双馈风机组电压跌落发生装置的设计与研究

张 楠

（山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003）

双馈风机组电压跌落发生装置的设计与研究

张 楠

（山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003）

文章研究了双馈风电机组电压跌落发生装置的原理，并对不同的电压跌落发生装置的优缺点进行了研究及比较，确立了阻抗形式的VSG方案，为进一步解决电网故障期间由于电网电压严重跌落造成电压无法恢复的问题，并通过仿真验证了电压跌落发生器的有效性和可行性。

风力发电；双馈电机；电压跌落发生器；低电压穿越

随着工业化进程的加速,人类对能源的依赖与需求日益强烈。从可持续发展的观点来看,风能作为一种可再生能源,具有绿色无污染、无需燃料运输和灰渣处理，并且取之不尽用之不竭的特点,已受到越来越多国家的高度重视[1-2]。

1 双馈风电机组的结构及原理

双馈型风电机组系统结构,见图1。由风轮机、齿轮箱、双馈电机、变流器、变压器、电网等构成。双馈电机的定子直接与电网相连,转子通过双向背靠背变流器与电网相连。转子侧变换器是一个整流级电路,将输入的三相电压转换为中间直流电压,网侧变换器是一个逆变级电路，将输入的中间直流电压转换为双馈电机转子输入电压[3-4]。

控制器通过逆变器对双馈电机进行励磁控制实现相关控制目标。整流器与逆变器配合实现变压变频功能。中间直流电容作为网侧变换器与转子侧变换器的联接桥梁,稳定中间直流电压,缓冲能量传输。作为一种绕线式异步电机,双馈电机的定子磁场与转子磁场旋转频率相同,并且

ωs=ωr+ωsl。

其中,ωs是定子旋转电角频率；ωr为转子旋转速度对应的电角频率；ωsl为转差角频率。在发电系统中,ωs通常维持恒定不变；而ωr随转子转速的变化而变化；ωsl是转子电流和电压的频率。风力发电系统中,转子转速随风速变化而不断变化,即ωr是个不定量,它的大小会随风速而改变,若想得到恒定频率的电量,即保持ωs恒定不变,只有通过变频器控制，ωsl的大小也随着ωr改变而改变,使这两个量的和为一恒定量,这就是变速恒频风力发电系统的基本原理[5-6]。

2 电压跌落发生器的拓扑结构

本研究综合考虑了电压跌落发生器的研发周期、成本和实用性,最后决定采用基于阻抗形式的电压跌落发生器。本节将对本文所采用的VSG拓扑结构、工作原理以及相关参数的设计原则来进行详细研究,并在后面给出相应的仿真波形,使用的电网电压跌落发生器的拓扑结构,见图2。

图2所示VSG结构的工作原理：当风电机组正常运行时,S1导通,S2断开,电网直接向负载供电；当电网电压发生跌落时,S1断开,S2导通,其次根据要求的电压跌落深度来选择开关S3与S4的闭合和开通状态[7-8]。

图1 双馈型风电机组系统结构图

图2 电网电压跌落器的拓扑结构

3 电压跌落发生器的设计与控制

在设计阻抗型VSG时,设计准则如下[9]：

1）在电压跌落期间和恢复后,DFIG系统的电压必须在95％以上。

2）测试点的短路容量必须大于5倍的风机的额定功率。

以下为阻抗Z1，Z2，Z3的设计准则。为了满足第一个准则,各阻抗之间需要满足以下关系：

Z1+Z2+Z3≥0.95（Znet+Z1+Z2+Z3）。

其中,Znet是电网的短路阻抗,可以通过下式计算：

Znet=U2s／SC。

式中Us表示电网电压,SC表示测试点的容量。为满足上面提到的第二个准则,即：

SC≥5SDFIG，

同时阻抗必须满足下式：

其中SDFIG表示双馈电机的额定容量。

图2所示的拓扑能够实现两种深度的电压跌落,设计要求电压跌落深度为20％，80％，100％三档,若S1和S4断开,S2和S3闭合,电压跌落度为20％；若S1，S2，S3闭合,S4断开,电压跌落度为80％；若S1断开,S2，S3，S4闭合,电压跌落度为100％,因此Z1，Z2，Z3需要满足如下关系：

｜Znet+Z1+Z2+Z3｜=1.25｜Znet+Z3｜，

｜Znet+Z1+Z2｜=5｜Znet+Z3｜。

4 电网接地故障及仿真波形

4.1 单相接地故障

在仿真过程中假设故障发生在0.4 s～0.6 s期间,持续时间为0.2 s。得到双馈风电机组低电压运行时的响应特性：网侧电流、电压；机侧电流；直流电压；网侧功率、机侧功率；无功功率；电机转速与电磁转矩。

图3 网侧电压、电流、机侧电流波形

图3为并网电压、并网电流以及电机侧的电流波形。从图中可以看出,0.4 s～0.6 s在故障期间电网A相电压大幅度下降；并网电流峰值最大相的电流始终以1 400 A的极限能力输出,另外两相的电流幅值小于最大相；电机侧的控制目标转换到控制直流电压上来后,为保证直流电压的稳定,电机的电磁转矩将减少,电机侧电流减少。

图4 直流电压、网侧与机侧功率波形

图4所示,电机侧电磁功率曲线与并网侧输出功率曲线基本吻合,基本消除了穿越过程中功率不平衡问题,直流电压波动非常小,变流系统安全穿越电网故障。在电网故障期间,电机侧的电磁转矩将小于风机的机械输入转矩,这两个转矩之差将使风机转子加速,使转子速度从750 r/min加速到825 r/min,故障穿越过程中的不平衡能量被转换成转子的动能储存起来。0.6 s后电网电压恢复,此时电机侧变换器以某一恒定极限功率输出,以网侧变换器所能接受的功率去释放在故障穿越过程中储存的电机动能,直到转速低于额定转速。

图5 电机转速、电磁转矩波形

由图5可以看出,此时电机的速度将缓慢下降,大约在0.85 s时转子侧在故障期间积累的动能释放完毕,电机速度重新回到750 r/min的额定状态,若不记能量损耗,面积S1将等于面积S2,电磁转矩和机械转矩之差在电机加速和降速过程中的冲量大小相等,方向相反。

4.2 三相接地短路故障

图6 网侧电压、电流、机侧电流波形

三相电网故障一般为电力系统最严重的故障,在此期间三相电压均大幅跌落,对电力系统的稳定性影响最大,由于故障过程中储存的动能较多,变流器过载恢复时间较长,故将仿真时间设为1.2 s。

由图6可以看出,由于电网侧发生严重的三相故障,三相电网电压跌落了50％以上,网侧变流器三相均以最大电流值1 400 A进行有功功率输出,但由于并网功率仍然很小,机侧电流下降到400 A左右。并网功率下降到了500 k w,为保持中间直流电压的稳定,电机侧变流器功率输出值也下降很多,约为500 k w，见图7。

图7 直流电压、输出功率、电磁功率波形

图8 电机转速、电磁转矩波形

由图8可以看出电机输出的电磁转矩小于其他两种故障时的电磁转矩,应此电机转速上升更快,在故障恢复之前达到880 r/min,故障恢复后,转子动能的释放过程也更长。大约在1.05 s左右变流器的过载状态消失,风电系统进入故障前的正常运行状态。

[1]邓新丽.大型风力机叶根载荷特性及联接设计研究[D].乌鲁木齐：新疆大学,2012.

[2]邓秋玲,姚建刚,黄守道,等.直驱永磁风力发电系统可靠性技术综述[J].电网技术,2011（09）：144-151.

[3]中国电力科学研究院.中国电网发展[2009]779号.国家电网公司风电场接入电网技术规定.北京：中国风能信息中心,2009.

[4]李建林,许洪华.风力发电中的电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社,2008.

[5]胡家兵,贺益康.双馈风力发电系统的低压穿越运行与控制[J].电力系统自动化,2008,32（2）：49－52.

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[7]胡书举,李建林.变速恒频风电系统对电网故障的保护电路分析[J].变流技术与电力牵引,2008（1）：44－50.

[8]范高锋,迟永宁.用STATCOM提高风电场暂态电压稳定性[J].电工技术学报,2007，22（11）：58－162.

[9]邓隐北.风力发电中的储能与超级电容器[J].上海电力,2007（6）：609－612.

〔责任编辑 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

张楠（1981-）,男,山西大同人,硕士,讲师,研究方向：监控系统。

1674－0874（2013）05－0072－03