劉永貴，顏光龍

(東方電氣集團東風(fēng)電機有限公司，四川樂山614802)

基于雙饋感應(yīng)電機的變速風(fēng)電機組由于其具有變速運行的特性，能夠提高風(fēng)電機組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲并減小風(fēng)電機組機械部件所受應(yīng)力［1］;并且能夠通過變頻器控制系統(tǒng)將發(fā)電機有功、無功功率實現(xiàn)解耦控制［2，3］，有效改善風(fēng)電場功率因數(shù)及電壓穩(wěn)定性，因此，其靜態(tài)及暫態(tài)電壓穩(wěn)定性要遠遠好于基于普通異步發(fā)電機的恒速風(fēng)電機組。

當(dāng)風(fēng)電場出口發(fā)生嚴重短路故障時，轉(zhuǎn)子電流一般會超出2倍轉(zhuǎn)子額定電流，變頻器的Crow－bar保護便會動作將轉(zhuǎn)子繞組短接，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器同時閉鎖，此時雙饋機組將失去控制能力，整個雙饋感應(yīng)發(fā)電機按普通異步發(fā)電機運行并從電網(wǎng)側(cè)吸收無功，此時電網(wǎng)側(cè)變頻器可以控制接入點的無功功率和電壓，槳距角控制器可以降低渦輪機的機械功率以防止轉(zhuǎn)子加速。當(dāng)故障清除、電壓頻率重建后，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器重新啟動，風(fēng)電機回到了正常運行中。

筆者通過風(fēng)電場的電力系統(tǒng)仿真計算，驗證了模型的有效性，通過仿真風(fēng)電場不同點發(fā)生三相短路后風(fēng)電場的變化驗證:短路點與DFIG的電氣距離越遠，DFIG的LVRT效果越好。

1 雙饋感應(yīng)發(fā)電機模型

圖1為典型雙饋感應(yīng)發(fā)電機結(jié)構(gòu)。雙饋感應(yīng)發(fā)電機是在普通繞線式異步感應(yīng)電機的基礎(chǔ)上外加了連接在轉(zhuǎn)子滑環(huán)與定子之間的四象限變頻器及其控制系統(tǒng)而構(gòu)成的［4，5］。通過雙饋電機的部分功率變頻器與電網(wǎng)之間交換轉(zhuǎn)差功率，可以通過變頻器實現(xiàn)對整個雙饋電機有功、無功功率的控制。在電網(wǎng)發(fā)生故障時，轉(zhuǎn)子短路器保護(Crow－bar protection)、保護轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器(RSC)不被過電流損壞。整個雙饋感應(yīng)發(fā)電機的控制是通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器(RSC)和網(wǎng)側(cè)變頻器(GSC)實現(xiàn)的(圖1)。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 風(fēng)輪機模型

風(fēng)輪機的空氣動力學(xué)模型［6］是以CP－λ－β曲線為特征。CP為葉片的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，是λ與β的函數(shù)。葉尖速比λ由以下公式定義:

式中R為風(fēng)力機葉輪半徑;ω為風(fēng)輪角速度，rad/s;νw為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/min;風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)CP具體取值由風(fēng)機廠商給出。在給定CP的情況下，風(fēng)電機組從風(fēng)中獲取的能量轉(zhuǎn)化成的風(fēng)電機組機械功率Pm可由式(2)計算:

式中ρ為空氣密度;Ar=πR2，為葉片掃過的面積。

3 風(fēng)電場及電網(wǎng)模型

研究表明，一個風(fēng)電場內(nèi)各臺風(fēng)機之間的電氣聯(lián)系緊密，在系統(tǒng)大擾動故障情況下，各臺風(fēng)機的反應(yīng)十分類似，因此，把風(fēng)電場看做是一個整體來簡化計算過程對于結(jié)論并不會產(chǎn)生很大的誤差。文中采用一臺容量等于整個風(fēng)電場容量的等值風(fēng)電機組模型代替整個風(fēng)電場(圖2)。

圖2 DIgSilent中建立的風(fēng)電場模型

圖2 中，各雙饋風(fēng)機連接至風(fēng)電場母線WT1，經(jīng)0.69/35kV升壓變壓器Tr2與MV母線相連，再經(jīng)過35/220kV升壓變壓器Tr1與PCC母線相連，接入實際電網(wǎng)。

該模型包含33臺1.25MW的雙饋風(fēng)機，電機參數(shù)如表1所示(注:r1、r2為轉(zhuǎn)、定子電阻;L1、L2為轉(zhuǎn)、定子電感;Lm為勵磁電感)。

表1 電機參數(shù)表

表中，p.表示功率標(biāo)么值;u.表示電壓的標(biāo)么值。

圖3 算例系統(tǒng)地理位置主接線示意圖

4 算例分析

DFIG的仿真條件如下:

(1)DFIG滑差率為S=－0.2p.u.。

(2)Crowbar投入門檻電流為1.5p.u.。

(3)由于投入Cowbar保護電路所需的時間較短，從檢測故障到投入只需1～2ms，故可以認為短路故障后crowbar立即投入。

(4)Crowbar阻值取0.9p.u.

算例一:

設(shè)雙饋風(fēng)電場出口母線WT1(即690V母線)在0s時發(fā)生三相對稱短路故障，故障發(fā)生后0.15s時短路故障切除。圖4為故障后風(fēng)電場變化情況:

由圖4(a)可以看出，故障發(fā)生后1ms，立即產(chǎn)生出很大的轉(zhuǎn)子過電流，隨之短路轉(zhuǎn)子端部的crowbar被激活、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器被封鎖且旁路，從而保護了變換器免遭過電流損害;轉(zhuǎn)子電流為6.05p.u.。0.06s時，Crowbar退出運行并產(chǎn)生一個較小的沖擊電流和交流強制分量，使得轉(zhuǎn)子側(cè)電流小幅升高后開始振蕩衰減。0.15s時，機端對稱故障切除，機端電壓開始迅速恢復(fù)，機端電壓的快速恢復(fù)使得定子側(cè)產(chǎn)生一個較大的沖擊電流，并產(chǎn)生一個交流強制分量，使得轉(zhuǎn)子側(cè)電流大幅升高后開始振蕩衰減，并逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖4(b)可以看出，故障后，由于機端電壓瞬間跌落至0，當(dāng)故障切除后，隨著機端電壓的快速升高，風(fēng)機無功功率開始振蕩，故障切除以后風(fēng)機從電網(wǎng)吸收的最大瞬時無功為1.35p.u.，隨后能向電網(wǎng)提供的最大瞬時無功為1.95p.u.。

圖4 風(fēng)電場出口母線WT1故障后風(fēng)電場變化情況

由圖4(c)可以看出，0s時，機端發(fā)生三相短路故障，機端電壓瞬間跌落到0;0.15s時，故障切除，機端電壓瞬間增大，并迅速恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)，故障切除后的機端電壓分別在0.164s和0.165s時恢復(fù)到1p.u.。

算例二:

設(shè)雙饋風(fēng)電場高壓母線HV(即220kV母線)在0s時發(fā)生三相對稱短路故障，故障發(fā)生后0.15s時短路故障切除。圖5為故障后風(fēng)電場變化情況:

對比圖4(a)、5(a)可以看出，高壓母線短路時，Crowbar保護裝置投入后的轉(zhuǎn)子側(cè)電流中存在一個較大的交流強制分量，但高壓母線對稱短路時轉(zhuǎn)子側(cè)最大短路電流小于機端對稱短路時的轉(zhuǎn)子側(cè)短路電流。

對比圖4(b)、5(b)可以看出，高壓母線對稱短路時，由于機端電壓跌落沒有機端對稱短路時嚴重，在Crowbar保護退出運行之前，雙饋風(fēng)機仍可以輸出一定的無功，可以對電網(wǎng)電壓提供一定的無功支撐。當(dāng)電網(wǎng)故障切除后，在電壓恢復(fù)瞬間，雙饋風(fēng)機從電網(wǎng)吸收的無功達2.1p.u.，大于機端對稱短路時雙饋風(fēng)機從電網(wǎng)吸收的無功1.35 p.u.。由此表明，高壓母線短路時，即短路點與電網(wǎng)的電氣距離越近時，雙饋風(fēng)機就需要從電網(wǎng)吸收更多的無功功率。

圖5 風(fēng)電場高壓母線HV故障后風(fēng)電場變化情況

對比圖4(c)、5(c)可以看出，高壓母線對稱短路時，機端電壓跌落程度比機端對稱短路時的機端電壓跌落程度低。由此也說明，高壓母線對稱短路時，雙饋風(fēng)機的低電壓穿越相對而言更容易實現(xiàn)。

5 結(jié)語

在DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件中建立了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(Double fed induction generator，DFIG)和仿真電力系統(tǒng)模型，驗證了不同短路點對風(fēng)電場低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)功能的影響。仿真結(jié)果表明:短路點與DFIG的電氣距離越遠，DFIG的LVRT效果越好。

［1］曹軍，王虹富，邱家駒.變速恒頻雙饋風(fēng)電機組頻率控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33(13):3－5;

［2］王偉，孫明冬，朱曉東.雙饋式風(fēng)力發(fā)電機低電壓穿越技術(shù)分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31(23):84－89;

［3］遲永寧.大型風(fēng)電場接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題研究［D］.中國電力科學(xué)研究院博士論文，2006，11;

［4］D.W.Xiang，L.Ran，P.J.Tavner，S.C.Yang.Control of a doubly fed induction generator in a wind turbine during grid fault ride－through［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21(3):652－662;

［5］胡家兵，賀益康.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越運行與控制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32(2):49－52.