CP0535基于PSASP的不同风力发电机低电压穿越能力仿真研究

基于PSASP的不同风力发电机低电压穿越能力仿真研究张倩茅，吴向明河北省电力研究院，石家庄 050021；河北省电力公司，石家庄 050021Study of low voltage ride through capability for differentwind turbines based on PSASPZhang Qian-mao, Wu Xiang-mingHebei Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021; Hebei ElectricPower Co.，Shijiazhuang;050021ABSTRACT:To research the impact of different wind turbines, squirrel-cage wind turbines and doubly-fed&direct-drive wind turbines are simulated using PSASP in this paper. Based on analysis of rotation speed, voltage restoration, the active power and reactive power changes of the wind turbines, the conclusions are as follows: the doubly-fed inducion&direct-drive wind turbine has steady speed variation and strong LVRT stability; reactive-load compensation equipment should be installed to improve LVRT stability of squirrel-cage wind turbines.KEY WORD: PSASP; wind turbines; low voltage ride through(LVRT); simulation摘要：为研究不同类型风力发电机对电网的影响，利用PSASP中不同风力发电机模型，通过仿真比较电网发生严重三相短路接地故障时鼠笼型风力发电机和双馈直驱型风力发电机转速、出口电压、有功功率和无功功率的变化情况，得出结论：双馈直驱风力发电机低电压穿越能力较强，鼠笼型风力发电机需要加装无功补偿装置来提高其低电压穿越能力。

关键词：PSASP；风力发电机；低电压穿越能力；仿真1 引言风力发电作为新能源的主力已得到业界广泛重视，发展日趋迅速，已成为国家能源发展战略和电力结构优化调整的重要措施之一。

随着电网中风电场规模的不断扩大，以及风电技术的不断发展，造成了目前包含不同类型风力发电机在电力系统中运行的现状，因此研究不同风力发电机对电网暂态稳定性的影响非常重要。

文献[1-2]建立了恒速异步风力发电机动态模型，定义了恒速风力发电机的临界切除时间，从该发电机的机械参数、电气参数和机组并网等方面分析了影响恒速风力发电机临界切除时间的因素，文献[3-6]对双馈异步风力发电机进行了建模仿真，分析其控制策略及暂态稳定特性。

文献[7-9]分析了不同风力发电机的低电压穿越能力，并提出了相应得控制策略。

为了对常用的恒速异步风力发电机、双馈异步风力发电机和直驱永磁同步风力发电机的低电压穿越能力进行深入研究，本文利用PSASP中开发的风力发电机模型（鼠笼型异步风力发电机模型和双馈直驱风力发电机通用模型），对不同风力发电机在电网发生严重三相短路故障情况下进行仿真。

通过对不同风力发电机转速、有功功率、无功功率变化情况，以及风电场出口电压恢复情况对比，分析电网电压跌落时不同风力发电机低电压穿越能力，从而得出一些有益的结论。

2 风力发电机的数学模型PSASP 中开发了两种风力发电机模型——鼠笼型异步风力发电机和双馈直驱风力发电机通用模型，其中前者用于模拟定速定桨矩风机，后者用于模拟变速变桨矩风机。

2.1 鼠笼型异步风力发电机模型 鼠笼型异步风力发电机的等值电路如图1所示，为考虑转子回路电磁暂态过程和转子机械运动暂态过程的数学模型。

Fig.1 Equiva quirrel-cage异步发电机采用考虑转子暂态的三阶机电暂态模型：图1 鼠笼型异步风力发电机等值电路 lent ciruit of s wind tuibine()()()()()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+−+−=+−+−=−=d d d q d T '0q q d q d d dm e j sE T f I x x j E dt dE sE T f I x x j E T dt dE T T dt ds ''2''1'''2'''1'100000ππτ （1） （2）式中，T e 为发电机的电磁转矩，T m 是输发电机电磁转矩方程如下式：]ˆ'Re[I E T e &−= 入到发电机侧的机械转矩；j τ为发电机转子惯性时间常数，T’d0为定子开路时转子回路的时间常数，s 为发电机转差率。

电网发生故障时，发电机出口电压降低，在机械转矩保持不变的情况下，发电机电磁转矩的减小会造成转子加速。

在切除电网故障后的系统电压恢复过程中，发电机要从电网中吸收大量无功电流以重建发电机内部电磁场，这样就导致了电网中出现较大的冲击电流，并在风力发电机和其相连变电站的联络线上产生很大电压降，从而进一步降低了风力发电机出口电压。

如果在异步发电机新建的旋转磁场中储存的能量大于机组轴系中储存的能量，发电机转速就会降低，经过几个振荡周期后重新恢复到稳定状态；否则发电机转子转速继续增加，从电网中吸收的无功电流也会增加，风力发电机出口电压继续降低，最终失去稳定。

2.2 双馈直驱通用风力发电机模型该模型是双反馈式异步风力发电机和直驱式同步风力发电机的通用模型，对发电机部分进行了简化，一定程度上忽略换流器和变频器的动态过程。

发电机和变频器表现为由电流调节的电压源型逆变器，变频器使得风力发电机表现为电抗后的可控电压源，控制风力发电机向电网注入指定的有功和无功电流。

模型如图2所示，其基本环节包括：风力机、起连接和传动作用的装置、发电机、风电机控制系统。

其能量转换过程是：风能→机械能→电能。

图2 双馈直驱通用模型Fig.2 Doubly-fed induction& direct-rive model3 风力发电机低电压穿越能力[10]风力发电机低电压穿越 (Low V oltage Ride Through, LVRT) 能力是指在端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行，甚至还可以为系统提供一定支持以帮助系统恢复电压的能力。

德国E.ON 公司对风力发电机的LVRT 能力的具体要求为：当端电压跌至额定电压的15%时要求风力发电机能够维持运行625ms ，当风力发电机出口电压在其额定电压的90%及以上时要求风力发电机能够持续运行。

在风电场外部系统发生故障时，风力发电机的LVRT 功能能够对系统电压恢复起到积极的作用，而不会进一步加重系统故障的影响。

但是从另一个角度看，现阶段风电上网电价是制约风力发电进一步发展的瓶颈，并网标准对风电机组LVRT 能力的要求进一步增加了风电机组的造价。

因此，在风电场规划设计阶段应详细分析接入电网结构，研究系统故障时风电机组的低电压穿越能力，以此来确定风电场接入方案，确保其安全、稳定、经济运行。

4 仿真分析4.1 概述以图3所示进行风电场接入某区域电网的仿真计算。

为分析不同风力发电机的低电压穿越能力，对由33台1.5MW 双馈直驱通用风力发电机和12台750kW 鼠笼型异步风力发电机组成的风电场进行仿真。

设定风电场风速为12m/s ，1s 时A 点发生三相短路接地短路故障，故障持续0.2s 切除，仿真分析两种风力发电机的出口电压、有功功率、无功功率以及转速的变化情况。

IG DFIG690V 690V35kV 110kV无穷大系统A图3 风电场仿真电网结构图 Fig.3 Grid structure for simulation4.2 鼠笼型异步风力发电机仿真分析由仿真结果如图4可见，当电网发生三相接地短路故障后，鼠笼型风力发电机输入机械转矩保持不变而发电机输出电磁转矩减小从而导致发电机转子加速，使得在刚性度较低的机组机械轴中积累了大量动能。

鼠笼型风力发电机没有励磁回路，因此故障消失后需要从电网中吸收大量的无功功率进行励磁。

当风电场接入的电网较弱时，发电机新建的旋转磁场中储存的能量小于机组轴系中储存的动能，发电机的转速继续增加，此时从电网中吸收的无功电流也在增加，发电机出口电压继续降低造成电压崩溃，最终失去稳定。

从图中可看出，为维持鼠笼型风力发电机出口电压的动态稳定性，需要同步发电机输出一定的无功功率。

因此，鼠笼型风力发电机并网将导致其接入的局部电网电压稳定性降低。

(a)鼠笼型风力发电机转速曲线(b)鼠笼型风力发电机出口电压(c) 鼠笼型风力发电机有功功率输出(d) 鼠笼型风力发电机无功功率输出图4 鼠笼型风力发电机仿真曲线 Fig.4 simulation curves of squirrel-cagewind tubines4.3 双反馈直驱通用风力发电机电网故障切除后，双馈直驱风力发电机利用重新启动的变频器控制有功和无功电流，减小了发电机磁场重建时所造成的电网冲击电流以及发电机出口电压降落，另外通过变频器还可以控制双馈直驱风力发电机的转速。

可见与鼠笼型风力发电机相比，双馈直驱风力发电机提高了系统的稳定性。

(a) 双馈直驱风力发电机转速曲线(b) 双馈直驱风力发电机出口电压(c) 双馈直驱风力发电机有功功率输出(d) 双馈直驱风力发电机无功功率输出 图5 双馈直驱风力发电机仿真曲线Fig.5 simulation curves of doubly-fed induction anddirect-rive wind tubines5 结论本文对不同类型风力发电机进行了动态仿真，结果表明在接入电网相同的条件下，双馈直驱风力发电机能够有效地控制转速、有功功率和无功功率，和鼠笼型风力发电机相比，具备更强的低电压穿越能力，提高了系统稳定性。

为维持鼠笼型风力发电机出口电压水平，需要提高接入电网的无功储备或在其基础上加装无功补偿装置。

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