1、第39卷第17期電力系統(tǒng)保護(hù)與控制Vol.39No.172011年9月1日PowerSystemProtectionandControlSept.1,201奴饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越的分析研究王定國1,張紅超2(1.許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌4610002國家繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心河南許昌461000摘要:風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)較難實(shí)現(xiàn)，為了準(zhǔn)確地分析雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越的特性，有必要通過仿真的方式進(jìn)行分析研究。針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理，構(gòu)建了機(jī)組的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用Matlab/Simulink的仿真平臺(tái)，建立了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)以及控制系統(tǒng)的

2、仿真模型，對(duì)其在電壓跌落50%的故障下開展了仿真和研究，分析了電網(wǎng)跌落時(shí)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響。研究結(jié)果表明：電網(wǎng)電壓跌落時(shí)和電壓恢復(fù)時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)受到電網(wǎng)電壓故障的強(qiáng)烈影響。關(guān)鍵詞:雙饋發(fā)電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；低電壓穿越；運(yùn)行狀況；風(fēng)力發(fā)電AnalysisandresearchoflowvoltageridethroughfordoublyfedwindpowergeneratorWANGDing-guo1,ZHANGHong-chao2(1.XJGroupCo.Ltd,Xuchang461000,China;2.ChinaNationalTestingCenterforRelayProtec

3、tionandAutomationEquipment,Xuchang461000,ChinaAbstract:Thefieldexperimentofthewindgeneratorlowvoltageridethroughisdifficulttoachieve.Inordertoaccuratelyanalyzethecharacteristicoflowvoltageridethroughofdoubly-fedwindgenerator,itisnecessarytoconductasimulationanalysis.Basedonthebasicprincipleofdoubly-

4、fedwindturbineinwindpowergenerationsystem,thedynamicmathematicalmodeloftheunitisconstructed,andasimulationmodelofthedoubly-fedinductiongeneratorandcontrolsystemisestablishedusingsimulationplatformofMatlab/Simulink.Simulationandanalysisofdoubly-fedwindturbinewhenthevoltagedropsby50%areconducted,andth

5、einfluenceonthewindturbinewhenpowergridfallsisanalyzed.Theresultsshowthatwindturbinegeneratorisinfluencedstronglybythefaultwhenthenetworkvoltagefallsaswellaswhenitrecovers.Keywords:doubly-fedgenerators;windturbinegeneratorsystem;LVRT;operationalstate;windpower中圖分類號(hào)：TM315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-3415(201117-

6、0070-040引言目前，我國能源面臨最突出的矛盾是國內(nèi)優(yōu)質(zhì)能源供應(yīng)不足，為減少我國對(duì)石油和天然氣進(jìn)口的依賴，大力發(fā)展可再生能源是解決問題的關(guān)鍵，而風(fēng)力發(fā)電是可再生能源技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電作為一種已獲得商業(yè)化利用并具有較大潛能的可再生能源開發(fā)形式，近年來在我國得到了較快的發(fā)展，但在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，電機(jī)將會(huì)出現(xiàn)一系列暫態(tài)過程，如出現(xiàn)過電壓、過電流或轉(zhuǎn)速上升等嚴(yán)重危害風(fēng)電機(jī)組本身及其控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本文首先介紹了風(fēng)力發(fā)電的基本原理，并著重分析和研究風(fēng)力發(fā)電的低電壓穿越問題。1風(fēng)力發(fā)電基本原理風(fēng)具有動(dòng)能，通過捕獲風(fēng)的動(dòng)能推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，這就是

7、風(fēng)力發(fā)電的基本原理。1.1風(fēng)力發(fā)電的空氣動(dòng)力學(xué)原理當(dāng)有風(fēng)存在時(shí)，風(fēng)所形成的升力對(duì)風(fēng)輪的中心軸產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。氣流對(duì)葉片的作用力F可由下式計(jì)算：2FCAvP式中:v為風(fēng)速；溝空氣密度；A為葉片的最大投影面積；C為葉片總的空氣動(dòng)力系數(shù)。1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率風(fēng)的動(dòng)能力與風(fēng)速的平方成正比，而風(fēng)輪的功率是力和速度的乘積，所以風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率可以用下式表示：王定國，等雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越的分析研究-71-3wtp12PCAvp二式中wtP為風(fēng)輪輸出功率；pC為風(fēng)輪的功率系數(shù)，(p,Cf入obWA片的最大投影面積，2九AR=;為(空氣密度；v為風(fēng)速；R為風(fēng)輪

8、半徑；為葉尖速比，m/Rv入=；曲風(fēng)輪機(jī)械角速度；為風(fēng)電機(jī)組槳矩角。2雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組2.1 機(jī)組基本原理雙饋式異步風(fēng)電機(jī)組是目前應(yīng)用最廣泛的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，具發(fā)電機(jī)的定子繞組接入工頻電網(wǎng)，通過改變轉(zhuǎn)子繞組供電電源的頻率、幅值、相位、相序來實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。雙饋式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行原理如下：設(shè)n為發(fā)電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速1n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，rn為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，p為極對(duì)數(shù)。由電機(jī)學(xué)理論可知1rnfff=+,即1rnpnn=+。當(dāng)極對(duì)數(shù)倍的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1pn小于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n時(shí)，即1pnn,轉(zhuǎn)子繞組相序與定子相同，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子從變頻器吸收能量進(jìn)行交流勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)由定子發(fā)出電

9、能，轉(zhuǎn)子則吸收電能;當(dāng)極對(duì)數(shù)倍的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1pn大于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n時(shí)，即1pnn時(shí)，發(fā)電機(jī)處于超同步狀態(tài)，控制r10nnpn=-,轉(zhuǎn)子繞組相序與定子相反，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行發(fā)電并通過變頻器將能量饋入電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子同時(shí)發(fā)出電能；當(dāng)極對(duì)數(shù)倍的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1pn等于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n時(shí)，即時(shí)1pnn=,發(fā)電機(jī)處于同步狀態(tài)，控制r10nnpn=-=,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行直流勵(lì)磁，此時(shí)發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行，變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)由定子發(fā)出電能。忽略轉(zhuǎn)子機(jī)械損耗、定轉(zhuǎn)子的鐵耗和銅耗，那么用功率關(guān)系可以表示如下：1rnPPP=+rnPsP=上式中，s為轉(zhuǎn)差率。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于亞同步運(yùn)行時(shí)，0s,

10、r0P變頻器向轉(zhuǎn)子繞組送入有功功率；當(dāng)發(fā)電機(jī)處于超同步運(yùn)行時(shí)，0s,r0P傳子繞組向變頻器送入有功功率；當(dāng)發(fā)電機(jī)處于同步速運(yùn)行時(shí)，0s=,r0P=變頻器不向轉(zhuǎn)子繞組提供有功功率。電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí)，可以使電機(jī)工作在亞同步速、超同步速狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)差率0s、0s。在這兩種狀態(tài)下，能量流動(dòng)如下圖1所示。亞同步速（s0圖1雙饋電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)能量流向圖Fig.1Powerflowdiagramofdoubly-fedmachineindifferentoperationstates由雙饋電機(jī)運(yùn)行在亞同步、超同步時(shí)的功率流動(dòng)關(guān)系圖看出，（1轉(zhuǎn)子僅提供轉(zhuǎn)差功率，相對(duì)于整個(gè)機(jī)組的額定容量而言較小；（2轉(zhuǎn)子

11、具有能量雙向流動(dòng)的能力。2.2 雙饋發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)相似，我們假定:1忽略定、轉(zhuǎn)子電流高次諧波分量；2忽略電機(jī)鐵心磁滯、禍流損耗及磁路飽和的影響；3電機(jī)定子并入無窮大電網(wǎng)；4轉(zhuǎn)子量均折算到定子側(cè)；5各物理量正方向按照電動(dòng)機(jī)慣例選取。假設(shè)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系以rw的角速度旋轉(zhuǎn)，當(dāng)r1ww=（同步速時(shí)，整個(gè)坐標(biāo)系為兩相同步坐標(biāo)系。在這種情況下，將三相靜止坐標(biāo)系下發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的電壓，電流，磁鏈轉(zhuǎn)換為兩相同步坐標(biāo)系d、q下的數(shù)學(xué)模型如下。電壓方程：-72-電力系統(tǒng)保護(hù)與控制sdsds1qsdsqssqsqs1dsdrrdrdr2qrqrrqrqr2drripwuuri

12、pwuripwuripw巾巾巾巾巾巾脾e?+-?+-?=?+-?+-?上式中:21rwww=-為轉(zhuǎn)差角速度:dsu,qsu,dru,qru分別為定、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；dsi,qsi,dri,qri分別為定、轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；ds巾，qs巾，dr巾，分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分里。磁鏈方程:dssdsmdrqssqsmqrdrmdsrqrmqsrqrdrLiLiLiLiLiLiLiLi山山巾巾+?=?+?+?招到上式中msm1.5LL=為d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下同軸定、轉(zhuǎn)子繞組間的等效互感ssssm1.5LLL=+為d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下兩相定子繞組的自感；rrsLL=+sm1.5L為d、q

13、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下兩相轉(zhuǎn)子繞組的自感。將以上兩式合并得到d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓和電流的關(guān)系：dsdsss1sm1mqsqs1sss1mmdrdrm2mrr2rqr2mm2mrrqruirpLwLpLwLuiwLrpLwLpLuipLwLrpLwLuwLpLwLpLri?+-?+?=?-+-?+?轉(zhuǎn)矩方程:(epmdrqsdsqrTnLiiii=-運(yùn)動(dòng)方程與三相靜止坐標(biāo)系下的一樣定子側(cè)在d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下有功功率和無功功率如下WindTurbinegenerator1.225,Alr_denslty有功功率:sdsdsqsqsPuiui=優(yōu)功功率:sqsdsdsqsQuiui=+2.3 機(jī)組優(yōu)缺點(diǎn)相對(duì)

14、于傳統(tǒng)異步機(jī)組，雙饋式變速包頻發(fā)電機(jī)組具有如下優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行區(qū)間廣、效率高，可以充分地利用風(fēng)能；能參與電力系統(tǒng)的無功功率調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；在原動(dòng)機(jī)變速運(yùn)行場(chǎng)合中，實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)發(fā)電；可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)安全、便捷并網(wǎng)；具有一定的低壓穿越能力；對(duì)于無刷雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，省去了電刷，降低了故障維護(hù)成本。雙饋式變速包頻發(fā)電機(jī)組具有以下缺點(diǎn)：部分容量的變頻器增加了成本；系統(tǒng)控制策略較為復(fù)雜；傳統(tǒng)的齒輪箱噪聲大、故障率高等；低壓穿越能力有限。本文將就雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低壓穿越問題做進(jìn)一步研究。3雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓穿越問題研究3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。在基于Matlab/Simu

15、link的平臺(tái)上，建立了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)以及控制系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)其在電壓跌落50%的故障下做仿真和研究。圖2和電網(wǎng)相連的雙饋感應(yīng)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)Fig.2 Doubly-fedinductionvariablewindgeneratorsconnectedwithpowergrid仿真參數(shù)設(shè)置如下：雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG參數(shù):額定功率為2.37kW，定子額定電壓為220V,額定頻率為60Hz,四極，定子電阻為0.435定子漏感為2mA,轉(zhuǎn)子電阻為0.816燃子漏感為2mH,互感為69.3mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.089kgm2。額定轉(zhuǎn)速為1800r/min。圖3為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真圖，圖4是風(fēng)力機(jī)的內(nèi)

16、部模型。圖3風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真圖Fig.3 Simulationfigureofthewindgenerator王定國，等雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越的分析研究-73Scope圖4風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Internalstructurediagramofthewindgenerator3.2 仿真結(jié)果由仿真結(jié)果分析，當(dāng)DFIG運(yùn)行于超同步速，發(fā)生電壓跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)各個(gè)量變化情況如表10表1電網(wǎng)電壓跌落時(shí)DFIG各量變化趨勢(shì)Tab.1ChangetrendofDFIGvariableswhenthenetworkvoltagefalls變量變化趨勢(shì)變量變化趨勢(shì)電壓sqsUu=減小轉(zhuǎn)子電

17、流有功分量qri增加定子輸出有功功率sP減小轉(zhuǎn)子電流無功分量dri增加定子磁通sds巾隰小轉(zhuǎn)速增加電磁轉(zhuǎn)矩eT減小直流側(cè)電壓dcU增加4總結(jié)本文從理論上分析了雙饋風(fēng)力以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理，介紹了風(fēng)力雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落期間的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)做了仿真,得出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)各個(gè)量的變化情況。仿真結(jié)果表明，電網(wǎng)電壓跌落時(shí)和電壓恢復(fù)時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)受到電網(wǎng)電壓故障的強(qiáng)烈影響。參考文獻(xiàn)1李戈，宋新甫，常喜強(qiáng).直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越改進(jìn)控制策略研究J.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2011,39(12:74-78,83.LIGe,SONGXin-fu,CHANGXi-qiang.Improve

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20、謝小竹，彭彬.MATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析M.北京:國防工業(yè)出版社,2007.WUTian-ming,XIEXiao-zhu,PENGBin.MATLABpowersystemdesignandanalysisM.Beijing:NationalDefenceIndustryPress,2007.6王興貴，夏巖，馬呈霞，等.基于TS模糊控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)研究J.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011,39(12:7-10,16.WANGXing-gui,XIAYan,MACheng-xia,etal.ResearchonLVRTforwindturbinewithDIFGbasedonTS-fuzzycontrollerJ.PowerSystemProtectionandControl,2011,39(12:7-10,16.7郭家虎，張魯華，蔡旭.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)三相短路故障下的響應(yīng)與保護(hù)J.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010,38