王軍偉

（蘭州電機(jī)股份有限公司，甘肅蘭州730050）

液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越性能分析

王軍偉

（蘭州電機(jī)股份有限公司，甘肅蘭州730050）

液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是國內(nèi)近期投運(yùn)的一種新機(jī)型，它的核心技術(shù)是應(yīng)用WinDrive液力變矩器進(jìn)行變矩調(diào)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)可變輸入轉(zhuǎn)速的恒速輸出，為發(fā)電機(jī)同步并網(wǎng)提供穩(wěn)定的輸入轉(zhuǎn)速。同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)配套自動電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行勵磁控制，有效地解決了傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)低電壓穿越能力差、無功輸出能力不足的問題。針對2.0MW液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，研究其工作原理及控制策略，建立機(jī)組主要組件的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實(shí)際參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，分析了電網(wǎng)短路故障時(shí)機(jī)組低電壓穿越的動態(tài)響應(yīng)能力。

液力變矩；同步并網(wǎng)；低電壓穿越；仿真分析

1 引言

風(fēng)力發(fā)電的動力來自于風(fēng)能，風(fēng)能的隨風(fēng)波動會造成風(fēng)電機(jī)組輸送至電網(wǎng)的電能很不穩(wěn)定，發(fā)電出力時(shí)大時(shí)小，風(fēng)電規(guī)模越大這種現(xiàn)象越突出。隨著風(fēng)電在電力系統(tǒng)中所占比例的增大，風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)適應(yīng)性對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要，這就需要風(fēng)機(jī)具備較強(qiáng)的調(diào)控能力。國內(nèi)曾經(jīng)發(fā)生過電網(wǎng)故障引起電壓跌落，成批風(fēng)機(jī)相繼脫網(wǎng)，造成電力網(wǎng)潰網(wǎng)解列的事故。因此，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19963-2011規(guī)定風(fēng)電機(jī)組必須滿足電網(wǎng)適應(yīng)性要求，各類機(jī)型必須通過性能測試，達(dá)到技術(shù)要求后方可準(zhǔn)予入網(wǎng)。

液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就是旨在解決風(fēng)電機(jī)組滿足電網(wǎng)適應(yīng)性要求的問題而開發(fā)的一種新機(jī)型，基本原理是利用WinDrive液力變距器進(jìn)行前端調(diào)速，保證后端輸入轉(zhuǎn)速恒定，使發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)同步并網(wǎng)。發(fā)電機(jī)采用電勵磁無刷同步發(fā)電機(jī)，勵磁系統(tǒng)通過自動電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，使發(fā)電機(jī)的無功輸出能力有了很大提高。尤其在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，通過勵磁強(qiáng)勵可以保持發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定，為電網(wǎng)提供足夠的無功支撐。為了更好掌握該機(jī)型的運(yùn)行原理，通過揭示機(jī)組的結(jié)構(gòu)組成，研究其控制原理及策略，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了機(jī)組動態(tài)響應(yīng)特性的準(zhǔn)確性和可靠性，評估了機(jī)組的低電壓穿越能力，為機(jī)型進(jìn)一步推廣提供理論依據(jù)。

2 液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本原理

2.1 風(fēng)機(jī)的基本組成

液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪變槳系統(tǒng)、主齒輪箱、WinDrive、三相無刷電勵磁同步發(fā)電機(jī)4大部分組成。機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 風(fēng)機(jī)的基本原理

風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變速恒頻的核心部件是WinDrive液力變矩器，它由差速行星輪系、定軸輪系和可調(diào)式變矩器3級組成。WinDrive結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 WinDrive結(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)輪功率經(jīng)主齒輪箱增速輸入給WinDrive行星架，行星輪再傳遞給太陽輪后功率被分成2部分，大部分功率通過太陽輪主軸輸出給同步發(fā)電機(jī)，由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能輸送至電網(wǎng)中；小部分功率分流給同軸連接的泵輪，泵輪旋轉(zhuǎn)帶動變矩器液壓工作油循環(huán)流動，產(chǎn)生的動力驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪與定軸輪系的中心輪連接，轉(zhuǎn)矩經(jīng)定軸輪系減速后反饋給環(huán)輪。差速行星輪系的行星輪固定在旋轉(zhuǎn)的行星架上，它同時(shí)接收風(fēng)輪及環(huán)輪兩方面的傳輸功率。因此，變矩器輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪輸入轉(zhuǎn)矩在行星輪得到疊加，通過調(diào)節(jié)變矩器可調(diào)式導(dǎo)葉開度改變工作油流量，控制渦輪的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速來恒定太陽輪的轉(zhuǎn)速，從而保證了同步發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速恒定。

2.3 發(fā)電機(jī)的勵磁控制

液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)采用無刷勵磁方式，勵磁系統(tǒng)主要由永磁發(fā)電機(jī)、交流勵磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流模塊和自動電壓調(diào)節(jié)器AVR組成。永磁發(fā)電機(jī)為AVR提供交流電源，電源經(jīng)過PWM整流輸出給交流勵磁機(jī)勵磁繞組，交流勵磁機(jī)的定子電流經(jīng)過全波整流為發(fā)電機(jī)提供勵磁電流。AVR是同步發(fā)電機(jī)的電壓控制單元，根據(jù)設(shè)定電壓/無功控制目標(biāo)值，調(diào)節(jié)勵磁機(jī)的勵磁電流大小，控制發(fā)電機(jī)的電壓及無功輸出。勵磁系統(tǒng)如圖3所示［1］。

圖3 發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)

自動電壓調(diào)節(jié)器AVR有2種控制模式，電壓控制模式和功率因數(shù)控制模式。風(fēng)機(jī)啟動并網(wǎng)前期，AVR工作在電壓控制模式下，通過檢測網(wǎng)側(cè)及發(fā)電機(jī)電壓及頻率，基于內(nèi)部模型控制算法，控制勵磁電流大小，使發(fā)電機(jī)電壓始終跟隨網(wǎng)側(cè)電壓。同時(shí)，將頻率差值Fbias發(fā)送給液力變矩器控制器WCU進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，AVR同步檢測單元檢測同步滿足條件，發(fā)出并網(wǎng)指令同步并網(wǎng)。并網(wǎng)成功后AVR自動轉(zhuǎn)入功率因數(shù)控制模式，通過采樣發(fā)電機(jī)電壓及電流，計(jì)算有功、無功功率及功率因數(shù)，實(shí)測功率因數(shù)值與控制目標(biāo)值進(jìn)行比較，控制發(fā)電機(jī)勵磁大小進(jìn)行無功出力調(diào)節(jié)；實(shí)際功率PGen同時(shí)上傳至風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)WEC及液力變矩器控制器WCU，WCU根據(jù)設(shè)定功率-轉(zhuǎn)速曲線（WinDrive輸入轉(zhuǎn)速）調(diào)整變矩器轉(zhuǎn)矩，使風(fēng)機(jī)的有功功率達(dá)到對應(yīng)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的預(yù)期目標(biāo)值。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)AVR啟動Boost強(qiáng)勵模式，AVR根據(jù)機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落情況，進(jìn)行勵磁強(qiáng)勵提高風(fēng)機(jī)無功輸出維持電網(wǎng)無功支撐。

3 機(jī)組的穩(wěn)態(tài)特性

3.1 機(jī)組的轉(zhuǎn)速特性

首先，風(fēng)輪轉(zhuǎn)化的機(jī)械能經(jīng)主齒輪箱增速傳遞給液力變矩器，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速ωW與液力變矩器輸入轉(zhuǎn)速即行星架轉(zhuǎn)速ωC1滿足如下關(guān)系：

式中：主齒輪箱傳動比iW≈28.44。

根據(jù)相對原理，液力變矩器輸入級行星輪系太陽輪轉(zhuǎn)速ωS1、行星架轉(zhuǎn)速ωC1和環(huán)輪轉(zhuǎn)速ωR三者滿足如下關(guān)系［2］：

式中：傳動比iRS1=-ZR1/ZS1≈-2.16；ZR1、ZS1為環(huán)輪、太陽輪齒數(shù)。

因此，由式（2）可以導(dǎo)出如下關(guān)系式：

同理，定軸輪系轉(zhuǎn)速關(guān)系與式（2）相似，只是行星輪為固定輪，行星架轉(zhuǎn)速ωC2=0，變矩器渦輪與中心輪同軸連接，渦輪轉(zhuǎn)速ωT等于中心輪轉(zhuǎn)速ωS2，環(huán)輪與行星輪系環(huán)輪為整體筒式結(jié)構(gòu)，兩個(gè)環(huán)輪轉(zhuǎn)速相同但齒數(shù)不同，由此得出如下關(guān)系：

太陽輪輸出軸與發(fā)電機(jī)、變矩器泵輪同軸連接，所以ωG=ωB=ωS1，由式（1）、式（3）、式（4）導(dǎo)出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωG滿足如下關(guān)系：

液力變矩器兩級輪系的傳動比iRS1、iRS2由其齒數(shù)決定，為常數(shù)，令k=（1-iRS1）iW、b=iRS1/iRS2，則發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系式變?yōu)椋?］：

由式（6）關(guān)系可以看出，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化時(shí)，如要保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，只有調(diào)節(jié)液力變矩器的導(dǎo)葉開度改變渦輪轉(zhuǎn)速。

3.2 機(jī)組能量傳遞的轉(zhuǎn)矩特性

根據(jù)貝茲理論，風(fēng)輪吸收轉(zhuǎn)化功率滿足如下關(guān)系：

利用數(shù)值近似計(jì)算法，得出CP的計(jì)算公式如下［4］：

由于旋轉(zhuǎn)機(jī)械功率與轉(zhuǎn)矩滿足P=MW關(guān)系，可以得出風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩Mω關(guān)系為：

風(fēng)輪功率經(jīng)主齒輪箱增速，輸入給液力變矩器行星架?？紤]主齒輪箱傳遞效率系數(shù)ηW，行星架輸入轉(zhuǎn)矩MW可按下式計(jì)算：

在液力變矩器行星輪系中，根據(jù)能量守恒定律，為了分析方便暫不考慮齒輪傳遞損失，行星架轉(zhuǎn)矩MC1、環(huán)輪轉(zhuǎn)矩MR及太陽輪轉(zhuǎn)矩MS1之間滿足如下平衡關(guān)系：

變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)矩由定軸輪系傳遞至環(huán)輪，同樣暫不考慮齒輪傳遞損失，渦輪轉(zhuǎn)矩MT與環(huán)輪轉(zhuǎn)矩MR之間滿足如下關(guān)系式：

太陽輪輸出軸上，輸出轉(zhuǎn)矩MO與太陽輪轉(zhuǎn)矩MS1之間滿足如下關(guān)系：

變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩MB、渦輪轉(zhuǎn)矩MT由下式計(jì)算［5］：式中：λB（iTB，x）為泵輪力矩系數(shù)；P為工作油密度，取826kg/m3；D為循環(huán)圓直徑，取700mm；iTB為泵輪與渦輪轉(zhuǎn)速比，iTB=ωT/ωB；nB為變矩器泵輪轉(zhuǎn)速，rpm/min；x為變矩器導(dǎo)葉相對開度。

由式（12）～式（14）整理可得液力變矩器輸入、輸出轉(zhuǎn)矩平衡方程式：

考慮WinDrive齒輪傳遞損失及各種摩擦損失，計(jì)入液力變矩器傳遞效率ηPS后，液力變矩器輸出轉(zhuǎn)矩為：

因?yàn)镸G=MO，由式（5）及式（20）導(dǎo)出發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩為：

4 機(jī)組的動態(tài)特性

液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動態(tài)特性會影響機(jī)組受到擾動時(shí)能否穩(wěn)定運(yùn)行，為了分析它的動態(tài)性能，需要建立風(fēng)力機(jī)、WinDrive液力變距器和同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動態(tài)模型。

4.1 傳動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

機(jī)組傳動鏈按多質(zhì)量塊彈簧阻尼系統(tǒng)等效考慮，由于風(fēng)輪及低速軸轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)大于主齒輪箱，為了計(jì)算方便可以忽略主齒輪箱的轉(zhuǎn)動慣量，風(fēng)輪與主齒輪箱的動態(tài)特性可以整體描述［6］。在傳動鏈低速軸上，得到的動態(tài)平衡方程為：

式中：M1為風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；JW為風(fēng)輪與低速軸轉(zhuǎn)動慣量總和，kg·m2；DW為低速軸阻尼系數(shù)。

風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)主齒輪箱升速后傳遞給液力變矩器，因此，可以由行星架輸入轉(zhuǎn)矩推算出：

太陽輪輸出軸及變矩器渦輪輸出軸的動態(tài)方程為：

式中：MS2為渦輪軸輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；JS為太陽輪輸出軸轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；JT為渦輪輸出軸轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。

由于太陽輪、環(huán)輪、行星架的轉(zhuǎn)矩滿足如下比例關(guān)系［3］：

因此，由MR1=MR2，聯(lián)立式（25）、式（26）可以得出渦輪輸出軸轉(zhuǎn)矩MS2為：

液力變矩器輸出轉(zhuǎn)矩傳遞給同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的動態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：

式中：ME為同步發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；JG為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；DG為同步發(fā)電機(jī)阻尼系數(shù)。

由式（22）-式（29）得出傳動系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：

4.2 發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

4.2.1 發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

對于凸極同步發(fā)電機(jī)，由于q軸氣隙比較大，通常忽略交軸磁鏈暫態(tài)過程，只計(jì)錄阻尼繞組D、Q以及勵磁繞組f的電磁暫態(tài)和轉(zhuǎn)子機(jī)械動態(tài)，適宜用五階實(shí)用模型描述［7］。同步發(fā)電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

d軸電氣方程為：

q軸電氣方程為：

轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程為：

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

表1 同步發(fā)電機(jī)基本參數(shù)表

4.2.2 勵磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

同步發(fā)電機(jī)的勵磁模式為交流勵磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流勵磁方式，電壓調(diào)節(jié)器AVR采用Unitrol-1010電壓調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的控制方式采用電壓控制模式和功率因數(shù)控制模式。其控制模型適宜選用IEEE類型AC7B［8］，控制策略如圖4所示。

圖4 勵磁系統(tǒng)控制模型

其中：EFD、IFD分別為發(fā)電機(jī)勵磁電壓、勵磁電流；VT、IT分別為發(fā)電機(jī)電壓、電流；VS為PSS環(huán)節(jié)反饋量；VFE為與交流勵磁機(jī)勵磁電流成正比的電壓反饋量；KE、KD、SE分別交流勵磁機(jī)的勵磁系數(shù)、電樞反應(yīng)系數(shù)、飽和系數(shù)；TE為交流勵磁機(jī)勵磁繞組開路時(shí)間常數(shù)。

控制模型中，交流勵磁機(jī)的磁路飽和效應(yīng)用S［VE］函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，S［VE］可以通過繪制勵磁機(jī)空載曲線求取，文獻(xiàn)［7］中已介紹詳細(xì)方法。整流電路交流勵磁源由于存在感性內(nèi)阻，負(fù)載電流的增加會引起換相壓降增大，使整流輸出電壓線性變差，這部分影響用函數(shù)FEX=f［IN］進(jìn)行修正，三相全波整流時(shí)勵磁電流隨IN變化關(guān)系式如下：

5 風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力

5.1 低電壓穿越的控制策略

對于液力變矩同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，與低電壓穿越有關(guān)的部件，按功能主要分為同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、WinDrive液力變矩器和風(fēng)輪變槳系統(tǒng)3部分。直接并網(wǎng)型同步發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)發(fā)生短路故障期間，電網(wǎng)電壓跌落會引起發(fā)電機(jī)電壓下降，受其影響發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系破壞，轉(zhuǎn)子加速功角增大。這時(shí)，需要風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)及時(shí)減小原動力轉(zhuǎn)矩，恢復(fù)轉(zhuǎn)矩平衡，這就要求風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)要有相應(yīng)的控制措施和快速地響應(yīng)能力。

發(fā)生故障時(shí)，發(fā)電機(jī)的保護(hù)裝置MFR300檢測到電壓跌落，檢測值達(dá)到低電壓穿越啟動門檻值、且跌落深度在低電壓穿越設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)出LVRT信號。風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)接到信號后，啟動低穿程序，運(yùn)行模式轉(zhuǎn)入“LVRT”模式，以后每4ms讀取一次MFR300檢測信號，判別故障是否恢復(fù)。如果故障還在持續(xù)，風(fēng)機(jī)控制器將指令發(fā)送給WinDrive控制器WCU和風(fēng)輪變槳系統(tǒng)，WCU啟動“TVS”低穿模式，迅速關(guān)閉變距器可調(diào)式導(dǎo)葉，使發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩減至最小，一般響應(yīng)時(shí)間為20ms；同時(shí)，風(fēng)輪變槳系統(tǒng)減小槳葉開度，降低前端驅(qū)動鏈的輸入轉(zhuǎn)矩，使液力變距器聚集的能量得以釋放。發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器AVR檢測到機(jī)端電壓跌落，啟動Boost模式進(jìn)行強(qiáng)勵，增大勵磁電流，阻止發(fā)電機(jī)電壓繼續(xù)下跌，并為電網(wǎng)輸送大量無功，來維持系統(tǒng)穩(wěn)定。若短路故障在低穿設(shè)定范圍內(nèi)消除，風(fēng)機(jī)恢復(fù)正?？刂颇Ｊ?，系統(tǒng)全面恢復(fù)正常發(fā)電。如果電網(wǎng)電壓跌落深度或跌落時(shí)限超出設(shè)定范圍，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)啟動“快速停機(jī)”模式，AVR發(fā)指令解列發(fā)電機(jī)，變槳系統(tǒng)緊急收槳停機(jī)，使風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行。

5.2 低電壓穿越仿真

5.2.1 仿真模型

為了精確模擬機(jī)組的低電壓穿越，應(yīng)用DIgSILENT/PowerFactory軟件進(jìn)行仿真，模型按功能進(jìn)行封裝，主要包括同步發(fā)電機(jī)（Generator）、勵磁調(diào)節(jié)器AVR（VCO）、傳動鏈（Shaft/Gearbox）、WinDrive控制器（WinDrive Ctrl）、氣動部件（Turbine）、槳葉控制（Pitch Adjust和Pitch Control）及保護(hù)模塊。

發(fā)電機(jī)模型采用DIgSILENT/PowerFactory軟件自帶的標(biāo)準(zhǔn)5階同步發(fā)電機(jī)模型，該模型是基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)電力系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建的，包括磁飽和曲線等基本參數(shù)表；勵磁電壓調(diào)節(jié)器和勵磁系統(tǒng)模型參考產(chǎn)品說明［1］，根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，需要適當(dāng)簡化，基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)搭建勵磁模型結(jié)構(gòu)AC7B；傳動鏈模型采用三質(zhì)量彈簧阻尼結(jié)構(gòu)搭建，包括風(fēng)力機(jī)、WinDrive和發(fā)電機(jī)；WinDrive控制器模塊主要包括旋轉(zhuǎn)齒輪模塊和轉(zhuǎn)矩控制模塊2部分，旋轉(zhuǎn)齒輪模塊包含系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)傳遞函數(shù)，轉(zhuǎn)矩控制模塊通過非線性特征曲線和簡化傳遞函數(shù)進(jìn)行模擬；氣動部件模型包括掃掠面積、空氣密度和氣動特性等，葉片采用一階等式進(jìn)行簡化模擬；由于變槳系統(tǒng)對于風(fēng)電機(jī)組故障響應(yīng)的影響較弱，對槳葉系統(tǒng)模型進(jìn)行減階簡化建模，只反映風(fēng)電機(jī)組在故障穿越過程中的基本槳葉控制特性。保護(hù)模塊基于風(fēng)電機(jī)組實(shí)際保護(hù)策略，主要包括頻率保護(hù)、電壓保護(hù)、電流保護(hù)、有功保護(hù)以及低電壓穿越檢測環(huán)節(jié)等。風(fēng)機(jī)機(jī)械和控制模塊的模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 機(jī)組機(jī)械和控制模塊的模型結(jié)構(gòu)圖

圖6 低電壓穿越模擬電網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)圖

電網(wǎng)系統(tǒng)模型采用等值外部電網(wǎng)模型與詳細(xì)電壓跌落發(fā)生裝置模型串聯(lián)模式，等值外部電網(wǎng)模型由恒定交流電源與電網(wǎng)等效阻抗串聯(lián)組成。詳細(xì)電壓跌落發(fā)生裝置模型基于裝置基本原理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建，電壓跌落發(fā)生裝置由限流電抗器Zsr和短路電抗器Zsc組成T型電路，并串接在升壓變壓器高壓側(cè)。限流電抗器Zsr的功能是限制故障模擬對電網(wǎng)的影響，而短路電抗器Zsc則是模擬電網(wǎng)故障。因此在模擬電網(wǎng)故障進(jìn)行低電壓穿越測試時(shí)，首先將旁路開關(guān)斷開，使限流電抗器Zsr串入電網(wǎng)中，然后通過控制短路開關(guān)的閉合和斷開來制造電網(wǎng)故障。通過選擇三相短路開關(guān)的短路相數(shù)以及發(fā)生裝置電抗器和網(wǎng)側(cè)等效阻抗的不同組合，可以模擬不同故障類型和故障電壓跌落深度。電網(wǎng)模塊包括含電網(wǎng)等效阻抗的恒定交流電源、限流電抗器、旁路開關(guān)、短路電抗器和短路開關(guān)等，如圖6所示。

5.2.2 仿真結(jié)果

對機(jī)組的低電壓穿越性能進(jìn)行仿真，分析電網(wǎng)三相對稱短路和兩相不對稱短路兩種故障類型的動態(tài)響應(yīng)特性。每種情況按功率，在標(biāo)稱功率0.1Pn≤P≤0.3Pn和P＞0.9Pn范圍內(nèi)，電網(wǎng)電壓跌至標(biāo)稱值的90%、75%、50%、35%、20%分別進(jìn)行仿真。提供故障情況最為惡劣的，電壓跌至20%標(biāo)稱電壓、滿載功率時(shí)的仿真情況，波形如圖7、圖8所示。波形圖按從左到右、從上到下的順序依次為故障跌落點(diǎn)（風(fēng)電機(jī)組升壓變高壓側(cè)）三相電壓，升壓變低壓側(cè)正序電壓，發(fā)電機(jī)正序有功、無功電流，發(fā)電機(jī)有功、無功功率，同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

圖7 20%Un三相故障Pn=2000kW仿真波形圖

仿真結(jié)果表明，當(dāng)電壓跌落至20%Un、發(fā)電機(jī)功率P=2000kW、三相短路故障時(shí)，短路瞬間無功電流沖擊峰值達(dá)到3.75p.u，電壓跌落期間持續(xù)在2.5p.u波動，最小無功電流2.2p.u，自短路時(shí)刻計(jì)時(shí)開始約250ms，定子有功電流沖擊最大峰值接近2.0p.u。短路初始電壓跌落引起電磁轉(zhuǎn)矩急劇下降，機(jī)械轉(zhuǎn)矩失去平衡，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速。調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，在0ms-200ms時(shí)間范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩由故障前的實(shí)際值減小至0.5倍的標(biāo)稱轉(zhuǎn)矩，有功功率降至1.0MW，轉(zhuǎn)速震蕩回落至同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)附近。在系統(tǒng)故障消除電壓恢復(fù)后，同步發(fā)電機(jī)重新牽入同步，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)切入正常模式，調(diào)節(jié)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩，使其逐漸地恢復(fù)至故障前實(shí)際出力，2s后系統(tǒng)趨于正常。兩相短路故障情況與三相短路故障相似，所不同的是兩相短路故障時(shí)，非故障相電壓跌落幅值較小，有功功率和機(jī)械輸入轉(zhuǎn)矩震蕩幅值相對較小，短路瞬時(shí)無功電流幅值接近1.2p.u.，無功功率最小值大于1.2MVar、最大峰值為2.8MVar。

圖8 20%Un兩相故障Pn=2000kW仿真波形圖

6 結(jié)束語

仿真結(jié)果證明，該型號機(jī)組滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 19963-2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》對低電壓穿越能力要求，故障期間機(jī)組不脫網(wǎng)可以連續(xù)運(yùn)行，自電壓恢復(fù)時(shí)刻開始，有功功率至少以10%額定功率/秒的變化率恢復(fù)至實(shí)際風(fēng)況對應(yīng)出力值。動態(tài)無功電流支撐的響應(yīng)時(shí)間不大于75ms，持續(xù)時(shí)間不少于550ms。目前，液力變矩同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型已經(jīng)投入使用，根據(jù)裝機(jī)容量49.5MW的甘肅民勤某風(fēng)場運(yùn)行情況來看，現(xiàn)場實(shí)際檢測性能符合技術(shù)要求，運(yùn)行穩(wěn)定。機(jī)組在無功輸出及電能質(zhì)量方面性能具有很大的優(yōu)勢，無需配置無功補(bǔ)償設(shè)備，就能夠?yàn)殡娋W(wǎng)輸送無功出力。

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Research on the low-voltage ride-through capability of wind synchronous generator with hydro-dynamically controlled gearbox

WANG Jun-wei
（Lanzhou Electric Corporation，Lanzhou 730050，China）

The wind synchronous generator with hydro-dynamically controlled gearbox is a new type of machine applied to wind turbine in China in recent years，and the heart of its technology is to apply WinDrive variable-speed hydraulic torque converter for the purpose of speed adjustment.It can convert the variable input speed into the constant speed output，and can provide a stable input speed for generator synchronous grid connection.Especially，the synchronous generator works together with AVR and has well excitation control function，and it effectively solves the problems that the low voltage ride through capability of the traditional turbine is poor and the reactive power output capability is insufficient.Based on the operation characteristics of 2.0MW wind synchronous generator with hydro-dynamically controlled gearbox by studying its working principles and control strategies，the mathematical model of the main components of the unit is established，the simulation experiments combined with the actual parameters are presented，and the low-voltage ride-through dynamic-response capability of the system at the very moment of grid short-circuit fault is also studied.

hydraulic torque converter；synchronous grid connection；low-voltage ride through；simulation analysis

TM315

A

1005—7277（2016）03—0001—08

2016-05-04

王軍偉（1970-），男，高級工程師，長期從事電機(jī)與控制的理論研究，電機(jī)、風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)和電氣安裝調(diào)試的實(shí)踐工作。