朱光偉 李 翔 陳思范 吳世勇
(廣東明陽(yáng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司,廣東 中山 528437)
風(fēng)能作為一種可再生清潔能源,由于在減輕環(huán)境污染、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)居民用電問(wèn)題等方面的突出作用,所以越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視并得到了廣泛的開(kāi)發(fā)和利用。為而雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為主流的風(fēng)力發(fā)電的產(chǎn)品,在風(fēng)電場(chǎng)中占有主要地位,因此,國(guó)內(nèi)外專家對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模和仿真做了大量工作[1-4]。本文以PTI公司開(kāi)發(fā)的電力系統(tǒng)仿真軟件 PSS/E為平臺(tái),分析了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)軸系的模型,并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究。
雙饋發(fā)電機(jī)組主要是有風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、雙饋發(fā)電機(jī)、變頻器、變槳控制系統(tǒng)以及主控系統(tǒng)組成,在 PSS/E32中,提供了 4種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型,WT1/WT/ /WT3/WT4,其中,WT3為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組,WT3的控制框圖如圖1所示[5]。
圖1 WT3的控制框圖
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)仿真中,可以將傳動(dòng)軸系模型用兩質(zhì)量塊來(lái)表示,即模型中主要包括葉輪和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,葉輪和發(fā)電機(jī)之間用過(guò)一個(gè)彈簧連接[6]。這樣通過(guò)來(lái)自葉輪的氣動(dòng)功率和來(lái)自發(fā)電機(jī)的電磁功率作為兩個(gè)輸入,并在來(lái)自WT3P的槳距角的調(diào)節(jié)下,就可以計(jì)算出葉輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度偏差。
圖2 雙質(zhì)量模塊的傳動(dòng)軸示意圖
圖3 WT3T 雙質(zhì)量模塊模型
圖4 WECC測(cè)試系統(tǒng)
本文以圖4所示的WECC提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)向大電網(wǎng)送電的測(cè)試系統(tǒng)為例,來(lái)仿真雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能[8]。測(cè)試系統(tǒng)中,與母線 5相連接的發(fā)電機(jī)為等效整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,功率為100MW,并將其控制模式設(shè)置為2,即功率限制由功率因數(shù)和有功輸出決定。風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓經(jīng)過(guò)變壓器升壓后,再傳輸?shù)斤L(fēng)場(chǎng)升壓站,即母線3處,經(jīng)過(guò)升壓站升壓后再進(jìn)行傳輸,即母線3、4、5均是在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部操作的。
在PSS/E中,分別對(duì)單質(zhì)量模塊和雙質(zhì)量模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,兩次仿真均在系統(tǒng)運(yùn)行2s后,在母線3處,施加三相短路故障,運(yùn)行0.2s后,切除故障。仿真時(shí),將查看通道分別設(shè)置為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率和葉輪的轉(zhuǎn)速偏差。
(1)從仿真圖像可以看出,在使用單質(zhì)量模型時(shí),由于忽略了葉輪的慣性,將傳動(dòng)軸系作為一個(gè)單剛體來(lái)研究,此時(shí),發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率和葉輪的轉(zhuǎn)速偏差在發(fā)生故障時(shí),均出現(xiàn)平滑的曲線。而在雙質(zhì)量傳動(dòng)軸模型中,考慮了葉輪的慣性,當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)故障時(shí),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率和葉輪的轉(zhuǎn)速偏差均出現(xiàn)震蕩;當(dāng)切除故障時(shí),振蕩逐漸趨于平穩(wěn),恢復(fù)到正常狀態(tài)。
圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率圖像
圖6 葉輪轉(zhuǎn)速偏差圖像
(2)由于在PSS/E中,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的變流器模型WT3E、發(fā)電機(jī)模型WT3G、槳距角控制模型WT3P以及WT3T風(fēng)力機(jī)模型是相互關(guān)聯(lián)的,因此在采用單質(zhì)量塊模型和雙質(zhì)量塊模型時(shí),槳距角也有明顯的不同,如圖7所示。在單質(zhì)量傳動(dòng)軸系模型中,槳距角的變化曲線是平滑的;在雙質(zhì)量模塊中,槳距角的變化曲線出現(xiàn)振蕩,因此,在 PSS/E中改變其中一個(gè)模型時(shí),應(yīng)該考慮到相關(guān)模型的變化。
圖7 單質(zhì)量模塊與雙質(zhì)量模塊槳距角圖像
(1)在PSS/E32中,包含了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中傳動(dòng)軸系的單質(zhì)量塊模型和雙質(zhì)量塊模型,單質(zhì)量塊模型只能粗略的反應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能,雙質(zhì)量模塊可以較詳細(xì)的反應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能,在研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能時(shí),可根據(jù)不同的需要來(lái)選擇不同的傳動(dòng)軸系模型。
(2)在PSS/E中,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各個(gè)仿真模塊是相互聯(lián)系的,改變其中的一個(gè)模塊,會(huì)影響其他各模塊,因此,研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí),應(yīng)同時(shí)考慮各個(gè)模型的變化。
[1]李東東,陳陳.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)模型研究 [J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(3) .
[2]劉其輝,賀益康,張建華.交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制及建模仿真[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006, 26(5).
[3]A.Perdana, “Dynamic Models of Wind Turbines,”P(pán)h.D. dissertation, Department of Energy and Environment, Chalmers University of Technology,G?teborg, Sweden, 2009.
[4]徐瓊璟,許政,PSS/E中的風(fēng)電機(jī)組通用模型概述[J],電網(wǎng)技術(shù),2010,34(8)∶176-182.
[5]Price WW,Sanchez-Gasca J J.Simplified wind turbine generator aerodynamic models for transient stability studies[C].Power Systems Conference and Exposition,Atlanta, GA,USA,2006.
[6]Wind Energy Generation Modeling and Control. Olimpo Anaya_lara,Nick Jenkins,Janaka Ekanayake, 2009.
[7]Siemens PTI.PSS/E Model Library of PSS/E-32[R].Schenectady,NY,USA,2009.
[8]Price W W,Sanchez-Gasca J J.Simplified wind turbine generator aerodynamic models for transient stability studies[C].Power Systems Conference and Exposition,Atlanta,GA,USA,2006.