一種新型雙饋風電機組低電壓穿越技術研究

摘要：深入分析了雙饋風電機組的數(shù)學模型并研究了新型低電壓穿越(LVRT)硬件設計原理和控制策略，并在不同控制模式下進行仿真，對比分析了風電機組發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落和恢復過程中相關暫態(tài)特性，同時在風場進行實際的LVRT測試及相關策略驗證測試。這種新型LVRT技術有利于減小風電機組在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落和恢復過程中相關暫態(tài)特性對風電機組的不良影響。
關鍵詞：雙饋風電機組；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)運行安全，要求風電機組必須具有LVRT能力。國內外對于雙饋風電機組的LVRT方案已進行了大量深入研究，對風電機組在電網(wǎng)故障下的各種運行狀態(tài)對電網(wǎng)的影響及各種暫態(tài)性能對風電機組性能和使用壽命影響進行了大量研究工作。研究表明，風電機組在深度低電壓跌落及恢復過渡過程中，發(fā)電機的電磁轉矩和傳動軸、齒輪箱等部件將受到?jīng)_擊而導致軸系出現(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。深入分析了雙饋風電機組的數(shù)學模型及新型LVRT硬件設計原理和控制策略，并在不同控制模式下進行仿真。同時討論了在此技術方案下，當發(fā)生電網(wǎng)電壓低于20％的跌落時，風電機組不停機而正常運行，可避免發(fā)生電網(wǎng)跌落引起電網(wǎng)的不穩(wěn)定。

2 雙饋風力發(fā)電機組傳動鏈數(shù)學模型
雙饋風電機組一般由轉子、傳動鏈(分為剛性和柔性)及發(fā)電機組成，其中大功率風電機組一般均被當作柔性傳動鏈模型進行研究。此處將風機葉片和輪轂等效為一個質量塊，齒輪箱和發(fā)電機轉子等效為一個質量塊，如圖1所示。

雙饋風電機組兩個質量塊傳動鏈數(shù)學模型為：

式中：K為傳動軸系的剛度系數(shù)；Hm，Hg分別為風電機組和發(fā)電機轉子的總慣性時間常數(shù)；ωm，ωg分別為風輪和發(fā)電機角速度；θs為軸系的扭轉角位移；Tm，Te分別為轉子上的機械轉矩和發(fā)電機的電磁轉矩；Dm，Ds，Dg分別為風電機組與發(fā)電機之間阻力系數(shù)、風電機組自身阻尼系統(tǒng)及發(fā)電機轉子自身阻尼系統(tǒng)。

3 新型LVRT控制方案
3．1 新型LVRT硬件方案
為適應新電網(wǎng)運行規(guī)則要求，闡述一種新型雙饋風電機組LVRT拓撲方案，其硬件拓撲結構如圖2所示。發(fā)電機轉子出線端與直流母線兩端新增一個二極管整流橋并聯(lián)在母線上，同時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拓撲電路結構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)故障時電壓跌落程度不同，雙饋風電機組的LVRT策略主要有兩種：改變變流器的勵磁控制和轉子側Crowbar保護電網(wǎng)。電網(wǎng)嚴重故障情況下，Crowbar電路觸發(fā)后和電網(wǎng)故障恢復時的暫態(tài)過程中會產(chǎn)生電流、電磁轉矩和扭矩瞬態(tài)跳變，這些暫態(tài)特性會對電網(wǎng)穩(wěn)定性、風電機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。