电压跌落下双馈风电机组运行特性及参数影响

电压跌落下双馈风电机组运行特性及参数影响

作者：骆峰 徐晓茜

来源：《风能》2015年第02期

随着风电机组装机规模的日益增大，风电已经成为继火电、水电之后的第三大常规电力来源。当电网发生故障造成电压跌落时，早期的机组可以通过监测电压，与电网解列以避免对机组造成损伤，但目前运行的机组必须具备低电压穿越能力，减小大范围脱网对电网产生的冲击。相关的低电压穿越研究多着重于从电学角度，优化控制策略控制过电压及过电流，避免电气参数超出安全范围，而对于风电机组在电压跌落情况下的整体运行特性还需要进一步研究。 本文从系统建模角度出发，以Matlab/Simulink为平台，研究在电网电压出现较大程度跌落情况下的传动链、双馈电机和电力系统中、低压侧的动态响应，以及机组传动轴不同刚度参数的影响。

风力发电系统数学模型

双馈风电机组系统主要包括气动部分、机械传动、双馈发电机、变流器及电网等部分，连接示意图如图1所示。气动部分的建模一般利用风能利用系数与叶尖速比和桨距角之间的关系来完成。

一、传动链模型

低速轴与高速轴通过齿轮箱连接，由于齿轮箱折算到高速轴侧的惯量相对风轮惯量要小的多，可以忽略，因此可以将风轮与发电机看作有一根带传动比的柔性轴连接，形成能够表达传动链特性的二质量块模型。相应数学表达式如式（1），式中低速轴参数都折算到了高速侧，并使用标幺值形式表示。

式中：Hw、Hg为风轮和发电机转子的惯性时间常数；ωw、ωg为风轮和发电机转子的电角速度；θs为风轮相对发电机转子的角位移；Ds为传动轴阻尼系数；Dw、Dg分别为风轮和

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发电机转子自身的阻尼系数；Ks为传动轴的刚度系数；f为电网频率；Tw、Te分别为风轮转矩和电磁转矩。

二、双馈发电机模型

双馈发电机的三相坐标系下，磁路及功率都会存在耦合，因此需要利用dq坐标系下的矢量控制进行解耦。对双馈发电机dq坐标下的数学模型研究对变流器控制有重要意义，经过Park变换直接给出电机模型：

式中Rs、Rr分别为定子电阻和转子电阻，ωe为同步转速，ωs为同步转速与转子转速差，Ψ为磁通量，U为电压，i为电流，下标rd，rq，sd，sq分别表示转子d，q轴和定子d，q轴，pn为极对数。

三、转矩及桨距控制

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双馈发电机的转矩输出主要通过机侧变流器给定转子电压及电流来控制，而转矩控制器向变流器发出给定转矩指令。在最大功率跟踪阶段，通过机组的功率-转速特性曲线获得电机参考转速wref，利用PI控制得到相应转矩指令。当风速超过额定风速时，以电功率P作为反馈量，利用变桨控制减小吸收的风能，同时为了防止超速，利用下垂控制从转速信号中得到桨距指令，与功率的桨距指令叠加。转矩控制及桨距控制框图如图2所示。图2中Wgen为发电机转速，Tcmd为转矩指令，β为桨距角指令。 双馈风电机组特性分析

由于传动链存在扭振特性，当受到外部激励时，轴上扭矩及转速会以一定频率振动，这个频率一般就是系统的低阶扭振频率。当外部激励频率与扭振频率接近时就容易引起共振。低阶扭振频率一般在0 Hz -10Hz。

忽略式（1）的阻尼可得到关于角位移θs的运动方程：

本文针对额定功率为1.5MW的双馈风电机组建模，所使用的参数主要为：f=50Hz；Ks=0.33pu；Hw=4.32s，Hg=0.685s。计算得fT=1.5Hz。

由于变压器及输电线路可以等效为电阻与电感串联电路，当高压侧或中低压侧的公共连接点处发生电压跌落时，感性元件能够使双馈电机机端定子电压存在一定残余电压。残余电压大小与电力系统参数有关。 仿真研究

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利用simpowersystem提供的模块在simulink中搭建双馈风电机组单机模型及电力系统连接模型，仿真连接图如图3所示。1.5MW双馈风电机组并网的电网结构为电网容量40MVA，电机定子端电压为690V，通过35kV电网与110kV电网相连，其中包含30km的电缆传输。 一、电压跌落下运行特性

设定在110kV处电网电压在第12s时发生跌落，跌落幅值为70%，持续时间为0.5s，此时风速为13m/s。电机定子处电压相比110kV处会出现较明显的动态变化，且有效值最小值大于0.3pu。图4分别为电压有效值及电机定子三相电压变化图。

电压的突变将会导致电磁转矩上的突变。在标幺值下，以同步转速1500rpm为基准值，则转矩的额定值为0.83pu，如图5所示，在电压恢复时，电磁转矩达到最大值1.9pu，比额定值高出2.3倍，而传动轴扭矩受到激励以1.5Hz的扭振频率振动并逐渐衰减，这种扭振特性也可以从轴两端转速差体现，如图6所示。有功功率迅速下降至0.5MW，当电压恢复后，受传动轴扭振影响，以相同频率进行波动；无功功率在电压下降及恢复瞬间都会出现较大尖峰，电压恢复后，无功功率恢复至零，如图7所示。

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电压跌落同时会导致转速的剧烈波动，当转速振荡超过额定转速1.2pu时，变桨机构启动，桨距角变化及转速波动如图8。

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二、传动轴刚度变化影响

传动轴的刚度不同，不仅影响扭振频率，使轴系载荷及功率受迫振动时频率发生改变，而且会对振动幅值有较大影响。同本节一工况条件相同，在传动轴刚度系数分别为0.33、0.8、0.2情况下研究转速，转矩及功率变化。如图9所示，随着刚度系数的减小，振动频率减小，但振动幅值增大，这说明在电气故障激励下，刚度越大越有利于减小轴上机械载荷，但同时注意到较大的刚度系数会增大有功功率波动的峰值。 结语

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本文基于MATLAB构建了适于分析风电机组电压跌落下动态响应的仿真平台，研究了双馈电机、传动链的数学模型，利用一定控制策略实现了对机组的控制。通过瞬时仿真分析了110KV处电压跌落导致的功率、转矩、转速等主要参数的动态响应。通过对不同刚度系数情况下的转矩、转速及功率的对比，表明较大的刚度系数能够减小电压跌落导致的载荷波动，但会增大有功功率峰值。