双馈风电机组低电压穿越参考功率优化整定_王健

例，dq 同步旋转坐标系下，取 q 轴领先 d 轴 90° 电角度，DFIG 数学模型[15-18]为
⎧⎪usd ⎪ ⎪⎪usq
= =
− Rsisd − Rsisq
+ +
dψ sd dt
dψ sq
dt
− ω1ψ sq + ω1ψ sd
⎨ ⎪⎪urd
=
Rrird
+
dψ rd dt
− sω1ψ rq
(1)
双馈感应发电机(doubly fed induction generator, DFIG)是目前风力发电采用的主流机型之一，通过 背靠背四象限变流器(根据安装位置可分为转子侧 变流器和电网侧变流器)对转子绕组进行励磁，从而 使 DFIG 实现变速恒频运行。目前商用 DFIG 较为 成熟的 LVRT 方法是基于主动式 crowbar 保护的方 法[5-6]，即当电压跌落激发转子电流达到 crowbar 保 护定值 icbset 时，投入 crowbar 保护，同时封锁转子 侧变流器控制脉冲。电压跌落期间，风电机组进入
ABSTRACT: On basis of existing low voltage ride-through (LVRT) method of wind turbines with doubly fed induction generator (DFIG), an optimal setting of reference power for LVRT of wind turbines with DFIG is proposed. Based on detailed analysis of electromechanical transient process of DFIG after action of crowbar protection triggered by voltage dip in grid, according to rotor motion equation, criterion for checking overspeed is deduced and setting formulas for reference power of DFIG is presented. Simulation example of a 1.5 MW wind turbine with DFIG is constructed in PSCAD/EMTDC V4.2.0. Simulation results show that increasing degree of rotor speed is reduced and DFIG offers certain amount of reactive power to grid during voltage dip based on the proposed method for optimal setting of reference power, therefore verifying effectiveness of the proposed method.
第 39 卷 第 10 期 2015 年 10 月
文章编号：1000-3673（2015）10-2772-08
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 614 文献标志码：A
Vol. 39 No. 10 Oct. 2015
学科代码：470·40
双馈风电机组低电压穿越参考功率优化整定
KEY WORDS: wind turbine with doubly fed induction generator; low voltage ride-through; crowbar protection; overspeed; electromechanical transient
摘要：在综合双馈风电机组已有低电压穿越方法的基础上， 提出一种双馈风电机组低电压穿越参考功率优化整定方法。 在详细分析电压跌落引发 crowbar 保护动作后的双馈风电机 组机电暂态过程的基础上，根据转子运动方程，推导了电压 跌落持续期间双馈感应发电机不发生超速脱网的条件，给出 了双馈感应发电机参考功率的整定计算公式。基于 PSCAD/EMTDC V4.2.0 仿真软件，搭建了某型号 1.5 MW 双 馈风电机组的低电压穿越仿真模型。仿真结果表明，在电压
王健 1，严干贵 2，郑超 3，沈清坤 2，李放 2
（1．华北电力大学 电气与电子工程学院，北京市 昌平区 102206； 2．东北电力大学 电气工程学院，吉林省 吉林市 132012； 3．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192）
Optimal Setting of Reference Power for Low Voltage Ride-Though of Wind Turbines
⎪ ⎪⎩ urq
=
Rrirq
+
dψ rq dt
+
sω1ψ rd
⎧ψ sd = (Lsl + Lm )(−isd ) + Lmird
⎪⎪ψ sq = (Lsl + Lm )(−isq ) + Lmirq ⎨⎪ψ rd = Lm (−isd ) + (Lrl + Lm )ird
(2)
⎪⎩ψ rq = Lm (−isq ) + (Lrl + Lm )irq
第 39 卷 第 10 期
电网技术
2773
LVRT 模式。电压恢复正常后，风电机组返回正常 运行方式[7]。
电压跌落持续期间，LVRT 模式采用的控制策 略可分为传统控制策略和改进控制策略两种[8-11]。 传统控制策略在电压跌落持续期间，一直投入 crowbar 保护，将 DFIG 转子三相绕组经 crowbar 保 护电阻 Rcb 短路，DFIG 处于鼠笼异步电机状态。电 压恢复正常后，退出 crowbar 保护，重新启动转子 侧变流器，使 DFIG 返回正常运行方式。基于传统 控制策略，在电压跌落持续期间，一方面，DFIG 会从电网吸收无功功率，引起风电场电压进一步下 降；另一方面，crowbar 保护投入改变了 DFIG 的电 磁转矩，引发 DFIG 后续的机电暂态，可能引起 DFIG 转子加速，严重时会触发超速保护动作，导 致 DFIG 发生超速脱网。已有运行记录数据显示， 确有双馈风电机组超速脱网的实例[12]。
本文基于电压跌落持续期间 DFIG 的功率调节 边界条件，提出 LVRT 模式下 DFIG 参考功率的优 化整定方法。该方法可兼顾降低超速脱网风险和向 电网提供无功功率支持两个方面。然后，基于某型 号 1.5 MW 双馈风电机组，对所提出的参考功率优 化整定方法进行仿真验证。
1 DFIG 数学模型
双馈风电机组主要由风力机、DFIG、背靠背四
忽略 Rs，将定子电压矢量定向于 dq 同步旋转 坐标系的 q 轴，稳态时有 usd=0，usq= 2 U1(U1 为定 子相电压有效值)，ψsd=usq/ω1，ψsq=0。
⎧ ⎪⎪
Ps
=
3 2
(usdisd
+
usqisq )
⎨ ⎪⎪⎩ Qs
=
3 2
(usqisd
− usdisq )
(3)
dΩr dt
=
ω1 Tj(Tm*Βιβλιοθήκη − Te* )(4)
式中：所有参数均折算到定子侧；u 为电压；i 为电 流；ψ 为磁链；R 为电阻；L 为电感；下标 s 和 r 分别表示定子量和转子量；下标 d 和 q 分别表示 d 轴分量和 q 轴分量；下标 l 和 m 分别表示漏感和互 感；ω1 为同步角速度；s 为转差；Ps 和 Qs 分别为定 子发出的有功功率和无功功率；上标*表示标幺值； Ωr 为转子机械角速度；Tm 为机械转矩；Te 为电磁转 矩；Tj 为惯性时间常数。
关键词：双馈风电机组；低电压穿越；crowbar 保护；超速； 机电暂态 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.10.014
0 引言
近年来，全球风电发展迅猛。中国规划并建设 了 10 个千万千瓦级风电基地，根据中国电力企业 联合会统计数据，截至 2015 年 2 月底，中国并网 风电装机容量达到 100.04 GW，稳居世界首位。
With Doubly Fed Induction Generators
WANG Jian1, YAN Gangui2, ZHENG Chao3, SHEN Qingkun2, LI Fang2
(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 3. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China)
针对传统控制策略存在的不足，不同文献提出 了不同的改进控制策略。文献[9]采取传统控制策略 与桨距角控制相结合的策略，即在电压跌落持续期 间，通过增大桨距角来减小 DFIG 的机械转矩从而 抑制转子加速。因桨距角响应速度较慢，对跌落较 深、持续时间较长的电压跌落，此策略的效果并不 理想[13]。而且采用此策略 DFIG 仍会从电网吸收无 功功率，不能向电网提供无功功率支持。文献 [10-11,14]提出基于转子侧变流器和 crowbar 保护的 协调控制策略，即电压跌落引起 crowbar 保护投入 后，在电压跌落持续期间，待转子电流衰减到一定 程度后退出 crowbar 保护，重新启动转子侧变流器， 通过转子侧变流器的控制增大 DFIG 输出的无功功 率，减少 DFIG 输出的有功功率。此策略主要关注 电压跌落持续期间 DFIG 输出的无功功率对电网电 压的支撑作用，没有考虑 DFIG 输出的有功功率对 转子转速的影响。输出的有功功率过小将使得电磁 转矩过小，可能引起转子持续加速，严重时仍会导 致 DFIG 发生超速脱网。因此，基于此策略，转子 侧变流器重新启动后的参考功率整定还需研究。