雙饋風機組電壓跌落發生裝置的設計與研究

張 楠

（山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003）

雙饋風機組電壓跌落發生裝置的設計與研究

張 楠

（山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003）

文章研究了雙饋風電機組電壓跌落發生裝置的原理，并對不同的電壓跌落發生裝置的優缺點進行了研究及比較，確立了阻抗形式的VSG方案，為進一步解決電網故障期間由于電網電壓嚴重跌落造成電壓無法恢復的問題，并通過仿真驗證了電壓跌落發生器的有效性和可行性。

風力發電；雙饋電機；電壓跌落發生器；低電壓穿越

隨著工業化進程的加速,人類對能源的依賴與需求日益強烈。從可持續發展的觀點來看,風能作為一種可再生能源,具有綠色無污染、無需燃料運輸和灰渣處理，并且取之不盡用之不竭的特點,已受到越來越多國家的高度重視[1-2]。

1 雙饋風電機組的結構及原理

雙饋型風電機組系統結構,見圖1。由風輪機、齒輪箱、雙饋電機、變流器、變壓器、電網等構成。雙饋電機的定子直接與電網相連,轉子通過雙向背靠背變流器與電網相連。轉子側變換器是一個整流級電路,將輸入的三相電壓轉換為中間直流電壓,網側變換器是一個逆變級電路，將輸入的中間直流電壓轉換為雙饋電機轉子輸入電壓[3-4]。

控制器通過逆變器對雙饋電機進行勵磁控制實現相關控制目標。整流器與逆變器配合實現變壓變頻功能。中間直流電容作為網側變換器與轉子側變換器的聯接橋梁,穩定中間直流電壓,緩沖能量傳輸。作為一種繞線式異步電機,雙饋電機的定子磁場與轉子磁場旋轉頻率相同,并且

ωs=ωr+ωsl。

其中,ωs是定子旋轉電角頻率；ωr為轉子旋轉速度對應的電角頻率；ωsl為轉差角頻率。在發電系統中,ωs通常維持恒定不變；而ωr隨轉子轉速的變化而變化；ωsl是轉子電流和電壓的頻率。風力發電系統中,轉子轉速隨風速變化而不斷變化,即ωr是個不定量,它的大小會隨風速而改變,若想得到恒定頻率的電量,即保持ωs恒定不變,只有通過變頻器控制，ωsl的大小也隨著ωr改變而改變,使這兩個量的和為一恒定量,這就是變速恒頻風力發電系統的基本原理[5-6]。

2 電壓跌落發生器的拓撲結構

本研究綜合考慮了電壓跌落發生器的研發周期、成本和實用性,最后決定采用基于阻抗形式的電壓跌落發生器。本節將對本文所采用的VSG拓撲結構、工作原理以及相關參數的設計原則來進行詳細研究,并在后面給出相應的仿真波形,使用的電網電壓跌落發生器的拓撲結構,見圖2。

圖2所示VSG結構的工作原理：當風電機組正常運行時,S1導通,S2斷開,電網直接向負載供電；當電網電壓發生跌落時,S1斷開,S2導通,其次根據要求的電壓跌落深度來選擇開關S3與S4的閉合和開通狀態[7-8]。

圖1 雙饋型風電機組系統結構圖

圖2 電網電壓跌落器的拓撲結構

3 電壓跌落發生器的設計與控制

在設計阻抗型VSG時,設計準則如下[9]：

1）在電壓跌落期間和恢復后,DFIG系統的電壓必須在95％以上。

2）測試點的短路容量必須大于5倍的風機的額定功率。

以下為阻抗Z1，Z2，Z3的設計準則。為了滿足第一個準則,各阻抗之間需要滿足以下關系：

Z1+Z2+Z3≥0.95（Znet+Z1+Z2+Z3）。

其中,Znet是電網的短路阻抗,可以通過下式計算：

Znet=U2s／SC。

式中Us表示電網電壓,SC表示測試點的容量。為滿足上面提到的第二個準則,即：

SC≥5SDFIG，

同時阻抗必須滿足下式：

其中SDFIG表示雙饋電機的額定容量。

圖2所示的拓撲能夠實現兩種深度的電壓跌落,設計要求電壓跌落深度為20％，80％，100％三檔,若S1和S4斷開,S2和S3閉合,電壓跌落度為20％；若S1，S2，S3閉合,S4斷開,電壓跌落度為80％；若S1斷開,S2，S3，S4閉合,電壓跌落度為100％,因此Z1，Z2，Z3需要滿足如下關系：

｜Znet+Z1+Z2+Z3｜=1.25｜Znet+Z3｜，

｜Znet+Z1+Z2｜=5｜Znet+Z3｜。

4 電網接地故障及仿真波形

4.1 單相接地故障

在仿真過程中假設故障發生在0.4 s～0.6 s期間,持續時間為0.2 s。得到雙饋風電機組低電壓運行時的響應特性：網側電流、電壓；機側電流；直流電壓；網側功率、機側功率；無功功率；電機轉速與電磁轉矩。

圖3 網側電壓、電流、機側電流波形

圖3為并網電壓、并網電流以及電機側的電流波形。從圖中可以看出,0.4 s～0.6 s在故障期間電網A相電壓大幅度下降；并網電流峰值最大相的電流始終以1 400 A的極限能力輸出,另外兩相的電流幅值小于最大相；電機側的控制目標轉換到控制直流電壓上來后,為保證直流電壓的穩定,電機的電磁轉矩將減少,電機側電流減少。

圖4 直流電壓、網側與機側功率波形

圖4所示,電機側電磁功率曲線與并網側輸出功率曲線基本吻合,基本消除了穿越過程中功率不平衡問題,直流電壓波動非常小,變流系統安全穿越電網故障。在電網故障期間,電機側的電磁轉矩將小于風機的機械輸入轉矩,這兩個轉矩之差將使風機轉子加速,使轉子速度從750 r/min加速到825 r/min,故障穿越過程中的不平衡能量被轉換成轉子的動能儲存起來。0.6 s后電網電壓恢復,此時電機側變換器以某一恒定極限功率輸出,以網側變換器所能接受的功率去釋放在故障穿越過程中儲存的電機動能,直到轉速低于額定轉速。

圖5 電機轉速、電磁轉矩波形

由圖5可以看出,此時電機的速度將緩慢下降,大約在0.85 s時轉子側在故障期間積累的動能釋放完畢,電機速度重新回到750 r/min的額定狀態,若不記能量損耗,面積S1將等于面積S2,電磁轉矩和機械轉矩之差在電機加速和降速過程中的沖量大小相等,方向相反。

4.2 三相接地短路故障

圖6 網側電壓、電流、機側電流波形

三相電網故障一般為電力系統最嚴重的故障,在此期間三相電壓均大幅跌落,對電力系統的穩定性影響最大,由于故障過程中儲存的動能較多,變流器過載恢復時間較長,故將仿真時間設為1.2 s。

由圖6可以看出,由于電網側發生嚴重的三相故障,三相電網電壓跌落了50％以上,網側變流器三相均以最大電流值1 400 A進行有功功率輸出,但由于并網功率仍然很小,機側電流下降到400 A左右。并網功率下降到了500 k w,為保持中間直流電壓的穩定,電機側變流器功率輸出值也下降很多,約為500 k w，見圖7。

圖7 直流電壓、輸出功率、電磁功率波形

圖8 電機轉速、電磁轉矩波形

由圖8可以看出電機輸出的電磁轉矩小于其他兩種故障時的電磁轉矩,應此電機轉速上升更快,在故障恢復之前達到880 r/min,故障恢復后,轉子動能的釋放過程也更長。大約在1.05 s左右變流器的過載狀態消失,風電系統進入故障前的正常運行狀態。

[1]鄧新麗.大型風力機葉根載荷特性及聯接設計研究[D].烏魯木齊：新疆大學,2012.

[2]鄧秋玲,姚建剛,黃守道,等.直驅永磁風力發電系統可靠性技術綜述[J].電網技術,2011（09）：144-151.

[3]中國電力科學研究院.中國電網發展[2009]779號.國家電網公司風電場接入電網技術規定.北京：中國風能信息中心,2009.

[4]李建林,許洪華.風力發電中的電力電子變流技術[M].北京：機械工業出版社,2008.

[5]胡家兵,賀益康.雙饋風力發電系統的低壓穿越運行與控制[J].電力系統自動化,2008,32（2）：49－52.

[6]王偉,孫明冬,朱曉東.雙饋式風力發電機低電壓穿越技術分析[J].電力系統自動化,2007,31（23）：84－89.

[7]胡書舉,李建林.變速恒頻風電系統對電網故障的保護電路分析[J].變流技術與電力牽引,2008（1）：44－50.

[8]范高鋒,遲永寧.用STATCOM提高風電場暫態電壓穩定性[J].電工技術學報,2007，22（11）：58－162.

[9]鄧隱北.風力發電中的儲能與超級電容器[J].上海電力,2007（6）：609－612.

〔責任編輯 石白云〕

Design and Research of Voltage Drop Generating Device in Doubly-fed Wind Generator

ZHANG Nan
（School of Coal Engineering，ShanxiDatong University,Datong Shanxi，037003）

This paper briefly introduces the double-fed wind turbine system structure and operating principle,and doubly-fed motormathematicalmodeling.Then it focuses on the principle of voltage sag generator and different voltage drop generating device（impedance form,form transformers,power electronics conversion form）whose advantages and disadvantages are compared,the final form of VSG impedance is established program.To further address the grid voltage during grid faults which cause severe voltage drop problem can not be restored,and finally the voltage dip generator＇s effectiveness and feasibility are verified by simulation.

wind power；DFIG；voltage dip generator；LRVT

TP393

A

2013-03-08

張楠（1981-）,男,山西大同人,碩士,講師,研究方向：監控系統。

1674－0874（2013）05－0072－03