雙饋風(fēng)機低電壓穿越研究

陳達

（臺州電業(yè)局輸電運檢工區(qū)，浙江臨海 317000）

雙饋風(fēng)機低電壓穿越研究

陳達

（臺州電業(yè)局輸電運檢工區(qū)，浙江臨海 317000）

低電壓穿越已經(jīng)成為雙饋風(fēng)機大規(guī)模并網(wǎng)的一個瓶頸。建立了雙饋風(fēng)機的數(shù)學(xué)模型，分析了電網(wǎng)電壓驟降對雙饋風(fēng)機產(chǎn)生的影響，提出將雙饋風(fēng)機直流側(cè)電容通過雙向并聯(lián)的二極管與太陽能發(fā)電站直接相連，以提高雙饋風(fēng)機低電壓穿越的能力，進而增強電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，使用該方法可以達到預(yù)期目標(biāo)。

雙饋風(fēng)機；低電壓穿越；雙向并聯(lián)二極管；太陽能發(fā)電站；穩(wěn)定性

0 引言

隨著能源消耗的日益增長和環(huán)境的不斷惡化，世界多國已把可再生、無污染的新型清潔能源作為可持續(xù)發(fā)展的重點。風(fēng)能是一種取之不盡、無污染、具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的能源，而且風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組（以下簡稱雙饋風(fēng)機）在風(fēng)力發(fā)電中得到廣泛應(yīng)用，主要是因為風(fēng)力發(fā)電機能通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁、相位、幅值實現(xiàn)雙饋風(fēng)機的變速恒頻，同時能夠?qū)﹄p饋風(fēng)機有功、無功的輸出進行有效控制，從而進一步增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

但雙饋風(fēng)機的控制系統(tǒng)受電網(wǎng)電壓波動的影響較大。當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時，雙饋風(fēng)機不能對其輸出的有功、無功進行有效控制，使得電網(wǎng)電壓情況進一步惡化，嚴重時會導(dǎo)致整個風(fēng)電場拖網(wǎng)，造成局部電網(wǎng)癱瘓。因此，低電壓穿越已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)的瓶頸。目前采用的低電壓穿越方法主要有直流側(cè)Crowbar及變漿距等。

直流側(cè)Crowbar是利用電阻將直流電容的能量消耗掉，其缺點是：當(dāng)電網(wǎng)電壓波動引起直流電容電壓降低時，不能維持電容電壓的穩(wěn)定性。

變漿距的缺點主要是：當(dāng)電網(wǎng)動蕩時，需要額外的儲備電源對變漿距裝置進行啟動。

本文提出了采用雙饋風(fēng)機直流電容側(cè)與太陽能發(fā)電站相結(jié)合的方式來提高風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越的能力，以達到雙饋風(fēng)機大規(guī)模并網(wǎng)的目的。

1 雙饋風(fēng)機的數(shù)學(xué)模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其等值電路如圖2所示。圖中：下標(biāo)s，r和g分別表示發(fā)電機定子側(cè)、發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變頻器（GSC）交流側(cè)的參數(shù)；RSC為轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器；DFIG為雙饋風(fēng)力發(fā)電機。

圖1 雙饋風(fēng)機模型

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等效電路

1.1 RSC數(shù)學(xué)模型

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，當(dāng)d軸定向于定子電壓時，電機的電壓方程可表示為

其中：

穩(wěn)態(tài)運行條件下，忽略定子電阻，由式（1）可得

將式（4）代入式（3）可得

將式（5）、或（6）和式（3）代入式（2），整理得到轉(zhuǎn)子電流的狀態(tài)方程

式中：ωslip＝ωs-ωr為轉(zhuǎn)差角速度；σ＝1-L2m／（LsLr）為電機的漏磁系數(shù)，Ls＝Lsσ+Lm，Lr＝Lrσ+ Lm，其中Lm遠大于Lsσ，Lrσ；Ψs，Ψr為定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?；Is，Ir為定、轉(zhuǎn)子電流矢量。

發(fā)電機定子輸出的功率

可見，通過控制轉(zhuǎn)子電流ird和irq可以實現(xiàn)對定子繞組有功功率和無功功率的解耦控制。而對轉(zhuǎn)子電流ird和irq的控制是通過RSC輸出電壓urd和urq的控制間接實現(xiàn)的。

1.2 GSC數(shù)學(xué)模型

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，d軸以電網(wǎng)電壓定向，則GSC交流側(cè)的數(shù)學(xué)模型可表示為

忽略Rg和變頻器上的功率損耗，GSC交直流側(cè)的有功功率平衡，即

由式（12）可得

2 電網(wǎng)電壓驟降對雙饋風(fēng)機的影響分析

按照定子短路故障下的電機瞬態(tài)分析方法，將式（3）代入式（2）并進行拉普拉斯變換可得DFIG定、轉(zhuǎn)子瞬態(tài)短路電感為LL即短路故障發(fā)生瞬間，定子電樞反應(yīng)磁通和轉(zhuǎn)子勵磁磁通經(jīng)過定、轉(zhuǎn)子漏磁路，如圖3所示。

圖3 等效回路

將式（12）代入式（3）式可得

由式（15）可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時，定子側(cè)磁鏈來不及變化，而轉(zhuǎn)子側(cè)磁鏈非常小，這使得Is，Ir迅速變大［7-12］。

3 雙饋風(fēng)機udc的控制策略

電網(wǎng)電壓驟降之后，DFIG的定子繞組中將產(chǎn)生很大的電流，又由于定、轉(zhuǎn)子之間存在電磁耦合作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流增大，轉(zhuǎn)子電流流過直流電容，即使轉(zhuǎn)子側(cè)變流脈沖器封鎖，電流也會流過反向二極管給直流電容充電。又因為網(wǎng)側(cè)電壓的波動，致使對電容電壓udc的控制能力減弱，直流電容上過剩的能量不能及時輸送到電網(wǎng)，電容電壓迅速上升，嚴重時將導(dǎo)致電容損毀。

本文針對雙饋風(fēng)機直流電容電壓穩(wěn)定性的問題，提出采用雙饋風(fēng)機的直流電容與太陽能發(fā)電站通過雙向并聯(lián)的二極管直接相連（如圖4所示）的形式以提高udc的穩(wěn)定性。

圖4 直流側(cè)電容與太陽能發(fā)電站連接示意

當(dāng)udc高于1 200 V時，二極管導(dǎo)通，電能由udc流向太陽能發(fā)電站，太陽能發(fā)電站再將能量直接輸送給用戶，同時雙饋風(fēng)機向系統(tǒng)發(fā)出無功，以增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性。當(dāng)udc低于1 200 V時，電能由太陽能發(fā)電站流向udc，以使udc電壓保持恒定。從而使轉(zhuǎn)子側(cè)的勵磁電流在電網(wǎng)電壓波動的情況下得到有效控制。

利用太陽能發(fā)電站提高雙饋風(fēng)機的低電壓穿越能力主要因為太陽能發(fā)電站具有以下特點：（1）太陽能發(fā)電站具有儲能裝置；（2）太陽能發(fā)電站電壓比較穩(wěn)定；（3）太陽能發(fā)電分為直流和交流2種系統(tǒng)；（4）太陽能發(fā)電性能穩(wěn)定，使用壽命長；（5）太陽能分布極其廣泛。

4 仿真驗證

為了驗證所提控制策略的優(yōu)越性，本文在Matlab／Simulink下進行了仿真試驗。本文選取額定功率為1.5MW的風(fēng)機為研究對象，其主電路參數(shù)如下：發(fā)電機有功功率P＝1.5MW，功率因數(shù)cosθ＝0.9，極對數(shù)p＝3，定子側(cè)線電壓us＝Eg＝690 V，電網(wǎng)頻率f＝50 Hz，定子側(cè)電阻、電感標(biāo)幺值分別為Rs＝0.023，L1s＝0.0180，轉(zhuǎn)子側(cè)電阻電感標(biāo)幺值分別為Rr＝0.016，L1r＝0.160，互感標(biāo)幺值Lm＝2.900，網(wǎng)側(cè)變換器進線電阻標(biāo)幺值Rg＝0.03，進線電抗標(biāo)幺值Lg＝0.300，直流側(cè)電容C＝0.01 F，直流側(cè)電壓udc＝1200V。將雙饋風(fēng)機與容量為1MW，直流輸出母線電壓為1 200 V的光伏發(fā)電通過雙向并聯(lián)的二極管直接相連。

基本風(fēng)速為10m／s，雙饋風(fēng)機在運行3 s后，定子側(cè)A相發(fā)生短路，故障時間為0.7 s，仿真結(jié)果如圖5所示，圖中Pu為額定功率。

圖5 仿真結(jié)果

圖5a說明，雙饋風(fēng)機故障后，定子側(cè)有功功率輸出減少。圖5b說明，雙饋風(fēng)機發(fā)生故障后，雙饋風(fēng)機的無功功率輸出增加，以維持機端電壓的穩(wěn)定。圖5c說明，在雙饋風(fēng)機故障的情況下，雙饋風(fēng)機的直流電容電壓能夠保持穩(wěn)定，保證雙饋風(fēng)機的正常運行。圖5d說明，故障消除后機端電壓能夠很快穩(wěn)定下來。

5 結(jié)論

通過對仿真結(jié)果的分析表明，雙饋風(fēng)機直流側(cè)電容通過雙向并聯(lián)的二極管直接與太陽能發(fā)電站相連能夠提高雙饋風(fēng)機低電壓穿越能力，保證了電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行。

［1］閆廣新，李江，張峰，等.變速雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越功能仿真［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（6）：49-52.

［2］李建林，趙棟利，李亞西，等.適合于變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機的Crowbar對比分析［J］.可再生能源，2006（5）：57-60.

［3］楊淑英.雙饋型風(fēng)力發(fā)電變流器及其控制［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［4］李建林，許鴻雁，梁亮，等.VSCF-DFIG在電壓瞬間跌落下的應(yīng)對策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（19）：65-68.

［5］李建林，趙棟利，李西亞，等.適合于變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機的Crowbar對比分析［J］.可再生能源，2006（5）：57-60.

［6］張興，張龍云，楊淑英，等.風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2008，20（2）：1-8.

［7］賀益康，周鵬.變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（9）：140-146.

［8］李輝，唐顯虎，劉志祥，等.5MW雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越的仿真分析［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2010，26（12）：75-81.

［9］李東東，陳陳.風(fēng)力發(fā)電機組動態(tài)模型研究［J］.中國電機學(xué)報，2005，25（3）：115-119.

［10］李輝，李順昌，廖勇.并網(wǎng)雙饋發(fā)電機電網(wǎng)電壓定向勵磁控制的研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2003，23（8）：159-162.

［11］JAVIER JUANARENA SARAGUETA，JOSE LIORENTE GONZAIEZ.Control and protection of a doubly-fed induction generator system：UnitedStates.US2006／0192390 A1［P］.2006-08-31.

［12］PETERSSON A，LUNDBERG S，THIRINGER T.A DFIG wind turbine ride-through system，influence on the energy production［J］.Wind Energy，2005，8（3）：251-263.

（本文責(zé)編：白銀雷）

TM 614

：A

：1674-1951（2015）06-0025-03

陳達（1981—），男，河北安國人，工程師，從事輸電運檢方面的工作（E-mail：chenda.1981＠163.com）。

2014-06-16；

2015-05-15