基于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行特性仿真分析

許 鐸，侯延鵬，楊鈞硯，王洪海，劉振東

(1. 國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；2. 國(guó)網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000)

基于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)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(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；2. 國(guó)網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000)

隨著并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)數(shù)量逐年劇增，雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組作為廣泛應(yīng)用的主流機(jī)型之一，其聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行特性對(duì)研究風(fēng)電場(chǎng)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(yīng)風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，包括風(fēng)力機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型和四象限變流器模型。以東北某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組為例，在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)上，搭建了雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行仿真系統(tǒng)，對(duì)雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組在不同工況下的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，揭示雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行特性，電氣設(shè)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(yīng)風(fēng)電機(jī)組；數(shù)學(xué)模型；聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行；PSCAD/EMTDC

1 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

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

大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)，會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)一些弊端，如：由于風(fēng)的隨機(jī)性，風(fēng)力發(fā)電也具有不穩(wěn)定性，這會(huì)給電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)；大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的接入也可能會(huì)使原來(lái)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(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)是目前大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)采用的主要風(fēng)力發(fā)電機(jī)型。雙饋感應(yīng)風(fēng)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(wú)功控制能力，必要情況下向電網(wǎng)無(wú)功支撐等優(yōu)點(diǎn)[3]。由于機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組與四象限變流器相連，四象限變流器相當(dāng)于一個(gè)勵(lì)磁電源，可對(duì)DFIG進(jìn)行交流勵(lì)磁調(diào)速控制。

由于四象限變流器通過(guò)IGBT、GTO等電力電子元件與電網(wǎng)直接耦合，與同步發(fā)電機(jī)相比，DFIG的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制更為復(fù)雜，并且對(duì)電壓擾動(dòng)及由此引發(fā)的過(guò)電流更加敏感。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行特性對(duì)研究風(fēng)電場(chǎng)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(yīng)風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，包括風(fēng)力機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型和四象限變流器模型。以東北某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組為例，在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)上，搭建了雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行仿真系統(tǒng)，對(duì)雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組在不同工況下的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行特性進(jìn)行了分析。

2 DFIG數(shù)學(xué)模型

如圖1，雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、四象限變流器組成[4]。

圖1 雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖

2.1風(fēng)力機(jī)模型

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，風(fēng)力機(jī)輸出的風(fēng)功率如式(1)[5-6]：

(1)

式中：Pm為風(fēng)力機(jī)輸出的風(fēng)能；Pwind為風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠功率；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；ρ為空氣密度；S為風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積；V0為空氣進(jìn)入風(fēng)力機(jī)掃掠面積前的風(fēng)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(fēng)力機(jī)葉輪半徑；ωw為風(fēng)力機(jī)角速度；Vw為風(fēng)速。

由式(1)可知：風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)功率由Cp的值及風(fēng)速?zèng)Q定，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)Cp與λ、β的關(guān)系曲線

由圖2(a)可知，當(dāng)葉尖速比λ恒定時(shí)，隨著槳距角β的增加(定義最大受風(fēng)角為0°)，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲效率Cp逐漸下降；由圖2(b)可知，槳距角不變時(shí)，當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于最佳葉尖速時(shí)所捕獲的風(fēng)能最大，圖中Pout是各風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的最大輸出功率點(diǎn)的連線，即最佳功率曲線。

因此，在風(fēng)力機(jī)不過(guò)載的前提下，為了使風(fēng)力機(jī)捕獲功率最大，需要使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于最佳葉尖速、槳距角調(diào)整到最大受風(fēng)角度(一般定義為0°)。根據(jù)貝茲準(zhǔn)則，Cp的最大值不超過(guò)0.59。

2.2發(fā)電機(jī)模型

在兩相dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)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(gè)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(guò)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(jìn)行獨(dú)立的無(wú)功功率交換，但是進(jìn)行有功功率傳輸時(shí)，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(biāo)系(dq坐標(biāo)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(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的DFIG聯(lián)網(wǎng)運(yùn)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(xué)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(qiáng)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(shí)出現(xiàn)的過(guò)電壓；可對(duì)包含復(fù)雜非線性元件(如直流輸電設(shè)備)的大型電力系統(tǒng)進(jìn)行全三相的精確模擬，其輸入、輸出界面非常直觀、方便；進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域或頻域計(jì)算仿真；電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領(lǐng)域的仿真計(jì)算；實(shí)現(xiàn)高壓直流輸電、FACTS控制器的設(shè)計(jì)[7]。

3.2雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)

以遼寧某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組為例進(jìn)行研究。在PSCAD仿真平臺(tái)上建立了如圖3所示的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的電磁暫態(tài)仿真模型，包括風(fēng)力機(jī)模型，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型，四象限變流器模型及風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制系統(tǒng)模塊，分析DFIG聯(lián)網(wǎng)運(yùn)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(yīng)風(fēng)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(fēng)速6 m/s時(shí)雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組仿真(機(jī)組運(yùn)行仿真波形如圖4所示)。

正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)定子繞組相電壓標(biāo)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(yīng)發(fā)電機(jī)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(jī)組總的有功功率輸出為0.164 MW。

圖4 風(fēng)速 6 m/s雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真波形圖

上述運(yùn)行條件可知，機(jī)組運(yùn)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(guò)仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)風(fēng)速為6 m/s時(shí)，機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)滿足數(shù)學(xué)模型方程約束，驗(yàn)證了該風(fēng)速下仿真模型的有效性。

算例2：高風(fēng)速12 m/s時(shí)雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組仿真(波形如圖5所示)。

正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)定子繞組相電壓標(biāo)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(yīng)發(fā)電機(jī)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(jī)組總的有功功率輸出為0.846 MW。

圖5 風(fēng)速12 m/s雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行仿真波形圖

上述運(yùn)行條件可知，機(jī)組運(yùn)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(guò)仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)風(fēng)速為12 m/s時(shí)，機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)滿足數(shù)學(xué)模型方程約束，并且與設(shè)計(jì)參數(shù)值基本一致，驗(yàn)證了該風(fēng)速下仿真模型的有效性。

不同恒定風(fēng)速情況下，雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出，各個(gè)風(fēng)速下機(jī)組仿真運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致，驗(yàn)證了所搭建模型的有效性，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的最佳功率追蹤控制。

表2 不同風(fēng)速下機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)與仿真參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

分析了雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的工作原理及數(shù)學(xué)模型，基于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)，在PSCAD/EMTDC平臺(tái)上建立了仿真模型，包括風(fēng)力機(jī)、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、四象限變流器及風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制系統(tǒng)等仿真模塊，對(duì)雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組在不同工況下的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真分析，揭示雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行特性，電氣設(shè)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(guó)風(fēng)電發(fā)展報(bào)告[M]．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)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(yùn)行工作。

2017-04-17)