低電壓穿越仿真分析

1、雙饋風力發(fā)電機低電壓穿越研究陳 達 翁德明 梁世民 金希龍（臺州電業(yè)局輸電運檢工區(qū)，浙江 臨海317000 ）摘要：低電壓穿越已經(jīng)成為雙饋風機大規(guī)模并網(wǎng)的一個瓶頸。本文首先分析了電網(wǎng)電壓驟降對雙饋風機產(chǎn)生的影響，并提出了將雙饋風機直流側(cè)電容通過雙向并聯(lián)的二極管與太陽能發(fā)電站直接相連，以提高雙饋風機低電壓穿越的能力，進而增強電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。關鍵詞：雙饋風機；低電壓穿越；雙向并聯(lián)二極管；穩(wěn)定性 Low Voltage Ride-Through Technology on DFIGCHEN Da WengDe-ming LiangShi-min JinXi-long(Taizhou Electri

2、c Power Bureau, Transmission Operation and Maintenance Work Area, Lin Hai 317000,China)ABSTRAC: Low Voltage Ride-Through Technology has become a bottleneck for DFIG in large scale connected with grid. The impact of grid voltage dips on DFIG is analyzed in this paper.The DC side capacitor of DFIG con

3、nected with the solar power station directly through a two-way parallel diodes is proposed. The ability of low voltage Ride-Through Technology for DFIG is improved. The stability of power system voltage is enhanced. Key words：DFIG； Low Voltage Ride-Through；two-way parallel diodes ; stability;0 引言隨著能

4、源消耗的日益增長和環(huán)境的不斷惡化，世界各國把可再生無污染的新型清潔能源作為可持續(xù)發(fā)展的重點。風能是一種取之不盡、無污染、具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的能源。而風力發(fā)電是新能源中技術最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一1-3。雙饋風機在風力發(fā)電中得到廣泛應用主要因為風力發(fā)電機能通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁、相位、幅值的控制來實現(xiàn)雙饋風機的變速恒頻，同時能夠?qū)﹄p饋風機有功、無功的輸出進行有效控制，從而進一步增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性。但雙饋風機的控制系統(tǒng)受電網(wǎng)電壓波動的影響較大。當電網(wǎng)電壓降低時雙饋風機不能對其輸出的有功、無功進行有效控制，使得電網(wǎng)電壓情況進一步惡化。嚴重時將會導致整個風電場拖網(wǎng)，造成局部

5、電網(wǎng)癱瘓。因此低電壓穿越已經(jīng)成為風力發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)的瓶頸。目前采用的低電壓穿越的主要方法有：直流側(cè)Crowbar、變槳距等方法。直流側(cè)Crowbar是利用電阻將直流電容的能量消耗掉。其缺點是當電網(wǎng)電壓波動引起直流電容電壓降低時不能維持電容電壓的穩(wěn)定性。變漿距的缺點主要是；當電網(wǎng)動蕩時，需要額外的儲備電源對變漿距裝置進行啟動。本文提出了采用DFIG風電機組的直流電容側(cè)與太陽能發(fā)電站相結(jié)合的方式來提高風力發(fā)電機組低電壓穿越的能力，以達到雙饋風力發(fā)電機組大規(guī)模并網(wǎng)的目的4-6。1、雙饋風力發(fā)電機的數(shù)學模型圖1雙饋風力發(fā)電機組圖2雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)等效電路 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其等值

6、電路圖如圖2。圖中下標s、r和g分別表示發(fā)電機定子側(cè)、發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)和GSC交流側(cè)的參數(shù)，上標s表示該矢量是在靜止坐標系下的矢量。1.1 RSC數(shù)學模型在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，當d軸定向于定子電壓時，電機的電壓方程可表示為： (1) (2)其中： (3)穩(wěn)態(tài)運行條件下，忽略定子電阻，由(1)可得 (4)將(4)代入(3)，可得 (5)將(5)和(3)代入(2)，整理得到轉(zhuǎn)子電流的狀態(tài)方程 (6)式中為轉(zhuǎn)差角速度，為電機的漏磁系數(shù)。，其中遠大于、為定、轉(zhuǎn)子磁鏈矢量,、為定、轉(zhuǎn)子電流矢量。發(fā)電機定子輸出的功率可見，通過控制轉(zhuǎn)子電流和可以實現(xiàn)對定子繞組有功功率和無功功率的解耦控制。而對轉(zhuǎn)子電流和的控制是通

7、過RSC輸出電壓和的控制間接實現(xiàn)的。1.2 GSC數(shù)學模型在同步旋轉(zhuǎn)坐標系，d軸以電網(wǎng)電壓定向，則GSC交流側(cè)的數(shù)學模型可表示為 (8)忽略Rg和變頻器上的功率損耗，GSC交直流側(cè)的有功功率平衡，即 (9)由式(9)可得 (10) 2、電網(wǎng)電壓驟降對雙饋風機的影響分析 按照定子短路故障下的電機瞬態(tài)分析方法，將式(3)代入式(2)并進行拉普拉斯變換可得DFIG定、轉(zhuǎn)子瞬態(tài)短路電感為： （11）即短路故障發(fā)生瞬間，定子電樞反應磁通和轉(zhuǎn)子勵磁磁通經(jīng)過定、轉(zhuǎn)子漏磁路，如圖3所示。 圖3(a)定子等效回路 圖3（b）轉(zhuǎn)子等效回路將（11）式帶入（3）式可得 （12）由式（12）可知當電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時，

8、定子側(cè)磁鏈來不及變化，而轉(zhuǎn)子側(cè)磁鏈非常小，這使得、迅速變大7-12。3、雙饋風機的控制策略電網(wǎng)電壓驟降之后，DFIG的定子繞組中將產(chǎn)生很大的電流，又由于定、轉(zhuǎn)子之間存在電磁耦合作用，導致轉(zhuǎn)子電流增大，轉(zhuǎn)子電流流過直流電容，即使轉(zhuǎn)子側(cè)變流脈沖器封鎖，電流也會流過反向二極管給直流電容充電。又因為網(wǎng)側(cè)電壓的波動，致使對電容電壓的控制能力減弱。直流電容上過剩的能量不能及時輸送到電網(wǎng)，電容電壓迅速上升，嚴重時將導致電容損毀。本文針對雙饋風力發(fā)電機直流電容電壓穩(wěn)定性的問題提出了采用雙饋風機的直流電容與太陽能發(fā)電站通過雙向并聯(lián)的二極管直接相連的形式以提高的穩(wěn)定性。圖4 直流側(cè)電容與太陽能發(fā)電站連接示意圖當電

9、壓高于，二極管導通，電能由流向太陽能發(fā)電站。太陽能發(fā)電站再將能量直接輸送給用戶，同時雙饋風機向系統(tǒng)發(fā)出無功，以增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性。當電壓低于時，電能由太陽能發(fā)電站流向，以使電壓保持恒定。從而使轉(zhuǎn)子側(cè)的勵磁電流在電網(wǎng)電壓波動的情況下得到有效控制。利用太陽能發(fā)電站提高雙饋風機的低電壓穿越能力主要因為太陽能發(fā)電站具有以下特點：(1)太陽能發(fā)電站具有儲能裝置。(2)太陽能發(fā)電站電壓比較穩(wěn)定。(3)太陽能發(fā)電分為直流和交流兩種系統(tǒng)。(4)太陽能發(fā)電性能穩(wěn)定，使用壽命長。(5)太陽能分布及其廣泛。4、仿真驗證為了驗證所提控制策略的優(yōu)越性，本文在下進行了仿真實驗。本文選取額定功率為的風機為研究對象，其主電路參

10、數(shù)如下：發(fā)電機有功功率，功率因數(shù)，極對數(shù)，定子側(cè)線電壓，電網(wǎng)頻率，定子側(cè)電阻、電感標幺值分別為，轉(zhuǎn)子側(cè)電阻電感標幺值分別為,互感，網(wǎng)側(cè)變換器進線電阻，進線電抗，直流側(cè)電容，直流側(cè)電壓。 將雙饋風機與容量為，直流輸出母線電壓為1200伏的光伏發(fā)電通過雙向并聯(lián)的二極管直接相連。 基本風速為10m/s，雙饋風機在運行3s后，定子側(cè)A相發(fā)生短路，故障時間為0.7s。仿真結(jié)果如圖5a-圖5d所示：圖5a說明，雙饋風力發(fā)電機故障后，定子側(cè)有功功率輸出減少。圖5b說明雙饋風機發(fā)生故障后，雙饋風機的無功功率輸出增加，以維持機端電壓的穩(wěn)定。 圖5c說明，在雙饋風機故障的情況下，雙饋風機的直流電容電壓能夠保持穩(wěn)定

11、，保證雙饋風機的正常運行。 圖5d說明，故障消除后機端電壓能夠很快穩(wěn)定下來。5、結(jié)論本文建立了雙饋風機的數(shù)學模型，分析了電壓驟降對雙饋風機產(chǎn)生的影響，提出了增強雙饋風機低電壓穿越能力的方法。通過對仿真結(jié)果的分析表明，雙饋風機直流側(cè)電容通過雙向并聯(lián)的二極管直接與太陽能發(fā)電站相連能夠提高雙饋風力發(fā)電機低電壓穿越的能力，保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。參考文獻【1】閆廣新，李江，張峰，晁勤.變速雙饋風電機組低電壓穿越功能仿真.2009，25（6）:49-52.【2】李建林，趙棟利，李亞西，等適合于變速恒頻雙饋感應發(fā)電機的Crowbar對比分析可再生能源，2006(5)：5760【3】楊淑英.雙饋型風力發(fā)電

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