直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)仿真分析

【摘要】本篇文章主要是以Matlab/Simulink來(lái)作為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真模型的建立基礎(chǔ)，在這其中主要涉及到發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、全功率PWM變流器、控制系統(tǒng)等多個(gè)不同。進(jìn)而著重在這一模型基礎(chǔ)上，對(duì)于直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)的仿真分析進(jìn)行了全面詳細(xì)的探討，以期為我國(guó)風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；直驅(qū)式；變流器；低電壓穿越

引言

在近幾年電能需求不斷增大的情況下，我國(guó)一直在不斷的尋求更加健康的電能來(lái)源，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)便是其中極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。如今風(fēng)電技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)迅猛發(fā)展時(shí)期，在電能供應(yīng)源頭中所呈現(xiàn)出的占比在不斷的增加，但在實(shí)際使用期間，如果由于故障現(xiàn)象而直接切斷和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的連接，那么可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓跌落，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)的失穩(wěn)問(wèn)題。因此，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要維持電網(wǎng)連接，進(jìn)而為電網(wǎng)提供無(wú)功支持。下文通過(guò)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的完整仿真模型建立，來(lái)利用其模型對(duì)低電壓穿越技術(shù)進(jìn)行了仿真分析。

1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的建立

1.1功率主回路的仿真模型

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)本身所呈現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)體系極為簡(jiǎn)便，并且能夠有效的對(duì)于各方面成本加以維護(hù)，而高可靠性，便是風(fēng)力發(fā)電體系運(yùn)行過(guò)程中所必須要引起重視的關(guān)鍵所在。本篇文章所分析的直驅(qū)型發(fā)電系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)模型、PWM整流器、逆變器、等效電網(wǎng)等幾個(gè)關(guān)鍵部分構(gòu)成。

公式1

其中風(fēng)機(jī)模型依照公式（1）建立，式中ρ為空氣密度；R為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子半徑；β為槳距角；葉尖速比λ=ωmR/Vw，ωm為風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速，Vw為風(fēng)速；Cp為與槳距角β和葉尖速比λ有關(guān)的功率系數(shù)。對(duì)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)與電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算出同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

1.2網(wǎng)側(cè)變流器的控制

將電網(wǎng)電壓定向在d軸上，則d、q軸分別對(duì)應(yīng)變流器有功與無(wú)功分量，調(diào)節(jié)電流矢量在d、q軸上的分量即可獨(dú)立控制變流器有功與無(wú)功功率，調(diào)節(jié)有功功率的流動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定作用。網(wǎng)側(cè)變流器在d-q軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

式中Rg、Lg為網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)線電抗器電阻和電感；ugd、ugq分別為電網(wǎng)電壓；d、q軸分量；ωg為電網(wǎng)同步角速度。直流電容電壓偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到網(wǎng)側(cè)電流igd的給定量，igq對(duì)應(yīng)于網(wǎng)側(cè)無(wú)功需求。內(nèi)環(huán)igd、igq偏差量經(jīng)PI調(diào)節(jié)后加上耦合電壓補(bǔ)償量即得網(wǎng)側(cè)變流器d、q軸控制電壓分量ugd和ugq，最后經(jīng)空間矢量調(diào)制得到網(wǎng)側(cè)變流器PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2 仿真與分析

本文通過(guò)對(duì)于Matlab/Simulink系統(tǒng)的應(yīng)用，來(lái)搭建了相應(yīng)的仿真模型，網(wǎng)側(cè)位置的控制系統(tǒng)本身始終維持著良好的直流電壓穩(wěn)定體系，系統(tǒng)運(yùn)行的單位功率因素所涉及到的相關(guān)參照標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際上必須要針對(duì)系統(tǒng)通過(guò)20%、625ms的網(wǎng)側(cè)電壓跌落現(xiàn)象，來(lái)作為低電壓穿越特性的實(shí)際測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系。

系統(tǒng)本身在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，其0.2s的時(shí)間段會(huì)出現(xiàn)電壓的跌落現(xiàn)象，而在這一過(guò)程中，網(wǎng)側(cè)電壓將會(huì)直接跌落到原本電壓級(jí)別的20%左右，這主要就是為了能夠最大限度的確保功率在輸出網(wǎng)側(cè)之上，其電流所表現(xiàn)出的一定程度提升，但是其本身在遭受到功率器件會(huì)發(fā)熱的負(fù)面條件限制影響之后，網(wǎng)測(cè)電流便無(wú)法在這一過(guò)程中達(dá)到無(wú)限放大的效果。通常情況下，過(guò)載電流會(huì)直接將其限制影響，標(biāo)準(zhǔn)在兩倍額定電流參數(shù)以下，那么在這方面的情況下，網(wǎng)側(cè)的輸出功率，便能夠在一定程度上得以下降，而在這一過(guò)程中的相關(guān)多余功率，也就必然會(huì)在直流母線上所存在的電容器件加以累積，進(jìn)而推動(dòng)直流電壓持續(xù)上升的情況發(fā)生，最終引發(fā)直流側(cè)過(guò)電壓狀況。

即便是相應(yīng)的故障在完全消失，并且電壓也完全恢復(fù)正常之后，也同樣會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)側(cè)電流本身無(wú)法突變的特性，以及直流電容上所累積起的大量電能都需要進(jìn)行釋放處理，那么就必然會(huì)使得在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段中，內(nèi)網(wǎng)側(cè)實(shí)際呈現(xiàn)出的輸出功率本身，都必然會(huì)出現(xiàn)大幅度的超調(diào)現(xiàn)象，但在這期間，直流電容、電壓則能夠穩(wěn)步的下降，并且沒(méi)有出現(xiàn)任何極為明顯的變化，但必須要長(zhǎng)周期的時(shí)間段進(jìn)行調(diào)速處理之后，才得以逐漸的恢復(fù)到正常狀態(tài)下。從這方面可以明顯看出的是，仿真過(guò)程中電機(jī)本身所表現(xiàn)出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速都沒(méi)有任何明顯的欺負(fù)，那么從這方面也就能夠明顯的看出，網(wǎng)側(cè)本身在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出的電壓跌落現(xiàn)象，實(shí)際上對(duì)于電機(jī)側(cè)并沒(méi)有較大的影響，這也有效的體現(xiàn)出了直流側(cè)本身具備的優(yōu)異隔離效果，從某種程度上來(lái)說(shuō)，這遠(yuǎn)比傳統(tǒng)電機(jī)定子直接并網(wǎng)中的雙饋風(fēng)力發(fā)電來(lái)說(shuō)，有著更加突出的優(yōu)勢(shì)性。

3 結(jié)論

綜上所述，在如今全新的風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)章中，明確要求風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行的過(guò)程中，必須要具備良好的低電壓穿越效果，而本篇文章所表現(xiàn)出的仿真分析結(jié)果能夠看出，直驅(qū)型風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，表現(xiàn)出了極為優(yōu)秀的低電壓穿越能力，而在電機(jī)側(cè)位置上，其本身卻并沒(méi)有受到網(wǎng)側(cè)電壓跌落現(xiàn)象所造成的影響，其可靠性完全滿(mǎn)足了風(fēng)力發(fā)電需求。而要使得卸荷電路得以對(duì)直流側(cè)電壓抑制過(guò)程中的低電壓穿越能力進(jìn)行提升，就必須要通過(guò)電壓恢復(fù)、完善的卸荷電路投切等方面措施，來(lái)滿(mǎn)足各方面標(biāo)準(zhǔn)需求。