synchronous generator, PMSG）采用永磁体材料代替体积庞大、结构复杂的励磁绕组励磁，省去集电环和电刷结构，提高了电机运行的可靠性[10]。

3）机侧变流器。机侧PWM变流器将发电机侧幅值频率变化的交流转换为稳定的直流，可以实现有功率和无功的解耦控制，通过调节发电机的转速给定值来控制发电机的电磁转矩，进而控制发电机输出的有功功率。

4）直流环节。直流环节目的是稳定直流侧电压，使直流侧保持电压源特性，同时可以起到缓冲直流侧与交流侧之间的能量交换的作用。

5）网侧变流器。网侧PWM变流器将直流电逆变成与电网电压幅值、频率、相位都相同的交流电，方便对功率因数进行控制，有效补偿电网中存在的无功功率。通过网侧 PWM变流器输出的交流电，幅值和频率较稳定，谐波含量较少，可以作为提高风电并网电能质量的一种控制手段。

2 PMSG机组并网电流质量问题

风力发电的电能质量与火力、水力等传统发电方式相比要差很多，从风力机的叶片结构到风力机的传动机构，再到发电机、电力电子变流装置等，每个环节的特征参数都会影响到风电并网的电能质量。由于风力机时刻处在不断变化的风速之中，风速的随机性使得风力机输出的机械转矩不平稳，从而导致风力机输出功率产生波动，进而影响风电并网电压或电流质量。本文仅针对PMSG机组并网电流质量问题进行深入探讨，其存在的主要电流质量问题如下。

2.1 三相电流不平衡

三相电流不平衡是指电网的三相电流在幅值上不同或相位差不是 120°。对于电流不平衡问题，用电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的均方根值百分比表示：

式中，0Iε为电流的零序不平衡度；2Iε为电流的负序不平衡度；I1为电流正序分量的均方根值；I2为电流负序分量的均方根值；I0为电流零序分量的均方根值。

关于三相电流不平衡度的具体要求已在我国的标准GB/T 15543—2008中给予了明确的阐述。对于风力发电系统中的三相电流不平衡问题，目前暂时没有对这一指标明确的界定与规范。

2.2 电流谐波

对于变速恒频风力发电系统，风力机时刻处于不断变化的风速中，变流器为了保持发电机定子侧电压频率恒定，控制系统必须随风速的变化时刻调整控制脉冲，达到变速恒频的控制目标。因此，不同的风况条件下变流器将呈现出不同的状态，变流器的这种变化对风电并网电流谐波特性产生影响。

电压或电流中含有基波频率整数倍的分量称为谐波，对于电流波形畸变的程度，通常用谐波含有率和总谐波畸变率两个量来进行衡量[11-12]。

谐波含有率（harmonic ratio, HR）指信号中含有的谐波与基波之比的百分数形式，其计算式为

总谐波畸变率（total harmonic distortion, THD）定义为谐波的均方根值（消除基波之后）与基波均方根值之比用百分数形式来表示，其计算式为

式中，Ih为h次谐波均方根值；I1是基波均方根值。

对于风力发电系统而言，其输出电流谐波的允许值需要满足GB/T 14549—1993和GB/T 24337—2009两项国家标准的要求，同时也要考虑到实际的装机容量、谐波源的设备总容量等因素来确定谐波的允许范围。

3 PMSG机组并网实验

针对风电并网过程的研究，大多停留在软件仿真阶段，软件的模拟仿真只能进行理论值的计算，粗略的模拟风电并网过程的各种波形，但是无法反映出实际运行过程中可能产生的各种电能质量问题。因此，要想针对这些问题深入探究就必须搭建一套实物仿真平台，这样才能更加真实的反应出各种电能质量问题。

3.1 风电并网实验平台搭建

整个实物仿真平台由模拟风力机、发电机、整流、逆变四大模块组成。通过变频器和异步电动机组合来模拟风力机，用控制频率的变化来实现异步电动机转速的变化从而模拟现实中的风力机；异步电机通过皮带轮驱动永磁同步发电机完成发电环节；永磁同步发电机输出的三相电经过整流、逆变环节并入实验室电网，从而模拟出完整的风力发电并网系统，最后借助电能质量测试仪进行并网电能质量分析。实验平台现场接线图如图2所示。

图2 PMSG风力发电系统并网实验平台

实验平台设备及参数如下：

1）变频器。输入侧额定电压380～480V，额定电流8.8A，额定频率48～63Hz；输出侧额定电压0～380V，额定电流8.8A，额定频率0～500Hz可调，额定功率4000W。

2）异步电动机。额定电压为 380V，额定电流为 6.72A，额定转速为 1415r/min，极对数为 2，可调节频率20～50Hz，可调节转速720～1415r/min。

3）永磁同步发电机。额定功率为 2000W，额定电压为120V，额定转速为500r/min；额定电流为16A。

4）逆变器。直流输入侧最大直流功率为2500W，最大直流电压为 500V，最小启动电压为 100V，最大输入电流为 13A；交流输出侧额定输出功率为2200W，最大输出功率为2420W，最大输出电流为12A。

5）电能质量检测仪。额定电压 220V，额定功率40W，电压测量范围0～480V，电流测量范围0～10A，谐波次数2～100次。

3.2 PMSG机组并网实验及电流质量分析

本文通过选择变频器与异步电动机组合来模拟风力机，异步电动机转速的变化对应风力机转速的变化，通过搭建PMSG机组并网仿真模型得出风速与永磁同步发电机转速的对应关系，由于发电机与电动机通过轴带连接，因此，可以通过电动机的转速与频率计算公式推导出异步电动机的控制频率，其计算式为

式中，f为异步电动机的控制频率；n为电动机的转速；p为电动机的极对数。

软件仿真得出不同风速下发电机转速及电动机控制频率计算结果见表 1。并网实验测试分 3次进行，分别测试PMSG机组在3种不同风速下并网侧电流质量问题，进一步找到风速对其电流质量的影响程度。

表1 风速与转速、控制频率对应关系

1）基本风测试

基本风风速恒定8m/s，如图3（a）所示，对应变频器输入频率25Hz，起动变频器，测试时间60s，网侧电流波形如图3（b）所示，利用电能质量测试仪进行电能质量趋势分析，总谐波含量如图3（c）所示，三相不平衡分析如图3（d）至（e）所示。

图3 基本风测试电流波形及单项电能质量分析

从图3中看出，风速稳定情况下，网侧电流总谐波含有率不超过3.5%，零序和负序不平衡度也保持在2.6%以内，电能质量较好。

2）渐变风测试

渐变风风速变化趋势为 8m/s逐渐上升至12m/s，对应变频器控制频率从 25Hz缓慢上升至45Hz，整个测试过程持续时间 60s，渐变风风速变化曲线如图4（a）所示，并网侧电流波形及电能质量趋势分析结果如图4（b）至（e）所示。

图4 渐变风测试电流波形及单项电能质量分析

从图4可以看出，随着风速的增大，总谐波电流幅值随之增大，总谐波含有率达到6%左右，最大可达10%；负序和零序不平衡度与基本风测试结果相比有所上升，表明三相不平衡程度有所加剧。

3）随机风测试

随机风风速保持在8～12m/s内随机变化，对应变频器控制频率保持在 25～45Hz内随机变化，测试持续时间180s，随机风风速变化曲线如图5（a）所示，并网侧电流波形及电能质量趋势分析结果如图5（b）至（e）所示。

图5 随机风测试电流波形及单项电能质量分析

图5 可以看出，当风速随机剧烈变化时，网侧电流波形发生类似变化，电流谐波幅值波动于0.2～1A，总谐波含有率在10%～20%之间，较之前两种情况有较大增加，电流质量明显较差；负序和零序不平衡度增加较明显，达到6%左右，三相不平衡程度进一步加剧。

3种风况条件下PMSG机组并网侧各项电流质量分析结果见表2。

表2 不同风况条件下网侧电流质量参数

综合表2中数据可以看出，风速稳定情况下，PMSG机组并网侧各项电流质量指标满足相关国家标准；当风速增大时，PMSG机组并网侧各项电流质量指标表现较差，且超出国家标准限定值；当风速剧烈增大或减小时，PMSG机组并网侧各项电能质量指标表现更差。

4 结论

风速不确定性是影响PMSG机组并网电能质量好坏的重要因素，且PMSG机组并网侧的电能质量好坏与风速大小及波动强度存在一定正比关系。风速增大，谐波电流和三相不平衡程度也有所增加；当风速波动越剧烈时，谐波电流大小和三相不平衡程度明显增大。风速的这种不确定性将是制约风电发展的重要因素，针对风速的不确定性，准确有效的风电功率预测技术将是今后研究的重点方向，也是风电技术发展的大势所趋。

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Study on the Influence of Wind Speed Uncertainty on the Current Quality of Grid-connected PMSG Units

Liu Jingpeng Ma Kaifang
(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306)

In recent years, the rapid development of wind power, direct drive PMSG wind power generation system advantages fade, for PMSG and full power converter technology research is more mature, but the power quality research of grid-connected wind power generation system is quite inadequate. Based on the direct drive PMSG wind power generation system, discusses the current quality problems of grid-connected wind power system caused by the wind speed uncertainty. Through the construction of experimental platform of grid-connected PMSG units, for three different wind conditions and carry out the experiments. The experimental results show that, the wind speed and its turbulence intensity are the important factors influencing the current quality of grid-connected PMSG units.

wind speed uncertainty; permanent magnet synchronous generator; three-phase current unbalance; harmonic current

上海海事大学研究生创新基金项目（YXR2016109）

刘景鹏（1989-），男，安徽亳州人，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电的电能质量检测与控制技术。