传动链模型对双馈风电机组低压穿越性能的影响

耿明飞 马豫超

（上海电机学院电气学院，上海201306）

0 引言

国内学者对双馈异步风力发电机组的动态稳定性的研究中，大都会采用等效集中质量块原则，对其进行数学建模。关于风力发电机组轴系稳定性这一方向，我们国家的研究正逐渐增多[1]，但对风力发电机组的动态稳定性分析不多。因此，研究不同传动链模型对双馈风力发电系统穿越能力的影响具有重要的现实意义[2]。

1 传动链建模

1.1 二质量块模型方程的建立

常见的二质量块建模方法：将风力机和发电机等效成两个质量块，然后通过齿轮箱将风力机和发电机连接起来。二质量块的数学模型方程可表示为：

式中，Ht、Hg分别为风力机和发电机的惯性常数；Wt、Wg分别为风力机和发电机的转速；Tt、Tm、Te分别为风力机侧的机械转矩、发电机侧的机械转矩与电磁转矩；Ks为传动轴系的刚度系数；θs为二质量块之间的相对角位移；Dt、Ds、Dg分别为风力机的自阻尼系数、轴系的互阻尼系数、发电机转子的自阻尼系数；Wb为角速度基值。

1.2 三、四质量块模型方程的建立

在二质量块数学建模方程的基础上，可推出三、四质量块的建模方程。三质量块模型是把等效的行星轮系从发电机模块中分离出来，构成三质量块模型，其中一质量块表示风力机，一质量块表示行星轮系模块，最后一个质量块是发电机模块。依此类推，四质量块是把第一级平行轮系与第二级平行轮系分离出来，建立四质量块模型。

2 仿真分析

在PSCAD平台建立风机模型进行并网仿真，发电机惯性时间常数Hg=0.75，风力机惯性质量常数Ht=0.45，轴系总刚度Ks=0.35 p.u./r，互阻尼系数为1.5，在20 s时发生电压跌落60%，持续时间为0.5 s，对双馈风机DFIG的有功、无功、电流、电磁转矩的变化情况进行分析。

（1）二质量块模型电压跌落60%的仿真如图1所示。

图1 电压跌落60%二质量块模型的仿真波形

（2）三质量块模型电压跌落60%的仿真如图2所示。

图2 电压跌落60%三质量块模型的仿真波形

（3）四质量块模型电压跌落60%的仿真如图3所示。

图3 电压跌落60%四质量块模型的仿真波形

由分析可知，随着质量块的增加，机械转矩Tm在电压跌落时刻平衡值的跳跃、电压恢复时刻平衡值的跳跃都越来越明显。在低电压穿越的过程中，随着质量块的增多，机械转矩在电压跌落时刻、低电压阶段以及电压恢复阶段的变化过程逐渐清晰。通过对比可以看出，质量块的增加，对双馈发电机的有功功率、无功功率、电磁转矩的变化没有特别大的影响，电磁转矩Te是由双馈发电机内部的磁链反应引起的变化，随着轴系建模的细化，它的频率不发生变化。

3 结语

传动链模块是风力发电系统中的一个重要模块，研究结果表明，在电压跌落故障下，不同传动链等效模型仿真中，随着质量块的增加，波动幅值有所减小，同时，达到稳定的时间增长；但对双馈感应发电机的无功功率等动态性能影响不大，主要影响的是转矩的振荡情况，随着质量块的增多，机械转矩在低电压穿越过程中从电压跌落时到电压恢复后的变化过程逐渐清晰，四质量块模型最为明显。