【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瓦每平方米時的短路電流；Tr=；Ior為在Tr=；Ki為短路電流溫度效應系數(shù)，；A，B為PN結(jié)的理想因數(shù)；K為波茲曼常數(shù)(l023J／K)。 風力發(fā)電機風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力發(fā)電機進行風能發(fā)電。我國復員遼闊，具有豐富的風能資源，有大約10億千瓦的風能儲量能夠被開發(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)和利用的風能占剩下的四分之一。風力發(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，按照國家規(guī)劃，未來13年，在全國范圍內(nèi)風力發(fā)電裝機總?cè)萘繉⑦_到2000萬至3000萬千瓦。若想開發(fā)利用風能，必須利用風力發(fā)電機，因此全力研究風力發(fā)電機是全面開發(fā)利用風能的基礎和重要部分。目前常用的風力發(fā)電機主要有變槳距型鼠籠式感應風力發(fā)電機、變速恒頻的雙饋式風力發(fā)電機以及直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機。由于變槳距感應風力發(fā)電機發(fā)出功率較小并且控制比較方便，微電網(wǎng)中采用該發(fā)電機相對較多。而在大型風力發(fā)電廠還是主要應用后兩者。下面分別介紹目前廣泛使用的3種風力發(fā)電機組及其控制方式、特點。鼠籠式感應風力發(fā)電機是目前我國應用比較廣泛的一種風力發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)圖如圖23所示。在該結(jié)構(gòu)中，首先葉片轉(zhuǎn)動將風能轉(zhuǎn)換為機械能，然后齒輪箱受到前者的帶動開始運行將旋轉(zhuǎn)軸由低速轉(zhuǎn)換為高速，進而驅(qū)動感應發(fā)電機產(chǎn)生電能。通過控制葉片的槳距角來控制旋轉(zhuǎn)速度，在正常運行情況時，調(diào)節(jié)槳距角來實現(xiàn)恒速運行。風機的具體調(diào)節(jié)控制方式為：在運行過程中，當額定功率大于電機發(fā)出的功率時，槳距角保持在0。位置不變；當額定功率小于電機發(fā)出的功率時，此時控制系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化適時調(diào)大槳距角，使發(fā)電機的輸出功率維持在額定值。在低風速時，一般采用雙速發(fā)電機(即大/小發(fā)電機)用于提高風力發(fā)電機組的效率，低風速情況下采用小電機使槳葉具有較好的氣動效率，提高發(fā)電機的運行效率。軟啟動裝置的作用是減小風力機接入和斷開時產(chǎn)生的沖擊電流，端口處接入并聯(lián)電容器是為感應發(fā)電機提供無功補償來調(diào)節(jié)輸出端口電壓。圖23 恒速鼠籠式感應發(fā)電機組該機組獨特的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、控制方便、無需進行維護、投資少。但是也存在一下主要問題：(1)無法控制改機組的無功功率，必須采取措施進行無功補償；(2)葉片與輪轂二者之間是剛性連接，風速很不穩(wěn)定時機械負載會增大，這樣齒輪箱容易發(fā)生故障，對葉片要求也較高；(3) 該發(fā)電機發(fā)出的功率穩(wěn)定性較差；(4)當發(fā)電機失速時，輸出功率會有一定程度的下降，很難確保輸出功率恒定。變速衡頻雙饋風力發(fā)電技術(shù)日益重要，在風力發(fā)電技術(shù)方面占有很重要的位置，也是重要發(fā)展目標，其應用前景非常廣闊，其模型如圖24所示。圖24 雙饋式風力發(fā)電機該發(fā)電機主要由風速、風輪、雙饋發(fā)電機、變頻器、勵磁系統(tǒng)、控制檢測系統(tǒng)組成。發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)要通過兩個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。因為風速不能保持恒定，所以風機機組不會一直運行于同步狀態(tài)，此時機組既能向電網(wǎng)發(fā)出有功功率也能從電網(wǎng)吸收有功功率風，能夠?qū)崿F(xiàn)與電網(wǎng)之間進行能量的雙向傳輸。之所以稱之為雙饋風力發(fā)電機，是因為功率既能從轉(zhuǎn)子流向電網(wǎng)又能反向流動。變頻器對轉(zhuǎn)子交流勵磁，控制定子使其發(fā)出恒定頻率的電能，實現(xiàn)了發(fā)電機與電網(wǎng)的“軟連接”。該發(fā)電機與恒速風力機不同之處在于該發(fā)電機的槳距角控制是能夠?qū)崟r跟蹤風速的變化來控制槳距角，捕捉最大風速，從而提高風能利用效率。相對于傳統(tǒng)的恒速風力機，其性能優(yōu)勢體現(xiàn)在：(1)只需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流就可以大范圍進行潮流控制、電機轉(zhuǎn)差控制，對系統(tǒng)進行無功調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；(2)本身就能夠進行無功的調(diào)節(jié)，不需要外界資源；(3)實時控制可以追蹤最大風能，從而使風能利用率得到大大的提高；(4)降低輸出功率的波動和機組的機械應力；(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)電機的變頻器容量僅占約四分之一的風力機額定容量，相對而言大大降低了變頻器的損耗及投資。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機組為了減少發(fā)電機的體積，通常采用齒輪箱，但于此同時這也產(chǎn)生了一些問題：噪音較大、定期維護復雜以及增加電能損耗等。為了克服這些缺點，采用風力機直接驅(qū)動同步發(fā)電機成為風力發(fā)電機的一種趨勢。目前該領域研究較多的是直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機，該機組的結(jié)構(gòu)圖如圖25所示。圖25 直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機與上述兩種機型相比，該種發(fā)電機簡化了結(jié)構(gòu)，刪去了增速齒輪箱，無轉(zhuǎn)子繞組、無勵磁繞組、無碳刷、無滑環(huán)，轉(zhuǎn)子損耗很小，效率高。與雙饋式風力機不同，此風力機系統(tǒng)發(fā)出的功率通過兩個全功率變頻器輸送到電中，與電網(wǎng)系統(tǒng)徹底隔開，因此要求使用先進的變頻器，這也是與雙饋式風力機的不同之處。其優(yōu)勢體現(xiàn)在：(1)該電機直接驅(qū)動，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)電機具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點，從而提高了機組容量系數(shù)；(3)該電機運行時無需建立磁場，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)制比就可以進行潮流控制，當系統(tǒng)故障時向系統(tǒng)提供無功功率，使電網(wǎng)動態(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)電機代替，分布式電源也用發(fā)電機代替，構(gòu)建的微點網(wǎng)仿真模型如圖27所示。整個電網(wǎng)的仿真參數(shù)設置：+，Load2有功和無功分別為50kW和10kVar，Load3有功和無功分別為10kW和5kVar，整個微電網(wǎng)的基準線電壓為380 V，頻率為50 Hz。通過對圖27的微電網(wǎng)模型進行仿真，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，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載一致。改變負荷參數(shù)時，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載保持一致。由以上分析可知在發(fā)電機和負荷參數(shù)不變的情況下，BB3兩處的潮流不會發(fā)生變化，只能通過調(diào)整發(fā)電機或負荷參數(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。本章對光伏電源、風力發(fā)電機進行了簡單的介紹，構(gòu)建了微電網(wǎng)仿真建模。并且對未架設UPFC的微電網(wǎng)進行潮流仿真，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、負荷或電源與負荷的分配關(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工作的時候，其并聯(lián)部分等效為一個電流源，串聯(lián)部分等效為一個電壓源，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，對系統(tǒng)進行無功補償。圖31 UPFC等效模型從理論上講， UPFC的串聯(lián)側(cè)相當于一個與電網(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裝設在傳輸線路中時其等效模型如圖31所示。在控制UPFC時其注入到線路的電壓的幅值和相位都會發(fā)生變化，這樣就一定會與電網(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)中這個工作是由UPFC的接入端母線來完成的。在實際應用中UPFC的主系統(tǒng)是由兩個變換器構(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，而且這兩個變換器間能夠互相流動有功功率。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)為一個基頻交流同步電壓源。當線路上的電流通過這個電壓源就會與電力網(wǎng)絡之間產(chǎn)生有功和無功功率的交換，達到控制潮流的目的。串聯(lián)變換器自身可以產(chǎn)生這個無功功率，而在交流側(cè)吸收的有功功率則轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂妇€上或正或負的直流有功功率需求。由圖32可得三相靜止坐標系下UPFC的數(shù)學模型，但是若交流側(cè)均為時變的交流量，將大大增加設計控制系統(tǒng)的難度。因此利用Park變換可將三相靜止坐標系轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的d、q坐標系，可得UPFC并聯(lián)側(cè)、串聯(lián)側(cè)以及線路側(cè)在d、q坐標系下的數(shù)學模型，相應的方程如下： (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)榻涣餍问剑缓笸ㄟ^一個并聯(lián)變壓器耦合進電網(wǎng)。并聯(lián)變換器不僅能夠補償串聯(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立的并聯(lián)無功補償。雖然傳輸線路、并聯(lián)變換器和串聯(lián)變換器之間流動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立。顯然UPFC的直流母線上只有有功功率流過，而不會流過無功功率潮流。 UPFC的基本控制功能由于UPFC的并聯(lián)部分和串聯(lián)部分都可以隨時改變參數(shù)來控制兩側(cè)的輸出進而控制電力網(wǎng)絡中的各種參數(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)阻抗補償功能 (d)自動潮流控制功能圖33 UPFC主要控制功能矢量圖(1)電壓調(diào)節(jié)功能當UPFC的輸入端節(jié)點電壓幅值突然發(fā)生突變時，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)功能當負載發(fā)生變化時，可能需要更多的有功功率，需求的有功功率增加時，此時為了滿足負載的需求，只能通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的功率角δ來改變系統(tǒng)的有功功率。不過這樣會使發(fā)電機的端口電壓降低，而且會增大發(fā)電機內(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)的注入電壓來補償負載需要的有功功率，并且不會改變發(fā)電機的功角，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)濟合理。如圖33(b)所示，控制注入電壓相對于相位發(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)線路阻抗補償功能感性負載電流流經(jīng)線路電抗時會使負載端口電壓UL下降，當遠距離輸電時，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，嚴重破壞電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。因此很有必要對線路阻抗進行補償。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相當于一個串聯(lián)的阻抗；給定一個阻抗參考值，通常情況下相當于一個有極性的電阻和電容或電感組成的阻抗；當注入電壓與線路上的電流二者互相垂直時如圖33(c)所示，UPFC就相當于一個阻抗補償(感性或容性)，此操作模式用來匹配系統(tǒng)中存在的串聯(lián)容性線路補償。它既能實現(xiàn)連續(xù)控制、又能升高或降低線路電壓，并且當參數(shù)適當?shù)脑挷粫鹗帲欠奖阆冗M