双馈型风力发电机低电压穿越的分析研究精

1、第39卷第17期电力系统保护与控制Vol.39No.172011年9月1日PowerSystemProtectionandControlSept.1,201奴馈型风力发电机低电压穿越的分析研究王定国1,张红超2(1.许继集团有限公司，河南许昌4610002国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心河南许昌461000摘要:风力发电机的低电压穿越现场实际实验较难实现，为了准确地分析双馈型风力发电机低电压穿越的特性，有必要通过仿真的方式进行分析研究。针对风力发电系统中双馈型风力发电机的基本原理，构建了机组的动态数学模型，利用Matlab/Simulink的仿真平台，建立了双馈感应发电机以及控制系统的

2、仿真模型，对其在电压跌落50%的故障下开展了仿真和研究，分析了电网跌落时对双馈风力发电机的影响。研究结果表明：电网电压跌落时和电压恢复时风力发电机会受到电网电压故障的强烈影响。关键词:双馈发电机；风力发电机组；低电压穿越；运行状况；风力发电AnalysisandresearchoflowvoltageridethroughfordoublyfedwindpowergeneratorWANGDing-guo1,ZHANGHong-chao2(1.XJGroupCo.Ltd,Xuchang461000,China;2.ChinaNationalTestingCenterforRelayProtec

3、tionandAutomationEquipment,Xuchang461000,ChinaAbstract:Thefieldexperimentofthewindgeneratorlowvoltageridethroughisdifficulttoachieve.Inordertoaccuratelyanalyzethecharacteristicoflowvoltageridethroughofdoubly-fedwindgenerator,itisnecessarytoconductasimulationanalysis.Basedonthebasicprincipleofdoubly-

4、fedwindturbineinwindpowergenerationsystem,thedynamicmathematicalmodeloftheunitisconstructed,andasimulationmodelofthedoubly-fedinductiongeneratorandcontrolsystemisestablishedusingsimulationplatformofMatlab/Simulink.Simulationandanalysisofdoubly-fedwindturbinewhenthevoltagedropsby50%areconducted,andth

5、einfluenceonthewindturbinewhenpowergridfallsisanalyzed.Theresultsshowthatwindturbinegeneratorisinfluencedstronglybythefaultwhenthenetworkvoltagefallsaswellaswhenitrecovers.Keywords:doubly-fedgenerators;windturbinegeneratorsystem;LVRT;operationalstate;windpower中图分类号：TM315文献标识码：A文章编号：1674-3415(201117-

6、0070-040引言目前，我国能源面临最突出的矛盾是国内优质能源供应不足，为减少我国对石油和天然气进口的依赖，大力发展可再生能源是解决问题的关键，而风力发电是可再生能源技术发展的重点。风力发电作为一种已获得商业化利用并具有较大潜能的可再生能源开发形式，近年来在我国得到了较快的发展，但在风电机组并网点电压跌落时，电机将会出现一系列暂态过程，如出现过电压、过电流或转速上升等严重危害风电机组本身及其控制系统的安全运行。本文首先介绍了风力发电的基本原理，并着重分析和研究风力发电的低电压穿越问题。1风力发电基本原理风具有动能，通过捕获风的动能推动风轮旋转，将风的动能转化为机械能，再拖动发电机发电，这就是

7、风力发电的基本原理。1.1风力发电的空气动力学原理当有风存在时，风所形成的升力对风轮的中心轴产生一个转动力矩，从而使风轮转动起来，拖动发电机发电。气流对叶片的作用力F可由下式计算：2FCAvP式中:v为风速；沟空气密度；A为叶片的最大投影面积；C为叶片总的空气动力系数。1.2风力发电机的功率风的动能力与风速的平方成正比，而风轮的功率是力和速度的乘积，所以风轮从风中吸收的功率可以用下式表示：王定国，等双馈型风力发电机低电压穿越的分析研究-71-3wtp12PCAvp二式中wtP为风轮输出功率；pC为风轮的功率系数，(p,Cf入obWA片的最大投影面积，2九AR=;为(空气密度；v为风速；R为风轮

8、半径；为叶尖速比，m/Rv入=；曲风轮机械角速度；为风电机组桨矩角。2双馈式风力发电机组2.1 机组基本原理双馈式异步风电机组是目前应用最广泛的变速恒频风电机组，具发电机的定子绕组接入工频电网，通过改变转子绕组供电电源的频率、幅值、相位、相序来实现变速恒频控制。双馈式变速恒频风电机组的运行原理如下：设n为发电机定子旋转磁场的转速1n为发电机转子转速，rn为发电机转子旋转磁场的转速，p为极对数。由电机学理论可知1rnfff=+,即1rnpnn=+。当极对数倍的发电机转速1pn小于定子旋转磁场的转速n时，即1pnn,转子绕组相序与定子相同，发电机转子从变频器吸收能量进行交流励磁，发电机由定子发出电

9、能，转子则吸收电能;当极对数倍的发电机转速1pn大于定子旋转磁场的转速n时，即1pnn时，发电机处于超同步状态，控制r10nnpn=-,转子绕组相序与定子相反，发电机转子进行发电并通过变频器将能量馈入电网，发电机由定子和转子同时发出电能；当极对数倍的发电机转速1pn等于定子旋转磁场的转速n时，即时1pnn=,发电机处于同步状态，控制r10nnpn=-=,发电机转子进行直流励磁，此时发电机作为同步电机运行，变频器向转子提供直流励磁发电机由定子发出电能。忽略转子机械损耗、定转子的铁耗和铜耗，那么用功率关系可以表示如下：1rnPPP=+rnPsP=上式中，s为转差率。当发电机处于亚同步运行时，0s,

10、r0P变频器向转子绕组送入有功功率；当发电机处于超同步运行时，0s,r0P传子绕组向变频器送入有功功率；当发电机处于同步速运行时，0s=,r0P=变频器不向转子绕组提供有功功率。电机转速不同时，可以使电机工作在亚同步速、超同步速状态，分别对应转差率0s、0s。在这两种状态下，能量流动如下图1所示。亚同步速（s0图1双馈电机在不同运行状态能量流向图Fig.1Powerflowdiagramofdoubly-fedmachineindifferentoperationstates由双馈电机运行在亚同步、超同步时的功率流动关系图看出，（1转子仅提供转差功率，相对于整个机组的额定容量而言较小；（2转子

11、具有能量双向流动的能力。2.2 双馈发电机数学模型双馈感应发电机的基本结构与绕线式异步电机相似，我们假定:1忽略定、转子电流高次谐波分量；2忽略电机铁心磁滞、祸流损耗及磁路饱和的影响；3电机定子并入无穷大电网；4转子量均折算到定子侧；5各物理量正方向按照电动机惯例选取。假设两相旋转坐标系以rw的角速度旋转，当r1ww=（同步速时，整个坐标系为两相同步坐标系。在这种情况下，将三相静止坐标系下发电机定、转子的电压，电流，磁链转换为两相同步坐标系d、q下的数学模型如下。电压方程：-72-电力系统保护与控制sdsds1qsdsqssqsqs1dsdrrdrdr2qrqrrqrqr2drripwuuri

12、pwuripwuripw巾巾巾巾巾巾脾e?+-?+-?=?+-?+-?上式中:21rwww=-为转差角速度:dsu,qsu,dru,qru分别为定、转子电压的d、q轴分量；dsi,qsi,dri,qri分别为定、转子电流的d、q轴分量；ds巾，qs巾，dr巾，分别为定、转子磁链的d、q轴分里。磁链方程:dssdsmdrqssqsmqrdrmdsrqrmqsrqrdrLiLiLiLiLiLiLiLi山山巾巾+?=?+?+?招到上式中msm1.5LL=为d、q旋转坐标系下同轴定、转子绕组间的等效互感ssssm1.5LLL=+为d、q旋转坐标系下两相定子绕组的自感；rrsLL=+sm1.5L为d、q

13、旋转坐标系下两相转子绕组的自感。将以上两式合并得到d、q旋转坐标系下电压和电流的关系：dsdsss1sm1mqsqs1sss1mmdrdrm2mrr2rqr2mm2mrrqruirpLwLpLwLuiwLrpLwLpLuipLwLrpLwLuwLpLwLpLri?+-?+?=?-+-?+?转矩方程:(epmdrqsdsqrTnLiiii=-运动方程与三相静止坐标系下的一样定子侧在d、q旋转坐标系下有功功率和无功功率如下WindTurbinegenerator1.225,Alr_denslty有功功率:sdsdsqsqsPuiui=优功功率:sqsdsdsqsQuiui=+2.3 机组优缺点相对

14、于传统异步机组，双馈式变速包频发电机组具有如下优点：运行区间广、效率高，可以充分地利用风能；能参与电力系统的无功功率调节，提高系统稳定性；在原动机变速运行场合中，实现高效、优质发电；可实现发电机安全、便捷并网；具有一定的低压穿越能力；对于无刷双馈式感应发电机，省去了电刷，降低了故障维护成本。双馈式变速包频发电机组具有以下缺点：部分容量的变频器增加了成本；系统控制策略较为复杂；传统的齿轮箱噪声大、故障率高等；低压穿越能力有限。本文将就双馈型风力发电机组的低压穿越问题做进一步研究。3双馈型风力发电机电压穿越问题研究3.1 风力发电机的仿真双馈感应发电机的系统结构如图2。在基于Matlab/Simu

15、link的平台上，建立了双馈感应发电机以及控制系统的仿真模型，对其在电压跌落50%的故障下做仿真和研究。图2和电网相连的双馈感应变速风力发电机Fig.2 Doubly-fedinductionvariablewindgeneratorsconnectedwithpowergrid仿真参数设置如下：双馈感应发电机（DFIG参数:额定功率为2.37kW，定子额定电压为220V,额定频率为60Hz,四极，定子电阻为0.435定子漏感为2mA,转子电阻为0.816燃子漏感为2mH,互感为69.3mH，转动惯量为0.089kgm2。额定转速为1800r/min。图3为风力发电机的仿真图，图4是风力机的内

16、部模型。图3风力发电机的仿真图Fig.3 Simulationfigureofthewindgenerator王定国，等双馈型风力发电机低电压穿越的分析研究-73Scope图4风力发电机的内部结构框图Fig.4 Internalstructurediagramofthewindgenerator3.2 仿真结果由仿真结果分析，当DFIG运行于超同步速，发生电压跌落时，发电机各个量变化情况如表10表1电网电压跌落时DFIG各量变化趋势Tab.1ChangetrendofDFIGvariableswhenthenetworkvoltagefalls变量变化趋势变量变化趋势电压sqsUu=减小转子电

17、流有功分量qri增加定子输出有功功率sP减小转子电流无功分量dri增加定子磁通sds巾隰小转速增加电磁转矩eT减小直流侧电压dcU增加4总结本文从理论上分析了双馈风力以及风力发电机的原理，介绍了风力双馈发电机的数学模型，并对电网电压发生跌落期间的双馈感应发电机做了仿真,得出了风力发电机各个量的变化情况。仿真结果表明，电网电压跌落时和电压恢复时风力发电机会受到电网电压故障的强烈影响。参考文献1李戈，宋新甫，常喜强.直驱永磁风力发电系统低电压穿越改进控制策略研究J.电力系统保护与控制,2011,39(12:74-78,83.LIGe,SONGXin-fu,CHANGXi-qiang.Improve

18、dcontroltheoryforlowvoltageride-throughofpermanentmangnetsynchronousgeneratorJ.PowerSystemProtectionandControl,2011,39(12:74-78,83.2肖创英.欧美风电发展的经验与启示M.北京:中国电力出版社，2010.XIAOChuang-ying.EuropeandtheUSAwindpowerdevelopmentexperienceandenlightenmenttoChinaM.Beijing:ChinaElectricPowerPress,2010.3李建林，许洪华，等.

19、风力发电系统低电压运行技术M.北京:机械工业出版社，2009.LIJian-lin,XUHong-hua,etal.WindpowersystemlowvoltageridethroughtechnologyM.Beijing:ChinaMachinePress,2009.4李建林,许洪华,等.风力发电中的电力电子变流技术M.北京:机械工业出版社，2009.LIJian-lin,XUHong-hua,etal.PowerelectronicconvertertechnologyinwindpowergenerationM.Beijing:ChinaMachinePress,2009.5吴天明，

20、谢小竹，彭彬.MATLAB电力系统设计与分析M.北京:国防工业出版社,2007.WUTian-ming,XIEXiao-zhu,PENGBin.MATLABpowersystemdesignandanalysisM.Beijing:NationalDefenceIndustryPress,2007.6王兴贵，夏岩，马呈霞，等.基于TS模糊控制的双馈风力发电机低电压穿越技术研究J.电力系统保护与控制，2011,39(12:7-10,16.WANGXing-gui,XIAYan,MACheng-xia,etal.ResearchonLVRTforwindturbinewithDIFGbasedonTS-fuzzycontrollerJ.PowerSystemProtectionandControl,2011,39(12:7-10,16.7郭家虎，张鲁华，蔡旭.双馈风力发电系统在电网三相短路故障下的响应与保护J.电力系统保护与控制，2010,38