并網(wǎng)永磁直驅(qū)風電機組故障穿越能力仿真研究

趙海嶺，王維慶，王海云，2，張新燕，2，劉大貴

（1.新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830047；2.西安交通大學電氣工程學院，西安 710049）

0 引言

隨著風電容量的不斷增大，世界各國的電力系統(tǒng)安全導則進一步規(guī)范，對風電機組運行提出更加嚴格的要求。即在電網(wǎng)側(cè)或風電接入點發(fā)生嚴重故障時，風電機組必須能夠穿越故障時間。尤其在電網(wǎng)電壓發(fā)生嚴重跌落時，要求風機繼續(xù)并網(wǎng)運行，即具有故障穿越能力。

隨著電力電子器件成本下降，擁有全功率變換器的永磁直驅(qū)風機成為各國關注熱點[1-2]。直驅(qū)同步風電機，風輪機與發(fā)電機直接相聯(lián)，省去齒輪箱環(huán)節(jié)，既減少噪音，又提高了可靠性。近幾年。隨著我國風電規(guī)模的不斷擴大，越來越多的風電場選擇大型變速風電機組并入電網(wǎng)，直驅(qū)永磁風電機組在風電場中的數(shù)量在不斷增加，而且我國的風電場一般在電網(wǎng)的薄弱地區(qū)，因此，研究直驅(qū)永磁風電機組故障穿越能力，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要參考意義。本文根據(jù)永磁直驅(qū)風電機組的結構與運行特性，在坐標系下，建立了直驅(qū)永磁風電機組的動態(tài)數(shù)學模型。并在matlab/simulink環(huán)境下，建立直驅(qū)永磁風電機組到電網(wǎng)的仿真模型，對直驅(qū)風電機組接入電網(wǎng)的故障穿越能力進行了仿真分析，結果表明風電場接入點發(fā)生各種故障下，直驅(qū)同步風電機組具有故障穿越功能。尤其在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時，直驅(qū)風機能為系統(tǒng)提供一定的無功支撐。有效防止系統(tǒng)電壓過多降落。提高了系統(tǒng)故障運行的穩(wěn)定性。

1 直驅(qū)永磁風電機組結構與動態(tài)數(shù)學模型

1.1 直驅(qū)永磁風電機組結構

直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)（D-PMSG）主要包括風速、槳距控制式風力機、永磁同步發(fā)電機(PMSG)、背靠背全功率變頻器以及控制系統(tǒng)等5大部分，其基本結構如圖1所示。其中背靠背全功率變頻器系統(tǒng)又可以分為：發(fā)電機側(cè)變頻器、直流環(huán)節(jié)和電網(wǎng)側(cè)變頻器。因槳距控制式風力機和永磁同步發(fā)電機直接相聯(lián)，所以叫直驅(qū)風電風力發(fā)電機。發(fā)電機的輸出經(jīng)發(fā)電機側(cè)變頻器整流后由電容支撐，再經(jīng)電網(wǎng)側(cè)變頻器將能量送給電網(wǎng)。

圖1 直驅(qū)同步風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

1.2 永磁直驅(qū)風電機組的數(shù)學模型

1.2.1 風力機數(shù)學模型

根據(jù)貝茨理論[3]，風力機從氣流中獲得的功率既與風速的三次方成正比，還與風輪的結構有關。風力機的機械功率方程式如下：式中，Pw為風力機的機械功率；R為風力機的風輪半徑；ρ為空氣密度；υ為風速；Cp為風力機風能轉(zhuǎn)換系數(shù)；它是槳距角β與葉尖速比λ（風力機機械角速度。

本文將風電機組的軸系系統(tǒng)用風力機與永磁發(fā)電機兩質(zhì)塊來表示，其數(shù)學模型如下[4-5]：

式中，Ht與Hg分別為風力機與發(fā)電機的慣性時間常數(shù)；Ks為兩質(zhì)塊間的剛度系數(shù)；Dt與Dg分別為風力機轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子的自阻尼系數(shù)；θs為兩質(zhì)塊間的相對角位移；Te為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩；ωs為發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ω0為同步轉(zhuǎn)速。

1.2.2 永磁同步發(fā)電機動態(tài)數(shù)學模型

本文在d-q坐標系下，建立的永磁同步發(fā)電機組數(shù)學模型為[6]：

式中，id和iq分別為發(fā)電機d的軸與q軸電流；Ld和Lq分別為發(fā)電機d的軸和q軸電感；Ra為定子電阻；ωe為電角頻率；ωe=npωg，np為發(fā)電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)；ψ0為永磁體的磁鏈；ud和uq分別為ug的d軸q軸分量。定義q軸的反電勢eq=ωeψ0，d軸的反電勢為ed=0，假設發(fā)電機d軸與q軸電感相等，即Ld=Lq=L，則上式（4）可以寫成式（5）

PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為

若Ld=Lq=L，則式（7）可以簡化為：

2 驗證模型的正確性

本文直驅(qū)同步風電機組與系統(tǒng)的連接圖如圖2所示。利用MATLAB/SIMULINK建立了直驅(qū)永磁風電機組連接到電網(wǎng)的仿真模型，如下圖3所示。在該仿真模型中，直驅(qū)永磁同步風電機組的參數(shù)[7]如下：單機額定容量為2 MW，機端電壓為690 V，Xd=1.305 pu,=0.296 pu,X=0.252 pu,Xq=0.474 pu,X=0.243 pu,X1=0.18 pu, 時間常數(shù)T=4.49 pu，T"d0=0.0681 pu，定子電阻Rs=0.006 pu，H(s)=0.62，極對數(shù)p=1。

為驗證所建模型正確性，此次試驗仿真中，直驅(qū)同步風電機組初始運行基本風速為9 m/s，在6 s出現(xiàn)14 m/s的陣風擾動持續(xù)9 s后，在15 s風速又逐漸變成平均風9 m/s，在21 s時風速又增大為14 m/s，仿真時間設為30 s。仿真結果如圖3和圖4所示。

圖3 直驅(qū)同步風電機組輸出有功曲線

圖4 直驅(qū)同步風電機組機端電壓

由圖3看出，直驅(qū)風電機組輸出功率能隨風速而發(fā)生變化，最大輸出額定功率2 MW。圖4則說明正常直驅(qū)風機運行時的機端電壓在額定電壓附近波動。因此，所建直驅(qū)機組并網(wǎng)模型是正確的。

3 永磁直驅(qū)同步風電機組故障穿越能力分析

為準確分析直驅(qū)同步風電機組并網(wǎng)運行時的故障穿越能力，設風機穩(wěn)定運行風速保持不變?yōu)?2 m/s。風機槳距角也保持恒定不變。風電場并網(wǎng)點在5 s時刻發(fā)生單相接地故障，故障持續(xù)0.2 s結束。直驅(qū)同步風電機組的動態(tài)行為曲線圖5、6、7、8所示。

圖5 直驅(qū)同步風電機組輸出有功曲線

圖6 直驅(qū)同步風電機組輸出無功曲線

圖7 直驅(qū)同步風電機組PWM直流電壓

圖8 直驅(qū)同步風電機組機端電壓

由圖5可以看出，直驅(qū)同步風電機組在額定風速下能夠穩(wěn)定運行，輸出額定功率2 MW,同時直驅(qū)機組的機端電壓在額定電壓附近，如圖8所示。當5 s時刻發(fā)生單相接地故障時，風機輸出的電磁功率減小，同時機端電壓下降到約0.6倍額定值。而圖6則說明，在直驅(qū)風機穩(wěn)定運行時，風機的輸出無功功率為“0”，從而使得風電機組最大效率的發(fā)電，而故障時刻由于直驅(qū)同步風電機組網(wǎng)側(cè)變流器控制策略的作用，使直驅(qū)同步機組在電壓跌落嚴重時，發(fā)出無功功率增加，既保證風機機端電壓不會嚴重跌落，又能為電網(wǎng)提供一定無功支撐[8]。從上圖7也可以看出，風機直流側(cè)電壓只是在故障發(fā)生時有較大波動，故障期間并沒有升高很多，故障故障切除后，也能很快穩(wěn)定在正常值。直驅(qū)同步機組的機端電壓也可以較快恢復到額定電壓附近，無功功率經(jīng)過一段時間的波動也回到了0 MV·A。

圖9 直驅(qū)同步風電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

圖9是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速曲線，故障發(fā)生時刻，由于風機輸出有功減小，使得風機轉(zhuǎn)子加速，故障消失后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速慢慢趨于平穩(wěn)。

從上面圖5可以看出，直驅(qū)同步機組在風電場并網(wǎng)點發(fā)生電壓跌落時發(fā)出無功功率增加，使風機機端電壓不會下降過多，從而實現(xiàn)風電機組在故障時不切機，繼續(xù)并網(wǎng)運行。并且其發(fā)出的無功功率有利于電網(wǎng)故障的恢復。由此得出，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，直驅(qū)同步機組不但能夠承受短時的電壓降落而不退出運行，而且能繼續(xù)向系統(tǒng)輸入無功功率以支撐系統(tǒng)電壓，即具有低電壓穿越功能[9-11]。這種低電壓穿越作為故障穿越能力的一種最突出功能，也是世界各國研究的熱點。直驅(qū)同步機組的低電壓穿越功能使同步機組比固定轉(zhuǎn)速異步機組在系統(tǒng)故障時對系統(tǒng)的貢獻更大，更有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

4 結論

本文通過對直驅(qū)同步風電機組各部分功能的分析，根據(jù)直驅(qū)同步風電機組d-q坐標系下的數(shù)學模型，利用仿真軟件搭建了仿真模型。對直驅(qū)風電機組故障穿越能力進行仿真分析，結果表明：在電網(wǎng)發(fā)生故障時，直驅(qū)同步風電機組具有較好的故障穿越能力，這使得未來的風電場不但不會成為系統(tǒng)的負擔，反而能夠為系統(tǒng)提供無功支撐，防止電壓過多跌落。這正是直驅(qū)風電機組的優(yōu)勢所在。

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