耿明飛 馬豫超

（上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海201306）

0 引言

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]。

1 傳動(dòng)鏈建模

1.1 二質(zhì)量塊模型方程的建立

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。

1.2 三、四質(zhì)量塊模型方程的建立

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)量塊是把第一級平行輪系與第二級平行輪系分離出來，建立四質(zhì)量塊模型。

2 仿真分析

在PSCAD平臺建立風(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。

3 結(jié)語

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。