风电技术专题︱基于PSCAD/EMTDC的微电网永磁直驱风力发电系统建模与仿真研究
中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”，并设“智能制造与电工装备行业的转型升级”“智能开关设备的关键技术与最新发展”两个分论坛。
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大连供电公司、大连热电集团公司香海热电厂的研究人员周围、韩礼冬、李钢、赵静，在2016年第2期《电气技术》杂志上撰文，阐述了微电网中永磁直驱风力发电机组的工作原理，应用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真平台，设计了一套并网运行的永磁直驱风力发电系统，该系统包括了具有定叶尖速比控制功能的永磁直驱风力发电机原动机模型，和基于非交互式电网跟随控制策略的电压前馈控制逆变系统模型。
最后，建立了四种不同的风速模型来模拟永磁直驱风力发电系统的运行特性，通过对定直流电压控制模块接入前后仿真波形的对比，对该仿真系统进行了校核和验证，为下一步建立微网孤网运行和孤网与并网互为切换的整体仿真系统，以及探讨实际工程中分布式微源对系统的潮流影响奠定了基础。
微电网（Microgrid）以自愈、安全、智能、环保等特征成为未来全球能源互联网构建的重要环节[1]。伴随化石能源的加速枯竭，中小型永磁直驱风力发电技术[2-3]将在智能微电网中发挥举足轻重的作用。
我国拥有丰富的风力资源，近年来，我国大型风力发电发展迅速[4]，但大型风电场的开发及建设一直受到电网接入条件、电网容量及运输及安装条件的制约[5]。相比之下，中小型风力机组运输及安装灵活，能够在山区、海岛等地便捷应用，组成单台离网独立供电系统、单台及多台并网系统或多台小型风电场等多种方式，实现风能资源的充分利用[6]。
当前，我国风电进入飞速扩张时期，在实际工程中大量安装的机组主要有永磁直驱同步机组和双馈异步机组两种。其中，基于双馈异步技术的机组其定子部分与电力系统直接连接，转子部分则作为机组的控制中枢，经过背靠背的交直交环流系统控制并调节转子励磁电流[7]；基于永磁直驱技术的机组在结构上要简化得多，它将直接通过风轮机构来驱动低转速永磁同步发电机组，经电力电子换流电路将电能整流逆变后并入外部大电网。
与双馈异步机组相比，永磁直驱技术使用多极发电机，使其定子侧电压即使在较低转速下依然能够保持稳定的频率输出，并且其定子侧不与大电网直接相连，所以定子频率的变化对主网的冲击几乎可以忽略。在永磁直驱风力发电系统中，原动机叶轮主轴与同步发电机直接耦合，省去了双馈机组中较易发生故障的齿轮箱以及励磁机构，因而大大提高了机组运行效率和安全性，具有运行安全，结构简洁，维护成本低等多种优势[8]。
在国外，越来越多的客户采用中小型风力发电机组并网发电。在日本和德国的光伏屋顶计划之后[9]，荷兰、丹麦及阳光资源匮乏的英国等西方国家已经开始大力推广风力屋顶发电计划[10]。在我国大力倡导全球能源互联网的大背景下，将中小型永磁直驱风力发电系统以微电网分布式电源的形式并入电网将是未来我国风电企业大力发展的主流趋势和前进方向。
本文从永磁直驱风力发电系统的基本原理出发，在PSCAD/EMTDC电磁暂态平台下建立了包括前置风力原动机及传动部分和交直交换流部分的一整套微电网永磁直驱风力发电系统，并应用多种不同的风速模型代入进行对比分析，校核和验证了模型的有效性，对我国微网交流型电源的相关研究提供了理论依据。
1 永磁直驱风力发电系统基本结构
永磁直驱风力发电系统的基本结构如图1所示。从图中可以看到，风力原动机部分与永磁同步发电机轴直接耦合，转子主要受风速曲线影响，经永磁同步电机（Permanent-Magnet Synchronous Generator,PMSG）的输出电压频率随风速改变，经过电力电子背靠背换流系统（AC-DC-AC），将变频电源经整流、逆变后输出稳定的工频电源。
图1 永磁直驱风力发电系统模型
2 模型建立（略）
3 仿真分析（略）
本算例中主网降压后额定线电压0.38kV，50Hz，电阻0.0641Ω，电感0.0322mH；负荷容量40kW；风力发电系统额定输出功率100kVA，额定风速10.35m/s。
4 结论
本文从微电网中典型的交流型微源——风力发电系统的结构出发，应用电力系统暂态仿真软件PSCAD/EMTDC设计并建立了一整套永磁直驱风机并网发电系统，针对几种不同的风况进行了仿真分析，得到以下结论
：
1）基于贝兹极限理论的风力原动机模型能够很好的实现最大功率输出，且一阶惯性环节的应用保证了风力机电磁转矩对机械转矩的平滑响应，并通过算例仿真形象的反映出该模型具备优异的输出性能。
2）基于非交互式电网跟随控制理论的换流部分模型，在交流型微源间歇性、随机性的特性下，做到了频率与电压的稳定输出，实现了与主网的良好对接，通过多种极端风况环境下的算例仿真，对整套模型进行了验证。
微电网并网及孤网发电技术在我国的发展尚处于起步阶段，本文设计的微网永磁直驱风力发电仿真系统可以作为微网中交流型分布式电源并网典型模型应用于后续扩展研究，同时对我国通过智能微电网的方式开发利用风能资源具有一定指导意义。
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