基于實際風電場的雙饋感應風電機組聯(lián)網(wǎng)運行特性仿真分析

許 鐸，侯延鵬，楊鈞硯，王洪海，劉振東

(1. 國網(wǎng)長春供電公司，吉林 長春 130000；2. 國網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000)

基于實際風電場的雙饋感應風電機組聯(lián)網(wǎng)運行特性仿真分析

許 鐸1，侯延鵬2，楊鈞硯1，王洪海1，劉振東2

(1. 國網(wǎng)長春供電公司，吉林 長春 130000；2. 國網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000)

隨著并網(wǎng)運行風電場數(shù)量逐年劇增，雙饋感應風電機組作為廣泛應用的主流機型之一，其聯(lián)網(wǎng)運行特性對研究風電場與電網(wǎng)之間的交互作用具有重要作用。本文給出了雙饋感應風電機組的數(shù)學模型，包括風力機模型、發(fā)電機模型和四象限變流器模型。以東北某實際風電場雙饋感應風電機組為例，在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真平臺上，搭建了雙饋感應風電機組聯(lián)網(wǎng)運行仿真系統(tǒng)，對雙饋感應風電機組在不同工況下的聯(lián)網(wǎng)運行特性進行了分析，揭示雙饋感應風電機組聯(lián)網(wǎng)運行特性，電氣設備阻抗參數(shù)與外特性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系。

雙饋感應風電機組；數(shù)學模型；聯(lián)網(wǎng)運行；PSCAD/EMTDC

1 雙饋感應風力發(fā)電機組

隨著風力發(fā)電機組單機容量的增大和控制技術(shù)的提高，風力發(fā)電從原來的分布式能源向集中式的大規(guī)模風電場發(fā)展，風力發(fā)電機組在整個電網(wǎng)中所占比例越來越大，風力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的關(guān)系也越來越緊密[1]。

大規(guī)模風電場接入電網(wǎng)，會給電網(wǎng)帶來一些弊端，如：由于風的隨機性，風力發(fā)電也具有不穩(wěn)定性，這會給電網(wǎng)電壓造成波動；大規(guī)模風電場的接入也可能會使原來傳輸線路的傳輸功率超出最大限值；還有諸如電網(wǎng)短路增加、電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性發(fā)生變化等[2]。

雙饋感應風力發(fā)電機組(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)是目前大規(guī)模風電場采用的主要風力發(fā)電機型。雙饋感應風力發(fā)電具有使用的變頻器功率小，降低變頻器的額定容量能夠減小變頻器的尺寸和降低成本，具有一定的無功控制能力，必要情況下向電網(wǎng)無功支撐等優(yōu)點[3]。由于機組轉(zhuǎn)子繞組與四象限變流器相連，四象限變流器相當于一個勵磁電源，可對DFIG進行交流勵磁調(diào)速控制。

由于四象限變流器通過IGBT、GTO等電力電子元件與電網(wǎng)直接耦合，與同步發(fā)電機相比，DFIG的結(jié)構(gòu)和運行控制更為復雜，并且對電壓擾動及由此引發(fā)的過電流更加敏感。聯(lián)網(wǎng)運行特性對研究風電場與電網(wǎng)之間的交互作用具有重要作用。

本文給出了雙饋感應風電機組的數(shù)學模型，包括風力機模型、發(fā)電機模型和四象限變流器模型。以東北某實際風電場雙饋感應風電機組為例，在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真平臺上，搭建了雙饋感應風電機組聯(lián)網(wǎng)運行仿真系統(tǒng)，對雙饋感應風電機組在不同工況下的聯(lián)網(wǎng)運行特性進行了分析。

2 DFIG數(shù)學模型

如圖1，雙饋感應風電機組主要由風力機、雙饋感應發(fā)電機、四象限變流器組成[4]。

圖1 雙饋感應風電機組的結(jié)構(gòu)示意圖

2.1風力機模型

根據(jù)空氣動力學原理，風力機輸出的風功率如式(1)[5-6]：

(1)

式中：Pm為風力機輸出的風能；Pwind為風力機葉片迎風掃掠功率；Cp為風能利用系數(shù)；ρ為空氣密度；S為風力機葉片迎風掃掠面積；V0為空氣進入風力機掃掠面積前的風速。其中：Cp的值由葉尖速比λ及槳距角β決定，葉尖速比λ定義為

(2)

式中：Rw為風力機葉輪半徑；ωw為風力機角速度；Vw為風速。

由式(1)可知：風力機捕獲的風功率由Cp的值及風速決定，當風速一定時，風力機輸出功率只同Cp相關(guān)。Cp的值同葉尖速比λ及槳距角β如圖2所示。

(a)風力機Cp與λ、β的關(guān)系曲線

由圖2(a)可知，當葉尖速比λ恒定時，隨著槳距角β的增加(定義最大受風角為0°)，風力機的風能捕獲效率Cp逐漸下降；由圖2(b)可知，槳距角不變時，當風力機運行于最佳葉尖速時所捕獲的風能最大，圖中Pout是各風速下風力機的最大輸出功率點的連線，即最佳功率曲線。

因此，在風力機不過載的前提下，為了使風力機捕獲功率最大，需要使風力機運行于最佳葉尖速、槳距角調(diào)整到最大受風角度(一般定義為0°)。根據(jù)貝茲準則，Cp的最大值不超過0.59。

2.2發(fā)電機模型

在兩相dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，雙饋感應發(fā)電機的電壓方程和磁鏈方程為

(3)

(4)

式中：Usd，Usq，Urd，Urq分別為定、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；isd，isq，ird，irq分別為定、轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量；Ls為定子的自感；Lm為定、轉(zhuǎn)子之間的互感；Lr為轉(zhuǎn)子自感。

轉(zhuǎn)矩方程為

(5)

2.3四象限變流器模型

背靠背電壓源型變流器是由2個結(jié)構(gòu)相同的電壓源型變流器(VSC1和VSC2)以“背靠背”方式、通過中間的直流環(huán)節(jié)耦合而成。兩側(cè)變流器與交流系統(tǒng)之間可以進行獨立的無功功率交換，但是進行有功功率傳輸時，兩者需要協(xié)調(diào)控制，以保證直流側(cè)電容電壓的恒定。

電網(wǎng)電壓空間矢量定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系(dq坐標系)下，則背靠背四象限變流器狀態(tài)方程為

(6)

(7)

(8)

式中：md1=ud1/udc，mq1=uq1/udc，md2=ud2/udc;mq2=uq2/udc；ω1、ω2分別為VSC1、VSC2所聯(lián)交流電網(wǎng)角頻率。

3 基于實際風電場的DFIG聯(lián)網(wǎng)運行仿真特性

3.1PSCAD/EMTDC仿真系統(tǒng)

PSCAD/EMTDC(Power System Computer Aided Design / Electro-Magnetic Transient in DC System)是由加拿大Manitoba大學高壓直流輸電研究中心在1999年推出的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析軟件包，它包含有大量電力系統(tǒng)及電力電子元件模型，具有方便的數(shù)據(jù)輸入方式及強大的分析功能，是電力系統(tǒng)分析和工程研究的有力工具。PSCAD/EMTDC仿真系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中斷路器操作、故障及雷擊時出現(xiàn)的過電壓；可對包含復雜非線性元件(如直流輸電設備)的大型電力系統(tǒng)進行全三相的精確模擬，其輸入、輸出界面非常直觀、方便；進行電力系統(tǒng)時域或頻域計算仿真；電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領域的仿真計算；實現(xiàn)高壓直流輸電、FACTS控制器的設計[7]。

3.2雙饋感應風電機組聯(lián)網(wǎng)運行系統(tǒng)

以遼寧某實際風電場雙饋感應風電機組為例進行研究。在PSCAD仿真平臺上建立了如圖3所示的雙饋感應風電機組的電磁暫態(tài)仿真模型，包括風力機模型，雙饋感應發(fā)電機模型，四象限變流器模型及風電機組運行控制系統(tǒng)模塊，分析DFIG聯(lián)網(wǎng)運行特性,仿真模型參數(shù)如表1所示。

圖3 仿真系統(tǒng)接線示意圖

表1 雙饋感應風力發(fā)電聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)

3.3仿真結(jié)果

算例1：低風速6 m/s時雙饋感應風電機組仿真(機組運行仿真波形如圖4所示)。

正常運行時，發(fā)電機定子繞組相電壓標幺值為1.0 pu(定子繞組相電壓最大值565 V，有效值為400 V，定子線電壓有效值為692 V)；定子繞組相電流最大值為235 A，有效值為166 A；轉(zhuǎn)子繞組相電流最大值為72 A，有效值為51 A，周期為0.078 ms，頻率為12.766 7 Hz；直流電容電壓維持0.8 kV；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 117 r/min，轉(zhuǎn)差為0.255 3，感應發(fā)電機定子三相繞組輸出有功功率為0.2 MW，轉(zhuǎn)子三相繞組輸出有功功率為-0.036 MW(從電網(wǎng)吸收0.036 MW功率)，機組總的有功功率輸出為0.164 MW。

圖4 風速 6 m/s雙饋感應風電機組運行仿真波形圖

上述運行條件可知，機組運行于輕載狀態(tài)。轉(zhuǎn)子三相繞組輸出功率(-0.036 MW)，約定子三相繞組輸出功率(0.2 MW)的轉(zhuǎn)差倍(0.255 3)，轉(zhuǎn)子繞組電流頻率(12.766 7 Hz)也是定子繞組電流頻率(50 Hz)的轉(zhuǎn)差倍(0.255 3)。

通過仿真結(jié)果可以看出，當風速為6 m/s時，機組各運行參數(shù)滿足數(shù)學模型方程約束，驗證了該風速下仿真模型的有效性。

算例2：高風速12 m/s時雙饋感應風電機組仿真(波形如圖5所示)。

正常運行時，發(fā)電機定子繞組相電壓標幺值為1.0 pu(定子繞組相電壓最大值565 V，有效值為400 V，定子線電壓有效值為692 V)；定子繞組相電流最大值為945 A，有效值為670 A；轉(zhuǎn)子繞組相電流最大值為380 A，有效值為268 A，周期為0.257 ms，頻率為3.867 Hz；直流電容電壓維持0.8 kV；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 616 r/min，轉(zhuǎn)差為-0.077 3，感應發(fā)電機定子三相繞組輸出有功功率為0.8 MW，轉(zhuǎn)子三相繞組輸出有功功率為0.046 MW，機組總的有功功率輸出為0.846 MW。

圖5 風速12 m/s雙饋感應風電機組運行仿真波形圖

上述運行條件可知，機組運行于額定滿載狀態(tài)。轉(zhuǎn)子三相繞組的輸出功率(0.046 MW)約是定子三相繞組輸出功率(0.8 MW)的轉(zhuǎn)差倍(0.077 3)，轉(zhuǎn)子繞組電流頻率(3.867 Hz)也是定子繞組電流頻率(50 Hz)的轉(zhuǎn)差倍(0.077 3)。

通過仿真結(jié)果可以看出，當風速為12 m/s時，機組各運行參數(shù)滿足數(shù)學模型方程約束，并且與設計參數(shù)值基本一致，驗證了該風速下仿真模型的有效性。

不同恒定風速情況下，雙饋感應風電機組運行結(jié)果見表2，可以看出，各個風速下機組仿真運行參數(shù)與設計參數(shù)基本一致，驗證了所搭建模型的有效性，實現(xiàn)了機組的最佳功率追蹤控制。

表2 不同風速下機組設計參數(shù)與仿真參數(shù)對比

4 結(jié)束語

分析了雙饋感應風電機組的工作原理及數(shù)學模型，基于實際風電場的雙饋感應風電機組聯(lián)網(wǎng)運行系統(tǒng)，在PSCAD/EMTDC平臺上建立了仿真模型，包括風力機、雙饋感應發(fā)電機、四象限變流器及風電機組運行控制系統(tǒng)等仿真模塊，對雙饋感應風電機組在不同工況下的聯(lián)網(wǎng)運行特性進行了仿真分析，揭示雙饋感應風電機組聯(lián)網(wǎng)運行特性，電氣設備阻抗參數(shù)與外特性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系。

[1] 李俊峰．2013中國風電發(fā)展報告[M]．北京：中國環(huán)境科學出版社，2014： 2-23.

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The Simulation Analysis of Integration for Doubly-fed WindGenerators Based on Actual Wind Farms

XU Duo1， HOU Yanpeng2，YANG Junyan1，WANG Honghai1，LIU Zhendong2

(1. State Grid Changchun Power Supply Company，Changchun，Jilin 130000，China；2. State Grid Benxi Power Supply Company，Benxi，Liaoning 117000，China)

With the increase of wind generators connected to the grid, integration characteristics of doubly-fed wind generators, which are widely used in wind power system, play an important role in the interaction between wind farms and grid. Math model of doubly-fed wind generators has been set, including the wind turbine model, generators model and four-quadrant converter model. With the help of PSCAD/EMTDC, doubly-fed wind generator model which is based on the actual wind farms in the northeastern China has been simulated. Networking operation characteristics of wind turbines in different working conditions are analyzed. Internal relations between electrical equipment impedance parameters and external characteristics have been revealed by the simulation results.

doubly-fed wind generators; math model; networking operation; PSCAD/EMTDC

TM315

A

1004-7913(2017)08-0047-04

許 鐸(1989)，男，碩士，工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)控運行工作。

2017-04-17)