直驅(qū)式風電系統(tǒng)低電壓穿越建模與仿真

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(沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110087)

直驅(qū)式風電系統(tǒng)低電壓穿越建模與仿真

蔡志遠,郭蔓青

(沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110087)

采用1500kW風力發(fā)電機組，基于直驅(qū)式風力發(fā)電機運行特性及最大風能跟蹤原理,在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立了直驅(qū)式風電系統(tǒng)低電壓穿越的仿真模型，通過接入不同的阻抗，進而產(chǎn)生不同的電壓跌落，對其在風電機出口發(fā)生三相短路故障時，電壓跌落50%進行低電壓穿越仿真，結(jié)果顯示在進行電壓跌落過程中風機能夠保證穩(wěn)定運行，驗證了模型的合理性。

低電壓穿越；直驅(qū)式風電系統(tǒng)；電壓跌落；短路

1 引言

隨著全世界對能源需求的高速增長,人類越來越重視可再生能源的開發(fā),風電作為一種清潔的可再生能源，近年來在電網(wǎng)系統(tǒng)中的比例不斷攀升，風電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的相互影響越來越深，各國電網(wǎng)公司對風電場/風電機組并網(wǎng)提出了嚴格的技術要求，包括低電壓穿越能力、無功控制能力、有功功率變化率控制和頻率控制等，其中低電壓穿越LVRT直接關系到風機的大規(guī)模應用。歐洲已出臺風電并網(wǎng)標準，規(guī)定風電機組在電網(wǎng)電壓跌落時能夠保持不脫網(wǎng)運行，即要求風電系統(tǒng)具有一定的低電壓穿越(LVRT)的能力[1]。

電網(wǎng)故障引起電壓跌落會帶來一系列暫態(tài)過程,如過電壓、過電流或轉(zhuǎn)速升高等。風力發(fā)電機組在這種情況下應立即解列以自我保護。當風電在電網(wǎng)中占有較大比例時,這種自我保護式解列會增加系統(tǒng)的恢復難度,甚至使故障惡化。新的入網(wǎng)規(guī)則要求,電網(wǎng)電壓跌落時,風力發(fā)電機應不脫網(wǎng)運行,向電網(wǎng)提供無功功率,直到電壓恢復,這就是低電壓穿越。電壓跌落會給電機帶來一系列暫態(tài)過程,如出現(xiàn)過電壓、過電流或轉(zhuǎn)速上升等,嚴重危害風機本身及其控制系統(tǒng)的安全運行。因此,研究風電系統(tǒng)的低電壓穿越具有現(xiàn)實意義。

本文以1500kW永磁直驅(qū)式風電機組為研究對象，對組成風電系統(tǒng)的各個部分工作原理進行了分析，并建立了包括風力機、永磁同步發(fā)電機及網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學模型，基于Maltab/simulink搭建低電壓穿越的仿真模型，在電網(wǎng)電壓三相跌落50%的工況下進行仿真分析。

2 直驅(qū)式風電系統(tǒng)低電壓穿越建模

圖1所示為直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng),其中的風力機直接驅(qū)動同步發(fā)電機經(jīng)背靠背雙PWM變流器并入電網(wǎng)。包括風速發(fā)生函數(shù)、風力機模型、永磁發(fā)電機、脈寬調(diào)制(PWM)整流器及逆變器等,逆變器交流側(cè)通過升壓變壓器與電網(wǎng)相連[2]。

圖1 直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)

3.1風力機模型

風力機的基本原理是通過風輪捕獲風能,捕獲的風能帶動風輪轉(zhuǎn)動,通過傳動系統(tǒng)帶動電機發(fā)電。由空氣動力學原理可知，風機的輸出轉(zhuǎn)矩與葉片轉(zhuǎn)速、風速及其結(jié)構(gòu)參數(shù)有關,風力機的轉(zhuǎn)矩特性滿足：

(1)

式中：T為風力機的轉(zhuǎn)矩；Pm為風力機的輸出功率；ωm為轉(zhuǎn)子角速度；V為風速；ρ為空氣密度；R為葉輪半徑；λ為葉尖速比，λ=ωmR/V；β為風機槳距角；Cp為風能利用系數(shù)，對于確定的風輪槳葉,其值可以看作槳距角β和葉尖速比的函數(shù)。

理想風力機的風能利用系數(shù)Cp的最大值為0.593，Cp越大，表示風力機的效率越高。對于給定的槳距角β和葉尖速比λ，和風能利用系數(shù)Cp有以下非線性曲線關系：

(2)

3.2永磁同步發(fā)電機數(shù)學模型

為分析永磁同步發(fā)電機的動態(tài)模型，在d、q交直軸系下建立數(shù)學模型。

電壓方程：

(3)

磁鏈方程：

(4)

永磁同步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的表達式為：

Te=1.5piq[(Ld-Lq)id+ψn]

(5)

式中，ψn為同步發(fā)電機永磁體磁鏈;ωs為電角速度，p為轉(zhuǎn)子極對數(shù)。

對于采用徑向表面式分布的永磁體，同步電感恒定，趨近相等，即電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

Te=1.5piqψn

(6)

只有定子電流與電磁轉(zhuǎn)矩有關，調(diào)節(jié)定子電流即可實現(xiàn)同步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的控制。

3.3變流器模型

為實現(xiàn)永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的高性能控制，首先建立并分析背靠背型變流器PWM的數(shù)學模型。永磁同步電機與電網(wǎng)之間被AC/DC/AC變流器隔離,該交直交變換器模型可分為兩部分,圖2為前級的整流變換器部分，圖3為后級的逆變變換器部分[3]。

3.4控制策略分析

機側(cè)整流器的控制,就是通過控制發(fā)電機定子電流,調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩,進而控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。根據(jù)最大風能捕獲原理以及永磁同步發(fā)電機的電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩Te,可得到發(fā)電機側(cè)變流器的控制框圖。

圖2 DC-AC發(fā)電機側(cè)PWM整流器主電路

圖3 DC-AC電網(wǎng)側(cè)PWM逆變器主電路

電網(wǎng)側(cè)逆變器維持直流電壓恒定,將有功功率輸送至電網(wǎng),并可在裝置容量的限制內(nèi)發(fā)出可調(diào)無功功率。當變流器兩端功率不平衡時,由直流側(cè)卸荷負載吸收多余的功率。通過控制直軸和交軸電流分量可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制，在電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，網(wǎng)側(cè)逆變器的數(shù)學模型為：

(7)

式中，utd、utq為逆變器交流側(cè)d、q軸電壓;ωs為電網(wǎng)電壓角頻率;ugq為電網(wǎng)電壓空間矢量?？傻米兞髌骺刂瓶驁D如圖4所示。

低壓型電壓跌落發(fā)生器DipGen LV，用于風機低電壓穿越檢測，可以隨意設定跌落時間，可以產(chǎn)生不同類型的跌落(三相跌落、兩相跌落和單相跌落)以及配置不同深度的電壓跌落[5,6]。風力發(fā)電機組在大小負荷工作條件下，三種類型的跌落從電壓跌落深度及時間、故障期間的有功功率和無功功率等參數(shù)評測風電機組的低電壓穿越能力。低電壓穿越設備有串聯(lián)、并聯(lián)電抗器以及開關、UPS等設備，如圖5所示。在不同的跌落深度，計算得出串聯(lián)阻抗和并聯(lián)阻抗值，采用串聯(lián)電抗來限制短路電流和電網(wǎng)電壓的降低，并聯(lián)電抗器過熱保護，實現(xiàn)低電壓穿越測試，本文將采用電阻形式的模擬方案。

圖4 直驅(qū)式風電機組變流器控制框圖

圖5 低壓型電壓跌落發(fā)生器DipGen LV結(jié)構(gòu)圖

圖6 三相跌落，空載線電壓有效值

4 低電壓穿越的仿真分析

應用仿真軟件Maltab/simulink建立1.5MW直驅(qū)式風電系統(tǒng)低電壓穿越的仿真模型。風電機組參數(shù)如下：同步風力發(fā)電機額定風速為11.5m/s，葉輪直徑：77m，額定功率為1500kW，額定電流為1255A，額定電壓為690V，極對數(shù)為44，額定頻率為12.687Hz，風電機組變壓器低壓側(cè)額定電壓為620V，中壓側(cè)額定電壓為35kV。本文基于1500kW風電機組發(fā)生三相短路的情況下，跌落時間為1200ms，在其出口電壓跌落深度為50%時，分別在空載、小負荷和大負荷的情況下，對風電機組進行低電壓穿越的仿真。本文為風電機組運行在有功功率分別為0.15Pn(小負荷)和0.95Pn(大負荷)的工況下，風電機組出口三相電壓跌落至50%Un時，對電壓、電流、有功功率和無功功率、有功電流和無功電流的變化情況進行仿真。

圖7 三相跌落電壓50%，小負荷參數(shù)變化

圖8 三相跌落電壓50%，大負荷參數(shù)變化

仿真結(jié)果顯示，空載試驗下，三相電壓值跌落深度接近50%；電網(wǎng)在小負荷跌落，數(shù)據(jù)表明有功功率保持穩(wěn)定，無功功率升高至0.45Pn，有功電流約為0.2In，無功電流約為0.8In；電網(wǎng)在大負荷跌落，仿真曲線表明，有功功率跌落至0.65Pn，無功功率升高至0.4Pn，有功電流變?yōu)?.3In，無功電流變?yōu)?.8In。從仿真結(jié)果可以看出風電機組在其出口電壓跌落的情況下，均能發(fā)送一定的無功功率，跌落結(jié)束后，有功功率回復速度很快，能夠保持不脫網(wǎng)運行。

5 結(jié)論

本文通過計算分析直驅(qū)式風力發(fā)電機組的風力機模型、永磁同步發(fā)電機數(shù)學模型、變流器模型以及系統(tǒng)的控制策略，建立直驅(qū)永磁同步風電系統(tǒng)模型，根據(jù)DipGen發(fā)生器的工作原理，串并聯(lián)電抗器接入電網(wǎng)，產(chǎn)生不同類型和不同深度的電壓跌落，實現(xiàn)低電壓穿越模型的建立。在設定三相電壓跌落深度在50%的基礎上，分別進行空載、小負荷和大負荷的仿真實驗，結(jié)果顯示，模型系統(tǒng)實現(xiàn)了低電壓穿越，驗證了短路設計的合理性和低電壓穿越模型的可行性。

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2013-01-11

蔡志遠(1962-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士生導師。主要研究領域為智能化電器、電氣設備在線監(jiān)測與故障診斷;

郭蔓青(1985-)，男，碩士研究生。

ModelingandSimulationofLowVoltageRideThroughforDirect-DriveWindPowerSystem

CAIZhi-yuan,GUOMan-qing

(School of Electrical Engineering ，Shenyang University of Technology,Shenyang 110870，China)

This paper utilizes 1500kW wind turbines,based on direct drive wind generator operating characteristics and maximum wind energy tracking principle,modeling of low voltage ride through for direct-drive wind power system was built in Matlab/ Simulink software environment,and access to different impedance,producing different voltage drop,three-phase short-circuit fault occurs in wind turbine export,Simulation of low voltage ride through when the voltage drops by 50%,The results show the system to ensure the stable operation during voltage dips process,verifies the rationality of the model.

low voltage ride-through;direct-drive wind power system;voltage dip;short circuit

1004-289X(2013)06-0059-04

TM71

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