基于感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組研究

康會(huì)西 辛國權(quán)

（1.甘肅電投河西水電開發(fā)公司，甘肅 張掖734000；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州，450045）

隨著能源結(jié)構(gòu)過渡性轉(zhuǎn)變的步伐加快，各種新型能源不斷涌現(xiàn)在人們面前，與其他新能源相比，風(fēng)電具有很多優(yōu)勢，與常規(guī)發(fā)電相比更具有競爭力，如風(fēng)電的效率最高，可以高達(dá)50%左右。隨著風(fēng)電數(shù)量的急劇增加，常規(guī)發(fā)電為支持風(fēng)力發(fā)電而逐漸減少發(fā)電量，但風(fēng)電在對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行和控制方面存在的相關(guān)問題以待解決。風(fēng)電并網(wǎng)的相關(guān)問題已經(jīng)成為首要解決問題。風(fēng)電具有以下兩大特點(diǎn)：一是風(fēng)能固有的波動(dòng)性與隨機(jī)性，二是風(fēng)電機(jī)組中采用的感應(yīng)發(fā)電機(jī)與常規(guī)的同步發(fā)電機(jī)相差甚遠(yuǎn)。感應(yīng)發(fā)電機(jī)組是造成風(fēng)電機(jī)組不同的核心因素之一，因此分析感應(yīng)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行和控制具有重要意義。

1 基于感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組概述

1.1現(xiàn)如今，風(fēng)電機(jī)組概念的主要組成部分是基于感應(yīng)發(fā)電機(jī)的相關(guān)概括性術(shù)語?；诟袘?yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組是指使用感應(yīng)發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能供給電網(wǎng)。起初基于感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組使用的是定速、裝設(shè)轉(zhuǎn)子電路短路的常規(guī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)。

在20世紀(jì)70年代，丹麥?zhǔn)紫葘⒀b有常規(guī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定速風(fēng)電機(jī)組投入到商業(yè)性生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)的商業(yè)風(fēng)電機(jī)組的額定功率僅能達(dá)到20KW左右，隨著世界各國對(duì)風(fēng)電的大力開采與推廣，20世紀(jì)90年代，風(fēng)電機(jī)組的額定功率已經(jīng)可以超過1MW。風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)正在成為一項(xiàng)包含先進(jìn)風(fēng)力技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)及電力電子變頻技術(shù)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)。

1.2常規(guī)定速

最早的商業(yè)風(fēng)電機(jī)組使用的是轉(zhuǎn)子回路短路的感應(yīng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過軸系與風(fēng)電機(jī)組相連、發(fā)電機(jī)定子回路與電網(wǎng)之間用交流連接，這一概念被稱為定速概念。常規(guī)定速風(fēng)電機(jī)組在額定運(yùn)行時(shí)速度只能在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，通常情況下不超過2%，因此這一速度范圍又被稱為感應(yīng)發(fā)電機(jī)的電磁滑差。

1.3動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子電阻

裝有動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子電阻的感應(yīng)發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子回路與電力電子變頻器相連接，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）開關(guān)控制電力電子變頻器的運(yùn)行。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑差能連續(xù)運(yùn)行的前提是外部轉(zhuǎn)子電阻的動(dòng)態(tài)控制，轉(zhuǎn)差范圍在轉(zhuǎn)子回路短路的常規(guī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)滑差值到10%之間。

2 穩(wěn)定性研究用的感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型

2.1 電網(wǎng)故障類型

短時(shí)電壓穩(wěn)定地研究對(duì)象通常是指發(fā)生持續(xù)一段時(shí)間的某類短路故障的電網(wǎng)。研究的目標(biāo)是了解不同短路故障導(dǎo)致電壓跌落的數(shù)值，比如三相短路、兩相接地短路、單相接地短路和相間短路故障。表1列出了不同短路故障下故障點(diǎn)的正序殘留電壓典型值，此信息對(duì)應(yīng)用于用電網(wǎng)正序等值量的仿真工具研究短路時(shí)電壓的穩(wěn)定情況，如PSS/ETM就會(huì)用到。

表1 各類短路故障時(shí)零阻抗故障節(jié)點(diǎn)的正序殘留電壓表

2.2 電流暫態(tài)量

通常情況下，研究短路電壓穩(wěn)定時(shí)，感應(yīng)發(fā)電機(jī)采用三階簡化模型來表示，依據(jù)是在這類研究中同步發(fā)電機(jī)表達(dá)方式的經(jīng)驗(yàn)及同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定地關(guān)系。轉(zhuǎn)子角度是發(fā)電子轉(zhuǎn)子的積分，就動(dòng)態(tài)穩(wěn)定及轉(zhuǎn)子角度的關(guān)系而論，常態(tài)性能比轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)性能更重要。發(fā)電機(jī)電流幅值的準(zhǔn)確預(yù)測對(duì)發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)相當(dāng)重要。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組因發(fā)電機(jī)電流暫態(tài)值過大而存在保護(hù)性切機(jī)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，三階簡化模型并不一定總是正確地［1］。

2.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量

感應(yīng)發(fā)電機(jī)在短路故障期間的電壓變化與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)性能有密切關(guān)系。感應(yīng)發(fā)電機(jī)三階簡化模型預(yù)測的該類發(fā)電機(jī)加速度將偏大，因?yàn)楣收习l(fā)生后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速立即增加。而對(duì)于五階暫態(tài)模型，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)入短路故障時(shí)帶一個(gè)感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子磁通制動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)產(chǎn)生凹陷，導(dǎo)致感應(yīng)發(fā)電機(jī)的加速度隨之減小。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)性能運(yùn)動(dòng)方程：

由上式可以看出，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響會(huì)產(chǎn)生作用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速wG的電氣轉(zhuǎn)矩TE的第一個(gè)暫態(tài)尖峰，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速wG與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性常數(shù)HG有關(guān)［1］。

3 基于轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)電阻的感應(yīng)發(fā)電機(jī)

基于轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)電阻是指感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電路與外部轉(zhuǎn)子電阻REXT的串聯(lián)。此外部轉(zhuǎn)子電阻數(shù)值由電力電子變換器控制在給定范圍內(nèi)，由于它的動(dòng)態(tài)變化使風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)部分變速運(yùn)行。

3.1 最優(yōu)滑差

要使傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩及電力輸出的波動(dòng)最小，就要使用最優(yōu)滑差控制的感應(yīng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行于最優(yōu)滑差的條件。所謂的變滑差發(fā)電機(jī)就是用這種方法控制的感應(yīng)發(fā)電機(jī)。

3.2 功率和轉(zhuǎn)速

槳距角會(huì)智能的根據(jù)風(fēng)速進(jìn)行控制，當(dāng)并入電網(wǎng)的變滑差發(fā)電機(jī)輸出功率低于額定值時(shí)，槳距角會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速加以控制。在此運(yùn)行方式下，根據(jù)風(fēng)速通過設(shè)置槳距控制可以使輸出的機(jī)械功率達(dá)到最大。通過改變功率基準(zhǔn)值來控制變滑差發(fā)電機(jī)的功率，其中功率基準(zhǔn)值取決于實(shí)際滑差。

風(fēng)速的波動(dòng)性導(dǎo)致發(fā)電子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子電流快速控制器把轉(zhuǎn)子電流和有功功率維持在恒定值。當(dāng)實(shí)時(shí)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑差會(huì)低于2%，根據(jù)變滑差發(fā)電機(jī)的功率基準(zhǔn)線可以確定功率基準(zhǔn)值。當(dāng)實(shí)時(shí)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子滑差高于2%，功率基準(zhǔn)值維持在額定功率水平線附近。

3.3 一般表示方法

在裝有雙停運(yùn)感應(yīng)發(fā)電機(jī)和DRR控制的槳距控制風(fēng)電機(jī)組，一般表示方法受該風(fēng)電機(jī)組如何對(duì)網(wǎng)內(nèi)短路事故的響應(yīng)方式影響。一般表示方法包括以下幾種：①感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型，包括基頻暫態(tài)表達(dá)式和轉(zhuǎn)子電路。②軸系兩質(zhì)塊模型。③通用槳距控制模型。④DRR通用控制模型。⑤含有閉鎖變頻器和風(fēng)電機(jī)組從電網(wǎng)解列的保護(hù)系統(tǒng)模型。⑥閉鎖和重啟變頻器而無須切除風(fēng)電機(jī)組功能的保護(hù)系統(tǒng)模型［1］。

3.4 無功補(bǔ)償

由于DRR控制不能控制無功功率，只能根據(jù)發(fā)電機(jī)滑差來調(diào)節(jié)相應(yīng)的有功功率，因此帶DRR控制的雙停運(yùn)感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要從電網(wǎng)獲得勵(lì)磁，即從電網(wǎng)吸收無功功率以進(jìn)行無功補(bǔ)償。為改善此風(fēng)電機(jī)組的短時(shí)電壓穩(wěn)定性和故障穿越能力，筆者建議使用SVC單元的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

4 基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組

4.1基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（doubly fed inductiongenerator，DFIG）的變速風(fēng)電機(jī)組由于具有變速運(yùn)行的特性，能提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲并減小風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部件所受應(yīng)力［2-3］。將電力電子變頻器控制的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)運(yùn)用到風(fēng)電機(jī)組中可以實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路饋入轉(zhuǎn)子變換器后使之運(yùn)行，相當(dāng)于在轉(zhuǎn)子回路中串接一個(gè)外部電壓相量，可以通過控制該電壓相量使轉(zhuǎn)子回路的電氣頻率達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)速。在電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，為了使輸出功率更加優(yōu)良，轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，這就是為何要用電子回路變頻的原因。文獻(xiàn)［3-6］研究了基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及勵(lì)磁控制策略，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率的解耦控制。

4.2磁路飽和

磁路飽和說明磁通與繞組電流之間的關(guān)系為非線性關(guān)系，繞組產(chǎn)生過電流時(shí)會(huì)導(dǎo)致磁路飽和。繞組暫態(tài)過電流的情況可以引起磁路飽和效應(yīng)，之后產(chǎn)生高次諧波，而電網(wǎng)的頻率是基頻，產(chǎn)生的高次諧波有可能會(huì)影響到變頻器的IGBT開關(guān)。當(dāng)電壓大幅度跌落且殘壓為20%時(shí)，高次諧波會(huì)使暫態(tài)電流增加到4%左右。當(dāng)轉(zhuǎn)子回路的電壓和基頻暫態(tài)過電流嚴(yán)重跌落直至觸發(fā)變頻器保護(hù)動(dòng)作時(shí)，磁路飽和效應(yīng)會(huì)在發(fā)電機(jī)電流中表現(xiàn)出來。

4.3機(jī)械系統(tǒng)模型

基于DFIG的變速風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部分包含氣動(dòng)風(fēng)輪、軸系和槳距角控制，其中風(fēng)輪的最優(yōu)輸出是通過變速運(yùn)行及使用槳距角控制來實(shí)現(xiàn)的。目前，大多數(shù)變速風(fēng)電機(jī)組的槳距角控制通常采用的是離散控制（也叫數(shù)字控制），處理采樣保持時(shí)間約為幾十毫秒的采樣值。在研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)候，通常用適當(dāng)?shù)倪B續(xù)控制系統(tǒng)來模擬這種離散控制系統(tǒng)，最常見的系統(tǒng)為含拉普拉斯傳遞函數(shù)的控制系統(tǒng)。軸系扭震會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定而發(fā)生波動(dòng)，但是只要保證變頻器控制處于運(yùn)行狀態(tài)就不會(huì)影響到電網(wǎng)電壓特性。有功功率和轉(zhuǎn)子電流幅值都會(huì)隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生一定的波動(dòng)，這種隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)可能導(dǎo)致變頻器電流接近其極限值，從而進(jìn)一步限制變頻器在電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)保持其他的控制能力［1］。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障使變頻器閉鎖時(shí)，其控制能力也就相應(yīng)的消失了，同時(shí)投入轉(zhuǎn)子短路棒進(jìn)行保護(hù)，比如轉(zhuǎn)子回路通過短路棒短接。在這種情況下，發(fā)電機(jī)的特性與常規(guī)發(fā)電機(jī)一樣，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)電壓波動(dòng)之間存在耦合關(guān)系。因此，變速風(fēng)電機(jī)組與基于常規(guī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組無差別，都應(yīng)使用兩質(zhì)塊模型。

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