張俊杰，趙 棟

(1.國電龍源電氣有限公司，北京 100039；2.國網(wǎng)嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033)

雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越仿真模型可信度評估

張俊杰1，趙 棟2

(1.國電龍源電氣有限公司，北京 100039；2.國網(wǎng)嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033)

依照實際風(fēng)場系統(tǒng)，基于Matlab/Simulink搭建了等值局部電網(wǎng)模型、低穿設(shè)備模型、箱變模型和風(fēng)電機組模型。結(jié)合矢量控制原理，搭建了基于電網(wǎng)電壓定向控制策略的網(wǎng)側(cè)變流器模型和定子磁鏈定向控制策略的機側(cè)變流器模型，同時研究了電網(wǎng)電壓跌落期間Crowbar保護的控制策略。通過對比分析低電壓穿越仿真和德國勞氏船級社(GL)風(fēng)電現(xiàn)場實測結(jié)果，對仿真模型可信度進行評估?；凇讹L(fēng)電機組電壓穿越建模及驗證方法》的評估結(jié)果驗證了搭建的仿真模型可信度滿足系統(tǒng)要求，可評估風(fēng)電機組低電壓穿越一致性。

風(fēng)力發(fā)電；雙饋風(fēng)電機組；低電壓穿越；仿真模型

電網(wǎng)故障導(dǎo)致發(fā)電機機端電壓驟降，而發(fā)電機的定子磁鏈不能跟隨機端電壓突變。根據(jù)電機學(xué)磁鏈守恒定理，為了維持定子磁鏈不變，發(fā)電機定子感應(yīng)出直流磁鏈分量。該直流磁鏈分量切割高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組，在電機轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出較大的沖擊電流，引起轉(zhuǎn)子側(cè)繞組過電流。電網(wǎng)故障時，如果不采取有效措施限制轉(zhuǎn)子繞組的過電流，將會造成發(fā)電機繞組和電力電子元件的損壞。與此同時，定、轉(zhuǎn)子電流的大幅波動將引起發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的劇烈振蕩。文獻[1]通過詳細分析定、轉(zhuǎn)子磁鏈瞬態(tài)變化的基本規(guī)律，根據(jù)發(fā)電機電磁基本關(guān)系推導(dǎo)出故障時定、轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流和電磁轉(zhuǎn)矩的近似解析公式。為了進一步研究電網(wǎng)故障時雙饋風(fēng)電機組沖擊電流、沖擊轉(zhuǎn)矩的影響因素和大小，文獻[2]根據(jù)所建立的雙饋感應(yīng)發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子繞組電壓方程、磁鏈方程以及運動方程的詳細數(shù)學(xué)模型，利用仿真平臺建立雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，但均沒有對其仿真模型的可信度進行驗證。

本文搭建了等值局部電力系統(tǒng)和低電壓穿越測試設(shè)備模型，通過分析低電壓穿越仿真結(jié)果和德國勞氏船級社(GL)風(fēng)電現(xiàn)場實測結(jié)果，對模型進行可信度評估，可評估風(fēng)電機組低電壓穿越一致性。

1 系統(tǒng)建模

圖2 低電壓穿越仿真模型

雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越建模包括局部電網(wǎng)模型、低穿設(shè)備模型、箱變模型和風(fēng)電機組模型。低電壓穿越測試系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

圖1 低電壓穿越測試系統(tǒng)單線圖

圖1中，Z1為串聯(lián)電抗，主要作用是限制系統(tǒng)的短路電流。Z2為短路電抗，其與Z1配合產(chǎn)生需要的電壓跌落深度。

1.1局部電網(wǎng)建模

低穿測試設(shè)備通過MV/MV變壓器、線路和HV/MV變壓器與220 kV高壓系統(tǒng)相聯(lián)。表1～表3給出了局部電網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)。

表1 220 kV高壓系統(tǒng)參數(shù)

表2 HV/MV變壓器參數(shù)

表3 線路參數(shù)

1.2低電壓穿越測試設(shè)備建模

現(xiàn)場測試中低電壓穿越設(shè)備額定電壓為10 kV，因此需要接入MV/MV變壓器。通過改變阻抗Z1和Z2的值，來產(chǎn)生所需的電壓跌落深度，同時保證測試時對系統(tǒng)的影響最小。表4～表5給出了低穿設(shè)備相關(guān)參數(shù)。

表4 MV/MV變壓器參數(shù)

表5 低穿測試設(shè)備阻抗配置

1.3雙饋風(fēng)電機組建模

雙饋風(fēng)電機組主要包括低穿測試用的MV/LV變壓器、雙饋感應(yīng)發(fā)電機和雙饋變流器。表6～表7給出了相關(guān)參數(shù)。

表6 MV/LV變壓器參數(shù)

表7 雙饋感應(yīng)發(fā)電機參數(shù)

根據(jù)描述，基于Matlab/Simulink搭建雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越仿真模型如圖2所示。

圖2中，Te_ref、Q_ref和Rotor_speed分別為輸入到變流器的轉(zhuǎn)矩給定，無功給定和轉(zhuǎn)速。Te_Out為發(fā)電機輸出的轉(zhuǎn)矩反饋。

2 控制策略

2.1網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，從而實現(xiàn)電網(wǎng)和網(wǎng)側(cè)變流器間有功功率和無功功率的解耦控制。文獻[6-7]給出了網(wǎng)側(cè)變流器在dq坐標系下的電壓平衡方程。

(1)

式中d、q——相應(yīng)的電壓、電流量的直軸分量和交軸分量；ugd，ugq——逆變器所需輸出的電壓。

根據(jù)網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型得到其控制框圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖

2.2機側(cè)變流器控制策略

雙饋感應(yīng)發(fā)電機是一個高階、多變量、非線性、強耦合的機電系統(tǒng)。為了實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制，機側(cè)變流器采用定子磁鏈定向的矢量控制策略。文獻[8-9]給出機側(cè)變流器在dq坐標系下的電壓平衡方程。

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

(2)

式中urd，urq——機側(cè)變流器所需輸出的電壓；p——微分符號d/dt。

根據(jù)機側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型得到其控制框圖如圖4所示。

圖4 機側(cè)變流器控制框圖

若雙饋發(fā)電機工作于單位功率因數(shù)，則：

(3)

式中Tref——風(fēng)電機組主控給定轉(zhuǎn)矩；ω1——同步角速度；Pn——雙饋發(fā)電機極對數(shù)。

2.3 Crowbar控制策略

Crowbar采用典型的三相不控整流橋結(jié)構(gòu)，其直流側(cè)利用IGBT控制Crowbar電阻的投入和切出。電壓跌落發(fā)生時，當(dāng)機側(cè)變流器檢測到轉(zhuǎn)子電流超過設(shè)定值，封鎖機側(cè)脈沖的同時將Crowbar電阻投入運行，卸放多余的暫態(tài)能量。一段時間后(20～100 ms)，Crowbar電阻切出，機側(cè)變流器重新恢復(fù)對發(fā)電機的控制。Crowbar控制流程圖如圖5所示。

圖5 Crowbar控制流程圖

3 仿真分析及可信度評估

基于國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準《Q/GDW 392—2009》，典型的1.5 MW雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越波形如圖6所示。圖6中電壓基準值為690 V，電流基準值為1 297 A，功率基準值為1.55 MW。

對比圖6仿真和實測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，波形具備很高相似度。

標準《風(fēng)電機組電壓穿越建模及驗證方法》規(guī)定了用于風(fēng)電場低電壓穿越能力仿真評估的風(fēng)電機組模型的結(jié)構(gòu)、建模方法，模型驗證的方法和步驟，適用于風(fēng)電機組在完成低電壓穿越能力測試后的模型驗證。本文根據(jù)該標準對搭建的仿真模型進行了可信度評估，典型的評估結(jié)果如圖7所示。當(dāng)真實的偏差位于標準所允許偏差范圍內(nèi)時，仿真模型可信度便得到驗證。

圖7 1.5 MW雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越評估結(jié)果(20%、3相、滿載)

從圖7可見，評估結(jié)果滿足標準要求，驗證了本文搭建的仿真模型具備很高的可信度。

4 結(jié)語

基于標準《風(fēng)電機組電壓穿越建模及驗證方法》的評估結(jié)果驗證了本文搭建的仿真模型具備很高的可信度，為風(fēng)電機組低電壓穿越一致性評估打下基礎(chǔ)。

[1] 葉仁杰．電網(wǎng)故障下雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機組的暫態(tài)運行性能研究[D]．重慶：重慶大學(xué)，2009.

[2]鄭建軍．系統(tǒng)參數(shù)對雙饋感應(yīng)風(fēng)電機組低電壓穿越影響的分析與研究[D]．重慶：重慶大學(xué)，2012．

(本文編輯：嚴 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

張俊杰(1983—)，男，工程師，從事研究風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究。

TM614

：A

：2095-1256(2017)04-0459-04

2017-04-20