電網(wǎng)故障下雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的無(wú)功功率控制策略分析

朱黎

【摘 要】雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)已逐步成為風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型，通常情況下雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)組采用單位功率因數(shù)運(yùn)行 的無(wú)功功率控制策略。電網(wǎng)發(fā)生故障后會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓 下降，此時(shí)傳統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行方式可能無(wú)法保持系統(tǒng) 穩(wěn)定運(yùn)行，需要風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)向系統(tǒng)提供無(wú)功功率以幫助系統(tǒng) 恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。文中以一座由雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成的 9MW風(fēng)電場(chǎng)為例，在電網(wǎng)電壓下降為正常水平15%的情況 下，分別對(duì)保持單位功率因數(shù)運(yùn)行和利用網(wǎng)側(cè)變換器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗赃M(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，故障清 除后通過雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的網(wǎng)側(cè)變換器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行 無(wú)功支撐可以明顯增強(qiáng)系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

【關(guān)鍵詞】電網(wǎng)故障；雙饋感應(yīng)式；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；無(wú)功功率控制

風(fēng)力發(fā)電以其無(wú)污染和可再生性，日益受到世界各國(guó)的廣泛重視，近年來得到迅速發(fā)展 采用雙饋電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的恒速恒頻，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比具有顯著的優(yōu)勢(shì) 如風(fēng)能利用系 數(shù)高 能吸收由風(fēng)速突變所產(chǎn)生的能量波動(dòng)以避免主軸及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受過大的扭矩和應(yīng)力以及可以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)等 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)是基于電力電子和計(jì)算機(jī)控制的交流勵(lì)磁控制技術(shù)。盡管可采用理論分析和計(jì)算機(jī)仿真對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)進(jìn)行研究，然而由于仿真模型及其參數(shù)的非真實(shí)性和控制算法的非實(shí)時(shí)性仿真研究，往往難以代替模擬系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。本文在分析雙饋電機(jī)運(yùn)行原理和勵(lì)磁控制方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和構(gòu)建了基于 80C196MC 單片機(jī)的 VSCF 雙饋風(fēng)力 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制試驗(yàn)系統(tǒng) 并對(duì)其控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

一、風(fēng)力發(fā)電仿真環(huán)境

本文針對(duì)圖1所示的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真， 系統(tǒng)中存在3個(gè)電壓等級(jí)：575 V、25kV、120kv， 分別對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)輸出電壓、配電網(wǎng)電壓，遠(yuǎn)距離輸 電網(wǎng)電壓。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)由6臺(tái)1.5 Mw，的雙饋感應(yīng) 式變速恒頻發(fā)電機(jī)組成。仿真時(shí)通過改變120 kV 2.5 GvA母線處的電壓來模擬電力系統(tǒng)故障。

其中雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)采用了雙脈寬調(diào)制 （pulse width modulation，PWM）變換器形式的控制 器，由網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器組成。網(wǎng)側(cè)變換器采用電流內(nèi)環(huán)和直流電壓外環(huán)配合運(yùn)行的方式，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)矢量控制的方式。網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器配合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)對(duì) 雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)的矢量控制，在此基礎(chǔ)上根據(jù)風(fēng) 力發(fā)電機(jī)的葉片特性和輸入風(fēng)速之間的關(guān)系進(jìn)行 計(jì)算可以得到最佳的發(fā)電機(jī)運(yùn)行速度，以此實(shí)現(xiàn)最 大風(fēng)能捕獲的功能。

二、仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析

（一）仿真條件

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)參數(shù)如下：額定功率1.5MAV， 定子額定電壓575 V，額定頻率60Hz，6，極，定子 電阻0.007 1 pu，定子漏感0.171 pu，轉(zhuǎn)子電阻 0.005 pu，轉(zhuǎn)子漏感0.156 pu，互感2.9 pu，轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量5.04 kg.m2，電機(jī)設(shè)為超同步速運(yùn)行，初始轉(zhuǎn)速 為1.09pu，直流母線電壓額定值為1 200V。 電力系統(tǒng)參數(shù)如下：120 kV 2.5 GVA母線在 0.3 S時(shí)發(fā)生電壓跌落，跌落至正常水平的15%。0.8S 時(shí)電壓恢復(fù)至正常水平，故障共持續(xù)500ms。

（二）仿真結(jié)果分析

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)中雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)組在 0.2～2s時(shí)間段內(nèi)的響應(yīng)情況，其中虛線波形是6臺(tái) 發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變換器無(wú)功電流給定始終為0時(shí)的仿真 波形，實(shí)線是6臺(tái)發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變換器在0.8 S電網(wǎng)電 壓恢復(fù)時(shí)發(fā)送0.3pu無(wú)功電流時(shí)的仿真波形。從風(fēng)電場(chǎng)有功、無(wú)功功率曲線可以看出，電網(wǎng)電壓跌落較深時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)有功功率和無(wú)功功率出現(xiàn)大幅振蕩，其中無(wú)功功率振 蕩比有功功率振蕩更為嚴(yán)重，這會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)無(wú)功功率在0.3 S電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)正向的尖峰，說明在電網(wǎng) 電壓跌落之后的暫態(tài)過程中發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送無(wú) 功功率，因此無(wú)論是否控制發(fā)電系統(tǒng)，補(bǔ)償動(dòng)態(tài)無(wú) 功功率都能對(duì)系統(tǒng)起到支撐作用。在O.8s電網(wǎng)電壓 恢復(fù)時(shí)，無(wú)功功率曲線存在負(fù)向尖峰，說明這個(gè)暫 態(tài)過程中發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收了大量的無(wú)功功率。

因此，發(fā)電機(jī)需要在系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)向電網(wǎng)注入一定的無(wú)功功率來輔助系統(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)定。在0.8 s后系統(tǒng)在得到無(wú)功功率支撐的條件下，可以迅速恢復(fù)穩(wěn)定，而虛線代表的不提供無(wú)功功率 支撐的波形說明系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，最終，導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)被電力系統(tǒng)切除。在系統(tǒng)電壓恢復(fù)瞬間，直流母線電壓會(huì)出現(xiàn)明顯上升，這是由于暫態(tài)過程中網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器傳送功率不一致引起的。實(shí)線波形說明系統(tǒng)的快速穩(wěn)定 有助于變換器直流母線的穩(wěn)定，因此在電網(wǎng)故障期 間向系統(tǒng)注入無(wú)功功率還可以幫助每個(gè)風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組的變換器盡快恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

在系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓跌落會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)主磁鏈發(fā)生振蕩。通常情況下在設(shè)計(jì)風(fēng) 力發(fā)電機(jī)控制器時(shí)都認(rèn)為電機(jī)的主磁鏈?zhǔn)呛愣ǖ模?因此主磁鏈的波動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響到發(fā)電機(jī)的矢量控 制效果。實(shí)線波形說明主磁鏈的波動(dòng)在系統(tǒng)得到無(wú) 功支撐的條件下可以迅速被抑制，從而使變換器迅 速恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)由雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)組成的風(fēng)電場(chǎng)在 電網(wǎng)電壓跌落情況下的不同無(wú)功功率控制策略進(jìn) 行了仿真研究，通過構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電廠和相應(yīng)的輸配 電模型對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障運(yùn)行能力進(jìn)行了研 究。仿真結(jié)果說明，在系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障的情況下， 傳統(tǒng)的以單位功率因數(shù)運(yùn)行的無(wú)功功率控制策略 無(wú)法保持風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)在故障清除后向系統(tǒng)發(fā)送無(wú)功功率以幫助系統(tǒng)恢復(fù)。并且由于 雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)具有雙PWM控制器的結(jié)構(gòu)，可 通過網(wǎng)側(cè)變換器向電網(wǎng)注入無(wú)功電流來達(dá)到無(wú)功 功率支撐的效果，因此在設(shè)計(jì)具備低電壓穿越能力 的雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)組雙PWM變換器容量時(shí)，需 要考慮使用網(wǎng)側(cè)變換器進(jìn)行無(wú)功功率支撐的因素。

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