基于永磁同步风力发电机的风-柴油互补发电系统

发布时间：2009-11-09 作者：胡东,赵湘文,蔡旭,尚景宏

        0　引　言
        随着石油价格的攀升,人们越来越重视可再 生能源的应用。风能是最重要、最具潜力的可再 生能源,风力发电机经常被连接到小的电力系统 中,用来减少燃料消耗。在偏远地区最常用的是 风2柴油发电机并联运行互补供电系统。风2柴油 互补发电系统的目标是最大化地利用风能,维持 电力系统的电能质量在可接受的范围内,并且具 有好的动态响应特性和足够的稳定边界[ 1 ] 。由 于风的随机变化,通过风力发电机产生的功率是 波动的。在没有储能装置的情况下,风的随机变 化产生的波动功率会造成电网的电压波动和闪 变[ 2 ] ,甚至造成整个系统的不稳定[ 324 ] 。
        风力发电机主要有笼型异步发电机、双馈异 步风力发电机和直驱同步风力发电机等。早期的 风2柴油互补发电系统中,笼型异步发电机一般直 接耦合到电网或通过变换器连接电网。笼型异步 风力发电机输出的功率波动大,需要大的无功补 偿,并且谐波高、电能质量差,只能通过控制柴油 发电机来保证系统电压和频率稳定[ 3 ] ,使得柴油 发电机的调节能力受到限制。双馈异步风力发电 机的控制复杂,齿轮箱也容易出故障。当出现电 压跌落时,由于定子绕组直接连接到电网,电压波 动大。对于风2柴油互补发电的弱电网系统,要么 采用额外的电力电子控制装置[ 4 ] ,要么连接贮能 装置作为缓冲[ 5 ] 。多极永磁同步风力发电机用于风能转换,通过交2直2交变流器与电网隔离,风 力发电机输出电能质量高,风的波动对电网影响 小[ 627 ] ;并且由于没有齿轮箱,所以维护量小,适合 在偏远地区的恶劣环境中安装使用。本文介绍的 直驱永磁风力发电机组采用六相永磁发电机,变 流系统是不控整流+升压斩波+ PWM无源逆变 型多重化并联电路[ 829 ] ,可以在提高系统容量的同 时,进一步改善发出的电能质量,抑制谐波,降低 风力发电机电压输出的总谐波失真( THD) 。基 于永磁同步风力发电机的风2柴油互补发电系统 稳定性、可靠性更高,风的穿透功率更大。在不需 要额外的控制调节装置下,该系统可以依靠柴油 发电机的调节系统维持功率平衡和系统稳定,最 大化地利用风能,节约燃油,降低运行成本。为了 验证基于永磁同步风力发电机的风2柴油互补发 电系统的稳定性,以及维持功率平衡实现互补发 电的能力,用PSCAD /EMTDC电力系统仿真软件 对该系统进行了仿真和分析;同时通过仿真给出 了该系统中风电所占的最大穿透功率。
        1　风2柴油互补发电系统
        本文所分析的基于多极永磁同步风力发电机 的风2柴油互补发电系统结构图如图1所示。

        图1中Vwind表示风速;永磁同步风力发电机 通过AC /DC /AC变流器用变压器和400 V 母线 相连,其输出功率为Pwind ; 柴油机驱动交流同步 发电机,直接与400 V 母线相连,其输出功率为

        Pdiese l ;阻性负载有功功率为Pload。频率由柴油机 的调速系统控制,电网电压由同步发电机( SG)的 励磁系统(AVR)调节,风力发电机和柴油发电机并联运行向一个阻性负载供电。 柴油发电机通过励磁系统和调速系统控制电 压和频率,柴油发电机始终工作。柴油发电机的 输出功率是负载消耗功率与风力发电机提供功率 差,才能维持整个系统的功率动态平衡,因此柴油 发电机的输出功率为:
        在该系统中,功率的调节和动态平衡仅依靠柴油 发电机的调节系统,没有额外的调节控制装置。 尽管风能在负载有功功率中占的比例越高越 好,但对于孤立电网,要考虑的关键问题是风力发 电机输出功率的变化及其对电网工作稳定性和电 能质量的影响。随着风电穿透功率的提高,风电 接入对电网稳定性的影响变得越来越明显[ 10 ] 。 瞬时穿透功率比率是确定接入风力发电机孤立电 网的结构与稳定性的一个重要技术指标。风电在 孤立电网中的瞬时穿透功率比率定义为:

        瞬时穿透功率比率是某一时刻风机发出的有 功功率Pwind占电网负载有功功率Pload的百分比。 因此,在风2柴油互补发电系统的稳定性测试中, 必须考虑风电的瞬时穿透功率比率。
        2　系统模型的建立
        为了验证图1所示的基于永磁同步风力发电 系统的风2柴油互补发电系统能否正确实现互补 供电,即当风力发电机对负载提供功率时,柴油发 电机发出的功率将会降低,从而达到节约柴油的 目的,同时系统的频率,负载电压保持在可接受的 范围内。在PSCAD中建立了系统数学模型。该系 统主要包含风力发电机和柴油发电机两个模型。
        2. 1　风力发电机模型
        图2为基于永磁同步发电机的风电机组[ 8 ]主 电路。它由永磁同步电机、整流电路、三相多重斩 波器和双重三相脉宽调制( PWM)逆变器等组成。

        风能驱动桨叶带动永磁同步电机旋转发出变 压变频的交流电。六相永磁同步发电机通过六相 不可控整流,有效减少或抑制了电机侧的谐波转 矩脉动,同时对电机绕组几乎没有du /dt的影响。 另外,从图2可看出,变流装置主回路采用多重化 并联技术,提高了系统容量、减少了输出电流谐波。中间斩波升压是三重斩波升压,起到了稳压 和升压作用,适应了风机的最大风能捕获策略,即 把变动的发电机输出电压与整流回路一起最终稳 定在DC2L ink电压设定值附近,使DC2Link电压 稳定在逆变环节所需的直流电压上。DC /AC变 换部分采用两重逆变策略,通过采用先进的PWM 技术,有效减少了输出谐波,提高了系统容量。通 过控制上的优化,使电压闪变指标在国际技术标 准允许范围之内。六相永磁同步风力发电机的参 数由表1给出,其功率曲线如图3所示。
        2. 2　柴油发电机及励磁系统模型
        在稳定运行电网中,必须维持频率和电压的 稳定。发电机通过励磁自动控制系统和速度控制 系统分别维持机端电压和频率的恒定。频率通过 柴油机的转矩控制,速度调节器控制柴油原动机 的燃油速率,从而使柴油机产生适当的机械转矩 带动同步发电机,发出满足电网负载要求的功率, 同时维持电网频率的恒定;根据机端反馈电压和给定的电压信号,励磁自动控制系统通过电压调 节器控制励磁机输出相应的励磁电流,维持发电 机机端电压的稳定。