双馈风电机组低电压穿越能力的研究

刘新刚，史 波

（1. 新疆电力设计院，乌鲁木齐 830001；2. 新疆华电小草湖风力发电有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

前言

由于风力发电具有较好的经济效益和社会效益，其发展受到世界各国的高度重视，同时也使风电机组的并网特性成为热门研究的课题[1]。

目前，风力发电机组大体分为恒速恒频和变速恒频风力发电机组。变速恒频的双馈风电机组能够实现定子有功功率和无功功率的解耦控制，其优越的并网运行特性，使得双馈风电机组成为当前风电机组中的主流机型。

随着风力发电规模和单机容量的不断扩大，针对风电机组的并网运行要求也日益严格。目前许多标准规定风电机组具有一定的低电压穿越能力即电网电压跌落至一定范围时，风电机组必须不间断并网运行，因此研究风电机组低电压穿越能力意义重大。以往的多数关于低电压穿越能力的研究都集中于联络线发生故障时电压恢复能力的分析[2-3]，文献[4]理论上阐述了提高风电机组低电压穿越能力的措施。本文根据变速恒频双馈风电机组的特性，在 d-q坐标系下，建立了变速恒频风电机组的数学模型，并以 Matlab/Simulink为仿真平台搭建了机组系统的仿真模块，结合新的风电场低电压穿越能力要求的规定，针对不同电网电压跌落的情况，仿真研究了变速恒频双馈风电机组的低电压穿越能力，仿真结果为新疆新一期的风电机组并网运行提供了理论依据。

1 双馈风电机组的结构与数学模型

1.1 双馈风电机组的控制结构

基于双馈发电机的风电机组主要包括风力机、绕线式感应电机、变频器和控制环节，其定子绕组直接接入电网，转子绕组采用三相对称绕组，经背靠背的PWM变频器与电网相连，为发电机提供交流励磁。其中网侧变流器的控制目的是满足电流波形和功率因数的要求，保证直流电压恒定，转子侧变流器的主要任务是调节有功功率，实现最大风能捕获，同时为转侧回路提供励磁，调节定子无功功率，其结构如图1所示。

图1 双馈风电机组结构示意图

1.2 双馈风电机组的数学模型

1.2.1 风力机的数学模型

风力机通过叶片捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩，风速与转矩之间的关系可表示为[5]：

式中：TM为风机叶片的转矩，p.u.；ρ为空气密度，kg/m3；Cp为风机功率系数；A为风机叶片扫过的面积，m2；ωυ为作用于风机的风速，m/s；Nω为风力机额定机械角速度，rad/s；PN为风力机的额定功率，MW。

发电机转轴上的机械转矩Tm与发电机的电磁转矩Te共同作用调节转子转速，设J为惯性时间常数，则

从轮毂到发电机转子之间的联轴器和齿轮用一阶惯性环节来描述[6]，即

风电机组的电磁转矩Te与机端电压U的平方成正比[7]，则方程式为

式中：K为与机型有关的常数；s为滑差。

1.2.2 双馈发电机的暂态数学模型

选择以d-q同步旋转坐标系建立异步发电机的状态方程式[9]：

其中：

式中：ψds、ψqs表示定子磁链，ψdr、ψqr表示转子磁链，uds、uqs为定子电压，udr、uqr为转子电压，ids、iqs表示定子电流，idr、iqr为转子电流，s表示转差率，ωs为转子转速，ωg为同步转速，ωbase为基频，电机参数Xs ，Rs，Xm ，Xr，Rr分别表示定子电抗和电阻、互感电抗和转子电抗、电阻。

2 低电压穿越能力(LVRT)

风电机组的低电压穿越(Low Voltage Ride Through)功能就是指机组在端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续并网运行，甚至还可以为电网提供一定的无功功率以帮助电网电压恢复的能力。低电压穿越的提出主要是基于有功功率平衡的考虑，但对局部无功平衡也有好处。LVRT功能可躲过保护动作时间，故障切除后恢复正常运行，可大大减少风电机组在故障时反复并网次数，减少对电网的冲击，图2给出了风机并网的规程[5]。

图2 风电机组LVRT运行曲线

3 仿真算例

3.1 仿真算例

本文采用的双馈风电机组的参数如下：风机额定容量 1500kW，额定电压 690V，风力机叶片半径R=30m，转子电阻Rr=0.0073p.u.，定子电阻Rs=0.0076p.u.，定子电抗Xs=0.1248p.u.，转子电抗Xr=0.0884p.u.，发电机转动部分惯性时间常数Tj=7.1，极对数p=3，含双馈风电机组的仿真示意图如图 3所示。

图3 风电机组接入系统示意图

3.2 运行特性

仿真中双馈机组稳定运行时基本风速为8m/s，在5s时出现风速为 14m/s的阵风干扰，持续在风速为14m/s下稳定运行，仿真结果如图4所示。

图4 双馈风电机组的运行特性曲线

仿真结果表明：随着风速的变化，其有功出力跟随风速的变化进行调节，使得变速恒频的风力发电机组实现了最大风能捕获，无功功率保持为0左右，即保持功率因数为1，实现了双馈风电机组的有功和无功的解耦控制，也验证了所建模型的合理性。

4 双馈机组的低电压穿越能力的研究

4.1 20%-3s电压跌落

电网电压跌落20%持续时间为3s时，双馈风电机组的端电压、有功功率和无功功率变化曲线如图5所示。

图5 20%-3s电压跌落时风电机组的参数变化曲线

仿真结果图5表明：当电网电压跌落20%持续时间3s时，双馈风机端口电压略有下降并保持在0.9p.u.以上，电压跌落期间风机有功功率为0，并向电网提供了无功功率6.5Mvar，风机能够不脱网运行且发出的无功功率有利于电网电压恢复。

4.2 50%-1s电压跌落

电网电压跌落50%持续时间为1s时，双馈风电机组的端电压、有功功率和无功功率变化曲线如图6所示。仿真结果表明：当电网电压跌落50%持续时间1s时，双馈风机端口电压略有下降并保持在0.7p.u.以上，电压跌落期间风机有功功率为0，并向电网提供了无功功率 5Mvar。电网电压跌落期间，风机能够不脱网继续运行，电压跌落消失后风机端电压能恢复至稳定运行的电压水平。

图6 20%-3s电压跌落时风电机组的参数变化曲线

4.3 80%-0.625s电压跌落

在电网电压要求中跌落最为严重的情况下(电网跌落至0.2p.u.，持续时间625ms)，双馈风电机组的端电压、有功功率和无功功率变化曲线如图7所示。

图7 80%-625ms电压跌落时风电机组的参数变化曲线

由图7仿真结果可知：在电网电压跌落最严重的情况下，风机发出的无功功率为4.5Mvar，待电网电压恢复至额定值时，风电机组能够不脱网继续并网运行，风机端电压恢复至稳定运行前的电压水平。

5 结论

本文基于Matlab/Simulink建立了含双馈式异步风力发电机的仿真模型，参照风电场低电压穿越能力要求的规定，对双馈风电机组的低电压穿越能力进行了仿真研究。仿真结果表明：双馈风电机组在电网电压跌落时能够继续并网运行，待电压跌落消失后能够恢复稳定运行，满足新的风电并网标准。电压跌落期间，

风机发出一定无功功率，其无功功率的大小与电网电压跌落程度有关，也为电网电压恢复提供了无功支撑。

[1]雷亚洲. 与风电并网的有关课题[J]. 电力系统自动化, 2003, 27(8): 84-89.

[2]闫广新, 晁勤, 刘新刚, 等. 并网型双馈风电机组动态稳定性仿真[J]. 电网技术, 2007, 31(24):63-66.

[3]邢文琦, 晁勤. 不同风电机组的低电压穿越能力分析[J]. 华东电力, 2008, 36(12): 21-25.

[4]操瑞发, 朱武, 涂祥寸, 管水秀. 双馈式风力发电系统低电压穿越技术分析[J]. 电网技术, 2009,33(9): 72-76.

[5]关宏亮, 赵海翔, 王伟胜, 等. 风电机组的低电压穿越功能及其应用[J]. 电工技术学报, 2007,22(10): 173-177.

[6]文玉玲, 晁勤, 吐尔逊·依布拉音, 等. 关于风电场适应性继电保护的探讨[J]. 电力系统保护与控制,2009, 37 (5): 47-51.

[7]文玉玲, 晁勤, 吐尔逊·依布拉音. 风电场对电网继电保护的影响[J]. 电网技术, 2007, 32(14):15-18.

[8]李晶, 宋家骅, 王伟胜. 大型变速恒频风力发电机组建模与仿真[J]. 中国电机工程学报, 2004, 24(6):101-105.

[9]Daniel J T, Andrew G, Jawad M K. Fixed-speed Wind-generator and Wind-park Modeling for Transient Stability Studies[J]. IEEE Trans on Power Systems, 2004, 19(4): 1911-1917.