雙饋式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機模型在風(fēng)電場中的應(yīng)用

雙饋式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機模型在風(fēng)電場中的應(yīng)用

0風(fēng)機采用pss/e模型世界上能源嚴(yán)重不足，能源發(fā)電技術(shù)人才建設(shè)緊迫。風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為發(fā)展最快的清潔能源之一,其中,雙饋式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機因其運行區(qū)間廣、效率高、變流器容量小等優(yōu)點被廣泛投入使用。雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(DFIG)主要是由風(fēng)機、齒輪箱、感應(yīng)發(fā)電機、功率變流器、跨接器組成。電流通過感應(yīng)發(fā)電機的滑環(huán)進(jìn)出轉(zhuǎn)子繞組,轉(zhuǎn)子通過AC-DC-AC功率變流器與電網(wǎng)相連,實現(xiàn)了電網(wǎng)頻率和機械頻率的解耦控制?？缃悠鲗︼L(fēng)機變流器起到保護(hù)作用。PSS/E是由西門子公司開發(fā)的電力仿真軟件,已經(jīng)成為在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的軟件之一,在其平臺上開發(fā)的風(fēng)電模型專門用于風(fēng)電場特性及其并網(wǎng)的相關(guān)研究。許多風(fēng)機生產(chǎn)商提供PSS/E模型,以用于輸電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范的校驗。在大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋型風(fēng)機比重很大,并且隨著雙饋風(fēng)機的單機容量和裝機容量不斷提升,對風(fēng)電場和電網(wǎng)之間互相影響的研究具有更加重要的意義。因此本研究將系統(tǒng)地介紹基于PSS/E軟件32版本中的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機的WT3模型,同時,本研究根據(jù)模型特點進(jìn)行有針對性的單機無窮大系統(tǒng)的仿真測試,通過仿真結(jié)果驗證PSS/E中雙饋風(fēng)機模型的特性,并得出相關(guān)結(jié)論。1雙饋風(fēng)機模型PSS/E的雙饋風(fēng)機根據(jù)GE公司的風(fēng)機進(jìn)行建模,主要用于大型風(fēng)電場的正序相量時域仿真分析。完整的雙饋風(fēng)機模型包括:發(fā)電機-換流器模型(WT3G)、電氣控制模型(WT3E)、風(fēng)力機及傳動軸系模型(WT3T)、槳距角控制模型(WT3P)。它們之間的關(guān)系如圖1所示。1.1低電壓無功模型WT3G是發(fā)電機和換流器的等效模型,也是風(fēng)機和網(wǎng)絡(luò)的接口,其模型框圖如圖2所示,PSS/E的32版本推薦使用改進(jìn)后的模型WT3G2。與傳統(tǒng)的發(fā)電機不同,WT3G模型的網(wǎng)絡(luò)接口簡化為代數(shù)運算的可控電流源。在計算的時間步長內(nèi),本研究保持Eqcmd和Ipcmd恒定不變。根據(jù)有功命令I(lǐng)pcmd和q軸電動勢Eqcmd以及次暫態(tài)電抗Xeq,可以計算得到注入電流Isorce,經(jīng)過發(fā)電機參考系和電網(wǎng)參考系之間的轉(zhuǎn)換矩陣T注入電網(wǎng),T表達(dá)式為:式中:θ—發(fā)電機的轉(zhuǎn)子位置角。兩個一階慣性環(huán)節(jié)Tiqcmd和Tipcmd用來表示轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的作用,通常被設(shè)置成比較小的時間滯后值,如0.02s。低電壓有功邏輯(LVPL)為有功通道上的限幅環(huán)節(jié),其控制曲線由VLVPL_1、VLVPL_2和GLVPL定義。當(dāng)機端電壓VTerm過低時,有功功率輸出會受到上限的限制,這樣可以減少故障中與故障后的系統(tǒng)電壓恢復(fù)壓力,使無功具有調(diào)控優(yōu)先權(quán)。在模型中,研究者應(yīng)注意GLVPL設(shè)置為小于10,VLVPL_2設(shè)置在0.5~1之間,并且大于VLVPL_1。T_LVPL為電壓傳感器濾波時間常數(shù)。此外,有功電流的上升速率也受到了Rip_LVPL的限制。在發(fā)生嚴(yán)重的電壓下降時,圖2中的低壓有功電流函數(shù)通過減少有功電流傳輸,可以使機端電壓VTerm低于0.8p.u.時盡快恢復(fù)。當(dāng)電壓上升過高時,圖2中的高壓無功電流函數(shù)可以通過減少無功電流的傳輸來限制機端電壓VTerm不超過1.20p.u.。圖2下方為鎖相環(huán)環(huán)節(jié)(PLL),用來同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子電流。1.2槳距角pord槳距角控制對動態(tài)仿真結(jié)果影響很大,該模型的具體框圖如圖3所示。當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差SPEED大于參考值WNDSP1(可從圖4中的轉(zhuǎn)速功率曲線得到)或者功率指令值Pord大于發(fā)電機最大功率值(額定值)PMX時,通過增大槳距角β可降低氣動轉(zhuǎn)矩,使功率降回到額定值,從而減小發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。槳距角控制和槳距角補償都是非飽和積分器。當(dāng)槳距角達(dá)到積分器范圍(TetaMax或TetaMin)時,積分器輸入將設(shè)置為0,這將使得槳距角命令值θcmd遠(yuǎn)離積分器的限值。同時槳距角變化受到速率限制,即模型中的RTetaMax和-RTetaMax。1.3發(fā)電機-換流器qcmd控制策略電氣控制模型WT3E模擬了有功和無功的解耦控制,本研究根據(jù)其控制原理將模型整體框圖簡化為如圖4所示的框圖。(1)無功控制通道。如圖4所示,本研究將無功功率Qelec與其命令值Qcmd進(jìn)行比較,通過限幅和積分環(huán)節(jié)之后,與機端電壓VTerm比較,再經(jīng)過閉環(huán)電壓控制模塊得到電壓命令值Eqcmd。對應(yīng)于圖4中的無功功率控制模塊如圖5所示,共有3種控制模式。當(dāng)無功標(biāo)識符VLTFLG為0時,為恒定無功功率控制模式,此時Qcmd等于參考值Qref;當(dāng)VLTFLG為-1時,為恒定功率因數(shù)控制,此時輸入功率因數(shù)角參考值PFAref計算得到Qcmd。當(dāng)VLTFLG為1時,為恒定電壓控制模式,通常研究者設(shè)置輸電系統(tǒng)的公共耦合點母線電壓|V|-IXc作為監(jiān)測值,與電壓參考值Vref作比較,經(jīng)過PI控制器和慣性環(huán)節(jié)得到無功功率命令值Qcmd,其中Xc為線路調(diào)差率補償電抗。參數(shù)FN表示風(fēng)電場在線運行的比例,如有一半的風(fēng)機在線,FN將設(shè)置成0.5。對應(yīng)于圖4中的閉環(huán)電壓控制模塊如圖6所示。從機端測量的Qelec與圖5無功控制模塊輸出的Qcmd比較,通過開環(huán)或者閉環(huán)電壓控制(取決于標(biāo)識符VLTFLG的設(shè)置),得到輸入到發(fā)電機-換流器模型WT3G的輸入信號Eqcmd。當(dāng)VLTFLG為0,旁路閉環(huán)電壓控制;當(dāng)VLTFLG為1,Eqcmd上、下限分別為VTerm+XIQmax和VTerm-XIQmin;當(dāng)VLTFLG為2,Eqcmd上、下限分別為XIQmax和XIQmin。下文中典型系統(tǒng)的仿真表明,由用戶輸入XIQmax和XIQmin將會很大程度上影響到故障中和故障后的風(fēng)機機端電壓穩(wěn)定。(2)有功控制通道。如圖4所示,研究者輸入發(fā)電機有功功率Pelec,通過轉(zhuǎn)速功率曲線得到發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差參考值WNDSP1,與實際發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差SPEED比較,通過PI控制器得到轉(zhuǎn)矩命令值Tord,再與實際轉(zhuǎn)速1+SPEED相乘,經(jīng)過PI控制器,將得到的有功功率命令值Pord除以機端電壓VTerm,得到有功電流命令值Ipcmd。圖4的有功通道中的轉(zhuǎn)速功率曲線如圖7所示,其調(diào)節(jié)特性可以分為4個區(qū)段:(1)最小轉(zhuǎn)速運行(A-B段):當(dāng)有功功率達(dá)到最小值之前,將維持在最小轉(zhuǎn)速運行。(2)最優(yōu)葉尖速比跟蹤控制(B-C段):在有功功率達(dá)到0.75p.u.之前保持最小的槳距角,使機械功率最大。(3)發(fā)電機功率和轉(zhuǎn)矩控制(C-D段):當(dāng)達(dá)到1.2p.u.的額定轉(zhuǎn)速且發(fā)電機有功功率未達(dá)到額定值1.0p.u.時,將基本維持風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在額定值。(4)槳距角控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速(D-E段):風(fēng)力機輸出功率在1.0p.u.以上時,本研究調(diào)節(jié)槳距角從而控制傳送給軸系的機械功率,直到功率回到額定值。轉(zhuǎn)速控制器無法區(qū)分軸系加速是由系統(tǒng)內(nèi)故障還是風(fēng)速增大引起的。用戶可以根據(jù)風(fēng)機的實際情況定義功率-速度特性曲線,如圖7所示。用戶需要輸入發(fā)電機在有功功率分別等于0.2p.u.、0.4p.u.、0.6p.u.時的發(fā)電機轉(zhuǎn)速,而發(fā)電機有功功率等于最小值、額定值時的轉(zhuǎn)速以及在額定轉(zhuǎn)速下的最小功率是不能由用戶定義的。在實際的控制器中,速度參考值并不直接是發(fā)電機功率的函數(shù),但整體的速度-功率關(guān)系是類似的。1.4分離氣動功率控制框圖風(fēng)力機及傳動軸系模型WT3T采用的是雙質(zhì)量塊模型。模型中包括氣動力學(xué)模型,WT3T1模型中氣功功率控制框圖如圖8所示,滿足:式中:Paerot0—初始?xì)鈩庸β?β—槳距角,β0—初始槳距角,模型的其余部分具體參見文獻(xiàn)。1.5風(fēng)機端電壓vterm單元在標(biāo)準(zhǔn)的PSS/E風(fēng)力機模型中并沒有包含保護(hù)模塊。但是在PSS/E中包含有CONET模型VTGTPA和FRQTPA,可以用于保護(hù)系統(tǒng)的電壓和頻率特性的仿真。VTGTPA為過電壓/欠電壓保護(hù)模塊。其工作原理是:設(shè)置一個高電壓門檻值VU和一個低電壓門檻值VL,當(dāng)機端電壓VTerm大于VU或者小于VL時,計時器啟動;當(dāng)記錄的電壓越限時間大于TP時,將使風(fēng)機切除。FRQTPA工作原理與VTGTPA類似,為高頻/低頻保護(hù)模塊。其工作原理是:設(shè)置一個高電壓門檻值FU和一個低電壓門檻值FL,當(dāng)頻率大于FU或者小于FL時,計時器啟動;當(dāng)記錄的電壓越限時間大于TP時,將使風(fēng)機切除。在過去,風(fēng)電場額定功率小,在故障之后從電網(wǎng)脫離,不會對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性造成影響。然而隨著風(fēng)電場的規(guī)模擴大,風(fēng)電場從電網(wǎng)的分離很可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定。因此電網(wǎng)法規(guī)規(guī)定風(fēng)電場在指定事件發(fā)生時能夠持續(xù)運行一定的時間,具有一定的低電壓穿越能力。PSS/E的風(fēng)機模型不包括低電壓穿越模塊,需要用戶通過自定義模型等方式實現(xiàn)。2系統(tǒng)擾動對模型響應(yīng)的影響本研究采用的基于文獻(xiàn)單機無窮大系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試,測試系統(tǒng)如圖9所示。從風(fēng)電場高壓母線到PCC點為雙回線路。風(fēng)電場的額定功率為100MW,由67臺1.5MW的GE1500風(fēng)機組成,功率因數(shù)設(shè)置為±0.95。筆者主要研究了系統(tǒng)擾動對模型響應(yīng)的影響。系統(tǒng)故障是加在線路1上,故障持續(xù)時間為250ms,其后斷開故障線路。2.1故障線路分析本研究設(shè)置VLTFLG=0且VARFLG=0,則風(fēng)機為不具閉環(huán)電壓控制的恒定無功控制模式。風(fēng)機和PCC點的電壓曲線如圖10所示。在故障期間,PCC點的電壓跌至0;風(fēng)機機端電壓曲線形狀跟PCC點類似,在故障區(qū)間跌至0.2p.u.,并始終保持高于PCC點的電壓。當(dāng)故障線路從網(wǎng)絡(luò)中斷開之后,在風(fēng)機機端和PCC點之間的阻抗上升,因此電壓降落將會變大,導(dǎo)致恢復(fù)電壓低于故障前的電壓大小。電功率、機械功率和氣動功率曲線如圖11所示?？梢钥闯?當(dāng)故障發(fā)生時,電功率減小到很低的值,機械功率和電功率之間的差值導(dǎo)致轉(zhuǎn)子開始加速。軸系模型中的扭轉(zhuǎn)振動將會反映到風(fēng)機的輸出功率。機械功率的峰值非常高,在振動的第一個周期就達(dá)到了接近2.0p.u.的峰值。這個數(shù)值表明了軸系模型中的機械應(yīng)力非常高。槳距角控制曲線如圖12所示。圖12顯示,在故障期間槳距角增加,減小了風(fēng)機的機械功率。槳距角的振動是由于風(fēng)機轉(zhuǎn)速控制所致。斷開故障線路之后,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下降,但是槳距角持續(xù)上升了幾秒,這是由于圖3模型中的槳距角補償部分為了減少風(fēng)機的機械功率而增大了更多的槳距角。風(fēng)輪和發(fā)電機速度曲線如圖13所示。從圖13可以看出,在兩質(zhì)量塊模型中,發(fā)電機的速度振動與風(fēng)輪速度振動方式是不同的。2.2保護(hù)電壓恢復(fù)曲線本研究設(shè)置VARFLG=0,VLTFLG=1,即為具有閉環(huán)電壓控制的恒定無功控制方式。無功命令等于參考值,內(nèi)部電壓大小由閉環(huán)控制環(huán)限制(如圖6所示)。內(nèi)部電壓大小的上、下限分別為VTerm+XIQmax和VTerm-XIQmin。在仿真中,用戶可以自定義XIQmax和XIQmin的值。電壓恢復(fù)曲線如圖14所示,當(dāng)XIQmax=0.4(GE1500推薦值)時,無功上限較大,電壓能夠較快恢復(fù);當(dāng)XIQmax=0.1時,無功上限較小,導(dǎo)致電壓恢復(fù)變慢?？梢?當(dāng)XIQmax的值太小,電壓將無法恢復(fù);當(dāng)XIQmax太大時,將引起恢復(fù)過程中的電壓振蕩。XIQmax=0.1時的有功和無功曲線如圖15所示,在故障期間有功出力降到0,無功受到了XIQmax的限制。3風(fēng)機模型的主要信息通過PSS/E雙饋風(fēng)機模型的具體介紹,根據(jù)相應(yīng)的仿真結(jié)果,本研究得到如下結(jié)論:(1)發(fā)電機-換流器模型(WT3G)。本研究將發(fā)電機看作帶有暫態(tài)電抗的簡化電流源,模型中并沒有考慮發(fā)電機的損耗。機端電壓VTerm過低時,有功功率輸出會受到低壓有功邏輯(LVPL)上限的限制,這樣可以減少故障中與故障后的系統(tǒng)電壓恢復(fù)壓力,使無功具有調(diào)控優(yōu)先權(quán)。(2)風(fēng)力機及傳動軸系模型(WT3T)和槳距控制模型(WT3P)。風(fēng)力機及傳動軸系模型采用了兩質(zhì)量塊模型。故障期間的機械功率振動大小表明了傳動系統(tǒng)的機械應(yīng)力的數(shù)量級。在故障期間和故障之后,槳距角控制可以減少氣動功率。此外,在仿真過程中筆者認(rèn)為風(fēng)速是恒定的,因此風(fēng)速改變時對風(fēng)機響應(yīng)的影響在模型中是無法體現(xiàn)的。(3)電氣控制模型(WT3E)。該模型共有3種方式控制電壓和無功功率,分別是恒定電壓