文章编号：中图分类号：TM614；TM 文献标志码：A 学科分类号：470

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祖灶毛
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1 双馈风电机组低电压穿越的电气模型研究刘一星, 梁媛媛, 余强, 唐显虎, 李辉 (1. 重庆科凯前卫风电设备有限责任公司, 重庆中船重工 ( 重庆 ) 海装风电设备有限公司, 重庆 ) Researh on Electrical Models of Low Voltage Ride Though for Doubly Fed Induction Wind Turbine Generation System Liu Yixing 1, Liang Yuanyuan 1, Yu Qiang 2, TANG Xianhu 1, Li Hui 1 (1. Chongqing KK-QIANWEI Wind Power Equipment Co., Ltd, Chongqing, CSIC (Chongqing) Haizhuang Windpower Equipment Co., Ltd, Chongqing, ) 摘要 : 为了满足风电机组低电压穿越 (LVRT) 的测试要求及其电气模型一致性评估需要, 本文建立了风力机传动链主控制系统变桨系统和变流器等部件的电气模型在阐述风电机组 LVRT 测试要求及控制原理的基础上, 提出了 DFIG 在 LVRT 期间的无功电流分配控制策略最后, 以某实际双馈风电机组为例, 分别对风速 5m/s 和 12m/s 电网电压对称跌落至 20% 和 50% 时工况下的 LVRT 运行性能进行仿真比较和样机测试结果表明, 本文提出的电气模型能更好地满足风电机组 LVRT 测试要求关键词 : 低电压穿越 ; 电气模型 ; 双馈发电机 ; 无功电流分配 ABSTRACT:In order to satisfy the testing requirements of the low voltage ride through (LVRT) of wind turbine generation system and the need of the electrical model conformance evaluation, Electrical models of wind turbine components including drive-train, main control system, pitch system and converter were preseneted. Based on the description of the LVRT testing requirements and the control principle, the corresponding reactive current allocated control strategies for the LVRT operation were proposed. Finally, as an example of the fact DFIG wind turbine generation system, the simulated comparison and the prototype testing for LVRT operational performances were investigated under the conditions of 5m/s and 12m/s wind speed, the grid voltage balance drop to 20% and 50%, respectively.the results have shown that the presented DFIG models can better meet the LVRT testing requirements. KEY WORDS: low voltage ride through; the electrical model; doubly fed induction generator; reactive current allocation 0 引言依据国家风电技术与检测研究中心文件风电机组低电压穿越能力一致性评估方法 ( 暂行 ) 的规定, 基于某公司某型号风电机组通过低电压穿越特性测试且满足标准要求的基础上, 需要对测试的风电机组进行模型验证, 校验该风电机组仿真模型与其实际低电压穿越现场测试特性是否一致如果一致, 则可以通过修改模型参数的方式仿真分析同系列其它配置风电机组的低电压穿越特性是否与通过测试的风电机组保持较好的 LVRT 一致性如保持较好的一致性, 则其它几种配置风电机组便满足国家电网公司企业标准 Q/GDW 392_2009 风电场接入电网技术规定对低电压穿越能力的要求, 可以在市场销售和并网发电

2 因此, 风电机组低电压穿越电气模型在风电机组低电压穿越能力一致性评估中起决定性作用, 电气模型的精确度直接影响到一致性评估的结果, 进而影响到同系列其它机组的市场销售和并网发电, 具有重要的现实意义基于此, 本文建立了风力机传动链主控制系统变桨系统和变流器等部件的电气模型在阐述风电机组 LVRT 测试要求及控制原理的基础上, 提出了 DFIG 在 LVRT 期间的无功电流分配控制策略最后, 以某实际双馈风电机组为例, 分别对风速 5m/s 和 12m/s 电网电压对称跌落至 20% 和 50% 时工况下的 LVRT 运行性能进行仿真比较和样机测试 1 双馈风电机组低电压穿越的电气模型双馈风电机组低电压穿越的电气模型主要包括风力机模块传动链模块主控制系统模块变桨控制系统模块双馈变流器模块 1.1 风力机模块风力机模块模拟空气动力中的风能获取, 获得的风功率可由式 (1) 表示 [1] : P aero 式中, 为空气密度, R V 为风力机叶轮半径, 2 3 C pr Vw (1) 2 w 为扫过风轮的风速, C p 为风能转换效率系数, 可根据叶片的气动特性表, 由叶尖速比和叶片桨距角查表得到本文的风力机模块是依据上述方程建立的 1.2 传动链模块传动链子模块采用两个质量块方式来搭建, 将风力机低速轴各量折算成发电机高速侧, 用标幺值形式表示的运动方程为 : dw 2H w Tw Ks s Ds ( w g ) Dww dt dg 2H g Ks s Te Ds ( w g ) Dgg dt ds 0( w g ) dt (2) H H 式中 : w g 为风力机和发电机转子 ( 含齿轮箱 ) 的惯性时间常数 ; w g 为风力机和发电机 D D 转子的电角速度 ; s 为风力机相对于发电机转子的角位移 ; s 为风力机和发电机之间的阻尼系数 ; w D g K 分别为风力机和发电机转子自身的阻尼系数 ; s 为传动轴系的刚度系数本文传动链模块是依照上述方程来建立的 1.3 主控制系统模块主控制系统模型通过最大风能捕获策略, 寻找到机组最优功率曲线, 通过查表的方式输出发电机的给

3 定电磁功率, 控制发电机的输出功率, 达到最大的风能利用与最优功率输出本模型中主控制系统控制策略大致分两个部分 : (1) 从电网电压恢复开始到有功功率恢复到跌落前的值为止, 给定转矩按一定的斜率恢复 (2) 其余时刻通过查询转矩 _ 转速曲线来得到给定转矩值 1.4 变桨控制系统模块变桨控制系统的基本原理是 : 风速低于额定风速时, 桨叶节距角 0, 通过变速控制, 使风能利用系数恒定在功率附近 C P max 1.5 双馈变流器模块, 实现最大风能捕获 ; 风速高于额定风速时, 调节桨叶节距角, 使机组稳定运行在额定网侧变流器是基于电网电压定向矢量控制的, 有两个控制环内环 PI 为电流调节器 ; 外环 PI 实现调节直流链电压 u dc 的功能通过一系列的运算最后输出网侧变流器的开关信号 [2-3], 控制网侧变流器的开断 [2-5] 机侧采用定子磁链定向的转子电流控制方法, 有两个控制环外环 PI 实现转矩和无功功率调节的功能 ; 内环 PI 实现转子电流的调节, 通过一系列的运算最后输出机侧变流器的开关信号, 控制机侧变流器的开断 [2-5] 2 LVRT 期间双馈发电机无功电流的分配 LVRT 期间,DFIG 定子侧向电网提供的无功电流远远大于网侧变流器向电网提供的无功电流因此, 本文提出优先考虑转子侧的无功功率控制来实现定子侧向电网注入无功电流为实现这种控制策略需要将电网电压跌落值分为两个区间, 按照不同区间实现不同的功率控制策略当电网电压小于 0.3p.u. 时, 由定子侧和网侧变流器共同输出向电网提供无功电流支撑 ; 当电网电压大于 0.3p.u. 时, 由定子侧单独向电网提供无功电流支撑 3 LVRT 期间双馈发电机的控制策略为了保护 LVRT 期间转子变流器, 本文采用基于转子侧 crowbar 电路和直流侧卸荷电路的组合控制进行研究当电网电压出现跌落故障, LVRT 控制将会激活机侧 crowbar 保护电路和直流母线侧卸荷电路, 封锁机侧变流器 PWM 脉冲, 从而对转子侧变流器和直流侧电容起到很好的保护作用当转子侧电流和直流侧母线电压分别降低到允许值时,LVRT 控制则立即切除转子 crowbar 电路和直流侧卸荷电路, 此时转子励磁重新投入, 其变流器对发电机重新获得控制权, 网侧变流器和机侧变流器同时工作于降低有功功率和无功功率补偿模式, 风电机组向电网注入无功电流, 支撑电网电压快速恢复当电网电压恢复到故障前状态时,LVRT 控制将使机侧变流器和网侧变流器切换为有功功率工作模式, 停止向电网注入无功电流, 且在电网电压有回升趋势瞬间, 控制有功功率和无功功率恢复到故障前的稳态值

4 4 双馈风电机组 LVRT 仿真及分析以某公司已通过低电压穿越特性测试且满足标准的双馈风电机组为例, 分别对风速 5m/s 和 12m/s 电网电压对称跌落至 20% 和 50% 两种工况进行了 LVRT 仿真并与实测 LVRT 性能进行了比较和分析 4.1 风速 5m/s 及电网电压对称跌落到 20% 双馈风电机组低电压穿越电气模型仿真输入条件为 : 风速为 5m/s, 在 t=7.5s 时刻, 电网电压发生对称跌落故障, 且跌落故障持续 640ms, 在 t=8.14s 时刻故障切除采用本文提出 LVRT 电气模型及策略后输出无功电流有功功率和无功功率的 LVRT 性能如图 1 所示流值 i g q 图 1 双馈风电机组低电压穿越电气模型 LVRT 仿真性能依据本文提出的无功电流分配原则, 风电机组向电网提供的无功电流值 I Q 为网侧变流器输出的无功电和定子侧输出无 i s q 之和这一点可以在上图 (b) 中得到印证, 从而得出仿真结果和理论分析完全吻合从图 (c) 和图 (d) 中可以得到结论, 从电网电压开始恢复时刻起, 有功功率以一定功率变化率上升至跌落前的值为了进一步验证模型的准确性, 将 LVRT 仿真性能和 LVRT 测试能进行了一致性评估分析, 图 2 列出了某公司已通过低电压穿越特性测试且满足标准的双馈风电机组在相同输入条件下的测试结果图 2 风电机组现场测试中无功电流有功功率和无功功率的动态相应计算电网电压跌落前跌落中和跌落后三个区间中, 无功电流有功功率和无功功率的仿真值和测试值之间的平均误差都小于 7%, 平均绝对偏差都小于 7%, 最大偏差都小于 15% 符合国家风电技术与检测研究中心文件风电机组低电压穿越能力一致性评估方法 ( 暂行 ) 的规定基于本文提出的双馈机组仿

5 真模型已通过了一致性评估, 某公司同系列其它配置风电机组便满足国家电网公司企业标准 Q/GDW 392_2009 风电场接入电网技术规定对低电压穿越能力的要求, 可以在市场销售和并网发电 4.2 风速 12m/s 及电网电压对称跌落到 50% 双馈风电机组低电压穿越电气模型仿真输入条件为 : 风速为 12m/s, 在 t=7.5s 时刻, 电网电压发生对称跌落故障, 且跌落故障持续 1220ms, 在 t=8.72s 时刻故障切除采用本文提出的 LVRT 控制策略输出无功电流有功功率和无功功率的 LVRT 性能如图 3 所示图 3 双馈风电机组低电压穿越电气模型 LVRT 仿真性能比较依据本文提出的无功电流分配原则, 此时风电机组向电网提供的无功电流值 I Q 为发电机的定子侧提供的无功电流 i s q 这一点可以在上图 (b) 中得到印证, 从而得出仿真结果和理论分析完全吻合从从图 (c) 和图 (d) 中可以得到结论, 从电网电压开始恢复时刻起, 有功功率以一定的功率变化率上升至跌落前的值, 无功功率在电网电压恢复后瞬间恢复至跌落前 0 为进一步验证模型的准确性, 将 LVRT 仿真性能和 LVRT 测试能进行了一致性评估分析, 图 4 列出了某公司已通过低电压穿越特性测试且满足标准的双馈风电机组在相同输入条件下的测试结果图 4 风电机组现场测试中无功电流有功功率和无功功率的动态相应计算电网电压跌落前跌落中和跌落后三个区间中, 无功电流有功功率和无功功率的仿真值和测试值之间的平均误差都小于 7%, 平均绝对偏差都小于 7%, 最大偏差都小于 15% 符合国家风电技术与检测

6 研究中心文件风电机组低电压穿越能力一致性评估方法 ( 暂行 ) 的规定基于本文提出的双馈机组仿真模型已通过了一致性评估, 某公司同系列其它配置风电机组便满足国家电网公司企业标准 Q/GDW 392_2009 风电场接入电网技术规定对低电压穿越能力的要求, 可以在市场销售和并网发电 5 结论本文从风电机组一致性评估需要提供机组的电气模型且要求其精确度高的角度出发, 提出建立双馈风电机组低电压穿越的电气模型, 为保证模型的精确度, 提出了考虑无功电流分配的双馈风电机组 LVRT 控制策略最后, 以某公司已通过低电压穿越特性测试且满足标准的双馈风电机组为例, 分别对不同风速不同电网电压跌落深度的两种工况进行了 LVRT 仿真分析并与实测 LVRT 性能进行了比较结果证明, 本文提出的双馈风电机组低电压穿越电气模型与其实际低电压穿越现场测试特性是一致的, 可以用于同系列其它型号机组的低电压穿越一致性评估同时基于本文提出的双馈机组仿真模型已通过了一致性评估, 某公司同系列其它配置风电机组便满足国家电网公司企业标准 Q/GDW 392_2009 风电场接入电网技术规定对低电压穿越能力的要求, 可以在市场销售和并网发电参考文献 : [1] Q/GDW 风电场接入电网技术规定 [S],2009. [2] 徐殿国, 王伟, 陈宁. 基于撬棒保护的双馈电机风电场低电压穿越动态特性分析 [J]. 中国电机工程学报,2010,30(22): [3] 郎永强, 张学广, 徐殿国等. 双馈电机风电场无功功率分析及控制策略 [J]. 中国电机工程学报,2007, 27(9): [4] 刘其辉, 王志明. 双馈式变速恒频风力发电机的无功功率机制及特性研究 [J]. 中国电机工程学报, 2011,31(3): [5] Stephan Engelhardt, Istvan Erlich, Christian Feltes, et al. Reactive Power Capability of Wind Turbines Based on Doubly Fed Induction Generators[C]// IEEE Transactions on Energy Conversion, 2011, 26(1):

1000w 1000w 风力发电机输出功率曲线图风速 m/s 输出功率 P(w) 风速 m/s 输出功率 P(

1000w 1000w 风力发电机输出功率曲线图风速 m/s 输出功率 P(w) 风速 m/s 输出功率 P( 1000w 1000w 风力发电机输出功率曲线图风速 m/s 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 输出功率 P(w) 20 65 130 240 390 580 825 1100 1300 1380 风速 m/s 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 输出功率 P(w) 1380 1350 1310 1255 1185 1095 990 875 735 570 1000w

文章编号： 中图分类号：TM614；TM 文献标志码：A 学科分类号：470

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