基于PSS/E雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)軸系模型的研究

朱光偉 李 翔 陳思范 吳世勇

（廣東明陽(yáng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，廣東 中山 528437）

風(fēng)能作為一種可再生清潔能源，由于在減輕環(huán)境污染、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)居民用電問(wèn)題等方面的突出作用，所以越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視并得到了廣泛的開(kāi)發(fā)和利用。為而雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為主流的風(fēng)力發(fā)電的產(chǎn)品，在風(fēng)電場(chǎng)中占有主要地位，因此，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模和仿真做了大量工作[1-4]。本文以PTI公司開(kāi)發(fā)的電力系統(tǒng)仿真軟件 PSS/E為平臺(tái)，分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)軸系的模型，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)介

雙饋發(fā)電機(jī)組主要是有風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、雙饋發(fā)電機(jī)、變頻器、變槳控制系統(tǒng)以及主控系統(tǒng)組成，在 PSS/E32中，提供了 4種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型，WT1/WT/ /WT3/WT4，其中，WT3為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組，WT3的控制框圖如圖1所示[5]。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)軸系模型

圖1 WT3的控制框圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)仿真中，可以將傳動(dòng)軸系模型用兩質(zhì)量塊來(lái)表示，即模型中主要包括葉輪和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，葉輪和發(fā)電機(jī)之間用過(guò)一個(gè)彈簧連接[6]。這樣通過(guò)來(lái)自葉輪的氣動(dòng)功率和來(lái)自發(fā)電機(jī)的電磁功率作為兩個(gè)輸入，并在來(lái)自WT3P的槳距角的調(diào)節(jié)下，就可以計(jì)算出葉輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度偏差。

圖2 雙質(zhì)量模塊的傳動(dòng)軸示意圖

圖3 WT3T 雙質(zhì)量模塊模型

圖4 WECC測(cè)試系統(tǒng)

3 模型的仿真及結(jié)果

本文以圖4所示的WECC提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)向大電網(wǎng)送電的測(cè)試系統(tǒng)為例，來(lái)仿真雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能[8]。測(cè)試系統(tǒng)中，與母線 5相連接的發(fā)電機(jī)為等效整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，功率為100MW，并將其控制模式設(shè)置為2，即功率限制由功率因數(shù)和有功輸出決定。風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓經(jīng)過(guò)變壓器升壓后，再傳輸?shù)斤L(fēng)場(chǎng)升壓站，即母線3處，經(jīng)過(guò)升壓站升壓后再進(jìn)行傳輸，即母線3、4、5均是在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部操作的。

在PSS/E中，分別對(duì)單質(zhì)量模塊和雙質(zhì)量模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，兩次仿真均在系統(tǒng)運(yùn)行2s后，在母線3處，施加三相短路故障，運(yùn)行0.2s后，切除故障。仿真時(shí)，將查看通道分別設(shè)置為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率和葉輪的轉(zhuǎn)速偏差。

（1）從仿真圖像可以看出，在使用單質(zhì)量模型時(shí)，由于忽略了葉輪的慣性，將傳動(dòng)軸系作為一個(gè)單剛體來(lái)研究，此時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率和葉輪的轉(zhuǎn)速偏差在發(fā)生故障時(shí)，均出現(xiàn)平滑的曲線。而在雙質(zhì)量傳動(dòng)軸模型中，考慮了葉輪的慣性，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)故障時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率和葉輪的轉(zhuǎn)速偏差均出現(xiàn)震蕩；當(dāng)切除故障時(shí)，振蕩逐漸趨于平穩(wěn)，恢復(fù)到正常狀態(tài)。

圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率圖像

圖6 葉輪轉(zhuǎn)速偏差圖像

（2）由于在PSS/E中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的變流器模型WT3E、發(fā)電機(jī)模型WT3G、槳距角控制模型WT3P以及WT3T風(fēng)力機(jī)模型是相互關(guān)聯(lián)的，因此在采用單質(zhì)量塊模型和雙質(zhì)量塊模型時(shí)，槳距角也有明顯的不同，如圖7所示。在單質(zhì)量傳動(dòng)軸系模型中，槳距角的變化曲線是平滑的；在雙質(zhì)量模塊中，槳距角的變化曲線出現(xiàn)振蕩，因此，在 PSS/E中改變其中一個(gè)模型時(shí)，應(yīng)該考慮到相關(guān)模型的變化。

圖7 單質(zhì)量模塊與雙質(zhì)量模塊槳距角圖像

4 結(jié)論

（1）在PSS/E32中，包含了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中傳動(dòng)軸系的單質(zhì)量塊模型和雙質(zhì)量塊模型，單質(zhì)量塊模型只能粗略的反應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能，雙質(zhì)量模塊可以較詳細(xì)的反應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能，在研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，可根據(jù)不同的需要來(lái)選擇不同的傳動(dòng)軸系模型。

（2）在PSS/E中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各個(gè)仿真模塊是相互聯(lián)系的，改變其中的一個(gè)模塊，會(huì)影響其他各模塊，因此，研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮各個(gè)模型的變化。

[1]李東東,陳陳.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)模型研究 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(3) .

[2]劉其輝,賀益康,張建華.交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制及建模仿真[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006, 26(5).

[3]A.Perdana, “Dynamic Models of Wind Turbines,”P(pán)h.D. dissertation, Department of Energy and Environment, Chalmers University of Technology,G?teborg, Sweden, 2009.

[4]徐瓊璟,許政,PSS/E中的風(fēng)電機(jī)組通用模型概述[J],電網(wǎng)技術(shù),2010,34(8)∶176-182.

[5]Price WW,Sanchez-Gasca J J.Simplified wind turbine generator aerodynamic models for transient stability studies[C].Power Systems Conference and Exposition,Atlanta, GA,USA,2006.

[6]Wind Energy Generation Modeling and Control. Olimpo Anaya_lara,Nick Jenkins,Janaka Ekanayake, 2009.

[7]Siemens PTI.PSS/E Model Library of PSS/E-32[R].Schenectady,NY,USA,2009.

[8]Price W W,Sanchez-Gasca J J.Simplified wind turbine generator aerodynamic models for transient stability studies[C].Power Systems Conference and Exposition,Atlanta,GA,USA,2006.