雙饋式感應風力發(fā)電機模型在風電場中的應用

雙饋式感應風力發(fā)電機模型在風電場中的應用

0風機采用pss/e模型世界上能源嚴重不足，能源發(fā)電技術人才建設緊迫。風力發(fā)電已經(jīng)成為發(fā)展最快的清潔能源之一,其中,雙饋式感應風力發(fā)電機因其運行區(qū)間廣、效率高、變流器容量小等優(yōu)點被廣泛投入使用。雙饋式感應發(fā)電機(DFIG)主要是由風機、齒輪箱、感應發(fā)電機、功率變流器、跨接器組成。電流通過感應發(fā)電機的滑環(huán)進出轉(zhuǎn)子繞組,轉(zhuǎn)子通過AC-DC-AC功率變流器與電網(wǎng)相連,實現(xiàn)了電網(wǎng)頻率和機械頻率的解耦控制?？缃悠鲗︼L機變流器起到保護作用。PSS/E是由西門子公司開發(fā)的電力仿真軟件,已經(jīng)成為在電力系統(tǒng)廣泛應用的軟件之一,在其平臺上開發(fā)的風電模型專門用于風電場特性及其并網(wǎng)的相關研究。許多風機生產(chǎn)商提供PSS/E模型,以用于輸電網(wǎng)技術規(guī)范的校驗。在大型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋型風機比重很大,并且隨著雙饋風機的單機容量和裝機容量不斷提升,對風電場和電網(wǎng)之間互相影響的研究具有更加重要的意義。因此本研究將系統(tǒng)地介紹基于PSS/E軟件32版本中的雙饋感應風力發(fā)電機的WT3模型,同時,本研究根據(jù)模型特點進行有針對性的單機無窮大系統(tǒng)的仿真測試,通過仿真結果驗證PSS/E中雙饋風機模型的特性,并得出相關結論。1雙饋風機模型PSS/E的雙饋風機根據(jù)GE公司的風機進行建模,主要用于大型風電場的正序相量時域仿真分析。完整的雙饋風機模型包括:發(fā)電機-換流器模型(WT3G)、電氣控制模型(WT3E)、風力機及傳動軸系模型(WT3T)、槳距角控制模型(WT3P)。它們之間的關系如圖1所示。1.1低電壓無功模型WT3G是發(fā)電機和換流器的等效模型,也是風機和網(wǎng)絡的接口,其模型框圖如圖2所示,PSS/E的32版本推薦使用改進后的模型WT3G2。與傳統(tǒng)的發(fā)電機不同,WT3G模型的網(wǎng)絡接口簡化為代數(shù)運算的可控電流源。在計算的時間步長內(nèi),本研究保持Eqcmd和Ipcmd恒定不變。根據(jù)有功命令Ipcmd和q軸電動勢Eqcmd以及次暫態(tài)電抗Xeq,可以計算得到注入電流Isorce,經(jīng)過發(fā)電機參考系和電網(wǎng)參考系之間的轉(zhuǎn)換矩陣T注入電網(wǎng),T表達式為:式中:θ—發(fā)電機的轉(zhuǎn)子位置角。兩個一階慣性環(huán)節(jié)Tiqcmd和Tipcmd用來表示轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的作用,通常被設置成比較小的時間滯后值,如0.02s。低電壓有功邏輯(LVPL)為有功通道上的限幅環(huán)節(jié),其控制曲線由VLVPL_1、VLVPL_2和GLVPL定義。當機端電壓VTerm過低時,有功功率輸出會受到上限的限制,這樣可以減少故障中與故障后的系統(tǒng)電壓恢復壓力,使無功具有調(diào)控優(yōu)先權。在模型中,研究者應注意GLVPL設置為小于10,VLVPL_2設置在0.5~1之間,并且大于VLVPL_1。T_LVPL為電壓傳感器濾波時間常數(shù)。此外,有功電流的上升速率也受到了Rip_LVPL的限制。在發(fā)生嚴重的電壓下降時,圖2中的低壓有功電流函數(shù)通過減少有功電流傳輸,可以使機端電壓VTerm低于0.8p.u.時盡快恢復。當電壓上升過高時,圖2中的高壓無功電流函數(shù)可以通過減少無功電流的傳輸來限制機端電壓VTerm不超過1.20p.u.。圖2下方為鎖相環(huán)環(huán)節(jié)(PLL),用來同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子電流。1.2槳距角pord槳距角控制對動態(tài)仿真結果影響很大,該模型的具體框圖如圖3所示。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差SPEED大于參考值WNDSP1(可從圖4中的轉(zhuǎn)速功率曲線得到)或者功率指令值Pord大于發(fā)電機最大功率值(額定值)PMX時,通過增大槳距角β可降低氣動轉(zhuǎn)矩,使功率降回到額定值,從而減小發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。槳距角控制和槳距角補償都是非飽和積分器。當槳距角達到積分器范圍(TetaMax或TetaMin)時,積分器輸入將設置為0,這將使得槳距角命令值θcmd遠離積分器的限值。同時槳距角變化受到速率限制,即模型中的RTetaMax和-RTetaMax。1.3發(fā)電機-換流器qcmd控制策略電氣控制模型WT3E模擬了有功和無功的解耦控制,本研究根據(jù)其控制原理將模型整體框圖簡化為如圖4所示的框圖。(1)無功控制通道。如圖4所示,本研究將無功功率Qelec與其命令值Qcmd進行比較,通過限幅和積分環(huán)節(jié)之后,與機端電壓VTerm比較,再經(jīng)過閉環(huán)電壓控制模塊得到電壓命令值Eqcmd。對應于圖4中的無功功率控制模塊如圖5所示,共有3種控制模式。當無功標識符VLTFLG為0時,為恒定無功功率控制模式,此時Qcmd等于參考值Qref;當VLTFLG為-1時,為恒定功率因數(shù)控制,此時輸入功率因數(shù)角參考值PFAref計算得到Qcmd。當VLTFLG為1時,為恒定電壓控制模式,通常研究者設置輸電系統(tǒng)的公共耦合點母線電壓|V|-IXc作為監(jiān)測值,與電壓參考值Vref作比較,經(jīng)過PI控制器和慣性環(huán)節(jié)得到無功功率命令值Qcmd,其中Xc為線路調(diào)差率補償電抗。參數(shù)FN表示風電場在線運行的比例,如有一半的風機在線,FN將設置成0.5。對應于圖4中的閉環(huán)電壓控制模塊如圖6所示。從機端測量的Qelec與圖5無功控制模塊輸出的Qcmd比較,通過開環(huán)或者閉環(huán)電壓控制(取決于標識符VLTFLG的設置),得到輸入到發(fā)電機-換流器模型WT3G的輸入信號Eqcmd。當VLTFLG為0,旁路閉環(huán)電壓控制;當VLTFLG為1,Eqcmd上、下限分別為VTerm+XIQmax和VTerm-XIQmin;當VLTFLG為2,Eqcmd上、下限分別為XIQmax和XIQmin。下文中典型系統(tǒng)的仿真表明,由用戶輸入XIQmax和XIQmin將會很大程度上影響到故障中和故障后的風機機端電壓穩(wěn)定。(2)有功控制通道。如圖4所示,研究者輸入發(fā)電機有功功率Pelec,通過轉(zhuǎn)速功率曲線得到發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差參考值WNDSP1,與實際發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差SPEED比較,通過PI控制器得到轉(zhuǎn)矩命令值Tord,再與實際轉(zhuǎn)速1+SPEED相乘,經(jīng)過PI控制器,將得到的有功功率命令值Pord除以機端電壓VTerm,得到有功電流命令值Ipcmd。圖4的有功通道中的轉(zhuǎn)速功率曲線如圖7所示,其調(diào)節(jié)特性可以分為4個區(qū)段:(1)最小轉(zhuǎn)速運行(A-B段):當有功功率達到最小值之前,將維持在最小轉(zhuǎn)速運行。(2)最優(yōu)葉尖速比跟蹤控制(B-C段):在有功功率達到0.75p.u.之前保持最小的槳距角,使機械功率最大。(3)發(fā)電機功率和轉(zhuǎn)矩控制(C-D段):當達到1.2p.u.的額定轉(zhuǎn)速且發(fā)電機有功功率未達到額定值1.0p.u.時,將基本維持風輪轉(zhuǎn)速在額定值。(4)槳距角控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速(D-E段):風力機輸出功率在1.0p.u.以上時,本研究調(diào)節(jié)槳距角從而控制傳送給軸系的機械功率,直到功率回到額定值。轉(zhuǎn)速控制器無法區(qū)分軸系加速是由系統(tǒng)內(nèi)故障還是風速增大引起的。用戶可以根據(jù)風機的實際情況定義功率-速度特性曲線,如圖7所示。用戶需要輸入發(fā)電機在有功功率分別等于0.2p.u.、0.4p.u.、0.6p.u.時的發(fā)電機轉(zhuǎn)速,而發(fā)電機有功功率等于最小值、額定值時的轉(zhuǎn)速以及在額定轉(zhuǎn)速下的最小功率是不能由用戶定義的。在實際的控制器中,速度參考值并不直接是發(fā)電機功率的函數(shù),但整體的速度-功率關系是類似的。1.4分離氣動功率控制框圖風力機及傳動軸系模型WT3T采用的是雙質(zhì)量塊模型。模型中包括氣動力學模型,WT3T1模型中氣功功率控制框圖如圖8所示,滿足:式中:Paerot0—初始氣動功率,β—槳距角,β0—初始槳距角,模型的其余部分具體參見文獻。1.5風機端電壓vterm單元在標準的PSS/E風力機模型中并沒有包含保護模塊。但是在PSS/E中包含有CONET模型VTGTPA和FRQTPA,可以用于保護系統(tǒng)的電壓和頻率特性的仿真。VTGTPA為過電壓/欠電壓保護模塊。其工作原理是:設置一個高電壓門檻值VU和一個低電壓門檻值VL,當機端電壓VTerm大于VU或者小于VL時,計時器啟動;當記錄的電壓越限時間大于TP時,將使風機切除。FRQTPA工作原理與VTGTPA類似,為高頻/低頻保護模塊。其工作原理是:設置一個高電壓門檻值FU和一個低電壓門檻值FL,當頻率大于FU或者小于FL時,計時器啟動;當記錄的電壓越限時間大于TP時,將使風機切除。在過去,風電場額定功率小,在故障之后從電網(wǎng)脫離,不會對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性造成影響。然而隨著風電場的規(guī)模擴大,風電場從電網(wǎng)的分離很可能導致電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定。因此電網(wǎng)法規(guī)規(guī)定風電場在指定事件發(fā)生時能夠持續(xù)運行一定的時間,具有一定的低電壓穿越能力。PSS/E的風機模型不包括低電壓穿越模塊,需要用戶通過自定義模型等方式實現(xiàn)。2系統(tǒng)擾動對模型響應的影響本研究采用的基于文獻單機無窮大系統(tǒng)進行仿真測試,測試系統(tǒng)如圖9所示。從風電場高壓母線到PCC點為雙回線路。風電場的額定功率為100MW,由67臺1.5MW的GE1500風機組成,功率因數(shù)設置為±0.95。筆者主要研究了系統(tǒng)擾動對模型響應的影響。系統(tǒng)故障是加在線路1上,故障持續(xù)時間為250ms,其后斷開故障線路。2.1故障線路分析本研究設置VLTFLG=0且VARFLG=0,則風機為不具閉環(huán)電壓控制的恒定無功控制模式。風機和PCC點的電壓曲線如圖10所示。在故障期間,PCC點的電壓跌至0;風機機端電壓曲線形狀跟PCC點類似,在故障區(qū)間跌至0.2p.u.,并始終保持高于PCC點的電壓。當故障線路從網(wǎng)絡中斷開之后,在風機機端和PCC點之間的阻抗上升,因此電壓降落將會變大,導致恢復電壓低于故障前的電壓大小。電功率、機械功率和氣動功率曲線如圖11所示?？梢钥闯?當故障發(fā)生時,電功率減小到很低的值,機械功率和電功率之間的差值導致轉(zhuǎn)子開始加速。軸系模型中的扭轉(zhuǎn)振動將會反映到風機的輸出功率。機械功率的峰值非常高,在振動的第一個周期就達到了接近2.0p.u.的峰值。這個數(shù)值表明了軸系模型中的機械應力非常高。槳距角控制曲線如圖12所示。圖12顯示,在故障期間槳距角增加,減小了風機的機械功率。槳距角的振動是由于風機轉(zhuǎn)速控制所致。斷開故障線路之后,風輪轉(zhuǎn)速下降,但是槳距角持續(xù)上升了幾秒,這是由于圖3模型中的槳距角補償部分為了減少風機的機械功率而增大了更多的槳距角。風輪和發(fā)電機速度曲線如圖13所示。從圖13可以看出,在兩質(zhì)量塊模型中,發(fā)電機的速度振動與風輪速度振動方式是不同的。2.2保護電壓恢復曲線本研究設置VARFLG=0,VLTFLG=1,即為具有閉環(huán)電壓控制的恒定無功控制方式。無功命令等于參考值,內(nèi)部電壓大小由閉環(huán)控制環(huán)限制(如圖6所示)。內(nèi)部電壓大小的上、下限分別為VTerm+XIQmax和VTerm-XIQmin。在仿真中,用戶可以自定義XIQmax和XIQmin的值。電壓恢復曲線如圖14所示,當XIQmax=0.4(GE1500推薦值)時,無功上限較大,電壓能夠較快恢復;當XIQmax=0.1時,無功上限較小,導致電壓恢復變慢。可見,當XIQmax的值太小,電壓將無法恢復;當XIQmax太大時,將引起恢復過程中的電壓振蕩。XIQmax=0.1時的有功和無功曲線如圖15所示,在故障期間有功出力降到0,無功受到了XIQmax的限制。3風機模型的主要信息通過PSS/E雙饋風機模型的具體介紹,根據(jù)相應的仿真結果,本研究得到如下結論:(1)發(fā)電機-換流器模型(WT3G)。本研究將發(fā)電機看作帶有暫態(tài)電抗的簡化電流源,模型中并沒有考慮發(fā)電機的損耗。機端電壓VTerm過低時,有功功率輸出會受到低壓有功邏輯(LVPL)上限的限制,這樣可以減少故障中與故障后的系統(tǒng)電壓恢復壓力,使無功具有調(diào)控優(yōu)先權。(2)風力機及傳動軸系模型(WT3T)和槳距控制模型(WT3P)。風力機及傳動軸系模型采用了兩質(zhì)量塊模型。故障期間的機械功率振動大小表明了傳動系統(tǒng)的機械應力的數(shù)量級。在故障期間和故障之后,槳距角控制可以減少氣動功率。此外,在仿真過程中筆者認為風速是恒定的,因此風速改變時對風機響應的影響在模型中是無法體現(xiàn)的。(3)電氣控制模型(WT3E)。該模型共有3種方式控制電壓和無功功率,分別是恒定電壓