雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的研究

李鵬程，晁 勤

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

0 引言

由于風(fēng)力發(fā)電具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，使其發(fā)展受到世界各國(guó)的高度重視，同時(shí)也使風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)特性成為熱門研究［1］。

目前，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)大體分為恒速恒頻和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。變速恒頻的雙饋風(fēng)電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)定子有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，以及其優(yōu)越的并網(wǎng)運(yùn)行特性，使得雙饋風(fēng)電機(jī)組成為當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組中的主流機(jī)型。

隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模和單機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行要求也日益嚴(yán)格。目前許多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求風(fēng)電機(jī)組具有一定的低電壓穿越能力即電網(wǎng)電壓跌落至一定范圍時(shí)，風(fēng)電機(jī)組必須不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，因此研究風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力意義重大。以往的多數(shù)關(guān)于低電壓穿越能力的研究都集中于聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障時(shí)電壓恢復(fù)能力的分析［2，3］，文獻(xiàn)［4］理論上闡述了提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的措施。根據(jù)變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的特性，在d－q坐標(biāo)系下，建立了變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，并以Matlab/Simulink為仿真平臺(tái)搭建了機(jī)組系統(tǒng)的仿真模塊，結(jié)合新的風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力要求的規(guī)定，針對(duì)不同電網(wǎng)電壓跌落的情況下，仿真研究了變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，仿真結(jié)果為達(dá)坂城新一期的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

1 雙饋風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型

1.1 雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制結(jié)構(gòu)

基于雙饋發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組主要包括風(fēng)力機(jī)、繞線式感應(yīng)電機(jī)、變頻器和控制環(huán)節(jié)，其定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組采用三相對(duì)稱繞組，經(jīng)背靠背的PWM變頻器與電網(wǎng)相連，為發(fā)電機(jī)提供交流勵(lì)磁。其中網(wǎng)側(cè)變流器的控制目的是滿足電流波形和功率因數(shù)的要求，保證直流電壓恒定;轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的主要任務(wù)是調(diào)節(jié)有功功率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，同時(shí)為轉(zhuǎn)子側(cè)回路提供勵(lì)磁，調(diào)節(jié)定子無(wú)功功率，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 雙饋風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型

1.2.1 風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力機(jī)通過葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，風(fēng)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系可表示為［5］

式中，TM為風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)矩，p.u.;ρ為空氣密度，kg/m3;Cp為風(fēng)機(jī)功率系數(shù);A為風(fēng)機(jī)葉片掃過的面積，m2;vw為作用于風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，m/s;ωN為風(fēng)力機(jī)額定機(jī)械角速度，rad/s;PN為風(fēng)力機(jī)的額定功率，MW。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te共同作用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，設(shè)J為慣性時(shí)間常數(shù)，則

從輪轂到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的聯(lián)軸器和齒輪用一階慣性環(huán)節(jié)來描述［6］，即

風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩Te與機(jī)端電壓U的平方成正比［7］，則方程式為

式中，K為與機(jī)型有關(guān)的常數(shù);s為滑差。

1.2.2 雙饋發(fā)電機(jī)的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型

選擇以d－q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系建立異步發(fā)電機(jī)的狀態(tài)方程式［9］。

其中，

其中，ψds、ψqs表示定子磁鏈;ψdr、ψqr表示轉(zhuǎn)子磁鏈;uds、uqs為定子電壓;udr、uqr為轉(zhuǎn)子電壓;ids、iqs表示定子電流;idr、iqr為轉(zhuǎn)子電流;s表示轉(zhuǎn)差率;ωs為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;ωg為同步轉(zhuǎn)速;ωbase為基頻;電機(jī)參數(shù) Xs、Rs、Xm、Xr、Rr分別表示定子電抗和電阻、互感電抗和轉(zhuǎn)子電抗、電阻。

2 低電壓穿越能力

風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)功能就是指機(jī)組在端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網(wǎng)而繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，甚至還可以為電網(wǎng)提供一定的無(wú)功以幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)的能力。低電壓穿越的提出主要是基于有功功率平衡的考慮，但對(duì)局部無(wú)功平衡也有好處。LVRT功能可躲過保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，故障切除后恢復(fù)正常運(yùn)行，可大大減少風(fēng)電機(jī)組在故障時(shí)反復(fù)并網(wǎng)次數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，圖2給出了風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的規(guī)程［5］。

圖2 風(fēng)電機(jī)組LVRT運(yùn)行曲線

3 仿真算例

3.1 仿真算例

采用的雙饋風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)如下:風(fēng)機(jī)的額定容量1 500 kW，額定電壓690 V，風(fēng)力機(jī)葉片半徑R=30 m，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0.0 073 p.u.，定子電阻 Rs=0.0 076 p.u.，定子電抗 Xs=0.1 248 p.u.，轉(zhuǎn)子電抗Xr=0.0 884 p.u.，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分慣性時(shí)間常數(shù)Tj=7.1，極對(duì)數(shù)p=3。含雙饋風(fēng)電機(jī)組的仿真示意圖見圖3。

圖3 風(fēng)電機(jī)組接入系統(tǒng)示意圖

3.2 運(yùn)行特性

仿真中雙饋機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)基本風(fēng)速為8 m/s，在5 s時(shí)出現(xiàn)風(fēng)速為14 m/s的陣風(fēng)干擾，持續(xù)在風(fēng)速為14 m/s下穩(wěn)定運(yùn)行，仿真結(jié)果見圖4。

圖4 雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性曲線

仿真結(jié)果表明:隨著風(fēng)速的變化，其有功出力跟隨風(fēng)速的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能捕獲，無(wú)功功率保持在0左右，即保持功率因數(shù)為1，實(shí)現(xiàn)了雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功和無(wú)功的解耦控制，也驗(yàn)證了所建模型的合理性。

4 雙饋機(jī)組的低電壓穿越能力的研究

4.1 20% －3 s電壓跌落

電網(wǎng)電壓跌落20%持續(xù)時(shí)間為3 s時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組的端電壓、有功功率和無(wú)功功率變化曲線如圖5所示。

仿真結(jié)果如圖5表明:當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落20%持續(xù)時(shí)間3 s時(shí)，雙饋風(fēng)機(jī)端口電壓略有所下降保持在0.9 p.u.以上，電壓跌落期間風(fēng)機(jī)有功功率為0，并向電網(wǎng)提供了無(wú)功功率6.5 Mvar，風(fēng)機(jī)能夠不脫網(wǎng)繼續(xù)運(yùn)行且為發(fā)出的無(wú)功功率有利于電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

圖5 20%－3 s電壓跌落時(shí)風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)變化曲線

4.2 50% －1s電壓跌落

電網(wǎng)電壓跌落50%持續(xù)時(shí)間為1 s時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組的端電壓、有功功率和無(wú)功功率變化曲線如圖6所示。

仿真結(jié)果表明:當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落5%持續(xù)時(shí)間1 s時(shí)，雙饋風(fēng)機(jī)端口電壓略有所下降保持在0.7 p.u.以上，電壓跌落期間風(fēng)機(jī)有功功率為0，并向電網(wǎng)提供了無(wú)功功率5 Mvar。電網(wǎng)電壓跌落期間，風(fēng)機(jī)能夠不脫網(wǎng)繼續(xù)運(yùn)行，電壓跌落消失后風(fēng)機(jī)端電壓能恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行的電壓水平。

4.3 80% －0.625 s電壓跌落

在電網(wǎng)電壓要求中跌落最為嚴(yán)重的情況下(電網(wǎng)跌落至0.2 p.u.，持續(xù)時(shí)間 625 ms)，雙饋風(fēng)電機(jī)組的端電壓、有功功率和無(wú)功功率變化曲線如圖7所示。

由圖7仿真結(jié)果可知:在電網(wǎng)電壓跌落最嚴(yán)重的情況下，風(fēng)機(jī)發(fā)出的無(wú)功功率為4.5 Mvar，待電網(wǎng)電壓恢復(fù)至額定值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠不脫網(wǎng)繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)端電壓恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行前電壓水平。

圖6 20% －3 s電壓跌落時(shí)風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)變化曲線

圖7 80% －625 ms電壓跌落時(shí)風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)變化曲線

5 結(jié)論

基于Matlab/Simulink建立了含雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真模型，參照風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力要求的規(guī)定，對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明:雙饋風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)能夠繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，待電壓跌落消失后能夠恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，滿足新的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。電壓跌落期間，風(fēng)機(jī)發(fā)出一定無(wú)功功率，其無(wú)功功率的大小與電網(wǎng)電壓跌落程度有關(guān)，也為電網(wǎng)電壓恢復(fù)提供了無(wú)功支撐。

［1]雷亞洲.與風(fēng)電并網(wǎng)的有關(guān)課題［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(8):84 －89.

［2]閆廣新，晁勤，劉新剛，等.并網(wǎng)型雙饋風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性仿真［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(24):63 －66.

［3]邢文琦，晁勤.不同風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力分析［J］.華東電力，2008，36(12):21 －25.

［4]操瑞發(fā)，朱武，涂祥寸，等.雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(9):72 －76.

［5]關(guān)宏亮，趙海翔，王偉勝，等.風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越功能及其應(yīng)用［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22(10):173－177.

［6]文玉玲，晁勤，吐爾遜·依布拉音，等.關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)適應(yīng)性繼電保護(hù)的探討［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2019，37(5):47－51.

［7]文玉玲，晁勤，吐爾遜·依布拉音.風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，32(14):15 －18.

［8]李晶，宋家驊，王偉勝.大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(6):101－105.

［9]Daniel J T，Andrew G，Jawad M K.Fixed － speed Wind －generator and Wind－park Modeling for Transient Stability Studies［J］.IEEE Trans on Power Systems，2004，19(4):1911－1917.