双馈式风力发电机的机电暂态建模

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-02-25 09:12 热度：

摘 要：摘要：建立可用于大型电力系统暂态稳定分析的双馈式风力发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)机电暂态模型。详细分析转子侧变流器和撬棒电阻(crowbar)可能的工作模式，提出计及 crowbar 的转

　　摘要：建立可用于大型电力系统暂态稳定分析的双馈式风力发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)机电暂态模型。详细分析转子侧变流器和撬棒电阻(crowbar)可能的工作模式，提出计及 crowbar 的转子侧变流器和控制器机电暂态建模方法;根据机电暂态仿真和设备参数的特征，研究网侧变流器和控制器的简化建模方法;建立直流电压动态和卸荷电路(chopper)数学模型。基于大量型式实验数据，研究国产 DFIG 在低电压穿越过程中 crowbar、chopper 的控制逻辑和有功、无功功率特殊控制策略。以华锐 1.5 MW DFIG 机组为例，用电力系统分析综合程序包软件仿真分析 3 种不同工况下的运行特性。仿真结果与现场实测曲线一致，证明所建模型准确、可靠，可用于分析大规模 DFIG 风电场接入对电力系统暂态稳定性的影响。

　　关键词：双馈式风力发电机;机电暂态模型;撬棒电阻;卸荷电路;低电压穿越;电力系统稳定

　　0 引言

　　截 止 2012 年底，中国风电装机容量 75 945.2 MW，已跃居为世界首位[1]。大容量、集中式、远距离是中国风电并网的主要特点。这些特点决定了电网与大型风电场群联系较弱，一旦发生故障，可能造成大量风力机脱网，威胁电力系统的安全稳定[2-3]。如何准确分析风电场接入后，特别是弱电网条件下，风电机组对电网故障的穿越特性已成为电力系统规划、运行分析的关键问题。双馈式风力发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)组因良好的经济性和运行特性，已成为主力机型之一。但是，DFIG 定子直接并网，导致机组对电网故障非常敏感，而且在电网故障情况下小功率变频器对机组的控制能力也受到限制[4]，因此，控制保护结构复杂，在不同的运行工况，尤其是电网故障时，DFIG 运行特性有很大不同。风电机组技术变化快，新型机组采用撬棒电阻(crowbar)和卸荷电路 (chopper)，与不采用的机组特性差别大。目前缺乏准确的机电暂态模型，使仿真结果有时偏保守，有时偏乐观，可信度低。因此需要运行中留出较大的安全裕度，成为风电场限电的因素之一。研究适用于大规模风电场接入电力系统的 DFIG 机电暂态模型具有重要实际意义。

　　在电磁暂态建模方面，文献[5-6]研究了电网故障情况下 DFIG 详细数学模型，分别对异步电机、转子侧网侧变流器及控制器进行建模，研究其运行特性。在低电压穿越(low-voltage-ride-through， LVRT)运行控制方面，文献[7-11]基于 DFIG 内部电磁关系研究了转子侧变流器和网侧变流器的控制策略，在电网电压跌落较轻时，不需要 crowbar 或 chopper 投入即可有效抑制转子过流和直流过压。文献[4,12-14]基于定转子故障电流的特性分析，提出 DFIG 低电压穿越控制方案，即在电网电压发生严重跌落时，通过投切 crowbar，防止转子过流和直流过压。上述的模型和控制器设计均属于电磁暂态的范畴，模型和控制结构复杂，用于风电场接入大型电力系统暂态稳定分析时，计算速度慢、数值稳定性差。

　　在机电暂态建模方面，美国西部电力协调委员会(WECC)、国际电工委员会(IEC)联合 Vestas、 Siemens、Gamesa、GE、ABB 等厂商正在制定 DFIG 机电暂态通用模型的建模和实证标准[15-18]。DFIG 机电暂态模型中发电机/变流器、crowbar、chopper 的简化程度取决于 DFIG 采用的低电压穿越保护技术。文献[19-21]提出的 DFIG 机电暂态通用模型比较适合于转子变流器容量较大，只在直流侧采用 chopper 保护的 DFIG 机组。该类型机组在 LVRT 过程中全程可控。从研究大电网稳定性的角度看，其动态主要取决于有功/无功功率、桨距角控制器的特性。但是仿真转子侧采用 crowbar、chopper 保护的 DFIG 机组存在一定的困难，不能满足国内大多数在运 DFIG 的建模需求。

　　本文提出适用于大型电力系统暂态稳定分析的 DFIG 机电暂态建模方法。建立三阶异步电机的数学模型;详细分析 LVRT 过程中转子侧变流器和 crowbar 可能的工作模式，忽略快动态的电磁暂态过程，提出转子侧变流器和 crowbar 的机电暂态建模方法。在保证有功、无功功率控制效果的前提下，研究了转子侧变流控制器、网侧变流器和控制器简化建模方法，简化控制结构，解决了机电暂态仿真步长下数值积分不稳定问题，可降低对某些参数的依赖，提高计算效率。建立直流电压动态和 chopper 数学模型;基于大量现场实验数据，研究国产 DFIG 在 LVRT 过程中有功、无功功率特殊控制策略和 crowbar、chopper 的控制逻辑。以电力系统分析综合程序包为仿真平台，以华锐 1.5 MW DFIG 机组为例，分析 3 种不同工况下的运行特性，仿真结果与现场实测曲线一致，表明本文提出的 DFIG 机电暂态模型准确、可靠，可用于分析 DFIG 风电场接入大型电力系统的暂态稳定性。

　　1 DFIG 风电机组机电暂态模型

　　1.1 异步电机模型

　　为实现 DFIG 机电暂态模型与电网相量模型接口，异步电机采用三阶模型，忽略了定子暂态过渡过程[22]。

　　①模式一：正常运行。

　　转子侧变流控制器控制异步电机励磁电压，完全实时跟踪主控制器的有功、无功指令，如图 1(b) 所示。由于转子侧变流器的时间常数是微妙级，在机电暂态模型中可忽略调制过程，即转子侧变流控制器输出的参考电压直接作为异步电机的励磁电压。

　　②模式二：IGBT 闭锁。

　　当转子绕组过流或直流过压，转子侧变流器 IGBT 全部闭锁。转子绕组通过不可控整流桥快速为直流电容充电，直流电压升高，二极管承受反向电压自然关断，如图 1(c)所示。此过程非常迅速，几 ms 内完成，在机电暂态模型中可忽略此过程。

　　③模式三：crowbar 投入。

　　crowbar 换流桥 IGBT 全部导通。转子绕组通过撬棒电阻短路。crowbar 动作的时间只有几毫秒，在机电暂态模型中可忽略不计。RCD 缓冲电路通过电阻放电，此过程不会影响 DFIG 动态特性，可忽略，如图 1(d)所示。在工作模式三下，异步电机数学模型需要按式(6)修正。

　　2)转子侧变流控制器模型。

　　DFIG 电磁暂态模型中转子侧变流控制器模型存在快动态的电流内环和慢动态的功率外环控制，是典型的刚性方程，在机电暂态仿真步长下，容易引起数值振荡或积分不收敛。为解决此问题，提出了可用于机电暂态仿真的转子侧变流控制器模型。

　　4)网侧变流器和控制器简化模型。

　　网侧变流控制器电磁暂态模型同样存在刚性问题。网侧变流器和控制器的机电暂态模型可根据设备参数特征，将一次设备模型和控制器模型合并简化得到。

　　基于定子电压 q 轴定向，电流内环控制器和变流器模型如图 4 所示。虚线左侧是电流内环控制器模型，虚线右侧是变流器耦合电感模型;R、L 分别是耦合电感的电阻和电感值。

　　1.4 DFIG 低电压穿越期间功率特殊控制

　　基于大量实测数据的分析，提出 DFIG 在 LVRT 期间的可选择的特殊控制策略，模型如下。

　　1)有功/无功功率控制。

　　DFIG 低电压穿越期间有功功率控制框图如图 8 所示。图中，LVPL 是低电压限有功功率模块，功能是：①LVRT 时为增大无功功率的输出留出电流裕度;②降低在电压恢复瞬间有功功率突变对机组的冲击;③弱电网条件下，降低有功功率提高系统稳定性。当 us > u1，有功功率没有限值，当 u0 < us < u1，有功功率与电压成线性关系，电压越低，有功功率限值越小，当 us < u0时，有功功率最大值为 0。

　　RRPWR 是电压恢复到 u1以上时限制有功功率爬升的速率，功能是：①降低 DFIG 轴系机械应力; ②降低直流电压的波动，防止 chopper 误动。爬升速率因不同风力机型号而异。

　　当 DFIG 进入 LVRT 状态，无功功率控制策略由稳态控制方式切换到故障控制方式。无功电流按式(19)给定。

　　2)无功电流优先控制。

　　无功电流优先控制是指在 LVRT 期间，优先保证无功功率输出，提高对电网电压的支撑。无功电流优先控制方法如图 9 所示，其中，irmax为转子电流最大值。

　　3)快速调桨控制。

　　在 LVRT 期间，为防止 DFIG 超速和减少 crowbar 投入后吸收的无功功率，采用快速调桨控制。主要通过增大桨距角控制器的放大倍数实现。

　　2 仿真验证

　　2.1 DFIG 低电压穿越实验情况

　　为验证本文提出的 DFIG 机电暂态模型与实际风电机组 LVRT 动态特性的一致性，采用如图 10 所示的 LVRT 测试系统，针对辽宁昌图太阳山风电场华锐 DFIG 1.5 MW 机组进行了不同工况的单机 LVRT 测试。

　　11 中，DFIG 箱变高压侧通过电压跌落发生装置接入电网。电压跌落发生装置利用阻抗分压原理在测试点 M 产生电压跌落。在正常运行下，开关 S1 闭合 S2 打开。在 LVRT 测试时，首先开关 S1 打开， DFIG 通过限流电抗 L1 接入电网，降低短路故障对电网的冲击。待测试系统进入稳态后，开关 S2 闭合，测试装置通过短路电抗 L2 接地。通过调整 L1、L2 的大小和 S2 闭合的时长，得到不同的电压跌落幅度和故障时间。华锐1.5 MW产品技术参数见附表A1、 A2。不同测试工况的 L1、L2 参数见附表 A3。

　　2.2 仿真与实验对比分析

　　基于PSASP仿真软件开发了DFIG机电暂态模型，根据 LVRT 测试系统，搭建仿真算例。分别对 3 种工况进行仿真与实测结果的对比分析。

　　1)DFIG 大负荷运行，Pe = 0.986 pu，Qe = 0.042 pu，电网 1 s 发生三相接地短路故障，机端电压跌落至 0.3 pu 持续 0.625 s。由于转子绕组过电流， t1—t2 期间 crowbar 投入，转子变流器闭锁，风力机表现为超同步运行的异步发电机，发出 0.06 pu 的有功功率，无功功率存在短暂的上冲，先发出 0.41 pu 的无功功率，而后吸收 0.03 pu 的无功功率。由于吸收无功功率，会导致电压进一步的下降。t2—t3 期间，crowbar 退出，转子侧变流器同步重启，进入低电压穿越控制模式，采用无功电流优先、低电压限有功功率和快速变桨控制，发出 0.36 pu 的无功功率和 0.12 pu 的有功功率。直流电压 Udc在 t1 时刻上冲到 1.03 pu，未达到动作阈值(1.05 pu)， chopper 不会投入，在 t2—t3 期间，网侧变流器将直流电压控制到 0.89 pu，防止 chopper 误动作。故障切除后，有功、无功功率按一定的斜率恢复到初始值。实测、仿真的机端电压、有功、无功、直流电压对比如图 11 所示。

　　2)DFIG 小负荷运行，Pe = 0.266 pu，Qe = 0.01 pu，电网 1 s 发生三相接地短路故障，机端电压跌落至 0.29 pu 持续 0.625 s。由于转子绕组过电流，t1—t2 期间 crowbar 投入，转子变流器闭锁，风力机表现为次同步运行的异步电动机，吸收 0.20 pu 的有功功率，无功功率存在短暂的上冲，发出 0.52 pu 的无功功率，而后吸收 0.02 pu 的无功功率。由于吸收无功功率，会导致电压进一步的下降。 t2—t3 期间，crowbar 退出，转子侧变流器同步重启， 进入低电压穿越控制模式，采用无功电流优先、低电压限有功功率和快速变桨控制，发出 0.37 pu 的无功功率和 0.08 pu 的有功功率。直流电压 Udc在 t1 时刻上冲到 1.01 pu，chopper 未投入，在 t2—t3 期间，网侧变流器将直流电压控制到0.89 pu，防止chopper 误动作。故障切除后，有功、无功功率按一定的斜率恢复到初始值。实测、仿真结果如图 12 所示。

　　3)DFIG 小负荷运行，Pe = 0.257 pu，Qe = 0.015 pu，电网 1 s 发生三相接地短路故障，机端电压跌落至 0.58 pu 持续 1.203 s。由于 DFIG 初始功率较小，电网电压跌落较浅，t1—t2 期间 crowbar、 chopper 没有投入，转子侧变流器进入低电压穿越控制模式，采用无功电流优先、低电压限有功功率和快速变桨控制，发出 0.45 pu 无功功率和 0.13 pu 有功功率。直流电压控制到 0.89 pu。故障切除后，有功、无功功率按一定的斜率恢复到初始值。实测、仿真结果如图 13 所示。

　　2.3 仿真验证结论

　　上述不同工况的对比表明，本文提出模型的响应波形与实测结果基本一致，响应过程与分析情况相同，可以满足大型电力系统机电暂态仿真计算的要求。但是个别时间段，如电压跌落和恢复的过渡过程中，仿真与实测结果有一定的偏差，主要原因是 DFIG 机电暂态模型是实际风力机的简化模型，在简化模型结构和提高仿真速度的同时，忽略了快动态的电磁暂态过程。另外，测试现场风速波动、电网强度模拟偏差等均对仿真精度有影响。

　　3 结论

　　本文研究了 DFIG 机组机电暂态建模方法。在 PSASP 仿真环境下，实现了该模型。通过对比分析不同工况下仿真与实测结果，得出以下结论：

　　1)本文提出的转子侧变流器和 crowbar 机电暂态建模方法，可准确模拟 DFIG 在 LVRT 过程中转子变流器和 crowbar 投切的动态过程。

　　2)本文提出的转子侧变流控制器、网侧变流器和控制器简化建模方法，可有效减低控制器阶数，解决数值稳定问题，减少对某些 PI 参数的依赖，提升仿真效率，同时还保证了有功、无功功率的控制效果。

　　3)通过分析大量现场实测数据提炼出的 LVRT 过程中 crowbar、chopper 控制器模型和有功、无功功率特殊控制策略模型符合国内 DFIG 机组的运行特性。

　　综上所述，本文建立的 DFIG 机电暂态模型合理、准确，该模型可用于分析大规模 DFIG 风电场接入大型电力系统的暂态稳定性。——论文作者：訾鹏，周孝信，田芳，安宁，侯俊贤，张石，陶向宇

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文章名称：双馈式风力发电机的机电暂态建模

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