风力发电系统稳定性研究与分析

风力发电系统稳定性研究与分析

李彬

(大唐新能源通辽公司内蒙古通辽市028000)

摘要：现如今，科学技术不断地创新和实践，人们对风力发电的需求逐渐增加，其应用也越来越广泛，经过几千年的发展，已经改变了传统的发电模式，风力发电已成为一种最好的模式。但是相应的风力发电技术也应该同步提高，以提供更好的技术支持，在我国已经具备风力发电的环境，随着技术的不断发展，我国的风力发电得到了快速发展，逐渐推动者世界的发展。

关键词：风力发电；系统稳定性；研究；分析

引言

近年来，风力发电系统已得到广泛应用。但由于受到风向、风速及一些外界不稳定因素的影响，风力发电系统存在发电不稳定、设备寿命缩减等缺点，极大地影响了电能质量。

1风力发电技术的基本发电原理

风力发电主要把风能转化为机械能为基础发电的，而后在将转化而来的机械能变成电力动能。在实际工作过程中，风力将风车扇叶带动旋转，旋转的过程中利用增速机加快扇叶的旋转速度，从而有效的促使发电机进行发电。而在风力发电过程中所使用的设备装置统一称为风力发电机组，而此发电机组又可以细致划分为风轮、发电机和塔架三个部分。其中把风能转化为机械能最主要依靠的就是风轮装置，主要由两片或两片以上的螺旋桨形状的桨叶构成。当桨叶受到风的作用时，在桨叶上产生气动力来促使风轮的转动。为了确保风轮在工作过程中始终对准风向以获得最大的功率，在实际使用的过程中需要在风轮后安装一个类似于风向标的尾舵。风力发电机的塔架就是一个支撑整个风轮、尾舵和发电机的构架。在设置铁塔的高度时，需要对实际环境中地面障碍物对风速的影响情况和扇叶实际直径的大小进行综合考量，以确保设置塔架的高度符合风力发电机实际工作的要求。发电机最主要的作用就是在风轮受到风的作用而产生恒定转速之后，再由升速机将其传递给发电机匀速运转，最终由发电机将机械能转变为电能。一般小型的风力发电系统都具有较高的发电效率，但是这类发电机不仅只是由一个发电机头构成，是一个具备一定科技水平的系统，系统内包括发电机和变流器。一般风力发电机都是由机头、转体、尾翼、叶片这几个结构组成，这几个部分每个都有其作用。风力发电机的叶片主要受到风力的作用，并且通过机头将其转化为电能，发电机的尾翼能够与确保扇叶始终对着风向以获得风最大的作用力，风力发电机的转体为尾翼的正常工作提供了保障，通常转子所使用的都是永磁体或者励磁体，通过定子绕阻切割磁力线最终产生电能。

2风力发电系统运行控制及稳定性分析

2.1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1所示。图1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1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2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。

图2混合发电动力系统原理图

风力发电的控制目标是充分利用充电的电池组，调节风力发电以满足负载需求，本文对光伏阵列进行控制。该发电阵列产生的功率通过太阳能子系统注入DC总线，电流的变化是由于太阳的随机性辐射造成的。

2.2系统的稳定性分析

本文考虑到风电发电系统为单输入、双输出，所以有两个传递函数。电压的输出为:f=0．0018s3+0．3719s2+20．8074s+160．91s3+207s2+11588s+89614(10)由传递函数求出系统的零极点分布图、奈奎斯特图，分别如图3和图4所示。

图4奈奎斯特图

从图3可以看出，零极点在左平面内，则系统开环零极点全部分布于左半平面;图4则没有包含点(－1，j0)。因此，说明了该系统是不稳定的。

3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5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。

图5仿真结果图

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。

4风力发电前景分析

（1）风力发电行业发展必要性分析风能本身便是可再生资源的一种，其给环境造成的污染比较小，有效的利用风能能够推动我国可持续发展更好的进行。在电力行业发展中，风能是非常重要的，其不但能够改善环境问题，还能够解决当前存在的能源短缺方面的问题。风力发电也能够很好的调整能源的结构，随着电力行业的发展，燃煤发电的比例比较高。所以，在将来电力行业发展的过程中，对风能进行合理的利用是非常重要的。做好风力发电还能够解决当前存在的温室效应等问题，控制全球变暖。我国本身便是能源大国，对资源利用率也在不断提高，在将来的发展中，风力发电必然会成为电力行业发展的重点。（2）我国风力发电条件分析我国本身便是一个风能比较丰富的国家，资源充足能够给风电发展更好的进行奠定良好的基础，从而推动风电行业的发展。随着我国风电技术的不断发展，我国也愈加重视风电设备的制造，风电设备也在不断的完善，其完善能够推动风力发电更好的进行。并且，风力发电本身的成本比较低，风电的竞争力也在不断的提高。此外，国家愈加重视风力发电，也进行了相关政策的制定，这也给风电发展更好的进行奠定良好基础。（3）风力发电前景分析随着人们生活水平的不断提高，经济建设也在不断的进行，人们对于电力资源的需求也在不断的增加，而以往的供电方式已经很难满足人们对于电力资源的需要，进行新型发电网络建设是非常重要的。我国在风力发电方面的优势比较明显，将来必然会增加风力发电方面的投入，从而给我国电力结构调整更好的进行奠定良好基础。

结语

本文对风力发电系统的稳定性能进行了研究。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。

参考文献:

［1］郭朋杰．风力发电工程技术应用研究［J］．通讯世界，2017(20):119-120．

［2］张晓星，赵云鹤．浅谈BIM技术在风力发电工程中的应用［J］．价值工程，2017，35(15):29-30．

［3］宋恒东，董学育．风力发电技术现状及发展趋势［J］．电工电气，2018(01):1-4．

［4］李军军，吴政球，谭勋琼，陈波．风力发电及其技术发展综述［J］．电力建设，2017，32(08):64-72．