【文章內(nèi)容簡介】 (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。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，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)榻涣餍问剑缓笸ㄟ^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)穩(wěn)定的控制方式。UPFC對(duì)線路阻抗進(jìn)行補(bǔ)償不僅改善了潮流分布，而且能夠充分利用輸電設(shè)備提高線路的輸送能力，有效地避免了低頻振蕩，提高了動(dòng)態(tài)、暫態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(4)動(dòng)態(tài)潮流控制功能采用UPFC的電壓調(diào)節(jié)模式來控制線路電壓，防止發(fā)生電壓的突變，但是實(shí)際的電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，傳輸線路上的有功和無功潮流也會(huì)發(fā)生變化，針對(duì)此問題系統(tǒng)采用了UPFC的自動(dòng)潮流控制模式。如圖33(d)所示，調(diào)節(jié)注入電壓的幅值和相位，改變流經(jīng)傳輸線路上的電流，可以調(diào)節(jié)線路上的有功和無功潮流。工作在此模式時(shí)，利用一個(gè)反饋環(huán)注入電壓能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整，用來控制傳輸線路上的有功和無功功率與參考值保存一致，因此架設(shè)UPFC的傳輸線路在電力系統(tǒng)中相對(duì)其余部分表現(xiàn)出一個(gè)可控功率源，這種工作模式比傳統(tǒng)的線路補(bǔ)償模式更加精確，對(duì)于潮流的控制更加方便，而且它還能解決系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)干擾的問題。 UPFC系統(tǒng)功率、電壓平衡分析 無UPFC微電網(wǎng)的潮流分析當(dāng)微電網(wǎng)中未架設(shè)UPFC時(shí)，假設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中沒有故障均工作在正常模式下，此時(shí)的電力網(wǎng)絡(luò)可以簡化為雙端電源系統(tǒng)模型。圖34 正常狀態(tài)下未架設(shè)UPFC電路微電網(wǎng)中未架設(shè)UPFC時(shí)的電路模型如圖34所示(本次計(jì)算中只考慮線路電感，不考慮線路電阻)。根據(jù)潮流計(jì)算可得： (35)令，代入式(35)可得 (36)則 (37)根據(jù)圖34，線路始端的有功功率和無功功率值也能按下式計(jì)算： (38)由計(jì)算結(jié)果可知，在不架設(shè)UPFC的微電網(wǎng)中，只有通過改變負(fù)荷的大小、電源或調(diào)整電源間負(fù)荷分配關(guān)系來實(shí)現(xiàn)改變系統(tǒng)潮流分布的方式。 UPFC系統(tǒng)有功功率平衡分析在不考慮線路電阻時(shí)，由圖32可以得到整個(gè)系統(tǒng)的有功功率平衡如下： (39)這里：為輸出的有功功率；為UPFC并聯(lián)側(cè)吸收的有功功率；為UPFC串聯(lián)側(cè)注入到傳輸線路的有功功率；為UPFC輸出端傳輸?shù)挠泄β剩粸榻邮芏宋盏挠泄β?。只有保證UPFC整個(gè)系統(tǒng)的有功功率平衡即注入U(xiǎn)PFC的有功功率與系統(tǒng)消耗的有功功率平衡，才能使直流側(cè)電容電壓恒定不變，即要滿足關(guān)系式： (310) 將上式代入式(39)計(jì)算可得： (311)由式(311)可以看出，系統(tǒng)的電源端不僅要滿足接受端所需的有功功率，還要補(bǔ)償U(kuò)PFC功率變換部分所損耗的有功功率。將UPFC輸出端線路上的有功功率表示為式(312)，這樣更能直觀的分析其潮流控制的原理。 (312)由式(312)化簡可得式(313)： (313)將abc三相坐標(biāo)系經(jīng)過派克變換轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系，規(guī)定其d軸方向?yàn)閁1的方向，則根據(jù)瞬時(shí)功率理論，可以得到： (314)通常情況下和的相差不大，uRduRq，所以P2受u12q很大的影響，而u12d對(duì)其影響就顯得很小。因此許多控制系統(tǒng)中采用控制u12q來控制UPFC輸出端線路傳輸有功潮流。雖然u12d對(duì)P2的影響較小，但是如果想更精確地控制有功潮流，則在控制系統(tǒng)中u12d不能忽略。在dq坐標(biāo)系下式(39)可以被改寫為：