耿明飛 馬豫超
(上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院,上海201306)
國內(nèi)學(xué)者對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的研究中,大都會(huì)采用等效集中質(zhì)量塊原則,對其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸系穩(wěn)定性這一方向,我們國家的研究正逐漸增多[1],但對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析不多。因此,研究不同傳動(dòng)鏈模型對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穿越能力的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。
常見的二質(zhì)量塊建模方法:將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)等效成兩個(gè)質(zhì)量塊,然后通過齒輪箱將風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)連接起來。二質(zhì)量塊的數(shù)學(xué)模型方程可表示為:
式中,Ht、Hg分別為風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù);Wt、Wg分別為風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速;Tt、Tm、Te分別為風(fēng)力機(jī)側(cè)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)側(cè)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩;Ks為傳動(dòng)軸系的剛度系數(shù);θs為二質(zhì)量塊之間的相對角位移;Dt、Ds、Dg分別為風(fēng)力機(jī)的自阻尼系數(shù)、軸系的互阻尼系數(shù)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的自阻尼系數(shù);Wb為角速度基值。
在二質(zhì)量塊數(shù)學(xué)建模方程的基礎(chǔ)上,可推出三、四質(zhì)量塊的建模方程。三質(zhì)量塊模型是把等效的行星輪系從發(fā)電機(jī)模塊中分離出來,構(gòu)成三質(zhì)量塊模型,其中一質(zhì)量塊表示風(fēng)力機(jī),一質(zhì)量塊表示行星輪系模塊,最后一個(gè)質(zhì)量塊是發(fā)電機(jī)模塊。依此類推,四質(zhì)量塊是把第一級(jí)平行輪系與第二級(jí)平行輪系分離出來,建立四質(zhì)量塊模型。
在PSCAD平臺(tái)建立風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行并網(wǎng)仿真,發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)Hg=0.75,風(fēng)力機(jī)慣性質(zhì)量常數(shù)Ht=0.45,軸系總剛度Ks=0.35 p.u./r,互阻尼系數(shù)為1.5,在20 s時(shí)發(fā)生電壓跌落60%,持續(xù)時(shí)間為0.5 s,對雙饋風(fēng)機(jī)DFIG的有功、無功、電流、電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況進(jìn)行分析。
(1)二質(zhì)量塊模型電壓跌落60%的仿真如圖1所示。
圖1 電壓跌落60%二質(zhì)量塊模型的仿真波形
(2)三質(zhì)量塊模型電壓跌落60%的仿真如圖2所示。
圖2 電壓跌落60%三質(zhì)量塊模型的仿真波形
(3)四質(zhì)量塊模型電壓跌落60%的仿真如圖3所示。
圖3 電壓跌落60%四質(zhì)量塊模型的仿真波形
由分析可知,隨著質(zhì)量塊的增加,機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm在電壓跌落時(shí)刻平衡值的跳躍、電壓恢復(fù)時(shí)刻平衡值的跳躍都越來越明顯。在低電壓穿越的過程中,隨著質(zhì)量塊的增多,機(jī)械轉(zhuǎn)矩在電壓跌落時(shí)刻、低電壓階段以及電壓恢復(fù)階段的變化過程逐漸清晰。通過對比可以看出,質(zhì)量塊的增加,對雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率、無功功率、電磁轉(zhuǎn)矩的變化沒有特別大的影響,電磁轉(zhuǎn)矩Te是由雙饋發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁鏈反應(yīng)引起的變化,隨著軸系建模的細(xì)化,它的頻率不發(fā)生變化。
傳動(dòng)鏈模塊是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)重要模塊,研究結(jié)果表明,在電壓跌落故障下,不同傳動(dòng)鏈等效模型仿真中,隨著質(zhì)量塊的增加,波動(dòng)幅值有所減小,同時(shí),達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間增長;但對雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的無功功率等動(dòng)態(tài)性能影響不大,主要影響的是轉(zhuǎn)矩的振蕩情況,隨著質(zhì)量塊的增多,機(jī)械轉(zhuǎn)矩在低電壓穿越過程中從電壓跌落時(shí)到電壓恢復(fù)后的變化過程逐漸清晰,四質(zhì)量塊模型最為明顯。