雙饋風(fēng)機(jī)組電壓跌落發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)與研究

張 楠

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

雙饋風(fēng)機(jī)組電壓跌落發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)與研究

張 楠

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

文章研究了雙饋風(fēng)電機(jī)組電壓跌落發(fā)生裝置的原理，并對(duì)不同的電壓跌落發(fā)生裝置的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了研究及比較，確立了阻抗形式的VSG方案，為進(jìn)一步解決電網(wǎng)故障期間由于電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落造成電壓無法恢復(fù)的問題，并通過仿真驗(yàn)證了電壓跌落發(fā)生器的有效性和可行性。

風(fēng)力發(fā)電；雙饋電機(jī)；電壓跌落發(fā)生器；低電壓穿越

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速,人類對(duì)能源的依賴與需求日益強(qiáng)烈。從可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)來看,風(fēng)能作為一種可再生能源,具有綠色無污染、無需燃料運(yùn)輸和灰渣處理，并且取之不盡用之不竭的特點(diǎn),已受到越來越多國家的高度重視[1-2]。

1 雙饋風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及原理

雙饋型風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu),見圖1。由風(fēng)輪機(jī)、齒輪箱、雙饋電機(jī)、變流器、變壓器、電網(wǎng)等構(gòu)成。雙饋電機(jī)的定子直接與電網(wǎng)相連,轉(zhuǎn)子通過雙向背靠背變流器與電網(wǎng)相連。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器是一個(gè)整流級(jí)電路,將輸入的三相電壓轉(zhuǎn)換為中間直流電壓,網(wǎng)側(cè)變換器是一個(gè)逆變級(jí)電路，將輸入的中間直流電壓轉(zhuǎn)換為雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子輸入電壓[3-4]。

控制器通過逆變器對(duì)雙饋電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁控制實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制目標(biāo)。整流器與逆變器配合實(shí)現(xiàn)變壓變頻功能。中間直流電容作為網(wǎng)側(cè)變換器與轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的聯(lián)接橋梁,穩(wěn)定中間直流電壓,緩沖能量傳輸。作為一種繞線式異步電機(jī),雙饋電機(jī)的定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)頻率相同,并且

ωs=ωr+ωsl。

其中,ωs是定子旋轉(zhuǎn)電角頻率；ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度對(duì)應(yīng)的電角頻率；ωsl為轉(zhuǎn)差角頻率。在發(fā)電系統(tǒng)中,ωs通常維持恒定不變；而ωr隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而變化；ωsl是轉(zhuǎn)子電流和電壓的頻率。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而不斷變化,即ωr是個(gè)不定量,它的大小會(huì)隨風(fēng)速而改變,若想得到恒定頻率的電量,即保持ωs恒定不變,只有通過變頻器控制，ωsl的大小也隨著ωr改變而改變,使這兩個(gè)量的和為一恒定量,這就是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理[5-6]。

2 電壓跌落發(fā)生器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本研究綜合考慮了電壓跌落發(fā)生器的研發(fā)周期、成本和實(shí)用性,最后決定采用基于阻抗形式的電壓跌落發(fā)生器。本節(jié)將對(duì)本文所采用的VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)原則來進(jìn)行詳細(xì)研究,并在后面給出相應(yīng)的仿真波形,使用的電網(wǎng)電壓跌落發(fā)生器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),見圖2。

圖2所示VSG結(jié)構(gòu)的工作原理：當(dāng)風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),S1導(dǎo)通,S2斷開,電網(wǎng)直接向負(fù)載供電；當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí),S1斷開,S2導(dǎo)通,其次根據(jù)要求的電壓跌落深度來選擇開關(guān)S3與S4的閉合和開通狀態(tài)[7-8]。

圖1 雙饋型風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 電網(wǎng)電壓跌落器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 電壓跌落發(fā)生器的設(shè)計(jì)與控制

在設(shè)計(jì)阻抗型VSG時(shí),設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下[9]：

1）在電壓跌落期間和恢復(fù)后,DFIG系統(tǒng)的電壓必須在95％以上。

2）測(cè)試點(diǎn)的短路容量必須大于5倍的風(fēng)機(jī)的額定功率。

以下為阻抗Z1，Z2，Z3的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為了滿足第一個(gè)準(zhǔn)則,各阻抗之間需要滿足以下關(guān)系：

Z1+Z2+Z3≥0.95（Znet+Z1+Z2+Z3）。

其中,Znet是電網(wǎng)的短路阻抗,可以通過下式計(jì)算：

Znet=U2s／SC。

式中Us表示電網(wǎng)電壓,SC表示測(cè)試點(diǎn)的容量。為滿足上面提到的第二個(gè)準(zhǔn)則,即：

SC≥5SDFIG，

同時(shí)阻抗必須滿足下式：

其中SDFIG表示雙饋電機(jī)的額定容量。

圖2所示的拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)兩種深度的電壓跌落,設(shè)計(jì)要求電壓跌落深度為20％，80％，100％三檔,若S1和S4斷開,S2和S3閉合,電壓跌落度為20％；若S1，S2，S3閉合,S4斷開,電壓跌落度為80％；若S1斷開,S2，S3，S4閉合,電壓跌落度為100％,因此Z1，Z2，Z3需要滿足如下關(guān)系：

｜Znet+Z1+Z2+Z3｜=1.25｜Znet+Z3｜，

｜Znet+Z1+Z2｜=5｜Znet+Z3｜。

4 電網(wǎng)接地故障及仿真波形

4.1 單相接地故障

在仿真過程中假設(shè)故障發(fā)生在0.4 s～0.6 s期間,持續(xù)時(shí)間為0.2 s。得到雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓運(yùn)行時(shí)的響應(yīng)特性：網(wǎng)側(cè)電流、電壓；機(jī)側(cè)電流；直流電壓；網(wǎng)側(cè)功率、機(jī)側(cè)功率；無功功率；電機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩。

圖3 網(wǎng)側(cè)電壓、電流、機(jī)側(cè)電流波形

圖3為并網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流以及電機(jī)側(cè)的電流波形。從圖中可以看出,0.4 s～0.6 s在故障期間電網(wǎng)A相電壓大幅度下降；并網(wǎng)電流峰值最大相的電流始終以1 400 A的極限能力輸出,另外兩相的電流幅值小于最大相；電機(jī)側(cè)的控制目標(biāo)轉(zhuǎn)換到控制直流電壓上來后,為保證直流電壓的穩(wěn)定,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩將減少,電機(jī)側(cè)電流減少。

圖4 直流電壓、網(wǎng)側(cè)與機(jī)側(cè)功率波形

圖4所示,電機(jī)側(cè)電磁功率曲線與并網(wǎng)側(cè)輸出功率曲線基本吻合,基本消除了穿越過程中功率不平衡問題,直流電壓波動(dòng)非常小,變流系統(tǒng)安全穿越電網(wǎng)故障。在電網(wǎng)故障期間,電機(jī)側(cè)的電磁轉(zhuǎn)矩將小于風(fēng)機(jī)的機(jī)械輸入轉(zhuǎn)矩,這兩個(gè)轉(zhuǎn)矩之差將使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子加速,使轉(zhuǎn)子速度從750 r/min加速到825 r/min,故障穿越過程中的不平衡能量被轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的動(dòng)能儲(chǔ)存起來。0.6 s后電網(wǎng)電壓恢復(fù),此時(shí)電機(jī)側(cè)變換器以某一恒定極限功率輸出,以網(wǎng)側(cè)變換器所能接受的功率去釋放在故障穿越過程中儲(chǔ)存的電機(jī)動(dòng)能,直到轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩波形

由圖5可以看出,此時(shí)電機(jī)的速度將緩慢下降,大約在0.85 s時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)在故障期間積累的動(dòng)能釋放完畢,電機(jī)速度重新回到750 r/min的額定狀態(tài),若不記能量損耗,面積S1將等于面積S2,電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩之差在電機(jī)加速和降速過程中的沖量大小相等,方向相反。

4.2 三相接地短路故障

圖6 網(wǎng)側(cè)電壓、電流、機(jī)側(cè)電流波形

三相電網(wǎng)故障一般為電力系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障,在此期間三相電壓均大幅跌落,對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響最大,由于故障過程中儲(chǔ)存的動(dòng)能較多,變流器過載恢復(fù)時(shí)間較長,故將仿真時(shí)間設(shè)為1.2 s。

由圖6可以看出,由于電網(wǎng)側(cè)發(fā)生嚴(yán)重的三相故障,三相電網(wǎng)電壓跌落了50％以上,網(wǎng)側(cè)變流器三相均以最大電流值1 400 A進(jìn)行有功功率輸出,但由于并網(wǎng)功率仍然很小,機(jī)側(cè)電流下降到400 A左右。并網(wǎng)功率下降到了500 k w,為保持中間直流電壓的穩(wěn)定,電機(jī)側(cè)變流器功率輸出值也下降很多,約為500 k w，見圖7。

圖7 直流電壓、輸出功率、電磁功率波形

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩波形

由圖8可以看出電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩小于其他兩種故障時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩,應(yīng)此電機(jī)轉(zhuǎn)速上升更快,在故障恢復(fù)之前達(dá)到880 r/min,故障恢復(fù)后,轉(zhuǎn)子動(dòng)能的釋放過程也更長。大約在1.05 s左右變流器的過載狀態(tài)消失,風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)入故障前的正常運(yùn)行狀態(tài)。

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〔責(zé)任編輯 石白云〕

Design and Research of Voltage Drop Generating Device in Doubly-fed Wind Generator

ZHANG Nan
（School of Coal Engineering，ShanxiDatong University,Datong Shanxi，037003）

This paper briefly introduces the double-fed wind turbine system structure and operating principle,and doubly-fed motormathematicalmodeling.Then it focuses on the principle of voltage sag generator and different voltage drop generating device（impedance form,form transformers,power electronics conversion form）whose advantages and disadvantages are compared,the final form of VSG impedance is established program.To further address the grid voltage during grid faults which cause severe voltage drop problem can not be restored,and finally the voltage dip generator＇s effectiveness and feasibility are verified by simulation.

wind power；DFIG；voltage dip generator；LRVT

TP393

A

2013-03-08

張楠（1981-）,男,山西大同人,碩士,講師,研究方向：監(jiān)控系統(tǒng)。

1674－0874（2013）05－0072－03