秦　川,闻丹银,鞠　平,吴　峰

(1.河海大学能源与电气学院,江苏 南京　210098; 2.国网泰州供电公司,江苏 泰州　225300)



近海可再生能源综合发电系统模型对比

秦川1,闻丹银2,鞠平1,吴峰1

(1.河海大学能源与电气学院,江苏 南京210098; 2.国网泰州供电公司,江苏 泰州225300)

摘要：介绍融合近海风力发电、波浪能发电以及潮流能发电的近海可再生能源综合发电系统的电气拓扑结构,并以此系统为例,在Matlab/Simulink平台下分别搭建了其详细模型和相量模型。在定性分析2种模型的区别之后,分别在风速变化时以及电网扰动故障下,对详细模型和相量模型进行了仿真对比。时域仿真结果显示,详细模型和相量模型的稳态、动态响应趋势均基本一致;详细模型仿真计算耗时长,且仿真曲线中包含高频分量;相量模型仿真计算耗时短,仿真曲线相对平滑。

关键词：近海可再生能源综合发电系统;近海风电;波浪能发电;潮流能发电;详细模型;相量模型

为了解决环境污染和能源危机这2个全球关注的热点问题,各国纷纷将目光投向可再生能源的开发和利用,而海洋覆盖了地球70%的表面,其蕴含的能量大大超过了目前全球能源的需求,科学的开发和利用近海能源具有重要意义。

近海可再生能源主要包括近海风能、波浪能、潮流能、温差能、盐差能等[1]。目前,近海风力发电已进入商业化运营阶段,技术相对比较成熟[2-8];波浪能和潮流能发电技术也取得了可喜的成果,部分已经建成试验电站[9-14];而温差能和盐差能的研究还处于初级阶段,且主要是理论研究。所以,目前可利用的近海可再生能源主要是指近海风能、波浪能和潮流能。

近年来,为了有效提高近海可再生能源发电的利用率和可靠性,人们开始研究近海可再生能源综合发电技术。Mohammad等[15]提出了基于海上风电和潮流能的混合发电系统(HOTT),构建了仿真系统,验证了混合发电系统的可行性。秦川等[16]将近海风力发电、波浪能发电、潮流能发电融合成一有机结合体,通过电气连接系统,实现了各种发电装置之间的相互兼容以及与电网的可靠连接。近海可再生能源综合发电的拓扑设计、控制、并网运行研究离不开仿真计算。而仿真计算是以模型为基础的,因此,在研究近海可再生能源综合发电时,首先要对其进行机理建模,也即详细模拟综合发电单元的各组成部分以及相应的内部电气拓扑连接方式,建立其详细机理模型。

电力系统暂态可分为毫秒级的电磁暂态和秒级的机电暂态。针对这2种仿真, Matlab的电力系统工具箱Sim Power Systems (SPS)分别采用2种方法进行解算[17]。在进行电磁暂态仿真时,SPS采用详细算法,有连续法和离散法2种,它们建立在最基本的电路原理和微分方程求解的基础上。在每个周期内均采用微秒级的仿真步长,逐点求取基波、直流与谐波分量;在进行机电暂态仿真时,SPS采用滤去直流和谐波分量计算的相量法,将计算内容固定为额定频率下的交流量,从而减少了仿真步数、缩短了仿真时间。与之相对应,在Matlab平台下,对基于电压源变换器(VSC)发电系统的并网研究进行建模的方法有3种,分别是详细模型(detailed model)、平均模型(average model)和相量模型(phasor model)。详细模型描述了电力电子变换器的详细特性,适用于电磁暂态仿真、谐波分析以及观测控制系统的动态性能;平均模型用开关器件一个开关周期内交流电压的平均值来描述变换器的动态特性,适用于观测控制系统的动态特性,但不适用于谐波分析; 相量模型忽略了变换器中电力电子器件的开关特性,适用于机电暂态仿真。

本文以一种融合近海风电、波浪能发电和潮流能发电的近海可再生能源综合发电系统[16,18]为例,在Matlab/Simulink平台下分别搭建了其详细模型和相量模型,并对这2种常用的建模方法进行了时域仿真对比。

1近海可再生能源综合发电系统结构

本文所述近海可再生能源综合发电系统结构如图1所示。其中,风力发电和潮流能发电的透平采用水平轴式,发电机采用直驱式旋转永磁发电机(DDPMG),波浪能发电采用基于阿基米德摆(AWS)的直线永磁发电机(LPMG)[19-20]。

图1　综合发电系统结构示意图Fig. 1　Structure of hybrid generation system

3种发电装置分别通过机侧PWM整流器并联到直流电容,然后通过网侧PWM逆变站和升压变接入交流电网。

2综合发电系统的详细模型

详细模型对系统中发电机、电力电子变换器及其控制系统等进行详细描述,适用于电磁暂态仿真和观测控制系统动态性能。对于近海可再生能源综合发电系统而言,系统通过3个机侧整流器以及1个网侧逆变器并网,模型中包含大量状态变量及非线性模块。实际仿真中,采用离散的Z变换传递函数搭建详细模型,采用定步长离散算法进行计算,步长设为5 μs。

2.1　发电机模型

2.1.1DDPMG模型

DDPMG本质上是一种同步发电机,与传统的同步发电机类似。假设d、q坐标系的d轴与永磁体产生的磁场同相位,DDPMG模型可以写为

(1)

式中:ψ——DDPMG永磁体励磁磁链;uds、uqs——DDPMG定子电压的d、q轴分量;ids、iqs——DDPMG定子注入电流的d、q轴分量;Ls、Rs——DDPMG定子电感和电阻;ω——DDPMG发电机转速;Tem——DDPMG的电磁转矩;np——DDPMG发电机极对数。

DDPMG取消了传动齿轮箱,其转子轴通常直接与风力发电或者潮流能发电装置叶轮的传动轴相连。因此通常情况下,采用集中质量块模型来表示其轴系模型:

(2)

其中

ω=npωt

式中:J——发电系统的等效转动惯量;Bm——转动黏滞系数;ωt——叶轮的转速；Tm——叶轮的机械转矩。

2.1.2LPMG模型

波浪能发电装置所采用的LPMG本质上也是永磁发电机,与传统的旋转永磁发电机主要区别是发电机动子的运动规律不同。传统的旋转电机旋转速度和旋转方向保持不变,而LPMG的动子(Translator)是进行来回往复运动,其速度的大小和方向是变化的,其发电机模型可以表示为

(3)

其中

式中:Lsl——LPMG同步电感;Rl——LPMG定子电阻;Xsl——LPMG同步电抗;idsl、iqsl——LPMG定子电流的d、q轴分量;udsl、uqsl——LPMG端口电压的d、q轴分量;ψPMl——LPMG永磁体的磁链;ωl——LPMG的电角速度;v——LPMG运动速度;λ——LPMG极距。

LPMG是由AWS驱动的,其机械动态模型可以由单质量块模型表示:

(4)

式中:x——AWS浮子和LPMG动子的位移;mtot——AWS所有运动部件的质量总和;βg——LPMG的阻尼系数;βw——AWS的水动力阻尼系数;ks——AWS的弹性系数;Fwave——波浪作用在AWS浮子上力的总和,是整个波浪发电系统激励。

2.2　变换器模型

详细模型对电力电子变换器的结构和PWM控制进行了详细的描述。其电力电子变换器主要由直流环节、机侧整流器和网侧逆变器等部分组成。由于网侧逆变器和机侧整流器的电路结构类似,在此仅对网侧逆变器进行分析,其结构示意图如图2所示。

在三相电网电压平衡下,其数学模型为

(5)

式中:Sa、Sb、Sc——三相桥臂的开关函数,当其为1时,表示桥臂的上管导通,下管关断，当其为0时相反；udc——直流母线的电压；ir——机侧电流；ua、ub、uc——网侧三相电压；ia、ib、ic——网侧逆变器三相电流；R、L——网侧电阻和电感;C——直流侧电容。

对式(5)进行坐标变换,可得d、q坐标系下的网络侧逆变器模型为

(6)

式中:udg、uqg——电网电压的d、q轴分量;idg、iqg——电网电流的d、q轴分量;ud、uq——网侧逆变器的d、q轴电压分量;Sd、Sq——d、q轴逆变器开关函数。

2.3　控制器模型

综合发电系统机侧控制目标是分别实现3种能量的最大功率跟踪,电网侧控制目标是维持直流母线电压和网侧电压恒定。近海风电和潮流能发电采用直驱永磁同步发电机,其机侧控制器结构见文献[20-22]。下面以波浪能发电系统为例,分别介绍其机侧和网侧的控制器模型。

图3　LPMG发电机侧及网侧详细模型控制器结构Fig.3　Structure of controllers on generator side and line side in detailed model of LPMG

其网侧控制器目标是维持网侧电压及直流母线电压恒定,发电机侧控制器的控制目标是波浪能的最大功率跟踪以及发电机损耗最小,一般令控制器电流环参考值为

(7)

(8)

DDPMG控制器结构与LPMG类似。其发电机侧控制目标一方面是实现最大功率跟踪,另一方面使得发电机损耗最小;网侧控制目标是维持网侧电压和直流电容电压恒定。

3综合发电系统的相量模型

相量模型忽略电力电子器件的开关特性,将综合发电系统通过带内阻的可控电流源接入电网。相量模型采用相量法进行仿真计算,只关注特定频率(本文为60 Hz)下系统电压和电流的幅值和相角变化,因此不再像详细模型中需要求解全部的微分方程,而只需求解关于电压、电流相量的代数方程,大大缩短了仿真时间,从而使相量模型更适用于在长时间段内(几十秒到几分钟)模拟系统机电振荡。

就模型方程而言,相量模型中的发电机模型、控制器结构均与详细模型中类似。但对于电力电子变换器及底层PWM控制模块,由于机电暂态时间常数远大于电力电子器件的开关周期,因此在搭建相量模型时,可以忽略器件的开关特性及底层PWM控制模块,而只考虑变流器的功率平衡和直流电容的动态。

3.1　综合发电系统电力电子变换器模型

相量模型中,综合发电系统直流侧仅考虑发电机侧整流器与电网侧逆变器的功率平衡,方程可以写为

(9)

其中

式中：Ps——风力发电机、波浪能发电机以及潮流能发电机定子侧输出有功功率之和;Pg——网侧逆变器的有功功率;Pdc——并联电容器的有功功率；Pwind、PAWS、Ptidal——风力发电机、波浪能发电机以及潮流能发电机机侧的有功功率,其分别由各发电机模型方程及机侧控制器等效计算得到。

从式(9)可以看出,相量模型的电力电子变换器模块只考虑功率平衡方程以及中间直流电容的动态。

3.2　综合发电系统相量模型结构

以波浪能发电系统为例,包含控制器的发电机侧的相量模型结构如图4所示。从图4可以看出,相量模型中不包含详细的电力电子开关器件,而是将机侧控制器的输出直接作为发电机的d、q轴电压输入。

图4　LPMG相量模型发电机侧模型结构Fig.4　Schematic diagram of controller on generator side in phasor model of LPMG

包含控制器的波浪发电系统网侧相量模型结构如图5所示,其控制目标与详细模型中相同,即维持网侧电压和直流电容电压恒定。其中,直流电容电压udc由式(9)计算得到;逆变器交流侧电压ud、uq由网侧控制器模型计算得到;接入点电压的d、q轴分量udg、uqg由测量采集系统测得综合发电系统接入点电压后,通过坐标变换计算得到。再根据如图6所示的三相R-L串联等效支路,可以计算出综合发电系统实际输入到电网的三相电流,从而可以通过可控电流源接入电网。图6中,u为逆变器交流侧电压,ug为网侧接入点电压,i为R-L支路电流。

图5　相量模型网侧变换器结构 Fig.5　Structure of converter on line side in phasor model

图6　网侧R-L等效支路Fig.6　Equivalent R-L branch on line side

42种模型的仿真对比

为了对近海可再生能源综合发电系统的详细模型和相量模型进行对比,在Matlab/Simulink平台下,分别搭建了2种模型,并保持2种模型中各参数值一致。

以单机无穷大系统为研究对象,系统包括无穷大母线、变压器、负荷以及由近海可再生能源综合发电系统,其示意图如图7所示,系统仿真参数详见文献[16]。

图7　单机无穷大系统示意图Fig. 7　Configuration of single-machine infinite bus (SMIB)

4.1　风速变化时的仿真对比

设风速在4 s时由10 m/s斜坡上升至11 m/s;由于潮流流速相对稳定,在短时间内可视为恒定,故潮流流速设为2.5 m/s;波浪的波高设为正弦波,从而AWS波浪能发电装置输出有功功率也近似为正弦波。详细模型和相量模型的系统总输出有功功率如图8所示。

图8　 风速变化时的有功功率曲线Fig. 8　Curves of active power under wind speed disturbance

从图8可以看出,在风速变化时,不管是相量模型还是详细模型,系统的输出功率均能够跟踪输入信号的变化,且最终输出功率保持一致。但在仿真耗时上详细模型比相量模型耗时更久。

4.2　电网故障下的仿真对比

4.2.1小扰动

在如图7所示的单机无穷大系统中,5 s时在无穷大电源处设置电压跌落15%,0.15 s后电压恢复。仿真时设置风速和潮流流速恒定,分别为10 m/s和2.5 m/s,波浪波高设为正弦波。详细模型和相量模型的端口电压、直流电容电压、有功功率、无功功率曲线如图9所示。从图9中可以看出,在无穷大电源电压扰动时,详细模型和相量模型动态响应基本吻合。此外,相量模型的曲线比较平滑,而详细模型曲线有高频波动。其原因是因为详细模型中考虑了电力电子变换器的开关特性及动态,使得其波形中具有相应的高频分量,而相量模型只考虑电力电子变换器中直流电容的动态,忽略了器件的开关特性及动态。

图9　无穷大电源扰动下动态响应曲线Fig. 9　Dynamic response curves with disturbance of infinite power supply

4.2.2大扰动

在如图7所示的单机无穷大系统中,4 s时线路line1中点处设置三相接地短路,0.15 s后故障切除,故障时接地电阻5Ω。详细模型和相量模型的动态响应如图10所示。从图10中可以看出,在三相接地短路故障下,详细模型和相量模型的动态响应有区别,但总体趋势基本一致。对比图9和图10可以看出,大扰动下,详细模型和相量模型的动态响应差异要比小扰动下的差异大。

图10　三相接地短路故障下的动态响应曲线Fig. 10　Dynamic response curves with three-phase short-circuit fault

5结语

以一种近海可再生能源综合发电系统为例,在Matlab/Simulink平台下,对详细模型和相量模型进行了对比分析。在定性分析2种模型的区别之后,分别在风速变化时以及电网扰动故障下,对详细模型和相量模型进行了仿真对比。仿真结果显示,详细模型和相量模型的稳态和动态响应情况均相似,差别不明显。因此可以根据实际研究需要,选用合适的模型。如研究短时间内的电磁暂态、谐波和电能质量等问题,则采用详细模型;而研究较长时间段内的机电暂态过程等,则采用相量模型。

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Comparison of models of hybrid offshore renewable energy generation system

QIN Chuan1, WEN Danyin2, JU Ping1, WU Feng1

(1.CollegeofEnergyandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

2.StateGridTaizhouPowerSupplyCompany,Taizhou225300,China)

Abstract:The electric topological structure of a hybrid offshore renewable energy generation system, including offshore wind, wave, and tidal power generations, is described. Using this system as an example, a detailed model and phasor model based on the Matlab/Simulink platform were built. On the basis of a qualitative analysis of the differences in these two models, simulations were carried out with different wind speeds and power grid disturbance faults. Time-domain simulation results show that the tendency of steady and dynamic responses of the detailed model and phasor model are similar; the simulation time is longer when using the detailed model, and the simulation curves contain high-frequency components; and, with the phasor model, the simulation time is shorter, and the simulation curves are relatively smooth.

Key words:hybrid offshore renewable energy generation system; offshore wind power; wave power generation; tidal power generation; detailed model; phasor model

中图分类号：TM743

文献标志码：A

文章编号：1000-1980(2015)06-0574-08

作者简介：秦川(1981—),男,江苏靖江人,讲师,博士,主要从事电力系统建模与控制研究。E-mail:cqin@hhu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金 (51137002,51407060);江苏省自然科学基金(BK2011026)

收稿日期：2014-12-13

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2015.06.012