一種新型雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)研究

摘要：深入分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型并研究了新型低電壓穿越(LVRT)硬件設(shè)計(jì)原理和控制策略，并在不同控制模式下進(jìn)行仿真，對比分析了風(fēng)電機(jī)組發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落和恢復(fù)過程中相關(guān)暫態(tài)特性，同時(shí)在風(fēng)場進(jìn)行實(shí)際的LVRT測試及相關(guān)策略驗(yàn)證測試。這種新型LVRT技術(shù)有利于減小風(fēng)電機(jī)組在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落和恢復(fù)過程中相關(guān)暫態(tài)特性對風(fēng)電機(jī)組的不良影響。
關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)電機(jī)組；低電壓穿越；控制策略

1 引言
目前，為保證新能源快速發(fā)展，以及國家電網(wǎng)運(yùn)行安全，要求風(fēng)電機(jī)組必須具有LVRT能力。國內(nèi)外對于雙饋風(fēng)電機(jī)組的LVRT方案已進(jìn)行了大量深入研究，對風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障下的各種運(yùn)行狀態(tài)對電網(wǎng)的影響及各種暫態(tài)性能對風(fēng)電機(jī)組性能和使用壽命影響進(jìn)行了大量研究工作。研究表明，風(fēng)電機(jī)組在深度低電壓跌落及恢復(fù)過渡過程中，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和傳動軸、齒輪箱等部件將受到?jīng)_擊而導(dǎo)致軸系出現(xiàn)扭振，甚至可能引起軸線共振。
此處將闡述一種新型LVRT方案。深入分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型及新型LVRT硬件設(shè)計(jì)原理和控制策略，并在不同控制模式下進(jìn)行仿真。同時(shí)討論了在此技術(shù)方案下，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓低于20％的跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組不停機(jī)而正常運(yùn)行，可避免發(fā)生電網(wǎng)跌落引起電網(wǎng)的不穩(wěn)定。

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動鏈數(shù)學(xué)模型
雙饋風(fēng)電機(jī)組一般由轉(zhuǎn)子、傳動鏈(分為剛性和柔性)及發(fā)電機(jī)組成，其中大功率風(fēng)電機(jī)組一般均被當(dāng)作柔性傳動鏈模型進(jìn)行研究。此處將風(fēng)機(jī)葉片和輪轂等效為一個(gè)質(zhì)量塊，齒輪箱和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等效為一個(gè)質(zhì)量塊，如圖1所示。

雙饋風(fēng)電機(jī)組兩個(gè)質(zhì)量塊傳動鏈數(shù)學(xué)模型為：

式中：K為傳動軸系的剛度系數(shù)；Hm，Hg分別為風(fēng)電機(jī)組和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的總慣性時(shí)間常數(shù)；ωm，ωg分別為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)角速度；θs為軸系的扭轉(zhuǎn)角位移；Tm，Te分別為轉(zhuǎn)子上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；Dm，Ds，Dg分別為風(fēng)電機(jī)組與發(fā)電機(jī)之間阻力系數(shù)、風(fēng)電機(jī)組自身阻尼系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自身阻尼系統(tǒng)。

3 新型LVRT控制方案
3．1 新型LVRT硬件方案
為適應(yīng)新電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)則要求，闡述一種新型雙饋風(fēng)電機(jī)組LVRT拓?fù)浞桨?，其硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出線端與直流母線兩端新增一個(gè)二極管整流橋并聯(lián)在母線上，同時(shí)在變流器直流母線兩端并聯(lián)DBR回路(DBR電阻與IGBT串聯(lián))，Crowbar拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)采用了二極管整流橋、晶閘管和電阻。

3．2 LVRT控制策略
根據(jù)電網(wǎng)故障時(shí)電壓跌落程度不同，雙饋風(fēng)電機(jī)組的LVRT策略主要有兩種：改變變流器的勵磁控制和轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)電網(wǎng)。電網(wǎng)嚴(yán)重故障情況下，Crowbar電路觸發(fā)后和電網(wǎng)故障恢復(fù)時(shí)的暫態(tài)過程中會產(chǎn)生電流、電磁轉(zhuǎn)矩和扭矩瞬態(tài)跳變，這些暫態(tài)特性會對電網(wǎng)穩(wěn)定性、風(fēng)電機(jī)組特性和使用壽命產(chǎn)生的不良影響。為減少此影響，采取新控制策略，如圖3所示。