电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究.pdf

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电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究1 电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究2 电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究3 电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究4 电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究5 电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究6 电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究7

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第38卷第2l期2010年11月1曰电力系统保护与控制PowerSy ̄emProtectionandControlV01.38NO.21NOV.1,2010电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究蔺红,晁勤(新疆大学电气工程学院,新疆乌鲁木齐830047)摘要:为分析直驱式永磁同步风电机组在电网故障时的联网运行特性,建立了风轮机、永磁同步发电机及全功率变流器的数学模型,构建了风轮机转速控制模型、PWM背靠背变流器控制模型及桨距角控制模型。在电网电压降落、风电场邻近母线单相短路接地、三相短路接地故障时联网风电场的暂态过程进行仿真分析,仿真结果表明所建模型是合理的、控制方法是有效的,为进一步研究新疆电网含大规模风电场的电力系统稳定性分析奠定基础。关键词:直驱式风电机组;背靠背变流器;联网;电网故障;暂态特性SimulationstudyofmodelingandcontrolofdirectdrivewindturbineundergridfaultLINHong,CHAOQin(SchoolofElectricEngineering,XinjiangUniversity,Urimuqi830047,China)Abstract:Inordertoanalyzetheperformancesofdirectlypermanentmagnetsynchronousgeneratorwindturbineconnectingtothegridundergridfault,themathematicmodelsofwindturbine,permanentmagnetsynchronousgenerator(PMSG),andall-powerinverterarebuilt;thecontrolmethodsofrotorspeedofwindturbine,PWMback-to-backconverterandpitchangleare——presented.Thetransientcharacteristicsofon-gridwindfarmissimulatedwhengridvoltagesag,singlephaseshortcircuitground—faultandthreephasegroundfaulthappenonbusnearbywindfarm.Thesimulationresultsshowthatthemodelsandcontrolmethodsarecorrectandvalid.ItlaysafoundationforstudyingvoltagestabilityonXinjianggridincludinglargescaleofwindfarminfuture.Keywords:directdrivewindturbine;back-・to--backconverter;connecttogrid;gridfault;transientcharacteristics中图分类号:TM743文献标识码:A——文章编号:16743415(2010)21.0189070引言我国能源结构的现状是以煤炭、石油等化石能源为主要能源产业,在化石能源逐渐枯竭和节能减排的双重压力下,新能源产业特别是风电产业的发展将是国家长期能源发展方向,以实现经济低碳化。风电发展面临电网限制瓶颈,继新能源、节能减排政策后,国家又出台一新政策,明确智能电网建设将是中国电网未来十年发展的主要方向。中国的智能电网定义为坚强智能电网,涵盖发电、调度、输变电、配电和用户各个环节,是建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网,并实现电网的信息化、数字化、自动化、互动化,在供电安全、可靠和优质的基础上,进一步实现清洁、高效、互动的目标。智能电网是一个基金项目:新疆教育厅重点项目(XJEDU2008I62);新疆大学优秀博士生创新项目高效、智能、能够充分保证将可再生能源集成入网,并保证太阳能及风能发电稳定性的电网,智能电网将成为新能源新的发送、调配平台。风电入网对系统的影响及系统故障对风电运行特性的影响,风电调度等都需要研究风电运行特性及风电的控制技术。风力发电系统中常用的有恒速恒频发电、变速恒频发电。变速恒频风电机组以其固有的优势已取代了恒速恒频风电机组。变速恒频风电机组有双馈式和直驱式,已有大量文献对双馈式风力发电机组的并网控制及故障时控制策略进行了研究u。J。随着风力发电机单机容量的日益增大,直驱式风力发电机组优势突显,直驱式风力发电机系统采用风轮机直接驱动多极低速永磁同步发电机发电,然后通过功率变换电路将电能转换后并入电网,系统效率大为提高,有效地抵制了噪声,直驱式风力发电机的控制策略及运行特性逐步成为研究的热点问题L6培J以往的研究多集中于电网电压骤降双馈风电机组励.t90..电力系统保护与控嘲磁控制¨j,电网运行状况的变化对直驱式风电机组影响的研究较少。本文为分析直驱式永磁同步风电机组在电网故障时的联网运行特性,建立了风轮机、永磁同步发电机及全功率变流器的数学模型,研究了变流器控制方法、桨距角控制方法,直驱式风电机组采用恒电压控制策略,在电网电压降落、风电场邻近母线发生单相短路接地故障、三相短路接地故障时的暂态过程进行仿真分析,验证了所建模型的正确性及控制方法的有效性。1直驱式风电机组结构直驱式风力发电机组包括以下几个模块:风轮机,永磁同步发电机,背靠背变流器及变流器控制系统,桨距角控制系统,其结构图如图1所示。电机侧变流器电网侧变流器图1直驱式风电机组结构不意图Fig.1Structureschematicofdirectdrivewindturbine2数学模型2.1风轮机模型风轮机从风能中获得的机械功率:=PCp(,P)4(1)其中:Pw为机械功率;P为空气密度,kg/m;(,)为风能转换系数;为桨距角,(。);Ar为风轮扫掠面积,m;为叶尖速比,即风轮叶尖线速度与风速V之比。风能转换系数c。与叶尖速—比:D.—R及桨距角的关系9近似为:):0073(1_—— ̄510.0.002/7I413C.2)-_(2)p(,=0.073(L ̄Z一.o5/ ̄-o.002/7一13.2)L2—=—丽——x-o.o2/ ̄斗2.2永磁同步发电机数学模型以发电机转子磁通为参考坐标系,定子遵循发电机惯例,经过坐标变换后得到dq坐标系下的永磁同步发电机定子电压方程[1o-12]:=+co&i ̄一粤。‘=一一co&i ̄一disq+转子运动方程:dt壶2(电磁转矩计算公式:= ̄briq。矢量控制角:(3)(4)'(5)=l出(6)zfd、分别为定子电压d轴和q轴基波分量;fsd、is。分别为定子d轴和q轴电流基波分量;R。为定子电阻;£。为定子电感;COr为电角速度;为永磁体磁链;为转子的转动惯量;P为永磁同步发电机的极对数;为发电机的电磁转矩;Pw为风力机输入到永磁同步发电机转子的机械转矩。2.3变流器数学模型电机侧变流器与发电机定子直接相连,电压方程为式(3)所示的定子电压方程。功率方程:Usd/sd+sqzsq,Qo=Usql。sd一sdtq电网侧变流器通过直流电容与电机侧变流器相连,网侧变换器在d。q坐标系下的电压、功率方程为:df,z,d一fgd一+fgq+llga(8)df“=一fgq一一fgdsafgd+sar0、gdlgq一gq/gd式中:R和分别为网侧变换器与电网之间的等值电阻和连接电感;、。分别为网侧变换器输出电压的d、q轴基波分量;gd、gq、/。gd、q分别为电网电压和电流的d、q轴分量;为电网同步角速度。2.4保护系统保护系统包括限流器和两个切换控制部分,切换控制分别用于当端电压和电网频率在一定时偏离正常值超过允许范围时将风轮机切出,限流器用于蔺红,等电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究一191.限制转换器的电流以保护电力电子转换器[刚。3直驱式风电机组的控制系统直驱式风电机组的出力与风速有关,其运行有两种状态:一是在切入风速与额定风速之间,风电机组运行在最大功率追踪的状态;二是在额定风速与切出风速之间,风电机组运行在恒功率运行状态,使风力发电机组出力保持在额定功率附近。直驱式风电机组的两个运行状态是由控制系统实现的。直驱式风电机组的控制系统包括发电机侧变流器控制系统、电网侧变流器控制系统、桨距角控制系统。3.1最大风能追踪控制3.1.1最大风能追踪原理要实现最大风能追踪,应在风速变化时及时调整风轮机转速,使其始终保持最佳叶尖速比运行,从而可保证系统运行于最佳功率曲线上。对风轮机转速的控制可通过风轮机变桨调节,也可通过控制发电机输出功率进行调节【l1。发电机的转速是由风轮机的机械转矩和发电机的电磁转矩控制的,改变发电机的电流即可改变电磁转矩从而控制发电机输出的功率。通过控制发电机输出有功功率来调节发电机的电磁转矩,进而控制发电机转速。永磁同步发电机的功率关系:』,=Pw一(10)【:一一=ew—AP…式中:=P0++;Pe、Pm、Po分别为发电机电磁功率、风轮机输出机械功率、机械损耗;尸s、尸c、Pfe分别为发电机定子输出有功功率、铜耗、铁耗。为实现最大风能跟踪控制,应根据风轮机转速实时计算风轮机输出的最佳功率值当Pw=Po。,可实现永磁同步发电机发出的有功功率追踪最大风能。,与发电机转速的关系【13】:+=‘一(11)式中:K=cpAr(R/&pt)。3.1.2发电机侧变流器控制发电机侧变流器控制目标是:将永磁同步发电机发出的频率、电压幅值均变化的交流电整流成直流电;控制风轮机转速,实现最大风能追踪;控制与永磁同步发电机间的无功交换。发电机侧变流器采用转子磁链定向控制技术,转子磁链定向在d轴上,U=0,式(7)功率方程可写为:=Usql。s,Qe=。。fsd可实现有功无功解耦控制,由控制有功P,由控制无功Q。有功功率外环控制中,q轴电流参考值分两种运行状况获取(见图2):一是风速在切入风速与额定风速之间,最大风能追踪运行状况,根据最大风能追踪原理,发电机输出的有功功率由发电机的转速确定;减去各损耗后,跟发电机实际输出有功功率进行差值比较,经过PI控制器可以得到q轴电流的参考值;二是风速大于额定风速时,恒功率输出运行状况,风力发电机输出额定功率,跟发电机实际输出有功功率进行差值比较,经过PI控制器可以得到q轴电流的参考值。d轴电流参考值的获取:d轴控制发电机的运行状态,电网电压与参考电压f比较的差值,减去由于无功电流流过变流器时产生的电压降落(。+fo),经过PI控制器可以得到d轴电流的参考值。是风电机组的电压与电流的关系曲线的斜率电抗标么值,本文取=0.02。电流内环控制中,dq轴电流参考与实际反馈值比较后,经过PI控制器,加入发电机感应反电动势和dq电压分量的耦合项得到变流器端口处的参考电压值己、。,然后通过SPWM得变流器所需的PWM驱动信号,实现交直流变换。发电机侧变流器的控制框图如图3所示。图2有功功率调节环节Fig.2Activepowercontrollermodel以图3直驱式风电机组的电机侧控制示意图Fig.3Controlschematicdiagramatgeneratorsideofdirectdrivewindturbine.192一电力系统保护与控制3.1.3电网侧变流器控制电网侧变流器的控制目标是:将直流电逆变为与电网同频率、同电压幅值的交流电;维持直流侧电压恒定;根据电网需求实现与电网间的无功交换。对网侧变换器采用电网电压定向的矢量控制—技术【l,假设dq坐标系以同步速度旋转Jtq轴超前于d轴,将电网电压综合矢量定向在d轴上,电网电压在q轴上投影为0,即b/。=0,则式(9)功率方程可写为:=酣,Qg=gdfgq有功无功解耦控制,igd控制有功,f控制无功H川。d轴采用电压外环,q轴采用功率外环,得 ̄lJdq轴的参考电流值,q轴控制变流器与系统之间的无功功率交换,构造的网侧变流器的控制器如图4所示。这样既可保证发电机输出的有功功率能及时经网侧变换器馈入电网,又可实现风力发电系统的无功控制。图4直B区式风电机组的电网侧控制框图Fig.4Controlblockdiagramatgridsideofdirectdrivewindturbine3.2桨距角控制桨距角控制的目标是:当风速大于额定风速后,桨距角控制系统开始调节桨距角,减小对风能的捕获,使风力发电机组的输出功率保持额定值。桨距角的大小对的影响较大,其作用类似于发电机组的调速器【l。当风速大于额定风速后,桨距角控制系统开始调节桨距角,减小对风能的捕获,使风力发电机组的输出功率保持额定值。本文设计的以风速和有功功率作为输入信号的桨距角控制器如图5所示。为实际风速:。有功功率参考值;P。为实际有功功率;=5;为桨距角。图5桨距角控制模型Fig.5Pitchanglecontrollermodel4仿真本文应用Matlab软件搭建如图6所示的系统进行仿真分析,风电场由6台1.5MW直驱式永磁风电机组组成,风力发电机出口电压为0.69kv,采用一机一变接线方式,将电压从0.69kV升压至10kV,由30km的10kV输电线经lo/110kv变电所接入电网。本文针对系统发生如下故障:电网电压降落20%、在母线B10发生单相接地短路、三相短路时进行了仿真研究,分析了风电场的运行特性。0.5MW1.68+jo.814MVA图6系统图Fig.6Systemdiagram4.1电网电压波动风速保持8m/s,在2S时l10kV电网电压降为0.8Du,持续0.5S后电网电压恢复,风电机组的仿真波形如图7所示。电网电压下降20%期间,风电场输出电流增大,发电机转速增加,风电场输出无功功率增加,输出的有功功率减小,风电场出口电压下降,风电机组变流器的直流电压有微小的波动(见图7(a))。从图7(b)中可知:电网电压跌落20%期问,母线B10电压低于0.9pu,在2.29S时低电压保护动作,跳开负荷侧断路器,母线B10电压回升至0.9Du以上;在电网电压跌落期间,风电机组向电网注入无功功率,使电网电压维持在允许范围内。匿三匿三三风电场输出电流/pu■—■t1厂_______________]。兰二二兰兰兰兰兰风电场发出的有功功率/MWF====二=====n———————————————————————————————————————————————————————li.风电场发出的无功功率/Mvar’二]i:=二i二====一—————————————————————————————————————————————————10LL.LL.^.直流母线电压/V■————■——————■——————■1300厂・_『]——————■————l2。。}____—0_82————————盟塑I_『]————■■0.8l一_____-__了_j”—————————L吉者寿(a)风电机组的仿真波形蔺红,等电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究一193一1.2lO.908母线BlO处有功功净VMW母线Bl1O电Jt ̄/pu母线B1O处无功功率/Mvar母线B10的电 ̄K/pul::::’.+..・.・..・.■0..・..1_.0=。_=152253354fb)部分母线仿真波形图7电网电压降落时的仿真波形Fig.7Simulationwaveformswhengridvoltagesag4.2单相短路接地故障风速保持8m/s,邻近负荷母线B10在2S发生单相短路接地故障,0.15S故障消除,仿真波形如图8所示。风电场出口非故障相电压降到0.8pu,风力发电机的转速不变;直流侧电压有较小的波动;风电场的输出电流增大,输出无功功率增大,为系统提供一定的电压支持;同时输出的有功功率减小。由图8(b)可知:BIO母线发生单相接地短路故障,对电网的电压(母线B110的电压)没有影响;母线B10故障相电压降为零,负荷未切除,故障期间风电场向电网送的有功功率几乎为零,电网尚需向负荷送无功功率。从流经母线B10无功功率可知,母线Bl0无功潮流方向改变。4.3三相短路接地故障风速保持8m/s,在6S时风电场邻近母线BIO发生三相短路接地故障,0.15S后故障消除,仿真风电场输出电压/pu050…・t・,:・---,,-4风电场输出正序电流,Duo-s0匡至圣三三风电场发出的有功功率/MwE三三三三————rlI..L...............J.。。.....j..............。。t。....。j。..。。。..JJ肖流母线电压1250二三二二三二三.风力发电机转速/pu———■———————■——————0r__1≥二;二二耋0‘05I...】.....。.....................。.......i............1.。..。......L.............L.一1522.533.54fa)风电机组的仿真波形。_l5iii010臣里主至至‘‘・・・・-.I'1E至至三三——。卜--|÷—÷—母线B1O电压/puo.(b)部分母线的仿真波形图8单相短路接地故障时的仿真波形Fig.8Simulationwaveformsduringsingle.-phaseshortcircuitgroundfault波形如图9所示。从图9中可见,三相短路接地故障时,发电机转速逐渐增大,风力发电机的直流母线电压。迅速升高,在6.O1S时因直流母线过电压,保护动作,将风力发电机组从电网中切除,风电场出口电压降为0,风电场输出的电流、有功及无功功率为0,直驱式风电机组不向短路点提供短路电流(此时可投入制动模块限制直流母线电压过压J,保护直流电容,防止电力电子器件损坏)。在40S时风轮机的桨距角控制系统开始调解桨距角,以减小风能利用率,限制风轮机及发电机转速继续增大。1;0臣三三至三‘…’……………’卜:。_-—Ⅲ。;_11}}50l5OO502lOD0515∞0。o502o瑚啪一194・电力系统保护与控制母线Bl1O电 ̄K/pu母线Bl0处有功功率/MW母线BiO处无功功率/MvarI母线Bt0电) ̄/pu………………}一一・・5566.5775(b)部分母线的仿真波形图9三相短路接地故障的仿真波形—Fig.9Simulationwaveformsduringthreephaseshortcircuitgroundfault[2][3]由图9(b)可知:风电场邻近母线BIO发生三[4]相短路接地故障,电网电压影响略有降落;故障消除后,电网向母线B10送无功功率,使B10母线电压迅速恢复。5结束语本文建立了直驱式风电机组数学模型,背靠背变流器的控制模型、桨距角控制模型,应用Matlab软件进行仿真研究,从以上仿真结果中,可知(1)直驱式风电机组实现了有功无功解耦控制,当电网电压骤降时,直驱式风力发电机组输出无功功率,维持电网电压;(2)当风电场邻近母线发生单相短路接地时,风电机组为维持邻近母线节点电压提供无功支持;(3)当风电场邻近母线发生三相短路接地故障时,直驱式风力发电机的转速升高,变流器直流侧电压升高,桨距角调节系统调节桨距角增大,减小风能捕获,但风电机组不向短路点提供短路电流。(4)系统正常运行时,风电机组运行在单位功率因数,只向电网注入有功功率,当电网故障时,风电机组降低有功功率输出,增大无功功率输出,联接风电场与电网间的元件会承受双向潮流,在风电系统接入设计及含风电的电力系统继电保护设计时需考虑。直驱式风力发电机可以进行有功功率、无功功率解耦控制,电网故障时直驱式风电机组调节无功功率输出,对电网电压的恢复有积极的作用,能改善电网的稳定性。参考文献[1]姚骏,廖勇.电网短路时交流励磁风电机组网侧变换[5][6][7][8]器控制策略[J].电力系统自动化,2008,32(12):83.87.—YAOJun,LIAOYong.AcontrolstrategyofgridsideconvenerforACexcitedwindturbineundergridsh0rt-circuitfault[J].AutomationofElectricPower—Systems,2008,32(12):8387.胡家兵,孙丹,贺益康,等.电网电压骤降故障下双馈风力发电机建模与控制fJ1.电力系统自动化,2006,30(8):21.26.—HUJiabing,SUNDan,HEYi・kang,eta1.ModelingandcontrolofDFIGwindgenerationsystemundergridvoltagedip[J].AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(8):21-26.—李建林,许鸿雁,梁亮,等.VSCFDFIG在电压瞬间跌落情况下的应对策略[J].电力系统自动化,2006,30(19):65.68.LIJian-lin,XUHong-yan,LIANGLiang,eta1.Strategy—tocopewiththeVSCFDFIGduringvoltagedip[J].AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(19):65.68.王伟,孙明冬,朱晓东.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J].电力系统自动化,2007,31(23):84.89.WANGWei,SUNMing-dong,ZHUXiao・dong.AnalysisonthelowvoltageridethroughtechnologyofDFIG[J].AutomationofElectricPowerSystems,2007,—31(23):8489.姚骏,廖勇,唐建平.电网短路故障时交流励磁风力发电机不脱网运行的励磁控制策略[J】.中国电机工程学报,2007,27(3O):64.71.—YAOJun,LIAOYong,TANGJianping.dethroughcontrolstrateg—yofACexcitedwindpowergeneratorfor—gridshortcircuitfault[J].ProceedingsoftheCSEE,2007,27(30):64.71.尹明,李庚银,张建成,等.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略[J].电网技术,2007,31(15):61.65.—YINMing,LIGengyin,ZHANGJian-cheng,eta1.Modelingandcontrolstrategiesofdirectlydrivenwindturbinewithpermanentmagnetsynchronousgenerator[J].PowerSystemTechnology,2007,31(15):61-65.姚骏,廖勇,瞿兴鸿,等.直驱永磁同步风力发电机的最佳风能跟踪控制[J】.电网技术,2008,32(10):11.15.—YAOJun,LIAOYong,QUXinghong,eta1.Optimalwind-energytrackingcontrolofdirectdrivenpermanentmagnetsynchronousgeneratorsforwindturbines[J].PowerSystemTechnology,2008,32(10):11-15.胡书举,李建林,许洪华.永磁直驱风电系统低电压运行特性的分析[J].电力系统自动化,2007,31(17):—7377.42O5O●0蔺红,等电网故障下直驱式风电机组建模与控制仿真研究.195.HUShu 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一夕落阳
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