【文章內(nèi)容簡介】 (24) (25)式中I為光伏電池的輸出電流；U為輸出端口電壓；Uoc為光伏電池開路電壓；Ios為光伏電池反向飽和電流；T為光伏電池的熱力學(xué)溫度(oC)；q為電荷常量(1019C)；G為太陽輻射系數(shù)；ISCR為在25 oC和1000瓦每平方米時(shí)的短路電流；Tr=；Ior為在Tr=；Ki為短路電流溫度效應(yīng)系數(shù)，；A，B為PN結(jié)的理想因數(shù)；K為波茲曼常數(shù)(l023J／K)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能是一種無污染的環(huán)保的可再生能源，隨著資源和環(huán)境問題受到越來越大的關(guān)注，人們更加地重視通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行風(fēng)能發(fā)電。我國復(fù)員遼闊，具有豐富的風(fēng)能資源，有大約10億千瓦的風(fēng)能儲(chǔ)量能夠被開發(fā)利用，其中大部分是海上的能量，大約占總量的四分之三，其余的為陸地上可開發(fā)和利用的風(fēng)能占剩下的四分之一。風(fēng)力發(fā)電越來越重要，中國新能源戰(zhàn)略已經(jīng)開始將其作為重點(diǎn)，按照國家規(guī)劃，未來13年，在全國范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到2000萬至3000萬千瓦。若想開發(fā)利用風(fēng)能，必須利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因此全力研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)是全面開發(fā)利用風(fēng)能的基礎(chǔ)和重要部分。目前常用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有變槳距型鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變速恒頻的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于變槳距感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出功率較小并且控制比較方便，微電網(wǎng)中采用該發(fā)電機(jī)相對(duì)較多。而在大型風(fēng)力發(fā)電廠還是主要應(yīng)用后兩者。下面分別介紹目前廣泛使用的3種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其控制方式、特點(diǎn)。鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是目前我國應(yīng)用比較廣泛的一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)圖如圖23所示。在該結(jié)構(gòu)中，首先葉片轉(zhuǎn)動(dòng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后齒輪箱受到前者的帶動(dòng)開始運(yùn)行將旋轉(zhuǎn)軸由低速轉(zhuǎn)換為高速，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)感應(yīng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。通過控制葉片的槳距角來控制旋轉(zhuǎn)速度，在正常運(yùn)行情況時(shí)，調(diào)節(jié)槳距角來實(shí)現(xiàn)恒速運(yùn)行。風(fēng)機(jī)的具體調(diào)節(jié)控制方式為：在運(yùn)行過程中，當(dāng)額定功率大于電機(jī)發(fā)出的功率時(shí)，槳距角保持在0。位置不變；當(dāng)額定功率小于電機(jī)發(fā)出的功率時(shí)，此時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化適時(shí)調(diào)大槳距角，使發(fā)電機(jī)的輸出功率維持在額定值。在低風(fēng)速時(shí)，一般采用雙速發(fā)電機(jī)(即大/小發(fā)電機(jī))用于提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率，低風(fēng)速情況下采用小電機(jī)使槳葉具有較好的氣動(dòng)效率，提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。軟啟動(dòng)裝置的作用是減小風(fēng)力機(jī)接入和斷開時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流，端口處接入并聯(lián)電容器是為感應(yīng)發(fā)電機(jī)提供無功補(bǔ)償來調(diào)節(jié)輸出端口電壓。圖23 恒速鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)組該機(jī)組獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、控制方便、無需進(jìn)行維護(hù)、投資少。但是也存在一下主要問題：(1)無法控制改機(jī)組的無功功率，必須采取措施進(jìn)行無功補(bǔ)償；(2)葉片與輪轂二者之間是剛性連接，風(fēng)速很不穩(wěn)定時(shí)機(jī)械負(fù)載會(huì)增大，這樣齒輪箱容易發(fā)生故障，對(duì)葉片要求也較高；(3) 該發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率穩(wěn)定性較差；(4)當(dāng)發(fā)電機(jī)失速時(shí)，輸出功率會(huì)有一定程度的下降，很難確保輸出功率恒定。變速衡頻雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日益重要，在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)方面占有很重要的位置，也是重要發(fā)展目標(biāo)，其應(yīng)用前景非常廣闊，其模型如圖24所示。圖24 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)該發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)速、風(fēng)輪、雙饋發(fā)電機(jī)、變頻器、勵(lì)磁系統(tǒng)、控制檢測(cè)系統(tǒng)組成。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)要通過兩個(gè)VSC變頻器后經(jīng)過變壓器與電網(wǎng)相連，而定子側(cè)與電網(wǎng)直接經(jīng)過變壓器相連。因?yàn)轱L(fēng)速不能保持恒定，所以風(fēng)機(jī)機(jī)組不會(huì)一直運(yùn)行于同步狀態(tài)，此時(shí)機(jī)組既能向電網(wǎng)發(fā)出有功功率也能從電網(wǎng)吸收有功功率風(fēng)，能夠?qū)崿F(xiàn)與電網(wǎng)之間進(jìn)行能量的雙向傳輸。之所以稱之為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是因?yàn)楣β始饶軓霓D(zhuǎn)子流向電網(wǎng)又能反向流動(dòng)。變頻器對(duì)轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁，控制定子使其發(fā)出恒定頻率的電能，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的“軟連接”。該發(fā)電機(jī)與恒速風(fēng)力機(jī)不同之處在于該發(fā)電機(jī)的槳距角控制是能夠?qū)崟r(shí)跟蹤風(fēng)速的變化來控制槳距角，捕捉最大風(fēng)速，從而提高風(fēng)能利用效率。相對(duì)于傳統(tǒng)的恒速風(fēng)力機(jī)，其性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：(1)只需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流就可以大范圍進(jìn)行潮流控制、電機(jī)轉(zhuǎn)差控制，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；(2)本身就能夠進(jìn)行無功的調(diào)節(jié)，不需要外界資源；(3)實(shí)時(shí)控制可以追蹤最大風(fēng)能，從而使風(fēng)能利用率得到大大的提高；(4)降低輸出功率的波動(dòng)和機(jī)組的機(jī)械應(yīng)力；(5)功率因數(shù)在轉(zhuǎn)子側(cè)即能夠控制，這有利于提升電能質(zhì)量和并網(wǎng)的安全方便性；(6)該發(fā)電機(jī)的變頻器容量僅占約四分之一的風(fēng)力機(jī)額定容量，相對(duì)而言大大降低了變頻器的損耗及投資。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為了減少發(fā)電機(jī)的體積，通常采用齒輪箱，但于此同時(shí)這也產(chǎn)生了一些問題：噪音較大、定期維護(hù)復(fù)雜以及增加電能損耗等。為了克服這些缺點(diǎn)，采用風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一種趨勢(shì)。目前該領(lǐng)域研究較多的是直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)，該機(jī)組的結(jié)構(gòu)圖如圖25所示。圖25 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)與上述兩種機(jī)型相比，該種發(fā)電機(jī)簡化了結(jié)構(gòu)，刪去了增速齒輪箱，無轉(zhuǎn)子繞組、無勵(lì)磁繞組、無碳刷、無滑環(huán)，轉(zhuǎn)子損耗很小，效率高。與雙饋式風(fēng)力機(jī)不同，此風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的功率通過兩個(gè)全功率變頻器輸送到電中，與電網(wǎng)系統(tǒng)徹底隔開，因此要求使用先進(jìn)的變頻器，這也是與雙饋式風(fēng)力機(jī)的不同之處。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：(1)該電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)簡潔，降低了噪音，可靠性得到了提高；(2)新型永磁發(fā)電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，從而提高了機(jī)組容量系數(shù)；(3)該電機(jī)運(yùn)行時(shí)無需建立磁場(chǎng)，因此不需從系統(tǒng)中得到吸收無功功率，改善了系統(tǒng)的功率因數(shù)；(4)控制變頻器的調(diào)制比就可以進(jìn)行潮流控制，當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)向系統(tǒng)提供無功功率，使電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性得到大大地提高。 微電網(wǎng)仿真模型的建立由于本文主要研究UPFC在微電網(wǎng)中的潮流控制作用，因此只建立了簡單的微電網(wǎng)模型，大電網(wǎng)用發(fā)電機(jī)代替，分布式電源也用發(fā)電機(jī)代替，構(gòu)建的微點(diǎn)網(wǎng)仿真模型如圖27所示。整個(gè)電網(wǎng)的仿真參數(shù)設(shè)置：+，Load2有功和無功分別為50kW和10kVar，Load3有功和無功分別為10kW和5kVar，整個(gè)微電網(wǎng)的基準(zhǔn)線電壓為380 V，頻率為50 Hz。通過對(duì)圖27的微電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真，可得到B1和B3處的有功潮流和無功潮流，分別如圖229。圖27 微電網(wǎng)仿真模型圖28 B1處的有功潮流和無功潮流分布 圖29 B3處的有功潮流和無功潮流分布，所以Load2處的功率由BB3共同提供。改變電源參數(shù)時(shí)，仿真結(jié)果如圖2211所示。圖210 B1處的有功潮流和無功潮流分布 圖211 B3處的有功潮流和無功潮流分布由圖2211可知BB3兩處的潮流都發(fā)生了變化，但是有功潮流和無功潮流之和不變與負(fù)載一致。改變負(fù)荷參數(shù)時(shí)，將Load2有功和無功分別改為60kW和20kVar，仿真結(jié)果如圖21213所示。圖212 B1處有功潮流和無功潮流分布 圖213 B3處有功潮流和無功潮流分布由圖21213可知BB3兩處的潮流都發(fā)生了變化，但是有功潮流和無功潮流之和與負(fù)載保持一致。由以上分析可知在發(fā)電機(jī)和負(fù)荷參數(shù)不變的情況下，BB3兩處的潮流不會(huì)發(fā)生變化，只能通過調(diào)整發(fā)電機(jī)或負(fù)荷參數(shù)的情況下才能改變潮流。 本章小結(jié)本章組建了微電網(wǎng)仿真模型。本章對(duì)光伏電源、風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了簡單的介紹，構(gòu)建了微電網(wǎng)仿真建模。并且對(duì)未架設(shè)UPFC的微電網(wǎng)進(jìn)行潮流仿真，仿真結(jié)果說明微電網(wǎng)系統(tǒng)中潮流只能通過調(diào)節(jié)電源、負(fù)荷或電源與負(fù)荷的分配關(guān)系來改變。第3章 統(tǒng)一潮流控制器（UPFC)分析第3章 統(tǒng)一潮流控制器分析 UPFC系統(tǒng)的基本原理UPFC工作的時(shí)候，其并聯(lián)部分等效為一個(gè)電流源，串聯(lián)部分等效為一個(gè)電壓源，串聯(lián)部分通過串聯(lián)變壓器向線路中注入電壓，此電壓既能改變UPFC輸出端電壓幅值，又能改變其相位，這樣就能夠?qū)€路上的潮流進(jìn)行控制。并聯(lián)部分的作用主要是提供UPFC的內(nèi)部損耗，保持有功功率的平衡，另外還可以提供一些無功功率，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。圖31 UPFC等效模型從理論上講， UPFC的串聯(lián)側(cè)相當(dāng)于一個(gè)與電網(wǎng)電壓同頻率的幅值和相位都能控制的同步電壓源，其輸出電壓的幅值為(0≤≤)，相角θ的變化范圍為0到2π，UPFC裝設(shè)在傳輸線路中時(shí)其等效模型如圖31所示。在控制UPFC時(shí)其注入到線路的電壓的幅值和相位都會(huì)發(fā)生變化，這樣就一定會(huì)與電網(wǎng)發(fā)生有功功率和無功功率的交換。由于只有交換所需的無功功率能夠由該電壓源本身產(chǎn)生，而其自身不能提供有功功率，因此這些有功功率必須由其他的部分來提供或者吸收，在本系統(tǒng)中這個(gè)工作是由UPFC的接入端母線來完成的。在實(shí)際應(yīng)用中UPFC的主系統(tǒng)是由兩個(gè)變換器構(gòu)成的如圖32所示。UPFC主要由并聯(lián)變換器I、串聯(lián)變換器II、直流母線電容、輸出濾波器(Lsh、Lse、Cse)，并聯(lián)變壓器TShunt，串聯(lián)變壓器TSeries以及控制和保護(hù)單元構(gòu)成。在UPFC潮流控制的過程中并聯(lián)變換器和串聯(lián)變換器起著主要的執(zhí)行作用。UPFC的功率變換部分通過共用的直流母線將兩個(gè)變換器連接成背靠背的形式，并且共用一組直流母線電容。這就形成了一種理想的ACAC功圖32 UPFC的系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖率變換器，這樣不僅能使兩個(gè)變換器都能在各自的輸出端產(chǎn)生或吸收無功功率，而且這兩個(gè)變換器間能夠互相流動(dòng)有功功率。在構(gòu)成UPFC的雙變換系統(tǒng)中，串聯(lián)變換器通過串聯(lián)變壓器向線路中注入幅值和相位均可控的電壓，在UPFC潮流控制中有著至關(guān)重要的作用。該注入電壓表現(xiàn)為一個(gè)基頻交流同步電壓源。當(dāng)線路上的電流通過這個(gè)電壓源就會(huì)與電力網(wǎng)絡(luò)之間產(chǎn)生有功和無功功率的交換，達(dá)到控制潮流的目的。串聯(lián)變換器自身可以產(chǎn)生這個(gè)無功功率，而在交流側(cè)吸收的有功功率則轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂妇€上或正或負(fù)的直流有功功率需求。由圖32可得三相靜止坐標(biāo)系下UPFC的數(shù)學(xué)模型，但是若交流側(cè)均為時(shí)變的交流量，將大大增加設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的難度。因此利用Park變換可將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的d、q坐標(biāo)系，可得UPFC并聯(lián)側(cè)、串聯(lián)側(cè)以及線路側(cè)在d、q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，相應(yīng)的方程如下： (31) (32) (33) (34)串聯(lián)變換器與電網(wǎng)發(fā)生功率交換所產(chǎn)生的有功功率的變化是由并聯(lián)變換器提供或吸收的。并聯(lián)變換器首先將該直流有功功率轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍问?，然后通過一個(gè)并聯(lián)變壓器耦合進(jìn)電網(wǎng)。并聯(lián)變換器不僅能夠補(bǔ)償串聯(lián)變換器所需的有功功率，還能夠提供或吸收可調(diào)的無功功率，可以為線路提供不受外界影響的獨(dú)立的并聯(lián)無功補(bǔ)償。雖然傳輸線路、并聯(lián)變換器和串聯(lián)變換器之間流動(dòng)的有功功率依賴直流母線電容交換，但串聯(lián)變換器自身就能產(chǎn)生潮流控制中的無功功率而不是通過傳輸線路所得。因此并聯(lián)變換器能夠在功率因數(shù)為1的情況下運(yùn)行或被控與電網(wǎng)發(fā)生無功功率交換，而其所產(chǎn)生的無功功率與串聯(lián)變換器提供到線路中的無功功率互相獨(dú)立。顯然UPFC的直流母線上只有有功功率流過，而不會(huì)流過無功功率潮流。 UPFC的基本控制功能由于UPFC的并聯(lián)部分和串聯(lián)部分都可以隨時(shí)改變參數(shù)來控制兩側(cè)的輸出進(jìn)而控制電力網(wǎng)絡(luò)中的各種參數(shù)，因此具有多種功能。(a)電壓調(diào)節(jié)功能 (b)相角調(diào)節(jié)功能 (c)阻抗補(bǔ)償功能 (d)自動(dòng)潮流控制功能圖33 UPFC主要控制功能矢量圖(1)電壓調(diào)節(jié)功能當(dāng)UPFC的輸入端節(jié)點(diǎn)電壓幅值突然發(fā)生突變時(shí)，通過UPFC調(diào)節(jié)注入電壓，從而調(diào)節(jié)輸出端電壓使之穩(wěn)定，進(jìn)而控制線路上的傳輸?shù)挠泄Τ绷骱蜔o功潮流。UPFC串聯(lián)側(cè)的注入電壓和輸入端節(jié)點(diǎn)電壓二者的相位相同，通過調(diào)節(jié)的幅值U12來改變輸出端電壓的幅值U2與參考值一致，這樣就能避免電壓突變，控制線路中的潮流，增加線路電壓穩(wěn)定性。如圖33(a)所示。(2)相角調(diào)節(jié)功能當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，可能需要更多的有功功率，需求的有功功率增加時(shí)，此時(shí)為了滿足負(fù)載的需求，只能通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的功率角δ來改變系統(tǒng)的有功功率。不過這樣會(huì)使發(fā)電機(jī)的端口電壓降低，而且會(huì)增大發(fā)電機(jī)內(nèi)部的能量損耗，因此采用UPFC調(diào)節(jié)相角工作在相角調(diào)節(jié)模式，UPFC通過串聯(lián)側(cè)的注入電壓來補(bǔ)償負(fù)載需要的有功功率，并且不會(huì)改變發(fā)電機(jī)的功角，從而在不必調(diào)控輸電線路兩端電壓相位的情況下，可連續(xù)調(diào)控輸電線傳輸有功功率的大小，使電力系統(tǒng)中功率流向以及大小經(jīng)濟(jì)合理。如圖33(b)所示，控制注入電壓相對(duì)于相位發(fā)生變化，使得UPFC輸出端口電壓在相位上發(fā)生了偏移，但是幅值相等，調(diào)節(jié)σ角就可以調(diào)節(jié)線路的潮流PQ2，控制系統(tǒng)可以確定具體的偏移角度。(3)線路阻抗補(bǔ)償功能感性負(fù)載電流流經(jīng)線路電抗時(shí)會(huì)使負(fù)載端口電壓UL下降，當(dāng)遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，線路上具有很大的電抗值XL，這就使得輸電線輸送功率極限能力下降，嚴(yán)重破壞電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。因此很有必要對(duì)線路阻抗進(jìn)行補(bǔ)償。注入電壓和線路上的電流成比例的變化，所以從線路一端看UPFC相當(dāng)于一個(gè)串聯(lián)的阻抗；給定一個(gè)阻抗參考值，通常情況下相當(dāng)于一個(gè)有極性的電阻和電容或電感組成的阻抗；當(dāng)注入電壓與線路上的電流二者互相垂直時(shí)如圖33(c)所示，UPFC就相當(dāng)于一個(gè)阻抗補(bǔ)償(感性或容性)，此操作模式用來匹配系統(tǒng)中存在的串聯(lián)容性線路補(bǔ)償。它既能實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制、又能升高或降低線路電壓，并且當(dāng)參數(shù)適當(dāng)?shù)脑挷粫?huì)震蕩，是方便先進(jìn)