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摘要：本文对风力发电系统的稳定性能进行了研究。首先，分析了影响风力发电系统的因素，并构建了风力发电系统模型，对各个重要的部件进行说明;然后，采用混合动力发电机系统，通过一个整流器和一个DC/DC转换器与DC总线连接，提高系统的鲁棒性，并通过注入电流验证控制方案的合理性;最后，采用仿真模型进行验证，通过判断零极点分布图和奈奎斯特图对系统进行稳定性分析，证明了该控制方法能够使系统稳定运行。
关键词：风力发电系统；稳定性；研究
1风力发电系统的特点
由于风速具有随机性、波动性和间歇性等特点会导致风电机组输出功率的波动性变大，同时风力发电系统的结构特点和元件的可靠性也决定了风力发电系统的输出功率。
1.1风机输出功率影响因素分析
风机由于其能量转换原理限制，其输出功率主要受季节气候和风速的影响。
1)季节与时间的影响
中国“三北”地区风资源较为丰富。一般来说，一年中春季和冬季风资源较丰富，夏季风资源较贫乏;在一天中来说，白天风资源较贫乏，而夜晚风资源较丰富。
2)风速大小的影响
风电机组的运行状态和输出功率都与风速息息相关。图1给出了风电机组输出功率与风速的曲线。
从图中可以看出，曲线分为4段:当风速小于切入风速时，风机输出功率几乎为0;当风速处于切入风速和额定风速区域内时，风机输出功率与风速近似为线性关系;当风速位于额定风速和切除风速区域内时，风机输出功率为额定功率;当风速大于切除风速时，风机输出功率为0。因此，将风力发电系统状态按照风资源的充裕度进行划分:资源停运、资源限制减额运行和全额运行状态。
图1风电机组输出功率曲线
1.2系统结构特点分析
实际风电场中采用辐射状的连接方式，通过电缆将风力发电机组依次连接起来，并汇集到变压器，如图2所示。图中n台风电机组连接成1“串”，同时m串机组并联汇入1台变压器，多台变压器并联接入母线。在同一可靠性标准下，用1台相同容量的发电机组等效替代风电机组“串”。
图2风力发电系统基本构架
2风力发电系统建模
在风力发电系统中，根据结构，系统可以分为风能转换系统、传动系统、发电机系统等相互关联的子系统。
2.1风速建模
风场的风速是风力发电系统的关键考虑因素之一。风速可以用瞬时风速和平均风速来表征。瞬时风速定义为系统在短时间发生的实际风速。平均风速则是一段时间间隔之内风力发电机组瞬时风速的平均值。由于风的变化是不定的，因此通过不同地点的风向、风速对风电机组进行定量衡量，以促进风力发电机组更好地运行。
气动功率调节作为衡量风速的因素，用于参数分析。当风力发电机组的实际风速较大时，其功率受到风力发电机、变流器、控制系统等影响。因此，通过降低风轮的能量、减少叶片的承受载荷，提高实际风机的输出功率，使风力发电系统的输出功率保持在额定范畴之内。在风机的整个运行过程中，根据风机从切入风速到切出风速的不同，得到风力发电机的不同动态特性。由于额定风速的不同，额定功率也在变化。具体的额定功率可分为部分负荷和满负荷这2个区域。
在风速的额定范围内，通过空气制动法来限制控制子系统对系统的影响，进而对功率系数参数进行限制，以改变风轮的动力。通过风力发电机组的叶片外形特性来调节功率的大小，称为被动控制;通过改变叶片位置以适应风电机组的旋转水平的方法，称为主动控制。这些控制方案的目的是将整个风轮转向侧风，以减小空气动力效率。
空气动力的重点在于对叶片的角度进行调节，使风机的风速随着桨距角的减小而增大。因此，空气动力受到叶片角度的影响。简单的风速模型可以通过四分量确定，分别为平均风速、阵风风速、阶跃风速和随机风速。
式中:t1S为启动时间;t2S为终止时间;tS为保持时间;VSmax为阶跃峰值。
2.2传动机构建模
本文所研究的风力发电机为直驱型，机组由低速轴、齿轮箱、高速轴、风轮及发电机构成。传动系统可以用三质量块模型准确描述，但需要全面的参数才能建模并仿真。
3风力发电系统运行控制及稳定性分析
3.1系统的运行控制
由于风的方向及大小不同，使得系统性能不稳定，极大地影响了系统正常运行。风速是时刻变化的。根据风力发电机组的运行方式不同，其输出功率如图3所示。图3中:Va为切入风速;Vb为额定风速;Vc为切除风速。根据各个区域的不同控制方法和特点，对风力发电机采用混合动力系统的调节方法。
图3风力发电机输出功率图
发电机混合动力系统(generatorhybridpowersystem，GHPS)存在许多不同的拓扑结构。本文所考虑的发电机混合动力系统的原理如图4所示。其风力涡轮机的固定桨距直接连接到MPMSG上，通过一个整流器和一个DC/DC转换器与DC总线连接。PMSG允许无齿轮耦合至涡轮机，提高了系统的鲁棒性和效率。光伏发电子系统也与直流母线连接。总线电压由电池组施加。可变备选载荷使用静态逆变器馈电。
风力发电子系统具有叶片涡轮俯仰变速拓扑功能。这意味着风力发电的电力对应的功率也输入到DC总线。因此，必须由电子控制涡轮机的转速调节。
4仿真分析
为了验证本文所提方法的正确性，通过Matlab搭建仿真模型并进行仿真分析。仿真结果如图7所示。本文参数设置如下，风力发电的额定风速设置为12m/s，叶轮半径为25m，桨距角为0，永磁同步风力发电机的额定功率为1．5MW，极对数为48，定子阻值为0．28Ω，风力发电机的输出电压为690V，风机的额定频率为50Hz，直流侧电压值为1100V，直流侧电容为2200μF，仿真时间为10s。
对以上三个仿真图进行对比，可以看出，当风速在2s时的注入电流为65A，4．5s时升至75A，8s时降为60A。在整个过程中，永磁同步风力发电机的电流基本控制趋于平稳，不再波动。
结束语
风力发电系统对控制温室气体排放、污染等方面有突出的作用，同时可以较好地促进经济与人口的协调发展，受到了世界各国的广泛关注。近年来，各国都在积极研究风力发电产能的开发与应用，使得风能得到了迅速的发展及应用。由于风力发电技术应用广泛，受环境气候和时间、空间的影响，风力的大小和方向是时刻变化的，使得风能的不稳定因素增加。因此，风能在利用过程中存在很多问题。
参考文献
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论文作者:倪洪亮
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
标签：风速论文; 系统论文; 风力发电论文; 输出功率论文; 风机论文; 机组论文; 永磁论文; 《电力设备》2018年第29期论文;