雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的研究

劉新剛，史 波

（1. 新疆電力設(shè)計(jì)院，烏魯木齊 830001；2. 新疆華電小草湖風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830000）

前言

由于風(fēng)力發(fā)電具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，其發(fā)展受到世界各國的高度重視，同時(shí)也使風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)特性成為熱門研究的課題[1]。

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大體分為恒速恒頻和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。變速恒頻的雙饋風(fēng)電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)定子有功功率和無功功率的解耦控制，其優(yōu)越的并網(wǎng)運(yùn)行特性，使得雙饋風(fēng)電機(jī)組成為當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組中的主流機(jī)型。

隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模和單機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行要求也日益嚴(yán)格。目前許多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定風(fēng)電機(jī)組具有一定的低電壓穿越能力即電網(wǎng)電壓跌落至一定范圍時(shí)，風(fēng)電機(jī)組必須不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，因此研究風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力意義重大。以往的多數(shù)關(guān)于低電壓穿越能力的研究都集中于聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障時(shí)電壓恢復(fù)能力的分析[2-3]，文獻(xiàn)[4]理論上闡述了提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的措施。本文根據(jù)變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的特性，在 d-q坐標(biāo)系下，建立了變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，并以 Matlab/Simulink為仿真平臺(tái)搭建了機(jī)組系統(tǒng)的仿真模塊，結(jié)合新的風(fēng)電場低電壓穿越能力要求的規(guī)定，針對(duì)不同電網(wǎng)電壓跌落的情況，仿真研究了變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，仿真結(jié)果為新疆新一期的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

1 雙饋風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型

1.1 雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制結(jié)構(gòu)

基于雙饋發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組主要包括風(fēng)力機(jī)、繞線式感應(yīng)電機(jī)、變頻器和控制環(huán)節(jié)，其定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組采用三相對(duì)稱繞組，經(jīng)背靠背的PWM變頻器與電網(wǎng)相連，為發(fā)電機(jī)提供交流勵(lì)磁。其中網(wǎng)側(cè)變流器的控制目的是滿足電流波形和功率因數(shù)的要求，保證直流電壓恒定，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的主要任務(wù)是調(diào)節(jié)有功功率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，同時(shí)為轉(zhuǎn)側(cè)回路提供勵(lì)磁，調(diào)節(jié)定子無功功率，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙饋風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型

1.2.1 風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力機(jī)通過葉片捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，風(fēng)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系可表示為[5]：

式中：TM為風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)矩，p.u.；ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為風(fēng)機(jī)功率系數(shù)；A為風(fēng)機(jī)葉片掃過的面積，m2；ωυ為作用于風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，m/s；Nω為風(fēng)力機(jī)額定機(jī)械角速度，rad/s；PN為風(fēng)力機(jī)的額定功率，MW。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te共同作用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，設(shè)J為慣性時(shí)間常數(shù)，則

從輪轂到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的聯(lián)軸器和齒輪用一階慣性環(huán)節(jié)來描述[6]，即

風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩Te與機(jī)端電壓U的平方成正比[7]，則方程式為

式中：K為與機(jī)型有關(guān)的常數(shù)；s為滑差。

1.2.2 雙饋發(fā)電機(jī)的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型

選擇以d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系建立異步發(fā)電機(jī)的狀態(tài)方程式[9]：

其中：

式中：ψds、ψqs表示定子磁鏈，ψdr、ψqr表示轉(zhuǎn)子磁鏈，uds、uqs為定子電壓，udr、uqr為轉(zhuǎn)子電壓，ids、iqs表示定子電流，idr、iqr為轉(zhuǎn)子電流，s表示轉(zhuǎn)差率，ωs為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，ωg為同步轉(zhuǎn)速，ωbase為基頻，電機(jī)參數(shù)Xs ，Rs，Xm ，Xr，Rr分別表示定子電抗和電阻、互感電抗和轉(zhuǎn)子電抗、電阻。

2 低電壓穿越能力(LVRT)

風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越(Low Voltage Ride Through)功能就是指機(jī)組在端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網(wǎng)而繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，甚至還可以為電網(wǎng)提供一定的無功功率以幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)的能力。低電壓穿越的提出主要是基于有功功率平衡的考慮，但對(duì)局部無功平衡也有好處。LVRT功能可躲過保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，故障切除后恢復(fù)正常運(yùn)行，可大大減少風(fēng)電機(jī)組在故障時(shí)反復(fù)并網(wǎng)次數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，圖2給出了風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的規(guī)程[5]。

圖2 風(fēng)電機(jī)組LVRT運(yùn)行曲線

3 仿真算例

3.1 仿真算例

本文采用的雙饋風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)如下：風(fēng)機(jī)額定容量 1500kW，額定電壓 690V，風(fēng)力機(jī)葉片半徑R=30m，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.0073p.u.，定子電阻Rs=0.0076p.u.，定子電抗Xs=0.1248p.u.，轉(zhuǎn)子電抗Xr=0.0884p.u.，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分慣性時(shí)間常數(shù)Tj=7.1，極對(duì)數(shù)p=3，含雙饋風(fēng)電機(jī)組的仿真示意圖如圖 3所示。

圖3 風(fēng)電機(jī)組接入系統(tǒng)示意圖

3.2 運(yùn)行特性

仿真中雙饋機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)基本風(fēng)速為8m/s，在5s時(shí)出現(xiàn)風(fēng)速為 14m/s的陣風(fēng)干擾，持續(xù)在風(fēng)速為14m/s下穩(wěn)定運(yùn)行，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性曲線

仿真結(jié)果表明：隨著風(fēng)速的變化，其有功出力跟隨風(fēng)速的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能捕獲，無功功率保持為0左右，即保持功率因數(shù)為1，實(shí)現(xiàn)了雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功和無功的解耦控制，也驗(yàn)證了所建模型的合理性。

4 雙饋機(jī)組的低電壓穿越能力的研究

4.1 20%-3s電壓跌落

電網(wǎng)電壓跌落20%持續(xù)時(shí)間為3s時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組的端電壓、有功功率和無功功率變化曲線如圖5所示。

圖5 20%-3s電壓跌落時(shí)風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)變化曲線

仿真結(jié)果圖5表明：當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落20%持續(xù)時(shí)間3s時(shí)，雙饋風(fēng)機(jī)端口電壓略有下降并保持在0.9p.u.以上，電壓跌落期間風(fēng)機(jī)有功功率為0，并向電網(wǎng)提供了無功功率6.5Mvar，風(fēng)機(jī)能夠不脫網(wǎng)運(yùn)行且發(fā)出的無功功率有利于電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

4.2 50%-1s電壓跌落

電網(wǎng)電壓跌落50%持續(xù)時(shí)間為1s時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組的端電壓、有功功率和無功功率變化曲線如圖6所示。仿真結(jié)果表明：當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落50%持續(xù)時(shí)間1s時(shí)，雙饋風(fēng)機(jī)端口電壓略有下降并保持在0.7p.u.以上，電壓跌落期間風(fēng)機(jī)有功功率為0，并向電網(wǎng)提供了無功功率 5Mvar。電網(wǎng)電壓跌落期間，風(fēng)機(jī)能夠不脫網(wǎng)繼續(xù)運(yùn)行，電壓跌落消失后風(fēng)機(jī)端電壓能恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行的電壓水平。

圖6 20%-3s電壓跌落時(shí)風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)變化曲線

4.3 80%-0.625s電壓跌落

在電網(wǎng)電壓要求中跌落最為嚴(yán)重的情況下(電網(wǎng)跌落至0.2p.u.，持續(xù)時(shí)間625ms)，雙饋風(fēng)電機(jī)組的端電壓、有功功率和無功功率變化曲線如圖7所示。

圖7 80%-625ms電壓跌落時(shí)風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)變化曲線

由圖7仿真結(jié)果可知：在電網(wǎng)電壓跌落最嚴(yán)重的情況下，風(fēng)機(jī)發(fā)出的無功功率為4.5Mvar，待電網(wǎng)電壓恢復(fù)至額定值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠不脫網(wǎng)繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)端電壓恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行前的電壓水平。

5 結(jié)論

本文基于Matlab/Simulink建立了含雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真模型，參照風(fēng)電場低電壓穿越能力要求的規(guī)定，對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明：雙饋風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)能夠繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，待電壓跌落消失后能夠恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，滿足新的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。電壓跌落期間，

風(fēng)機(jī)發(fā)出一定無功功率，其無功功率的大小與電網(wǎng)電壓跌落程度有關(guān)，也為電網(wǎng)電壓恢復(fù)提供了無功支撐。

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