雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)特性仿真研究

穆星星，唐　美

(1．重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院， 重慶　永川　402160； 2．重慶遠(yuǎn)風(fēng)機(jī)械有限公司， 重慶　萬(wàn)州　404020)

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雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)特性仿真研究

穆星星1，唐美2

(1．重慶文理學(xué)院電子電氣工程學(xué)院， 重慶永川402160； 2．重慶遠(yuǎn)風(fēng)機(jī)械有限公司， 重慶萬(wàn)州404020)

[摘要]為確保并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Double Fed Induction Generator，DFIG)在系統(tǒng)電壓驟降和短路故障下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，在分析雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整體模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用槳距角控制策略，通過(guò)調(diào)節(jié)葉片與風(fēng)向的夾角，降低風(fēng)力機(jī)組輸出的機(jī)械功率，控制發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率，改善其并網(wǎng)特性以確保并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行.最后，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上搭建模型進(jìn)行仿真計(jì)算.仿真結(jié)果表明了雙饋風(fēng)電機(jī)組具有一定的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力，從而驗(yàn)證了控制策略的有效性，體現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的貢獻(xiàn).

[關(guān)鍵詞]風(fēng)力發(fā)電；DFIG；變速恒頻；暫態(tài)電壓穩(wěn)定；槳距角控制

目前，風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越受到人們的重視，各種大中型風(fēng)電場(chǎng)相繼建成并投入使用[1-3].隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中的比重持續(xù)增加，對(duì)電網(wǎng)的影響已不容忽視[4,5].我國(guó)的風(fēng)電主要分布在東北、北部和西北地區(qū)，而且都處于電網(wǎng)的末端，這對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響.風(fēng)電的并網(wǎng)問(wèn)題已成為智能電網(wǎng)建設(shè)的重要挑戰(zhàn)之一[6,7].

變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)作為一種主流機(jī)型被廣泛運(yùn)用于風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)，含并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題已有相關(guān)研究[8]，而針對(duì)其他故障過(guò)程的研究比較有限.文獻(xiàn)[9]針對(duì)并網(wǎng)型DFIG有功功率和無(wú)功功率的解耦控制進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[10-11]分析了DFIG轉(zhuǎn)子保護(hù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)之間的聯(lián)系，推導(dǎo)出三相短路故障時(shí)DFIG短路電流的表達(dá)式，但僅考慮機(jī)端電壓降為零的情況.文獻(xiàn)[10]基于對(duì)普通感應(yīng)發(fā)電機(jī)短路電流的分析，推導(dǎo)出DFIG最大短路電流的表達(dá)式，同樣僅考慮了轉(zhuǎn)子電流和機(jī)端電壓為零的情況.盡管文獻(xiàn)[12-13]對(duì)DFIG在不同機(jī)端電壓跌落情況下的故障過(guò)程進(jìn)行研究，但重點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子側(cè)電壓的故障，并未從電網(wǎng)的角度對(duì)DFIG的故障情況進(jìn)行研究，不能保證風(fēng)電場(chǎng)在故障情況下的穩(wěn)定性.

本文以Matlab/Simulink為平臺(tái)建立了DFIG的仿真模型，通過(guò)施加風(fēng)速擾動(dòng)、系統(tǒng)電壓驟降和系統(tǒng)側(cè)發(fā)生三相短路故障的方法，對(duì)接入系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析.

1雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

在仿真研究中通常忽略DFIG的電磁暫態(tài)過(guò)程，因此得到的DFIG在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)下的數(shù)學(xué)模型(電壓方程和磁鏈方程)可分別表示為：

(1)

(2)

上式中：Rs與Rr分別是定子與轉(zhuǎn)子繞組；Ls、Lr和Lm分別表示定轉(zhuǎn)子間的自感、漏感和互感；usd、usq、urd和urq分別為定轉(zhuǎn)子電壓d、q軸分量；Ψsd、Ψsq、Ψrd和Ψrq分別表示定轉(zhuǎn)子磁鏈在d軸與q軸的分量；ωs是定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角速度；s是轉(zhuǎn)差率；p=d/dt是微分算子.

2槳距角控制系統(tǒng)分析

在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中，槳距控制系統(tǒng)的作用非常重要.它通過(guò)調(diào)整風(fēng)力機(jī)槳葉角度來(lái)調(diào)節(jié)槳葉相對(duì)于風(fēng)速的功角，以達(dá)到改變風(fēng)力機(jī)組捕獲風(fēng)能的目的.隨著風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)不同，相應(yīng)的槳距角控制策略也需要調(diào)整：

1)在風(fēng)速未達(dá)到額定風(fēng)速情況下，通過(guò)調(diào)整槳距角來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組功率的尋優(yōu)以捕獲最大風(fēng)能.

2)在風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速情況下，通過(guò)調(diào)整槳距角以控制風(fēng)力機(jī)組輸出功率在額定范圍以內(nèi)，以確保風(fēng)力機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)不會(huì)受到損壞.

圖1是本文所采取的槳距角控制系統(tǒng)模型，通過(guò)風(fēng)力機(jī)組測(cè)量值PGmea與最大功率參考值PGref進(jìn)行比較，得出誤差信號(hào)，作為PI控制器的輸入，從而產(chǎn)生槳距角參考值βref，再將其與槳距角的實(shí)際β進(jìn)行比較，并將該誤差信號(hào)輸入到槳距角控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu).通過(guò)上述閉環(huán)系統(tǒng)使得槳距角能夠更快、更穩(wěn)定地達(dá)到控制要求.

槳距角控制系統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)的模型是以反映其響應(yīng)特性為基礎(chǔ)所建立，在仿真模型中用伺服時(shí)間常數(shù)TSERVO.槳距調(diào)節(jié)的限值是βmax和βmin，用max(dβ/dt)和min(dβ/dt)表示槳距變化的梯度限值.

圖1　槳距角控制系統(tǒng)示意圖

3仿真分析

3.1算例系統(tǒng)

本文采用的仿真系統(tǒng)如圖2所示.并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)由6臺(tái)1.5 MW的DFIG組成，風(fēng)電機(jī)組總裝機(jī)容量是9 MW，風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)一次升壓后，將電壓升至25 kV，再由20 km輸電線路將其送二次升壓變壓器，將電壓升至120 kV，最后并入120 kV電網(wǎng).在仿真過(guò)程中視各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組完全相同，模型中采用的發(fā)電機(jī)參數(shù)是：?jiǎn)螜C(jī)額定容量1.5 MW，額定出口電壓575 V，供電頻率為50 Hz，轉(zhuǎn)子電阻為0.005 p.u，轉(zhuǎn)子電抗為0.156 p.u，定子電阻為0.007 06 p.u，定子電抗為0.171 p.u，風(fēng)力機(jī)組額定風(fēng)速為12 m/s.

圖2　算例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2仿真分析

3.2.1小擾動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性分析

本文采用的小擾動(dòng)為風(fēng)速變化所引起的擾動(dòng)，初始風(fēng)速為7 m/s，在2 s時(shí)風(fēng)速開(kāi)始上升，達(dá)到最高風(fēng)速16 m/s，仿真結(jié)果如圖3所示.

圖3　風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速變化曲線

圖3表明，本文所采用的槳距角控制模型能夠有效控制風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組超速而被切機(jī)，從而有效控制電壓，并維持穩(wěn)定.通過(guò)仿真可以得出，為了維持電壓穩(wěn)定，槳距角從0°增加到0.75°.

3.2.2大擾動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性分析

本文采用的大擾動(dòng)分為兩種情況：系統(tǒng)電壓驟降和系統(tǒng)短路故障.

電壓驟降是通過(guò)系統(tǒng)在15 s時(shí)，發(fā)生一個(gè)0.15 p.u的電壓降來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間為0.5 s，仿真結(jié)果如圖4所示.短路故障是通過(guò)系統(tǒng)在16 s時(shí)發(fā)生三相短路故障來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間為0.15 s，仿真結(jié)果如圖5所示.

(a)風(fēng)電場(chǎng)輸出用功功率曲線

(c)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

(b)槳距角變化曲線

(d)風(fēng)電場(chǎng)出口電壓曲線

(a)風(fēng)電場(chǎng)輸出用功功率曲線

(b)槳距角變化曲線

(c)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

(d)風(fēng)電場(chǎng)出口電壓曲線

圖4和圖5表明，采用本文所建立的槳距角控制模型能夠?qū)Σ煌墓收项?lèi)型作出相應(yīng)的快速動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速在保護(hù)裝置允許的范圍之內(nèi)，從而使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力.其中，功率曲線發(fā)生了波動(dòng)，這是由于槳距角控制下風(fēng)力機(jī)葉片慣性所導(dǎo)致的.

3.2.3系統(tǒng)電壓驟降時(shí)穩(wěn)定性分析

仿真模型中初始風(fēng)速為7 m/s，在2 s時(shí)風(fēng)速開(kāi)始上升，達(dá)到最高風(fēng)速16 m/s.風(fēng)速變化如圖3所示.

圖4表明，本文所采用的槳距角控制模型能夠有效控制風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組超速而被切機(jī)，從而有效控制電壓，并維持穩(wěn)定.通過(guò)仿真可以得出，為了維持電壓穩(wěn)定，槳距角從0°增加到0.75°.

3.2.4系統(tǒng)短路故障時(shí)穩(wěn)定性分析

電壓驟降是通過(guò)系統(tǒng)在15 s時(shí)發(fā)生一個(gè)0.15 p.u的電壓降來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間為0.5 s，仿真結(jié)果如圖4所示.短路故障是通過(guò)系統(tǒng)在16 s時(shí)發(fā)生三相短路故障來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間為0.15 s.仿真結(jié)果如圖5所示.

4結(jié)語(yǔ)

圖3至圖5仿真結(jié)果表明，通過(guò)課題中所采用的槳距角控制方案能夠?qū)︼L(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效的控制，能夠有效降低DFIG的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，避免出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組超速和電壓失穩(wěn)，有效地改善DFIG并網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，同時(shí)能夠?qū)Σ煌墓收项?lèi)型作出快速動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速在保護(hù)裝置允許的范圍之內(nèi)，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，體現(xiàn)了本文所建立的槳距角控制系統(tǒng)模型的有效性.

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(責(zé)任編輯穆剛)

Study on the grid-characteristics simulation of doubly fed induction generator

MU Xingxing1，TANG Mei2

(1.Department of Electronic and Electrical Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China;2. Chongqing Yuanfeng Machinery Co., Ltd., Wanzhou Chongqing 404020, China)

Abstract：In order to ensure the steady operating of double fed induction generator under the condition of system voltage dips and short-circuit fault, based on the analysis of the overall models structure of the DFIG, the pitch control strategy was applied. Through the adjusting to the angle between wind turbine blades and wind, the mechanical power of the wind turbine output was reduced, in order to control the power of the DFIG and improve the grid-characteristics and steady running of the doubly fed induction generator. Finally, the model was built on the platform of Matlab/Simulink and was simulated and calculated. The simulation result shows that the DFIG has a certain dynamic adaptability and verifies the effectiveness of the control strategy. Meanwhile, it also demonstrates the contribution of the strategy to the transient voltage stability of the system.

Key words：wind power; DFIG; variable speed constant frequency; transient voltage stability; pitch control

[中圖分類(lèi)號(hào)]TK89

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1673-8004(2016)02-0061-04

[作者簡(jiǎn)介]穆星星(1985—)，男，江西九江人，碩士研究生，主要從事電網(wǎng)穩(wěn)定性及新能源技術(shù)方面的研究.

[基金項(xiàng)目]重慶文理學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(Y2013DQ49).

[收稿日期]2015-04-28