双馈风电机组低电压穿越仿真模型可信度评估

张俊杰，赵 栋

(1.国电龙源电气有限公司，北京 100039；2.国网嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033)

双馈风电机组低电压穿越仿真模型可信度评估

张俊杰1，赵 栋2

(1.国电龙源电气有限公司，北京 100039；2.国网嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033)

依照实际风场系统，基于Matlab/Simulink搭建了等值局部电网模型、低穿设备模型、箱变模型和风电机组模型。结合矢量控制原理，搭建了基于电网电压定向控制策略的网侧变流器模型和定子磁链定向控制策略的机侧变流器模型，同时研究了电网电压跌落期间Crowbar保护的控制策略。通过对比分析低电压穿越仿真和德国劳氏船级社(GL)风电现场实测结果，对仿真模型可信度进行评估。基于《风电机组电压穿越建模及验证方法》的评估结果验证了搭建的仿真模型可信度满足系统要求，可评估风电机组低电压穿越一致性。

风力发电；双馈风电机组；低电压穿越；仿真模型

电网故障导致发电机机端电压骤降，而发电机的定子磁链不能跟随机端电压突变。根据电机学磁链守恒定理，为了维持定子磁链不变，发电机定子感应出直流磁链分量。该直流磁链分量切割高速旋转的转子绕组，在电机转子侧感应出较大的冲击电流，引起转子侧绕组过电流。电网故障时，如果不采取有效措施限制转子绕组的过电流，将会造成发电机绕组和电力电子元件的损坏。与此同时，定、转子电流的大幅波动将引起发电机电磁转矩的剧烈振荡。文献[1]通过详细分析定、转子磁链瞬态变化的基本规律，根据发电机电磁基本关系推导出故障时定、转子暂态电流和电磁转矩的近似解析公式。为了进一步研究电网故障时双馈风电机组冲击电流、冲击转矩的影响因素和大小，文献[2]根据所建立的双馈感应发电机定、转子绕组电压方程、磁链方程以及运动方程的详细数学模型，利用仿真平台建立双馈式风力发电系统仿真模型，但均没有对其仿真模型的可信度进行验证。

本文搭建了等值局部电力系统和低电压穿越测试设备模型，通过分析低电压穿越仿真结果和德国劳氏船级社(GL)风电现场实测结果，对模型进行可信度评估，可评估风电机组低电压穿越一致性。

1 系统建模

图2 低电压穿越仿真模型

双馈风电机组低电压穿越建模包括局部电网模型、低穿设备模型、箱变模型和风电机组模型。低电压穿越测试系统单线图如图1所示。

图1 低电压穿越测试系统单线图

图1中，Z1为串联电抗，主要作用是限制系统的短路电流。Z2为短路电抗，其与Z1配合产生需要的电压跌落深度。

1.1局部电网建模

低穿测试设备通过MV/MV变压器、线路和HV/MV变压器与220 kV高压系统相联。表1～表3给出了局部电网的相关参数。

表1 220 kV高压系统参数

表2 HV/MV变压器参数

表3 线路参数

1.2低电压穿越测试设备建模

现场测试中低电压穿越设备额定电压为10 kV，因此需要接入MV/MV变压器。通过改变阻抗Z1和Z2的值，来产生所需的电压跌落深度，同时保证测试时对系统的影响最小。表4～表5给出了低穿设备相关参数。

表4 MV/MV变压器参数

表5 低穿测试设备阻抗配置

1.3双馈风电机组建模

双馈风电机组主要包括低穿测试用的MV/LV变压器、双馈感应发电机和双馈变流器。表6～表7给出了相关参数。

表6 MV/LV变压器参数

表7 双馈感应发电机参数

根据描述，基于Matlab/Simulink搭建双馈风电机组低电压穿越仿真模型如图2所示。

图2中，Te_ref、Q_ref和Rotor_speed分别为输入到变流器的转矩给定，无功给定和转速。Te_Out为发电机输出的转矩反馈。

2 控制策略

2.1网侧变流器控制策略

网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制策略，从而实现电网和网侧变流器间有功功率和无功功率的解耦控制。文献[6-7]给出了网侧变流器在dq坐标系下的电压平衡方程。

(1)

式中d、q——相应的电压、电流量的直轴分量和交轴分量；ugd，ugq——逆变器所需输出的电压。

根据网侧变流器的数学模型得到其控制框图如图3所示。

图3 网侧变流器控制框图

2.2机侧变流器控制策略

双馈感应发电机是一个高阶、多变量、非线性、强耦合的机电系统。为了实现有功功率和无功功率的解耦控制，机侧变流器采用定子磁链定向的矢量控制策略。文献[8-9]给出机侧变流器在dq坐标系下的电压平衡方程。

urd=Rrird+p(Lmisd+Lrird)-ωdqr(Lmisq+Lrirq)=

(2)

式中urd，urq——机侧变流器所需输出的电压；p——微分符号d/dt。

根据机侧变流器的数学模型得到其控制框图如图4所示。

图4 机侧变流器控制框图

若双馈发电机工作于单位功率因数，则：

(3)

式中Tref——风电机组主控给定转矩；ω1——同步角速度；Pn——双馈发电机极对数。

2.3 Crowbar控制策略

Crowbar采用典型的三相不控整流桥结构，其直流侧利用IGBT控制Crowbar电阻的投入和切出。电压跌落发生时，当机侧变流器检测到转子电流超过设定值，封锁机侧脉冲的同时将Crowbar电阻投入运行，卸放多余的暂态能量。一段时间后(20～100 ms)，Crowbar电阻切出，机侧变流器重新恢复对发电机的控制。Crowbar控制流程图如图5所示。

图5 Crowbar控制流程图

3 仿真分析及可信度评估

基于国家电网公司企业标准《Q/GDW 392—2009》，典型的1.5 MW双馈风电机组低电压穿越波形如图6所示。图6中电压基准值为690 V，电流基准值为1 297 A，功率基准值为1.55 MW。

对比图6仿真和实测结果发现，波形具备很高相似度。

标准《风电机组电压穿越建模及验证方法》规定了用于风电场低电压穿越能力仿真评估的风电机组模型的结构、建模方法，模型验证的方法和步骤，适用于风电机组在完成低电压穿越能力测试后的模型验证。本文根据该标准对搭建的仿真模型进行了可信度评估，典型的评估结果如图7所示。当真实的偏差位于标准所允许偏差范围内时，仿真模型可信度便得到验证。

图7 1.5 MW双馈风电机组低电压穿越评估结果(20%、3相、满载)

从图7可见，评估结果满足标准要求，验证了本文搭建的仿真模型具备很高的可信度。

4 结语

基于标准《风电机组电压穿越建模及验证方法》的评估结果验证了本文搭建的仿真模型具备很高的可信度，为风电机组低电压穿越一致性评估打下基础。

[1] 叶仁杰．电网故障下双馈感应风力发电机组的暂态运行性能研究[D]．重庆：重庆大学，2009.

[2]郑建军．系统参数对双馈感应风电机组低电压穿越影响的分析与研究[D]．重庆：重庆大学，2012．

(本文编辑：严 加)

Credibility Evaluation for Doubly-Fed Induction Generator Low Voltage Ride-through Simulation Model

ZHANG Junjie1, ZHAO Dong2

(1. Guodian Longyuan Electrical Co., Ltd., Beijing 100039, China; 2. State Grid Jiaxing Power Supply Company, Jiaxing 314033, China)

According to the actual field wind system, the paper builds up equivalent local grid model, low voltage ride-through equipment model, box-type transformer model and wind turbine model based on Matlab/Simulink. Combined with vector control strategy, it establishes grid-side converter model based on grid voltage orientation control strategy and machine-side converter model based on stator flux orientation control strategy. The Crowbar control strategy during the period of voltage dip is also studied. By comparing the low voltage ride-through simulation results and Germanischer Lloyd (GL) wind field measurement results, the credibility of simulation model is evaluated. And the evaluation outcome, based on the standard "Modeling and Validation Method of Wind Turbine Low Voltage Ride Through", verifies that the simulation model meets the system demands, which builds the foundation for conformity assessment of wind turbine low voltage ride-through.

wind power; doubly-fed induction generator (DFIG); low voltage ride-through; simulation model

10.11973/dlyny201704024

张俊杰(1983—)，男，工程师，从事研究风力发电技术研究。

TM614

：A

：2095-1256(2017)04-0459-04

2017-04-20