液力變矩型同步風力發(fā)電機低電壓穿越性能分析

王軍偉

（蘭州電機股份有限公司，甘肅蘭州730050）

液力變矩型同步風力發(fā)電機低電壓穿越性能分析

王軍偉

（蘭州電機股份有限公司，甘肅蘭州730050）

液力變矩型同步風力發(fā)電機組是國內近期投運的一種新機型，它的核心技術是應用WinDrive液力變矩器進行變矩調速，實現(xiàn)風機可變輸入轉速的恒速輸出，為發(fā)電機同步并網提供穩(wěn)定的輸入轉速。同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)配套自動電壓調節(jié)器進行勵磁控制，有效地解決了傳統(tǒng)風機低電壓穿越能力差、無功輸出能力不足的問題。針對2.0MW液力變矩型同步風力發(fā)電機的運行特點，研究其工作原理及控制策略，建立機組主要組件的數(shù)學模型，結合實際參數(shù)進行模擬仿真，分析了電網短路故障時機組低電壓穿越的動態(tài)響應能力。

液力變矩；同步并網；低電壓穿越；仿真分析

1 引言

風力發(fā)電的動力來自于風能，風能的隨風波動會造成風電機組輸送至電網的電能很不穩(wěn)定，發(fā)電出力時大時小，風電規(guī)模越大這種現(xiàn)象越突出。隨著風電在電力系統(tǒng)中所占比例的增大，風電機組的電網適應性對電網穩(wěn)定運行顯得尤為重要，這就需要風機具備較強的調控能力。國內曾經發(fā)生過電網故障引起電壓跌落，成批風機相繼脫網，造成電力網潰網解列的事故。因此，國家標準GB/T 19963-2011規(guī)定風電機組必須滿足電網適應性要求，各類機型必須通過性能測試，達到技術要求后方可準予入網。

液力變矩型同步風力發(fā)電機組就是旨在解決風電機組滿足電網適應性要求的問題而開發(fā)的一種新機型，基本原理是利用WinDrive液力變距器進行前端調速，保證后端輸入轉速恒定，使發(fā)電機實現(xiàn)同步并網。發(fā)電機采用電勵磁無刷同步發(fā)電機，勵磁系統(tǒng)通過自動電壓調節(jié)器進行控制，使發(fā)電機的無功輸出能力有了很大提高。尤其在電網發(fā)生短路故障時，通過勵磁強勵可以保持發(fā)電機電壓穩(wěn)定，為電網提供足夠的無功支撐。為了更好掌握該機型的運行原理，通過揭示機組的結構組成，研究其控制原理及策略，建立相應的數(shù)學模型進行仿真分析，驗證了機組動態(tài)響應特性的準確性和可靠性，評估了機組的低電壓穿越能力，為機型進一步推廣提供理論依據(jù)。

2 液力變矩型同步風力發(fā)電機組的基本原理

2.1 風機的基本組成

液力變矩型同步風力發(fā)電機組由風輪變槳系統(tǒng)、主齒輪箱、WinDrive、三相無刷電勵磁同步發(fā)電機4大部分組成。機組結構如圖1所示。

圖1 機組結構示意圖

2.2 風機的基本原理

風機實現(xiàn)變速恒頻的核心部件是WinDrive液力變矩器，它由差速行星輪系、定軸輪系和可調式變矩器3級組成。WinDrive結構如圖2所示。

圖2 WinDrive結構示意圖

風輪功率經主齒輪箱增速輸入給WinDrive行星架，行星輪再傳遞給太陽輪后功率被分成2部分，大部分功率通過太陽輪主軸輸出給同步發(fā)電機，由發(fā)電機轉化成電能輸送至電網中；小部分功率分流給同軸連接的泵輪，泵輪旋轉帶動變矩器液壓工作油循環(huán)流動，產生的動力驅動渦輪旋轉，渦輪與定軸輪系的中心輪連接，轉矩經定軸輪系減速后反饋給環(huán)輪。差速行星輪系的行星輪固定在旋轉的行星架上，它同時接收風輪及環(huán)輪兩方面的傳輸功率。因此，變矩器輸出轉矩與風輪輸入轉矩在行星輪得到疊加，通過調節(jié)變矩器可調式導葉開度改變工作油流量，控制渦輪的轉矩及轉速來恒定太陽輪的轉速，從而保證了同步發(fā)電機的輸出轉速恒定。

2.3 發(fā)電機的勵磁控制

液力變矩型同步風力發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)采用無刷勵磁方式，勵磁系統(tǒng)主要由永磁發(fā)電機、交流勵磁機、旋轉整流模塊和自動電壓調節(jié)器AVR組成。永磁發(fā)電機為AVR提供交流電源，電源經過PWM整流輸出給交流勵磁機勵磁繞組，交流勵磁機的定子電流經過全波整流為發(fā)電機提供勵磁電流。AVR是同步發(fā)電機的電壓控制單元，根據(jù)設定電壓/無功控制目標值，調節(jié)勵磁機的勵磁電流大小，控制發(fā)電機的電壓及無功輸出。勵磁系統(tǒng)如圖3所示［1］。

圖3 發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)

自動電壓調節(jié)器AVR有2種控制模式，電壓控制模式和功率因數(shù)控制模式。風機啟動并網前期，AVR工作在電壓控制模式下，通過檢測網側及發(fā)電機電壓及頻率，基于內部模型控制算法，控制勵磁電流大小，使發(fā)電機電壓始終跟隨網側電壓。同時，將頻率差值Fbias發(fā)送給液力變矩器控制器WCU進行轉速控制，當發(fā)電機轉速達到同步轉速時，AVR同步檢測單元檢測同步滿足條件，發(fā)出并網指令同步并網。并網成功后AVR自動轉入功率因數(shù)控制模式，通過采樣發(fā)電機電壓及電流，計算有功、無功功率及功率因數(shù)，實測功率因數(shù)值與控制目標值進行比較，控制發(fā)電機勵磁大小進行無功出力調節(jié)；實際功率PGen同時上傳至風機控制系統(tǒng)WEC及液力變矩器控制器WCU，WCU根據(jù)設定功率-轉速曲線（WinDrive輸入轉速）調整變矩器轉矩，使風機的有功功率達到對應轉速點的預期目標值。當電網發(fā)生短路故障時AVR啟動Boost強勵模式，AVR根據(jù)機組并網點電壓跌落情況，進行勵磁強勵提高風機無功輸出維持電網無功支撐。

3 機組的穩(wěn)態(tài)特性

3.1 機組的轉速特性

首先，風輪轉化的機械能經主齒輪箱增速傳遞給液力變矩器，風輪轉速ωW與液力變矩器輸入轉速即行星架轉速ωC1滿足如下關系：

式中：主齒輪箱傳動比iW≈28.44。

根據(jù)相對原理，液力變矩器輸入級行星輪系太陽輪轉速ωS1、行星架轉速ωC1和環(huán)輪轉速ωR三者滿足如下關系［2］：

式中：傳動比iRS1=-ZR1/ZS1≈-2.16；ZR1、ZS1為環(huán)輪、太陽輪齒數(shù)。

因此，由式（2）可以導出如下關系式：

同理，定軸輪系轉速關系與式（2）相似，只是行星輪為固定輪，行星架轉速ωC2=0，變矩器渦輪與中心輪同軸連接，渦輪轉速ωT等于中心輪轉速ωS2，環(huán)輪與行星輪系環(huán)輪為整體筒式結構，兩個環(huán)輪轉速相同但齒數(shù)不同，由此得出如下關系：

太陽輪輸出軸與發(fā)電機、變矩器泵輪同軸連接，所以ωG=ωB=ωS1，由式（1）、式（3）、式（4）導出發(fā)電機轉速ωG滿足如下關系：

液力變矩器兩級輪系的傳動比iRS1、iRS2由其齒數(shù)決定，為常數(shù)，令k=（1-iRS1）iW、b=iRS1/iRS2，則發(fā)電機轉速關系式變?yōu)椋?］：

由式（6）關系可以看出，風輪轉速變化時，如要保持發(fā)電機轉速不變，只有調節(jié)液力變矩器的導葉開度改變渦輪轉速。

3.2 機組能量傳遞的轉矩特性

根據(jù)貝茲理論，風輪吸收轉化功率滿足如下關系：

利用數(shù)值近似計算法，得出CP的計算公式如下［4］：

由于旋轉機械功率與轉矩滿足P=MW關系，可以得出風輪轉矩Mω關系為：

風輪功率經主齒輪箱增速，輸入給液力變矩器行星架?？紤]主齒輪箱傳遞效率系數(shù)ηW，行星架輸入轉矩MW可按下式計算：

在液力變矩器行星輪系中，根據(jù)能量守恒定律，為了分析方便暫不考慮齒輪傳遞損失，行星架轉矩MC1、環(huán)輪轉矩MR及太陽輪轉矩MS1之間滿足如下平衡關系：

變矩器渦輪輸出轉矩由定軸輪系傳遞至環(huán)輪，同樣暫不考慮齒輪傳遞損失，渦輪轉矩MT與環(huán)輪轉矩MR之間滿足如下關系式：

太陽輪輸出軸上，輸出轉矩MO與太陽輪轉矩MS1之間滿足如下關系：

變矩器泵輪轉矩MB、渦輪轉矩MT由下式計算［5］：式中：λB（iTB，x）為泵輪力矩系數(shù)；P為工作油密度，取826kg/m3；D為循環(huán)圓直徑，取700mm；iTB為泵輪與渦輪轉速比，iTB=ωT/ωB；nB為變矩器泵輪轉速，rpm/min；x為變矩器導葉相對開度。

由式（12）～式（14）整理可得液力變矩器輸入、輸出轉矩平衡方程式：

考慮WinDrive齒輪傳遞損失及各種摩擦損失，計入液力變矩器傳遞效率ηPS后，液力變矩器輸出轉矩為：

因為MG=MO，由式（5）及式（20）導出發(fā)電機輸入轉矩為：

4 機組的動態(tài)特性

液力變矩型同步風力發(fā)電機組的動態(tài)特性會影響機組受到擾動時能否穩(wěn)定運行，為了分析它的動態(tài)性能，需要建立風力機、WinDrive液力變距器和同步風力發(fā)電機的動態(tài)模型。

4.1 傳動系統(tǒng)的數(shù)學模型

機組傳動鏈按多質量塊彈簧阻尼系統(tǒng)等效考慮，由于風輪及低速軸轉動慣量遠大于主齒輪箱，為了計算方便可以忽略主齒輪箱的轉動慣量，風輪與主齒輪箱的動態(tài)特性可以整體描述［6］。在傳動鏈低速軸上，得到的動態(tài)平衡方程為：

式中：M1為風輪輸出轉矩，N·m；JW為風輪與低速軸轉動慣量總和，kg·m2；DW為低速軸阻尼系數(shù)。

風輪輸出轉矩經主齒輪箱升速后傳遞給液力變矩器，因此，可以由行星架輸入轉矩推算出：

太陽輪輸出軸及變矩器渦輪輸出軸的動態(tài)方程為：

式中：MS2為渦輪軸輸出轉矩，N·m；JS為太陽輪輸出軸轉動慣量，kg·m2；JT為渦輪輸出軸轉動慣量，kg·m2。

由于太陽輪、環(huán)輪、行星架的轉矩滿足如下比例關系［3］：

因此，由MR1=MR2，聯(lián)立式（25）、式（26）可以得出渦輪輸出軸轉矩MS2為：

液力變矩器輸出轉矩傳遞給同步發(fā)電機，發(fā)電機轉子的動態(tài)轉矩平衡方程式為：

式中：ME為同步發(fā)電機電磁轉矩，N·m；JG為同步發(fā)電機轉動慣量，kg·m2；DG為同步發(fā)電機阻尼系數(shù)。

由式（22）-式（29）得出傳動系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型如下：

4.2 發(fā)電機的數(shù)學模型

4.2.1 發(fā)電機的數(shù)學模型

對于凸極同步發(fā)電機，由于q軸氣隙比較大，通常忽略交軸磁鏈暫態(tài)過程，只計錄阻尼繞組D、Q以及勵磁繞組f的電磁暫態(tài)和轉子機械動態(tài)，適宜用五階實用模型描述［7］。同步發(fā)電機基本參數(shù)如表1所示。

d軸電氣方程為：

q軸電氣方程為：

轉子運動方程為：

電磁轉矩方程為：

表1 同步發(fā)電機基本參數(shù)表

4.2.2 勵磁系統(tǒng)的數(shù)學模型

同步發(fā)電機的勵磁模式為交流勵磁機旋轉整流勵磁方式，電壓調節(jié)器AVR采用Unitrol-1010電壓調節(jié)器，調節(jié)器的控制方式采用電壓控制模式和功率因數(shù)控制模式。其控制模型適宜選用IEEE類型AC7B［8］，控制策略如圖4所示。

圖4 勵磁系統(tǒng)控制模型

其中：EFD、IFD分別為發(fā)電機勵磁電壓、勵磁電流；VT、IT分別為發(fā)電機電壓、電流；VS為PSS環(huán)節(jié)反饋量；VFE為與交流勵磁機勵磁電流成正比的電壓反饋量；KE、KD、SE分別交流勵磁機的勵磁系數(shù)、電樞反應系數(shù)、飽和系數(shù)；TE為交流勵磁機勵磁繞組開路時間常數(shù)。

控制模型中，交流勵磁機的磁路飽和效應用S［VE］函數(shù)進行補償，S［VE］可以通過繪制勵磁機空載曲線求取，文獻［7］中已介紹詳細方法。整流電路交流勵磁源由于存在感性內阻，負載電流的增加會引起換相壓降增大，使整流輸出電壓線性變差，這部分影響用函數(shù)FEX=f［IN］進行修正，三相全波整流時勵磁電流隨IN變化關系式如下：

5 風機的低電壓穿越能力

5.1 低電壓穿越的控制策略

對于液力變矩同步風力發(fā)電機組而言，與低電壓穿越有關的部件，按功能主要分為同步發(fā)電機系統(tǒng)、WinDrive液力變矩器和風輪變槳系統(tǒng)3部分。直接并網型同步發(fā)電機在電網發(fā)生短路故障期間，電網電壓跌落會引起發(fā)電機電壓下降，受其影響發(fā)電機的電磁轉矩減小，轉矩平衡關系破壞，轉子加速功角增大。這時，需要風機控制系統(tǒng)及時減小原動力轉矩，恢復轉矩平衡，這就要求風機控制系統(tǒng)要有相應的控制措施和快速地響應能力。

發(fā)生故障時，發(fā)電機的保護裝置MFR300檢測到電壓跌落，檢測值達到低電壓穿越啟動門檻值、且跌落深度在低電壓穿越設定范圍內時，發(fā)出LVRT信號。風機控制系統(tǒng)接到信號后，啟動低穿程序，運行模式轉入“LVRT”模式，以后每4ms讀取一次MFR300檢測信號，判別故障是否恢復。如果故障還在持續(xù)，風機控制器將指令發(fā)送給WinDrive控制器WCU和風輪變槳系統(tǒng)，WCU啟動“TVS”低穿模式，迅速關閉變距器可調式導葉，使發(fā)電機輸入轉矩減至最小，一般響應時間為20ms；同時，風輪變槳系統(tǒng)減小槳葉開度，降低前端驅動鏈的輸入轉矩，使液力變距器聚集的能量得以釋放。發(fā)電機勵磁調節(jié)器AVR檢測到機端電壓跌落，啟動Boost模式進行強勵，增大勵磁電流，阻止發(fā)電機電壓繼續(xù)下跌，并為電網輸送大量無功，來維持系統(tǒng)穩(wěn)定。若短路故障在低穿設定范圍內消除，風機恢復正?？刂颇Ｊ?，系統(tǒng)全面恢復正常發(fā)電。如果電網電壓跌落深度或跌落時限超出設定范圍，風機控制系統(tǒng)啟動“快速停機”模式，AVR發(fā)指令解列發(fā)電機，變槳系統(tǒng)緊急收槳停機，使風機退出運行。

5.2 低電壓穿越仿真

5.2.1 仿真模型

為了精確模擬機組的低電壓穿越，應用DIgSILENT/PowerFactory軟件進行仿真，模型按功能進行封裝，主要包括同步發(fā)電機（Generator）、勵磁調節(jié)器AVR（VCO）、傳動鏈（Shaft/Gearbox）、WinDrive控制器（WinDrive Ctrl）、氣動部件（Turbine）、槳葉控制（Pitch Adjust和Pitch Control）及保護模塊。

發(fā)電機模型采用DIgSILENT/PowerFactory軟件自帶的標準5階同步發(fā)電機模型，該模型是基于IEEE標準電力系統(tǒng)仿真模型構建的，包括磁飽和曲線等基本參數(shù)表；勵磁電壓調節(jié)器和勵磁系統(tǒng)模型參考產品說明［1］，根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，需要適當簡化，基于IEEE標準搭建勵磁模型結構AC7B；傳動鏈模型采用三質量彈簧阻尼結構搭建，包括風力機、WinDrive和發(fā)電機；WinDrive控制器模塊主要包括旋轉齒輪模塊和轉矩控制模塊2部分，旋轉齒輪模塊包含系統(tǒng)運動學和動力學傳遞函數(shù)，轉矩控制模塊通過非線性特征曲線和簡化傳遞函數(shù)進行模擬；氣動部件模型包括掃掠面積、空氣密度和氣動特性等，葉片采用一階等式進行簡化模擬；由于變槳系統(tǒng)對于風電機組故障響應的影響較弱，對槳葉系統(tǒng)模型進行減階簡化建模，只反映風電機組在故障穿越過程中的基本槳葉控制特性。保護模塊基于風電機組實際保護策略，主要包括頻率保護、電壓保護、電流保護、有功保護以及低電壓穿越檢測環(huán)節(jié)等。風機機械和控制模塊的模型結構如圖5所示。

圖5 機組機械和控制模塊的模型結構圖

圖6 低電壓穿越模擬電網模型結構圖

電網系統(tǒng)模型采用等值外部電網模型與詳細電壓跌落發(fā)生裝置模型串聯(lián)模式，等值外部電網模型由恒定交流電源與電網等效阻抗串聯(lián)組成。詳細電壓跌落發(fā)生裝置模型基于裝置基本原理拓撲結構搭建，電壓跌落發(fā)生裝置由限流電抗器Zsr和短路電抗器Zsc組成T型電路，并串接在升壓變壓器高壓側。限流電抗器Zsr的功能是限制故障模擬對電網的影響，而短路電抗器Zsc則是模擬電網故障。因此在模擬電網故障進行低電壓穿越測試時，首先將旁路開關斷開，使限流電抗器Zsr串入電網中，然后通過控制短路開關的閉合和斷開來制造電網故障。通過選擇三相短路開關的短路相數(shù)以及發(fā)生裝置電抗器和網側等效阻抗的不同組合，可以模擬不同故障類型和故障電壓跌落深度。電網模塊包括含電網等效阻抗的恒定交流電源、限流電抗器、旁路開關、短路電抗器和短路開關等，如圖6所示。

5.2.2 仿真結果

對機組的低電壓穿越性能進行仿真，分析電網三相對稱短路和兩相不對稱短路兩種故障類型的動態(tài)響應特性。每種情況按功率，在標稱功率0.1Pn≤P≤0.3Pn和P＞0.9Pn范圍內，電網電壓跌至標稱值的90%、75%、50%、35%、20%分別進行仿真。提供故障情況最為惡劣的，電壓跌至20%標稱電壓、滿載功率時的仿真情況，波形如圖7、圖8所示。波形圖按從左到右、從上到下的順序依次為故障跌落點（風電機組升壓變高壓側）三相電壓，升壓變低壓側正序電壓，發(fā)電機正序有功、無功電流，發(fā)電機有功、無功功率，同步發(fā)電機轉速和機械轉矩。

圖7 20%Un三相故障Pn=2000kW仿真波形圖

仿真結果表明，當電壓跌落至20%Un、發(fā)電機功率P=2000kW、三相短路故障時，短路瞬間無功電流沖擊峰值達到3.75p.u，電壓跌落期間持續(xù)在2.5p.u波動，最小無功電流2.2p.u，自短路時刻計時開始約250ms，定子有功電流沖擊最大峰值接近2.0p.u。短路初始電壓跌落引起電磁轉矩急劇下降，機械轉矩失去平衡，發(fā)電機轉子加速。調節(jié)風機系統(tǒng)，在0ms-200ms時間范圍內，發(fā)電機輸入機械轉矩由故障前的實際值減小至0.5倍的標稱轉矩，有功功率降至1.0MW，轉速震蕩回落至同步轉速點附近。在系統(tǒng)故障消除電壓恢復后，同步發(fā)電機重新牽入同步，風機控制系統(tǒng)切入正常模式，調節(jié)輸入機械轉矩，使其逐漸地恢復至故障前實際出力，2s后系統(tǒng)趨于正常。兩相短路故障情況與三相短路故障相似，所不同的是兩相短路故障時，非故障相電壓跌落幅值較小，有功功率和機械輸入轉矩震蕩幅值相對較小，短路瞬時無功電流幅值接近1.2p.u.，無功功率最小值大于1.2MVar、最大峰值為2.8MVar。

圖8 20%Un兩相故障Pn=2000kW仿真波形圖

6 結束語

仿真結果證明，該型號機組滿足國家標準GB/ T 19963-2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》對低電壓穿越能力要求，故障期間機組不脫網可以連續(xù)運行，自電壓恢復時刻開始，有功功率至少以10%額定功率/秒的變化率恢復至實際風況對應出力值。動態(tài)無功電流支撐的響應時間不大于75ms，持續(xù)時間不少于550ms。目前，液力變矩同步風力發(fā)電機機型已經投入使用，根據(jù)裝機容量49.5MW的甘肅民勤某風場運行情況來看，現(xiàn)場實際檢測性能符合技術要求，運行穩(wěn)定。機組在無功輸出及電能質量方面性能具有很大的優(yōu)勢，無需配置無功補償設備，就能夠為電網輸送無功出力。

［1］ABB.UNITROL? 1020 User Manual Automatic Voltage Regulator［Z］.Switzerland：ABB SwitzerlandLtd，2011.

［2］洪孟仁，汪信遠.機械原理及機械零件［M］.北京：同濟大學出版社，1990：296.

［3］周緒強.液力變速與傳動技術在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

［4］張琦瑋，蔡旭.最大風能捕獲風力發(fā)電系統(tǒng)及其仿真［J］.電機與控制應用，2007，34（5）：42-46.

［5］杜魏魏.風力發(fā)電可變導葉液力機械調速裝置研究［D］.長春：吉林大學，2011.

［6］馬文星，劉彬，劉寶春，劉浩.風力發(fā)電調速系統(tǒng)及其控制［J］.吉林大學學報，2013，43（5）：1276-1283.

［7］鞠平.電力系統(tǒng)建模理論與方法［M］.北京：科學出版社，2010：131-138.

［8］IEEE Std 421.5TM-2005，IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies［S］.2006.

Research on the low-voltage ride-through capability of wind synchronous generator with hydro-dynamically controlled gearbox

WANG Jun-wei
（Lanzhou Electric Corporation，Lanzhou 730050，China）

The wind synchronous generator with hydro-dynamically controlled gearbox is a new type of machine applied to wind turbine in China in recent years，and the heart of its technology is to apply WinDrive variable-speed hydraulic torque converter for the purpose of speed adjustment.It can convert the variable input speed into the constant speed output，and can provide a stable input speed for generator synchronous grid connection.Especially，the synchronous generator works together with AVR and has well excitation control function，and it effectively solves the problems that the low voltage ride through capability of the traditional turbine is poor and the reactive power output capability is insufficient.Based on the operation characteristics of 2.0MW wind synchronous generator with hydro-dynamically controlled gearbox by studying its working principles and control strategies，the mathematical model of the main components of the unit is established，the simulation experiments combined with the actual parameters are presented，and the low-voltage ride-through dynamic-response capability of the system at the very moment of grid short-circuit fault is also studied.

hydraulic torque converter；synchronous grid connection；low-voltage ride through；simulation analysis

TM315

A

1005—7277（2016）03—0001—08

2016-05-04

王軍偉（1970-），男，高級工程師，長期從事電機與控制的理論研究，電機、風電機組試驗和電氣安裝調試的實踐工作。