直驱式风电系统低电压穿越建模与仿真

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(沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110087)

直驱式风电系统低电压穿越建模与仿真

蔡志远,郭蔓青

(沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110087)

采用1500kW风力发电机组，基于直驱式风力发电机运行特性及最大风能跟踪原理,在Matlab/Simulink仿真环境下建立了直驱式风电系统低电压穿越的仿真模型，通过接入不同的阻抗，进而产生不同的电压跌落，对其在风电机出口发生三相短路故障时，电压跌落50%进行低电压穿越仿真，结果显示在进行电压跌落过程中风机能够保证稳定运行，验证了模型的合理性。

低电压穿越；直驱式风电系统；电压跌落；短路

1 引言

随着全世界对能源需求的高速增长,人类越来越重视可再生能源的开发,风电作为一种清洁的可再生能源，近年来在电网系统中的比例不断攀升，风电系统与电网之间的相互影响越来越深，各国电网公司对风电场/风电机组并网提出了严格的技术要求，包括低电压穿越能力、无功控制能力、有功功率变化率控制和频率控制等，其中低电压穿越LVRT直接关系到风机的大规模应用。欧洲已出台风电并网标准，规定风电机组在电网电压跌落时能够保持不脱网运行，即要求风电系统具有一定的低电压穿越(LVRT)的能力[1]。

电网故障引起电压跌落会带来一系列暂态过程,如过电压、过电流或转速升高等。风力发电机组在这种情况下应立即解列以自我保护。当风电在电网中占有较大比例时,这种自我保护式解列会增加系统的恢复难度,甚至使故障恶化。新的入网规则要求,电网电压跌落时,风力发电机应不脱网运行,向电网提供无功功率,直到电压恢复,这就是低电压穿越。电压跌落会给电机带来一系列暂态过程,如出现过电压、过电流或转速上升等,严重危害风机本身及其控制系统的安全运行。因此,研究风电系统的低电压穿越具有现实意义。

本文以1500kW永磁直驱式风电机组为研究对象，对组成风电系统的各个部分工作原理进行了分析，并建立了包括风力机、永磁同步发电机及网侧变流器的数学模型，基于Maltab/simulink搭建低电压穿越的仿真模型，在电网电压三相跌落50%的工况下进行仿真分析。

2 直驱式风电系统低电压穿越建模

图1所示为直驱式永磁同步风力发电系统,其中的风力机直接驱动同步发电机经背靠背双PWM变流器并入电网。包括风速发生函数、风力机模型、永磁发电机、脉宽调制(PWM)整流器及逆变器等,逆变器交流侧通过升压变压器与电网相连[2]。

图1 直驱式永磁同步风力发电系统

3.1风力机模型

风力机的基本原理是通过风轮捕获风能,捕获的风能带动风轮转动,通过传动系统带动电机发电。由空气动力学原理可知，风机的输出转矩与叶片转速、风速及其结构参数有关,风力机的转矩特性满足：

(1)

式中：T为风力机的转矩；Pm为风力机的输出功率；ωm为转子角速度；V为风速；ρ为空气密度；R为叶轮半径；λ为叶尖速比，λ=ωmR/V；β为风机桨距角；Cp为风能利用系数，对于确定的风轮桨叶,其值可以看作桨距角β和叶尖速比的函数。

理想风力机的风能利用系数Cp的最大值为0.593，Cp越大，表示风力机的效率越高。对于给定的桨距角β和叶尖速比λ，和风能利用系数Cp有以下非线性曲线关系：

(2)

3.2永磁同步发电机数学模型

为分析永磁同步发电机的动态模型，在d、q交直轴系下建立数学模型。

电压方程：

(3)

磁链方程：

(4)

永磁同步发电机电磁转矩的表达式为：

Te=1.5piq[(Ld-Lq)id+ψn]

(5)

式中，ψn为同步发电机永磁体磁链;ωs为电角速度，p为转子极对数。

对于采用径向表面式分布的永磁体，同步电感恒定，趋近相等，即电磁转矩方程为：

Te=1.5piqψn

(6)

只有定子电流与电磁转矩有关，调节定子电流即可实现同步发电机电磁转矩的控制。

3.3变流器模型

为实现永磁直驱风力发电系统的高性能控制，首先建立并分析背靠背型变流器PWM的数学模型。永磁同步电机与电网之间被AC/DC/AC变流器隔离,该交直交变换器模型可分为两部分,图2为前级的整流变换器部分，图3为后级的逆变变换器部分[3]。

3.4控制策略分析

机侧整流器的控制,就是通过控制发电机定子电流,调节发电机电磁转矩,进而控制发电机的转速。根据最大风能捕获原理以及永磁同步发电机的电压方程和电磁转矩Te,可得到发电机侧变流器的控制框图。

图2 DC-AC发电机侧PWM整流器主电路

图3 DC-AC电网侧PWM逆变器主电路

电网侧逆变器维持直流电压恒定,将有功功率输送至电网,并可在装置容量的限制内发出可调无功功率。当变流器两端功率不平衡时,由直流侧卸荷负载吸收多余的功率。通过控制直轴和交轴电流分量可以实现有功功率和无功功率的解耦控制，在电网电压定向的同步旋转坐标系中，网侧逆变器的数学模型为：

(7)

式中，utd、utq为逆变器交流侧d、q轴电压;ωs为电网电压角频率;ugq为电网电压空间矢量。可得变流器控制框图如图4所示。

低压型电压跌落发生器DipGen LV，用于风机低电压穿越检测，可以随意设定跌落时间，可以产生不同类型的跌落(三相跌落、两相跌落和单相跌落)以及配置不同深度的电压跌落[5,6]。风力发电机组在大小负荷工作条件下，三种类型的跌落从电压跌落深度及时间、故障期间的有功功率和无功功率等参数评测风电机组的低电压穿越能力。低电压穿越设备有串联、并联电抗器以及开关、UPS等设备，如图5所示。在不同的跌落深度，计算得出串联阻抗和并联阻抗值，采用串联电抗来限制短路电流和电网电压的降低，并联电抗器过热保护，实现低电压穿越测试，本文将采用电阻形式的模拟方案。

图4 直驱式风电机组变流器控制框图

图5 低压型电压跌落发生器DipGen LV结构图

图6 三相跌落，空载线电压有效值

4 低电压穿越的仿真分析

应用仿真软件Maltab/simulink建立1.5MW直驱式风电系统低电压穿越的仿真模型。风电机组参数如下：同步风力发电机额定风速为11.5m/s，叶轮直径：77m，额定功率为1500kW，额定电流为1255A，额定电压为690V，极对数为44，额定频率为12.687Hz，风电机组变压器低压侧额定电压为620V，中压侧额定电压为35kV。本文基于1500kW风电机组发生三相短路的情况下，跌落时间为1200ms，在其出口电压跌落深度为50%时，分别在空载、小负荷和大负荷的情况下，对风电机组进行低电压穿越的仿真。本文为风电机组运行在有功功率分别为0.15Pn(小负荷)和0.95Pn(大负荷)的工况下，风电机组出口三相电压跌落至50%Un时，对电压、电流、有功功率和无功功率、有功电流和无功电流的变化情况进行仿真。

图7 三相跌落电压50%，小负荷参数变化

图8 三相跌落电压50%，大负荷参数变化

仿真结果显示，空载试验下，三相电压值跌落深度接近50%；电网在小负荷跌落，数据表明有功功率保持稳定，无功功率升高至0.45Pn，有功电流约为0.2In，无功电流约为0.8In；电网在大负荷跌落，仿真曲线表明，有功功率跌落至0.65Pn，无功功率升高至0.4Pn，有功电流变为1.3In，无功电流变为0.8In。从仿真结果可以看出风电机组在其出口电压跌落的情况下，均能发送一定的无功功率，跌落结束后，有功功率回复速度很快，能够保持不脱网运行。

5 结论

本文通过计算分析直驱式风力发电机组的风力机模型、永磁同步发电机数学模型、变流器模型以及系统的控制策略，建立直驱永磁同步风电系统模型，根据DipGen发生器的工作原理，串并联电抗器接入电网，产生不同类型和不同深度的电压跌落，实现低电压穿越模型的建立。在设定三相电压跌落深度在50%的基础上，分别进行空载、小负荷和大负荷的仿真实验，结果显示，模型系统实现了低电压穿越，验证了短路设计的合理性和低电压穿越模型的可行性。

[1] 杨晓萍,段先锋,田录林.直驱永磁同步风电系统低电压穿越的研究[J].西北农林科技大学学报，2009,8(37):228-234.

[2] 胡书举,李建林,许洪华.直驱风电系统变流器建模和跌落特性仿真[J].高电压技术，2008,8(34):949-954.

[3] 闫群民,朱娟娟.直驱式风电系统的仿真研究[J].陕西理工学院学报，2011,27(1):11-14.

[4] 马威.基于永磁同步发电机的直驱式风电系统建模与仿真[D].兰州:兰州理工大学，2010.

[5] 李明东.风电场实现低电压穿越技术改造方案[J].中国电力，2011,44(6):48-51.

[6] 付勋波,郭金东,赵栋利,等.直驱式风力发电系统的仿真建模与特性研究[J].电力自动化设备，2009,29(2):1-5.

2013-01-11

蔡志远(1962-)，男，辽宁沈阳人，教授，博士生导师。主要研究领域为智能化电器、电气设备在线监测与故障诊断;

郭蔓青(1985-)，男，硕士研究生。

ModelingandSimulationofLowVoltageRideThroughforDirect-DriveWindPowerSystem

CAIZhi-yuan,GUOMan-qing

(School of Electrical Engineering ，Shenyang University of Technology,Shenyang 110870，China)

This paper utilizes 1500kW wind turbines,based on direct drive wind generator operating characteristics and maximum wind energy tracking principle,modeling of low voltage ride through for direct-drive wind power system was built in Matlab/ Simulink software environment,and access to different impedance,producing different voltage drop,three-phase short-circuit fault occurs in wind turbine export,Simulation of low voltage ride through when the voltage drops by 50%,The results show the system to ensure the stable operation during voltage dips process,verifies the rationality of the model.

low voltage ride-through;direct-drive wind power system;voltage dip;short circuit

1004-289X(2013)06-0059-04

TM71

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