雙饋風電機組低電壓穿越能力的研究

李鵬程，晁 勤

(新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊 830047)

0 引言

由于風力發電具有較好的經濟效益和社會效益，使其發展受到世界各國的高度重視，同時也使風電機組的并網特性成為熱門研究［1］。

目前，風力發電技術大體分為恒速恒頻和變速恒頻風力發電機組。變速恒頻的雙饋風電機組能夠實現定子有功功率和無功功率的解耦控制，以及其優越的并網運行特性，使得雙饋風電機組成為當前風電機組中的主流機型。

隨著風力發電規模和單機容量的不斷擴大，針對風電機組的并網運行要求也日益嚴格。目前許多標準規定要求風電機組具有一定的低電壓穿越能力即電網電壓跌落至一定范圍時，風電機組必須不間斷并網運行，因此研究風電機組低電壓穿越能力意義重大。以往的多數關于低電壓穿越能力的研究都集中于聯絡線發生故障時電壓恢復能力的分析［2，3］，文獻［4］理論上闡述了提高風電機組低電壓穿越能力的措施。根據變速恒頻雙饋風電機組的特性，在d－q坐標系下，建立了變速恒頻風電機組的數學模型，并以Matlab/Simulink為仿真平臺搭建了機組系統的仿真模塊，結合新的風電場低電壓穿越能力要求的規定，針對不同電網電壓跌落的情況下，仿真研究了變速恒頻雙饋風電機組的低電壓穿越能力，仿真結果為達坂城新一期的風電機組并網運行提供了理論依據。

1 雙饋風電機組的結構與數學模型

1.1 雙饋風電機組的控制結構

基于雙饋發電機的風電機組主要包括風力機、繞線式感應電機、變頻器和控制環節，其定子繞組直接接入電網，轉子繞組采用三相對稱繞組，經背靠背的PWM變頻器與電網相連，為發電機提供交流勵磁。其中網側變流器的控制目的是滿足電流波形和功率因數的要求，保證直流電壓恒定;轉子側變流器的主要任務是調節有功功率，實現最大風能捕獲，同時為轉子側回路提供勵磁，調節定子無功功率，其結構示意圖見圖1。

圖1 雙饋風電機組結構示意圖

1.2 雙饋風電機組的數學模型

1.2.1 風力機的數學模型

風力機通過葉片捕獲風能，將風能轉換為作用在輪轂上的機械轉矩，風速與轉矩之間的關系可表示為［5］

式中，TM為風機葉片的轉矩，p.u.;ρ為空氣密度，kg/m3;Cp為風機功率系數;A為風機葉片掃過的面積，m2;vw為作用于風機的風速，m/s;ωN為風力機額定機械角速度，rad/s;PN為風力機的額定功率，MW。

發電機轉軸上的機械轉矩Tm與發電機的電磁轉矩Te共同作用調節轉子轉速，設J為慣性時間常數，則

從輪轂到發電機轉子之間的聯軸器和齒輪用一階慣性環節來描述［6］，即

風電機組的電磁轉矩Te與機端電壓U的平方成正比［7］，則方程式為

式中，K為與機型有關的常數;s為滑差。

1.2.2 雙饋發電機的暫態數學模型

選擇以d－q同步旋轉坐標系建立異步發電機的狀態方程式［9］。

其中，

其中，ψds、ψqs表示定子磁鏈;ψdr、ψqr表示轉子磁鏈;uds、uqs為定子電壓;udr、uqr為轉子電壓;ids、iqs表示定子電流;idr、iqr為轉子電流;s表示轉差率;ωs為轉子轉速;ωg為同步轉速;ωbase為基頻;電機參數 Xs、Rs、Xm、Xr、Rr分別表示定子電抗和電阻、互感電抗和轉子電抗、電阻。

2 低電壓穿越能力

風電機組的低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)功能就是指機組在端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網而繼續并網運行，甚至還可以為電網提供一定的無功以幫助電網電壓恢復的能力。低電壓穿越的提出主要是基于有功功率平衡的考慮，但對局部無功平衡也有好處。LVRT功能可躲過保護動作時間，故障切除后恢復正常運行，可大大減少風電機組在故障時反復并網次數，減少對電網的沖擊，圖2給出了風機并網的規程［5］。

圖2 風電機組LVRT運行曲線

3 仿真算例

3.1 仿真算例

采用的雙饋風電機組的參數如下:風機的額定容量1 500 kW，額定電壓690 V，風力機葉片半徑R=30 m，發電機的轉子電阻 Rr=0.0 073 p.u.，定子電阻 Rs=0.0 076 p.u.，定子電抗 Xs=0.1 248 p.u.，轉子電抗Xr=0.0 884 p.u.，發電機轉動部分慣性時間常數Tj=7.1，極對數p=3。含雙饋風電機組的仿真示意圖見圖3。

圖3 風電機組接入系統示意圖

3.2 運行特性

仿真中雙饋機組穩定運行時基本風速為8 m/s，在5 s時出現風速為14 m/s的陣風干擾，持續在風速為14 m/s下穩定運行，仿真結果見圖4。

圖4 雙饋風電機組的運行特性曲線

仿真結果表明:隨著風速的變化，其有功出力跟隨風速的變化進行調節，使得變速恒頻的風力發電機組實現了最大風能捕獲，無功功率保持在0左右，即保持功率因數為1，實現了雙饋風電機組的有功和無功的解耦控制，也驗證了所建模型的合理性。

4 雙饋機組的低電壓穿越能力的研究

4.1 20% －3 s電壓跌落

電網電壓跌落20%持續時間為3 s時，雙饋風電機組的端電壓、有功功率和無功功率變化曲線如圖5所示。

仿真結果如圖5表明:當電網電壓跌落20%持續時間3 s時，雙饋風機端口電壓略有所下降保持在0.9 p.u.以上，電壓跌落期間風機有功功率為0，并向電網提供了無功功率6.5 Mvar，風機能夠不脫網繼續運行且為發出的無功功率有利于電網電壓恢復。

圖5 20%－3 s電壓跌落時風電機組的參數變化曲線

4.2 50% －1s電壓跌落

電網電壓跌落50%持續時間為1 s時，雙饋風電機組的端電壓、有功功率和無功功率變化曲線如圖6所示。

仿真結果表明:當電網電壓跌落5%持續時間1 s時，雙饋風機端口電壓略有所下降保持在0.7 p.u.以上，電壓跌落期間風機有功功率為0，并向電網提供了無功功率5 Mvar。電網電壓跌落期間，風機能夠不脫網繼續運行，電壓跌落消失后風機端電壓能恢復至穩定運行的電壓水平。

4.3 80% －0.625 s電壓跌落

在電網電壓要求中跌落最為嚴重的情況下(電網跌落至0.2 p.u.，持續時間 625 ms)，雙饋風電機組的端電壓、有功功率和無功功率變化曲線如圖7所示。

由圖7仿真結果可知:在電網電壓跌落最嚴重的情況下，風機發出的無功功率為4.5 Mvar，待電網電壓恢復至額定值時，風電機組能夠不脫網繼續并網運行，風機端電壓恢復至穩定運行前電壓水平。

圖6 20% －3 s電壓跌落時風電機組的參數變化曲線

圖7 80% －625 ms電壓跌落時風電機組的參數變化曲線

5 結論

基于Matlab/Simulink建立了含雙饋式異步風力發電機的仿真模型，參照風電場低電壓穿越能力要求的規定，對雙饋風電機組的低電壓穿越能力進行了仿真研究。仿真結果表明:雙饋風電機組在電網電壓跌落時能夠繼續并網運行，待電壓跌落消失后能夠恢復穩定運行，滿足新的風電并網標準。電壓跌落期間，風機發出一定無功功率，其無功功率的大小與電網電壓跌落程度有關，也為電網電壓恢復提供了無功支撐。

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