并网双馈风力发电机组的建模与仿真_图文

1、第25卷第1期湖北工业大学学报2010年2月V ol.25N o.1Journal of H ubei U niversity of T echnology Feb.2010 收稿日期2009-12-15基金项目国家自然科学基金重点项目(50837003.作者简介高一丹(1986-,女,湖北宜昌人,华中科技大学硕士研究生,研究方向:电力系统及其自动化.文章编号1003-4684(20100120075206并网双馈风力发电机组的建模与仿真高一丹,张步涵(华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室,湖北武汉430074摘要基于PSCAD/EM TDC 仿真平台搭建了双馈风力发电机组/风力发电场的

2、暂态模型.对风速变化下风电场并网运行的端口特性做了仿真,验证了模型的正确性.其次,对典型故障情况下并网风电场的运行进行了仿真,分析了转速、有功无功等量的动态响应,并验证了转子侧有Crowbar 保护电路的双馈电机有一定的低电压穿越能力,有助于故障情况下电网的恢复.关键词双馈风机;矢量控制;解耦控制;运行特性中图分类号TM315文献标识码:A双馈变速恒频风力发电机已经成为目前风电开发的主流机型,它可以根据风速的变化最大限度地捕获风能,与电网柔性连接,而且和转子绕组相连的变频器仅需处理双馈发电机的转差功率,容量小,成本较低,已成为风力发电的研究热点和市场主流.建立正确的双馈风机模型,正确模拟风机的

3、端口特性是进行风机并网运行特性等后续研究的基础1.目前普遍采用的双馈变速恒频风电机组的建模及控制目标为:通过对转子侧变流器的控制实现对双馈电机定子绕组有功功率和无功功率解耦控制的目的;通过对网侧变流器的控制实现保持变换器直流电压恒定,交流侧相电压和电流同相位,交流侧相电流为正弦波的控制目标2.本文基于PSCAD/EM TDC 仿真平台对双馈风力发电机组的并网运行特性进行了建模与仿真研究.仿真风电场为500MVA 的大型风电场,由于其在电网中所占比例较大,当电网故障时,若风电场在系统故障时采取解列退出的方式,一方面对电网稳定性的影响不容忽视;另一方面,会增加系统恢复难度,可能加剧故障,最终导致电

4、网瘫痪.因而,为维持系统稳定运行,要求风电机组有一定的低电压穿越(L V R T 能力,即风机并网点电压跌落时风机能够保持并网,甚至向电网提供一定的无功功率,支持电网电压恢复,从而“穿越”这个低电压时间3.对双馈电机在电网故障情况下的动态响应和低电压穿越能力有必要进行分析和验证.1双馈风力发电机组的动态数学模型1.1风力机的数学模型风力机主要用于把风能转化为机械能,带动转子转动.转速为V ,叶片面积为A 的风轮旋转面的密度为的空气所蕴涵的动能为(风速在启动和额定风速之间4P m =0.5A V 3w .(1考虑转换效率C p ,风力机输出的机械能为P m =0.5C p A V 3w .(2输

5、出机械转矩为T m =P m×N P N =P m P N /N =P mP N/3.(3C p 是叶尖速比和桨距角的函数,当采用定桨距控制时,转换效率只与叶尖速比,即叶尖线速度和风速之比有关.叶尖速比=R/V ,V 为空气速度,R 为风轮半径,为叶轮旋转角速度.如图1所示,有最近叶尖速比op 对应最大风能利用系数C pmax .即只要调整叶轮旋转速度就可以得到最大风能利用系数,实现最大风能追踪.图1Cp 与关系曲线(固定桨距1.2双馈风力发电机的动态数学模型大型双馈风机的电机模块一般采用绕线式异步电机.通过dq 解耦,将d 2q 轴放在同步旋转坐标系上来建立双馈风力发电机的状态方程

6、,得到如下5阶绕线式异步电机数学模型5.定子电压dq 动态模型方程:u q s =R s i q s +dq s dt+eds ,u ds =R s i ds+dds dt-eq s .(4转子电压dq 动态模型方程:u qr =R r i qr +dqr dt+edr ,u dr =R r i dr+ddr dt -eqr .(5运动方程:T e -T m =2J pd rdt.(6其中,u ds 、u q s 、u dr 、u qr 为定、转子d 、q 轴电压;i ds 、i q s 、i dr 、i qr 为定、转子d 、q 轴电流;ds 、q s 、dr 、qr 为定、转子d 、q 轴

7、磁链;dm 、qm 为定、转子d 、q 轴互感磁链;L s 、L r 、L m 为定、转子自感与互感.磁链可由电流和电感表示,此外还有电磁转矩方程:T e =23pL m (i q s i dr -i ds i qr =23pL m s i qr .(7式中,p 为电机的极对数.2双馈风力发电机控制系统模型对双馈电机的控制主要通过图2中转子和网侧 的电压源变换器实现.其中,与电网相连的PWM 电压源变换器主要功能是控制交流侧功率因数,保证直流母线电压稳定.与转子侧相连的PWM 电压源变换器主要功能是基于双馈电机的定子磁链定向矢量控制,并且通过控制转子电流实现有功功率和无功功率的解耦,从而实现定

8、子侧输出电压恒定,频率稳定为50Hz.图2双电压源变换器双馈风力发电系统将发电机定子侧变压器等值到发电机中,在PSCAD 中搭建的PWM 变换器模型如图3所示,图中变压器为图2中10/4kV 降压变压器.下面从网侧及转子侧简要介绍控制的原理与在PSCAD 中的实现.图3在PSCAD 中搭建的网侧及转子侧PWM 变换器模型1网侧变换器的矢量控制网侧变换器的功能,就是要稳定直流电压,同时根据需要调节电网的功率因素.按定子电压定向,电压d 轴与v a 重合,则v q =0.由于网侧电压恒定,所以v d 不变,有功功率、无功功率分别与i d 、i q 成正比.根据文献5 推导有cdV dc dt =3

9、22m 1i d -i load .(8v d =v d - e L i q +v d 1,v q =0=v q+e L i d +v q 1.(9v d =Ri d +L di ddt,v q=Ri q +L di qdt.(10目标是保持V dc 稳定,直流母线电压可由i d 控制.因此,网侧电压源变换器的控制策略可以是i d 和i q 的电流控制闭环.i 3d 指令由直流母线电压通过P I 调节器获得.i 3q 指令可由网侧功率因素决定.v d 、v q 可分别由i d 和i q PI 解耦得到,其传递函数可表示为:F (s =i d (s v d (s =i q (s v q (s =

10、1Ls +R .(11网侧电压源变换器的PWM 调制波电压指令为:v d 13=-v d +e L i q +v d ,v q 13=-v q-g L i d .(12式中v d 13和v q 13是供电侧变流器调制波电压指令值.2转子侧变换器的矢量控制定子磁链定向矢量,d 轴沿定子磁场方向,定子磁通的q 轴分量为零,忽略定子侧的损耗,定子有功功率P s 和无功功率Q s 为67湖北工业大学学报2010年第1期P s =T er -L msd L se i qr ,Q s =e sd (sd -L m i dr L s.(13从上式可以看出,发电机定子有功仅与i rq 有关,发电机定子从网侧吸

11、收的无功仅与i rd 有关.通过控制转子电流dq 轴分量,即可实现对发电机定子有功和无功的解耦控制.故而只需要用i dr 和i qr ,作为生成控制定子侧电压源变换器触发信号的指令(具体推导参见文献5.在变速恒频双馈风力发电机系统中,对转子电流的控制非常重要,这直接影响到了磁链、有功、无功.转子侧电流i dr 和i qr 采用滞环电流控制.滞环电流控制技术属于直接电流控制技术,实际电流在一个滞环带内跟踪指令电流,从而产生电压源变换器的触发信号,实现简单,动态响应快 ,对直流侧电压的波动不敏感,所以滞环电流PWM 控制应用更为流行627.例如在PSCAD 中对转子a 相电流的滞环控制如图4.图4

12、转子a 相电流滞环控制图3Cowbar 保护电路(转子过电流保护采用主动式Crowbar 电路,如图3所示.Crow 2bar 电路保护的原理是:当电网电压跌落时,若转子电流大于限值,图3中IG B T 开关动作,用电阻R 短接转子绕组,为转子侧浪涌电流提供了一条旁路,保护了转子侧变换器,同时防止直流侧电压过高.3仿真及结果基于PSCAD/EM TDC ,本文建立了额定容量为500MVA 的大型风力发电场并网仿真系统,如图5所示.该系统含有250台2MW/690V 双馈风电机组,假设所有风机有相同的电压、电流和功率响应特性,可用一台等值风力发电机代替,其额定功率为所有风电机组之和8.其中,等值

13、风电场模型参见图2,其出口电压为10kV.通过两台容量为240MVA 的升压变压器和100km 的双回架空输电线接入220kV 、1000MVA 的系统.此外,10kV 的母线C 上接有50Mvar 电容补偿装置,并网接入点220kV 母线B 上接有功率因数为0. 86的恒阻抗负载200MVA ,系统220kV 母线A 上接有功率因数为0.86的恒阻抗负载900MVA.图5大型风力发电并网仿真系统1稳态情况下风电机组并网运行特性仿真风速为12m/s 的基本风与34s 峰值为1m/s 的渐变风的叠加.稳态情况下,双馈风机的端口特性如图 6所示(截取稳态情况下16s 波形,通过FF T 分析,端口

14、电压电流谐波T HD 如图7.如图6(a ,在34s 出现渐变风,风电场出口的有功功率随着风速的变化而变化,波形相似但由于风机存在惯性而有一定延时,说明控制策略可以实现有功的最大功率跟踪;在有功变化的情况下,无功基本保持不变为0,功率因数在1左右,说明控制策略能够实现定子侧有功和无功的解耦控制,无功不随有功的变化而变化,风机不从系统吸收无功.如图6(b 所示,风场出口电压风机出口电压稳定在1.076p u 左右,风速的波动对电压基本没有影响,频率基本稳定在50Hz ,由于4.4s 左右有功随77第25卷第1期高一丹等并网双馈风力发电机组的建模与仿真着风速陡降而减少,导致频率在4.5s 时出现相

15、同下凹波形,最小为49.867Hz.如图7,风力机出口电压和电流T HD 值在风速波动时最大,分别为4.8%和5.1%,谐波含量很小,基本不产生谐波.可以看出,端口有功随着风速的变化而变化,实现最大功率跟踪;无功始终保持在参考值0附近,风速变化时仍能达到较好的控制效果,不从电网吸收无功.从而也验证了矢量控制策略的正确性,能够达到最大功率跟踪和有功、无功解耦控制的目的 .图7端口电压电流的T HD 值2系统故障情况下风电机组的动态特性仿真风速维持在12m/s 不变,设定故障为220kV 线路l 2中点处于3s 时发生三相接地短路故障,线路两端保护于0.1s 动作,将线路l 2切除,不考虑重合闸,

16、系统保持单回线路运行,最终达到新的稳定状态.仿真得到定子电压、电流、功率及直流侧电压,转子转速、电磁转矩、dq 轴电流、转子侧功率如图8所示(截取2.54s 波形.由图8可见,故障期间(33.1s ,电压跌落最深达到50%.故障发生后,发电机机端电压跌落,机端电压突变,定子磁链守恒不突变,产生一个衰减很快的直流分量.在故障期间,s =U s /e (e 不变,由式(7T e =23pL m s i qr 知T e 与U s 成比例关系,T e随U s 的减小而减小.而发电机输入转矩不变T m (风速不变,故转子加速、r 增加.控制I rq 是以r 为参考进行PI 控制(P s 与r 成比例,而

17、解耦后P s 与I rq成比例.,则增加,通过PI 控制I rq 增加,则T e 增加,阻止转速增加,最终r 稳定于参考值附近.图8(b 、(c 、(d 、(e 所示r 、T e 、I rq 、P s 波形变化趋势与以上分析相同.sd 、i dr 都发生变化,由式(13,定子侧无功Q s 根据运行状态不同,可能增大或减小.如图8(e ,故障期间Q s 为正值,风力机向电网提供一定的无功支撑.线路l 2被切除后,通过控制i dr ,Q s 稳定于0左右 .87湖北工业大学学报2010年第1期3双馈风力发电机的L VR T 分析国家电网公司风电场接入电网技术规定中对风电场低电压穿越要求的规定为:风

18、电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保持并网运行625ms 的低电压穿越能力;风电场并网点电压在发生跌落后3s 内能够恢复到额定电压的90%时,风电场内的风电机组应保持并网运行.设定故障为220kV 线路l 2距母线A100%处于3s 发生三相接地故障,保护于3.1s 动作切除故障.闭锁、开启Crowbar 电路的情况下得到风机转子电流I r 与变流器直流侧电压的波形如图9所示(截取2.53. 2s 波形.故障条件与(2中相同,系统故障时,电压跌落至30%,风电场(含Crowbar 保护电路不切除情况下,220kV 母线B 上电压,线路l 1上有功功率的变化如图10(截取2

19、.54s 波形.由图9可以看出在故障期间Crowbar 保护电路的动作降低了变流器直流电压,减小了转子电流,保护了转子侧变流器 ,能够保证转子电流在允许范围内,故障时候风电场不用切除.由图10(a 和(b 可见,故障发生后风电场(开启Crowbar 电路不切除时,故障期间系统220kV97第25卷第1期高一丹等并网双馈风力发电机组的建模与仿真80 湖 北 工 业 大 学 学 报 2010 年第 1 期 母线 B 电压跌落约 70 % ,在故障清除后约 0. 03 s 恢 复至 0. 9 p u ,稳定于 0. 97 左右 ; 线路 l1 上有功功率 的方向在故障期间仍然流向系统侧母线 A ,

20、可见在 系统故障时 ,风电场仍向系统输送一定的有功功率 , 为系统的恢复提供一定的有功功率支援 . 由图 10 ( c 和 ( d 可见 , 故障发生后风电场 ( 闭 锁 Crowbar 电路 被切除时 , 故障期间系统 220 kV 母线 B 电压跌落约 70 % ,最终只能稳定于 0. 933 ,不 符合电能质量要求 ; 线路 l1 上的有功功率反向 , 约 为 150 M W ,220 kV 母线 B 处负荷功率只能由系统 提供 ,若系统有功备用不足时 ,将会对系统频率产生 影响 . 通过比较可知 ,在故障期间 ,风电场 ( 含 Crow2 bar 保护电路 未被切除 , 则仍能给系统提

21、供一定的 功率支援 ,并于故障发生后 0. 17 s 将风电场并网点 ( 母线 B 电压恢复至 97 % , 并维持电网频率稳定 , 有助于电网的恢复 , 达到国家电网对风电场低电压 穿越要求 ,说明其有一定的低电压穿越能力 . 较分析了转子侧直流电压波形及转子电流波形 , 表 明在故障期间 ,Crowbar 保护电路可有效保护双馈 电机 , 可 以 不 用 切 除 风 电 机 组 . 同 时 也 表 明 , 含 Crowbar 保护电路的双馈风力发电机具有一定的低 电压穿越能力 ,可对系统提供一定的功率支援 ,有助 于系统的恢复 . 参 考 文 献 1 ,邢作霞 ,潘 ,等 . 大型风力发电

22、机组技术发 陈 雷 建 展趋势 J . 可再生能源 ,2003 (1 :27 - 30. 2 冯双磊 ,赵海翔 , 任普春 , 等 . 基于 PSCAD/ EM TDC 的 双馈式变速恒频风电机组动态模型仿真 J . 电网技 术 ,2007 ,31 ( 17 :30 - 35. 3 闫广新 ,晁 ,刘新刚 ,等 . 并网型双馈风电机组动态 勤 稳定性仿真 J . 电网技术 ,2007 ,31 (24 :63 - 66. 4 迟永宁 ,李群英 ,李 ,等 . 大规模风电并网引起的电 琰 力系统运行与稳定问题及对策 J . 电力设备 ,2008 ,19 (11 :16 - 19. 5 ,宋家骅 .

23、 大型变速恒频风力发电机组建模与仿 李 晶 4 结束语 本文建立了变速恒频双馈风电机组的动态模 型 ,对风速变化下大型风电场并网运行的端口特性 进行了仿真 ,仿真结果表明 : 双馈风电机组可以实现 有功的最大功率跟踪 ,有功和无功解耦控制 ,输出功 率因数为 1 ,端口电压频率稳定 ,从而验证了模型的 正确性 . 其次 ,对系统故障情况下并网风电场的运行 特性进行了仿真 ,并从控制机理上分析了转速 、 有功 无功等量的动态响应 , 与仿真情况相符 . 最后 , 通过 开启 、 闭锁转子侧的 Crowbar 保护电路的仿真 , 比 真 J . 中国电机工程学报 ,2004 ,34 ( 6 :10

24、0 - 105. 6 胡春松 ,吴先友 . 大型双馈式风力发电机组的运行与控 制 J . 电器工业 ,2009 ( 6 :62 - 68. 7 韦忠朝 ,辜承林 ,黄声华 ,等 . 变速恒频双馈发电机矢控 制策略及特性分析 J . 华中理工大学学报 ,1996 ,24 ( 9 :87 - 90. 8 雷亚洲 , Gordon Light body. 国外风力发电导则及动态 模型简介 J . 电网技术 ,2005 ,29 ( 12 :27 - 32. power grid are simulated , which p roves t he correct ness of t he model

25、. Seco ndly ,t he operating characteris2 tics of wind farm co nnected into power grid are simulated when t he wind speed changes , dynamic respo nse analysis is given including speed , active and reactive power . In additio n , it is p roved by simulatio n t hat t he do uble2fed generators wit h Crowbar p rotectio n circuit o n t he rotor side