双馈型风力发电机低电压穿越仿真分析

2010年1O月第38卷第5期总第210期OCT2010VO138NO5SERNO210双馈型风力发电机低电压穿越仿真分析ANALYSISOFLVRTOFWINDTURBINEDRIVERNDFIGWITHSIMULATIONS姜传，肖湘宁华北电力大学，北京102206摘要针对双馈型风力发电机在低电压穿越过程中所遇到的定转子过流问题，采用主动撬棒电路旁路转子侧变流器解决，在MATLABSIMULINK中建立了模型并进行了仿真分析，仿真结果验证了主动撬棒电路能够有效实现双馈型风力发电机在三相对称故障条件下的低电压穿越，并分析了撬棒电阻的选取，得出选取较大的撬棒电阻更有利于电网的恢复的结论。关键词低电压穿越；双馈型风力发电机；主动撬棒电路ABSTRACTDURINGTHEPERIODOFAGRIDFAULT，OVERCURRENTANDOVERVOLTAGEWASINDUCEDINSTATORANDROTORWINDINGINORDERTOPROTECTTHECONVERTER，ACTIVECROWBARWASUSEDTOSHORTDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORDFIGROTORSIDECONVERTERTHETHEORYANALYSISISVERIFIEDBYTHESIMULATIONRESULTSINMATLABSIMU1INKTHROUGHTHEACTIVECROWBAR，LOWVOLTAGERIDETHROUGHLVRTABILITYOFDFIGISACHIEVEDACCORDINGTOTHEANALYSISOFTHERESISTANCEINTHECIRCUIT，HIGHERRESISTANCEOFCROWBARCIRCUITISGOODFORRECOVERYOFTHEGRIDVOLTAGEKEYWORDSLVRT；DFIG；ACTIVECROWBARCIRCUIT中图分类号TM71L文献标志码A文章编号10095306201005001603在风力发电发展初期，由于其所占比例较低，为保护风力发电机，即使电网出现较小的故障，风力发电机也要与电网解列。近年来，风电场规模已经变得更大，如果大规模风电机组从电网解列，会对电网的稳定运行造成严重影响。因此，接人电网的风电机组在一定程度的电网故障情况下能够继续保持并网运行是至关重要的。为了实现不脱网运行，风电机组必须具备低电压穿越能力IVRT，即电网电压跌落时，风电场须维持一定时问与电网连接而不解列，甚至要求风电场在此过程中能提供无功功率以支持电网电压的恢复。双馈感应式风力发电机DFIG是目前主流机型。当其定子直接并网，导致其对电网故障比较敏感，特别是当电网电压发生跌落时，往往需要脱离电网以避免对变流器造成损坏，这就使得双馈感应风力发电机组不能像常规电厂那样在系统故障时，向电网提供必要的有功和无功功率支持，这不利于电网的安全稳定运行。为了实现故障期间双馈机的不脱网运行，目前在一些大公司的产品中采用了主动撬棒ACTIVECROWBAR技术，采用这种方法可以使双馈发电机在故障电流升高至额定值以上时将主动撬棒投入，而在故障电流降低到额定值以下时断开主动撬棒电路，实现双馈风力发电机电网故障中的可控运行。图1为装备主动撬棒的双馈风力发电机结构图。主动撬棒图1装备主动撬棒的双馈风力发电机结构图L电压跌落时双馈风电机的暂态特性DFIG的定子侧直接与电网相联，故障时这种收稿日期20100917作者简介姜传1984一，男，硕士研究生，主要研究方向为电力电子与电力传动。162010年10月第38卷第5期总第210期吉林电力OCT2010JILINELECTRICPOWERK、VO138NO5SERNO210直接耦合使得电网电压的降落直接反映在电机定子端电压上，在定转子绕组中会出现暂态的磁链直流分量。定子磁链的直流量和负序分量相对于以较高转速运转的电机转子会形成较大的转差，从而感生出较大的转子电势并产生较大的转子电流，导致转子电路中电压和电流大幅增加。定转子电流的大幅波动会造成DFIG电磁转矩的剧烈变化，对风电机组机械系统产生很大冲击。转子能量流经转子侧变流器RSC之后，一部分被网侧变流器GSC传递到电网，剩下的给直流电容充电，导致直流母线电压的快速升高，所以必须采取保护措施抑制转子过电流，保护RSC和GSC。2主动撬棒的控制和投切时间21主动撬棒的控制主动撬棒的控制原理当转子侧电流或直流母线电压增大到预定的阈值时触发导通开关元件，使得由故障产生的较大的转子电流流过撬棒电路，旁路RSC。撬棒动作之后，DFIG的运行状态将类似于恒速的鼠笼式异步电机，在这种运行状态之下DFIG会从电网吸收一定的无功功率。撬棒动作后DFIG的稳态运行特性不仅和转子回路串人撬棒电阻的大小有关而且还受电网电压跌落程度的影响。撬棒电路中的放电电阻可以减小转子衰减时间常数，加快转子磁链直流分量的衰减，可以使DFIG迅速恢复到可控运行状态_6。较大的撬棒电阻可以使转子过电流更快的衰减，但撬棒电阻太大会导致转子绕组上产生过电压，过小则不能起到限制转子电流的作用。当DFIG转子电流和转子变流器直流电压降低到额定保护值以下时，撬棒电路退出，DFIG重新恢复到正常的变速运行状态。22主动撬棒的投切时间撬棒投入期间，由于RSC被旁路，失去对机组功率输出的控制，因此机组没有无功功率输出。若撬棒电路在故障清除之后退出，因为机组工作在异步机状态且转子接有外加电阻，所以在故障清除时刻，机组的暂态扰动比较大，并且在故障清除至撬棒退出期问，机组需要从系统吸收较多无功功率，对系统电压恢复不利；另外，撬棒投入的时间越长，暂态过电流衰减得越多，能够防止撬棒的再次投入，但同时机组会在撬棒投入期间从电网吸收更多的无功功率。所以在故障清除之后，撬棒应该尽可能快地退出，使DFIG快速恢复正常运行状态，尽量减少DFIG吸收的无功功率以支持电网电压的恢复。经过综合考虑和比较，撬棒电路投入时间选为008S。3仿真分析为验证前面理论的分析结果，应用MATLABSIMULINK建立了1个15MW的双馈风力发电机模型。仿真参数如下额定功率P15MW，额定电压690V，定子电阻标幺值R一000706，转子电阻标幺值R一0005，定子漏感标幺值L0171，转子漏感标幺值L，一0156，激磁电感标幺值L一29。在仿真过程中，风机并网变压器690V侧发生三相短路故障，故障在19S时刻发生，20S时刻清除，电网电压标幺值跌落至约02。撬棒电路投入时间选为008S。31撬棒电阻标幺值取O1时图2至图6依次给出了故障中的电网电压、定子电流、转子电流、发电机有功功率以及发电机无功功率标幺值。由图3至图4可见，故障发生后，定转子冲击电流标幺值分别达到43，45，此时撬棒电路投入，转子故障电流流过撬棒，RSC被旁路。由于撬棒电路的作用，转子暂态电流开始快速衰减，在此阶段双馈电机从电网中吸收一定无功功率。当转子侧电流衰减到保护值以下，撬棒电路退出，转子变流器重新工作。在电网故障清除后，双馈发电机经过约150MS的调整，恢复正常运行。在整个故障过程中，双馈发电机一直保持与电网相联，实现了不脱网运行。32撬棒阻标幺值取002与02时为了进一步分析撬棒阻值对DFIG无功功率的影响，保持其他条件不变，仿真了撬棒阻标幺值分别取002，02的2种情况。图7中故障过程吸收无功功率多于图6中撬棒阻标幺值为01的情况，故障清除之后吸收无功功率也较多，吸收无功功率标幺值最多时达到约11，这将不利于电网电压的恢复。图8中故障过程吸收无功功率标幺值少于图6和图7中的情况，而且故障清除之后吸收无功功率172010年1O月第38卷第5期总第210期吉林电力JILINELECTRICPOWEROCT2010VO138NO5SERNO210L05171921图2电网电压标幺值192123T|S图3定子电流标幺值RS图4转子电流标幺值标幺值也较图6和图7少，从未超过10，吸收的无功功率标幺值最多时也只达到了约06，这将有利于电网电压的恢复。故障清除之后，若因风场中部分机组撬棒未能及时退出而吸收大量无功，所导致周边电压风场电压下降，很可能使周边风场机组的撬棒再次投入，但撬棒阻标幺值为02时在故障清除之后吸收无功功率较少，这将有助于电网电压恢复，同时减小对周边风场电压的影响。所以应该在合理范围内尽量选取较大的撬棒电阻，这样有利于电网电压恢复，还可以180171921图5发电机有功功率标幺值2一一一一一一17192123TIS图6发电机无功功率标幺值15一0一15一一17TS图7撬棒阻标幺值取002时的无功功率标幺值减少发电机因撬棒未能及时切除而吸收的无功功率，防止撬棒再次投入。4结语本文的研究结果表明主动撬棒电路在电网故障情况下能够保护变流器并使双馈机尽快恢复工作，有效的实现了低电压穿越。通过对选取不同撬棒电下转第22页2O0之一一L552010年10月第38卷第5期总第210期吉林屯力JILINELECTRICPOWEROCT2010VO138NO5SERNO210都是理想节点，而拉线塔中的节点螺栓有一个允许间隙，使得拉线张拉过程中，先是274铁承受拉线拉力，在274铁变形后，与274铁相连接的其他杆件才参与工作，这也正好解释了274铁符合设计要求却在线路运营过程中产生极为明显的弯曲变形的原因。4结论本文通过有限元基本理论推导为拉线式输电塔的有限元分析建立了理论基础。同时通过试验对有限元分析结果进行了验证。通过以上的一些分析，说明在预应力空间钢结构设计过程中应该重视拉线点处杆件的细部设计，同时考虑施工误差引起的对于个别杆件受力的影响。上接第18页0一15一一一一一17192123参考文献沈祖炎，李国强，陈以一，等钢结构学EM北京中国建筑工业出版社，2005谢贻权弹性和塑性力学中的有限单元法M北京机械工业出版社，1984林元培斜拉桥M北京人民交通出版社，2004王勖成有限单元法M北京清华大学出版社，2003王新敏ANSYS工程结构数值分析M北京人民交通出版社，2007曲晓宁预应力空间钢结构索张拉控制算法及试验研究D，杭州浙江大学，2009DLT8992004架空线路杆塔结构荷载试验S、图8撬棒阻标幺值取02时的无功功率标幺值阻进行比较分析，结果说明为了减少故障过程中和故障清除之后风机吸收的无功功率以支持电网电压的恢复，应该选取较大的撬棒电阻。参考文献E12IEEEP1547，IEEESTANDARDFORDISTRIBUTEDRESOURCESINTERCONNECTIONWITHELECTRICPOWERSYSTEMSS胡家兵，孙丹，贺益康，等电网电压骤降情况下双馈223456、G，、9L擘编辑李健平风力发电机建模与仿真J电力系统自动化，2006，3082126DAWEIXIANG，LIRAN，PETERJTAVNER，SHUNCHANGYANGCONTROLOFADOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORINAWINDTURBINEDURINGGRIDFAULTRIDETHROUGHJIEEETRANSACTIONONENERGYCONVERSION，2006，213652662LHOLDSWORTH，XGWU，JBEKANAYAKEANDNJENKINSCOMPARISONOFFIXEDSPEEDANDDOUBL