双馈风电机组并网特性仿真研究

穆星星，唐　美

(1．重庆文理学院电子电气工程学院， 重庆　永川　402160； 2．重庆远风机械有限公司， 重庆　万州　404020)



双馈风电机组并网特性仿真研究

穆星星1，唐美2

(1．重庆文理学院电子电气工程学院， 重庆永川402160； 2．重庆远风机械有限公司， 重庆万州404020)

[摘要]为确保并网型双馈风力发电机(Double Fed Induction Generator，DFIG)在系统电压骤降和短路故障下能够稳定运行，在分析双馈风力发电机组整体模型结构的基础上，采用桨距角控制策略，通过调节叶片与风向的夹角，降低风力机组输出的机械功率，控制发电机发出的功率，改善其并网特性以确保并网风电场稳定运行.最后，在Matlab/Simulink仿真平台上搭建模型进行仿真计算.仿真结果表明了双馈风电机组具有一定的动态适应能力，从而验证了控制策略的有效性，体现了对系统暂态电压稳定性的贡献.

[关键词]风力发电；DFIG；变速恒频；暂态电压稳定；桨距角控制

目前，风力发电越来越受到人们的重视，各种大中型风电场相继建成并投入使用[1-3].随着风力发电技术的快速发展，风力发电在电力系统中的比重持续增加，对电网的影响已不容忽视[4,5].我国的风电主要分布在东北、北部和西北地区，而且都处于电网的末端，这对电网运行的稳定性产生极大的影响.风电的并网问题已成为智能电网建设的重要挑战之一[6,7].

变速恒频双馈发电机作为一种主流机型被广泛运用于风电场建设，含并网风电场的电力系统稳定性问题已有相关研究[8]，而针对其他故障过程的研究比较有限.文献[9]针对并网型DFIG有功功率和无功功率的解耦控制进行了研究.文献[10-11]分析了DFIG转子保护与系统动态之间的联系，推导出三相短路故障时DFIG短路电流的表达式，但仅考虑机端电压降为零的情况.文献[10]基于对普通感应发电机短路电流的分析，推导出DFIG最大短路电流的表达式，同样仅考虑了转子电流和机端电压为零的情况.尽管文献[12-13]对DFIG在不同机端电压跌落情况下的故障过程进行研究，但重点在于转子侧电压的故障，并未从电网的角度对DFIG的故障情况进行研究，不能保证风电场在故障情况下的稳定性.

本文以Matlab/Simulink为平台建立了DFIG的仿真模型，通过施加风速扰动、系统电压骤降和系统侧发生三相短路故障的方法，对接入系统的风电场暂态稳定性进行仿真分析.

1双馈感应风力发电机模型

在仿真研究中通常忽略DFIG的电磁暂态过程，因此得到的DFIG在两相旋转坐标系(dq坐标系)下的数学模型(电压方程和磁链方程)可分别表示为：

(1)

(2)

上式中：Rs与Rr分别是定子与转子绕组；Ls、Lr和Lm分别表示定转子间的自感、漏感和互感；usd、usq、urd和urq分别为定转子电压d、q轴分量；Ψsd、Ψsq、Ψrd和Ψrq分别表示定转子磁链在d轴与q轴的分量；ωs是定子磁场旋转角速度；s是转差率；p=d/dt是微分算子.

2桨距角控制系统分析

在双馈风力发电机控制系统中，桨距控制系统的作用非常重要.它通过调整风力机桨叶角度来调节桨叶相对于风速的功角，以达到改变风力机组捕获风能的目的.随着风力机运行状态不同，相应的桨距角控制策略也需要调整：

1)在风速未达到额定风速情况下，通过调整桨距角来实现风力机组功率的寻优以捕获最大风能.

2)在风速超过额定风速情况下，通过调整桨距角以控制风力机组输出功率在额定范围以内，以确保风力机组机械结构不会受到损坏.

图1是本文所采取的桨距角控制系统模型，通过风力机组测量值PGmea与最大功率参考值PGref进行比较，得出误差信号，作为PI控制器的输入，从而产生桨距角参考值βref，再将其与桨距角的实际β进行比较，并将该误差信号输入到桨距角控制系统的伺服机构.通过上述闭环系统使得桨距角能够更快、更稳定地达到控制要求.

桨距角控制系统伺服机构的模型是以反映其响应特性为基础所建立，在仿真模型中用伺服时间常数TSERVO.桨距调节的限值是βmax和βmin，用max(dβ/dt)和min(dβ/dt)表示桨距变化的梯度限值.

图1　桨距角控制系统示意图

3仿真分析

3.1算例系统

本文采用的仿真系统如图2所示.并网风电场由6台1.5 MW的DFIG组成，风电机组总装机容量是9 MW，风电场经一次升压后，将电压升至25 kV，再由20 km输电线路将其送二次升压变压器，将电压升至120 kV，最后并入120 kV电网.在仿真过程中视各风力发电机组完全相同，模型中采用的发电机参数是：单机额定容量1.5 MW，额定出口电压575 V，供电频率为50 Hz，转子电阻为0.005 p.u，转子电抗为0.156 p.u，定子电阻为0.007 06 p.u，定子电抗为0.171 p.u，风力机组额定风速为12 m/s.

图2　算例系统结构框图

3.2仿真分析

3.2.1小扰动时稳定性分析

本文采用的小扰动为风速变化所引起的扰动，初始风速为7 m/s，在2 s时风速开始上升，达到最高风速16 m/s，仿真结果如图3所示.

图3　风电场风速变化曲线

图3表明，本文所采用的桨距角控制模型能够有效控制风力机的转速，避免出现风电机组超速而被切机，从而有效控制电压，并维持稳定.通过仿真可以得出，为了维持电压稳定，桨距角从0°增加到0.75°.

3.2.2大扰动时稳定性分析

本文采用的大扰动分为两种情况：系统电压骤降和系统短路故障.

电压骤降是通过系统在15 s时，发生一个0.15 p.u的电压降来模拟实现，持续时间为0.5 s，仿真结果如图4所示.短路故障是通过系统在16 s时发生三相短路故障来模拟实现，持续时间为0.15 s，仿真结果如图5所示.

(a)风电场输出用功功率曲线

(c)风力机转速变化曲线

(b)桨距角变化曲线

(d)风电场出口电压曲线

(a)风电场输出用功功率曲线

(b)桨距角变化曲线

(c)风力机转速变化曲线

(d)风电场出口电压曲线

图4和图5表明，采用本文所建立的桨距角控制模型能够对不同的故障类型作出相应的快速动作，以实现风力机转速在保护装置允许的范围之内，从而使系统具有很强的抗扰动能力.其中，功率曲线发生了波动，这是由于桨距角控制下风力机叶片惯性所导致的.

3.2.3系统电压骤降时稳定性分析

仿真模型中初始风速为7 m/s，在2 s时风速开始上升，达到最高风速16 m/s.风速变化如图3所示.

图4表明，本文所采用的桨距角控制模型能够有效控制风力机的转速，避免出现风电机组超速而被切机，从而有效控制电压，并维持稳定.通过仿真可以得出，为了维持电压稳定，桨距角从0°增加到0.75°.

3.2.4系统短路故障时稳定性分析

电压骤降是通过系统在15 s时发生一个0.15 p.u的电压降来模拟实现，持续时间为0.5 s，仿真结果如图4所示.短路故障是通过系统在16 s时发生三相短路故障来模拟实现，持续时间为0.15 s.仿真结果如图5所示.

4结语

图3至图5仿真结果表明，通过课题中所采用的桨距角控制方案能够对风力机转速进行有效的控制，能够有效降低DFIG的机械转矩，避免出现风电机组超速和电压失稳，有效地改善DFIG并网的暂态稳定性，同时能够对不同的故障类型作出快速动作，以实现风力机转速在保护装置允许的范围之内，使系统具有很强的抗扰动能力，体现了本文所建立的桨距角控制系统模型的有效性.

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[6]张斌，晁勤．电并网时域和P-V曲线电压稳定性分析[J]．电源技术，2015，139(2)：327-330.

[7]高远，金宇清，鞠平，等．考虑Crowbar动作特性的DFIG风电场动态等值研究[J]．电源技术，2015，39(3)：628-633.

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[10]贺军，张俊洪．利用STATCOM提高风力发电机暂态稳定性[J]．水电与新能源，2015(3)：72-78.

[11]李中成，张步涵，刘涤尘，等．风电场并网系统的电压稳定性分析及改善措施[J]．湖北工业大学学报，2012，27(1)：22-25，50.

[12]吴韬，马燕．基于TSC的异步风力发电机风电场的无功功率补偿[J]．自动化与仪器仪表，2012(1):167-169.

(责任编辑穆刚)

Study on the grid-characteristics simulation of doubly fed induction generator

MU Xingxing1，TANG Mei2

(1.Department of Electronic and Electrical Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China;2. Chongqing Yuanfeng Machinery Co., Ltd., Wanzhou Chongqing 404020, China)

Abstract：In order to ensure the steady operating of double fed induction generator under the condition of system voltage dips and short-circuit fault, based on the analysis of the overall models structure of the DFIG, the pitch control strategy was applied. Through the adjusting to the angle between wind turbine blades and wind, the mechanical power of the wind turbine output was reduced, in order to control the power of the DFIG and improve the grid-characteristics and steady running of the doubly fed induction generator. Finally, the model was built on the platform of Matlab/Simulink and was simulated and calculated. The simulation result shows that the DFIG has a certain dynamic adaptability and verifies the effectiveness of the control strategy. Meanwhile, it also demonstrates the contribution of the strategy to the transient voltage stability of the system.

Key words：wind power; DFIG; variable speed constant frequency; transient voltage stability; pitch control

[中图分类号]TK89

[文献标志码]A

[文章编号]1673-8004(2016)02-0061-04

[作者简介]穆星星(1985—)，男，江西九江人，硕士研究生，主要从事电网稳定性及新能源技术方面的研究.

[基金项目]重庆文理学院校级科研项目(Y2013DQ49).

[收稿日期]2015-04-28