胡书举1,2
,李建林1
,许洪华
1
(1.中国科学院电工研究所,北京100190;2.中国科学院研究生院,北京100049)
摘 要:为增强直驱型变速恒频风电系统的低电压穿越能力,采取了变流器直流侧增加卸荷负载以在故障时消耗掉直流侧多余的能量,使风电机组的正常运行基本不受电压跌落影响的应对措施。通过对发电机侧变流器、电网侧变流器和直流侧卸荷负载工作原理的详细分析,变流器采用背靠背双PW M 结构,实现了变流器的整体建模。基于M atlab7 3/simulink6 5构建了变流器的仿真模型,对电网电压跌落时系统的跌落特性进行了变流器模型及其分析正确性的仿真验证,结果表明,采用直流侧卸荷负载可有效提高直驱系统的故障穿越能力,具有较快的动态响应速度。
关键词:直驱型风电系统;永磁同步发电机;建模;电压跌落;低电压穿越;卸荷负载中图分类号:T M 310
文献标志码:A
文章编号:1003-6520(2008)05-0949-06
基金资助项目:中国博士后科学基金项目(20060390092)。Project Su pported by China Pos t -doctorial Science Fou ndation (20060390092).
Modeling on Converters of Direct -driven Wind Power System and
Its Performance During Voltage Sags
H U Shu -ju 1,2
,LI Jian -lin 1
,XU H ong -hua
1
(1.Electrical Engineering Institute of CAS,Beijing 100190,China;2.Graduate University of CAS,Beijing 100049,China)
Abstract:T o enhance the lo w voltage ride thr ough (L VR T )capability of direct -dr iv en variable -speed const ant fre -quency (VSCF)wind power system,so me co untermeasures must be taken.By adding damp lo ad at DC -side o f the co nv erter ,r edundant ener gy at DC -side dur ing g rid faults w ill be consumed,therefo re the o per ating of w ind turbine will not be influenced by g rid v oltage sags.T he back -t o -back dual PW M co nv erter is used,and the pr inciples of g en -er ator -side conver ter,gr id -side conver ter and damp load ar e analyzed in detail,then the whole modeling o f the con -v erter is realized.T he simulation model of the co nv erter is developed based on t he M atlab7.3/simulink6.5,and the per formance dur ing g rid vo ltag e sags is simulated,w hich demo nstr ates the validity of the mo del and analysis.T he results sho w that dir ect -dr iven w ind po wer system hav e g ood capability of fault r ide thro ugh and fast dynamic re -spond speed by using damping lo ad at D C -side.Key words:dir ect -dr iven w ind pow er system;per manent mag net sy nchro no us g enerato r (PM SG );modeling ;vo lt -ag e sag s;low vo ltag e ride thro ug h(L V RT );dam p load
0 引 言
随着风力发电规模的不断增大,其在电力生产中所占的比重也越来越大,风电系统对电网的影响已经不能忽略。目前在风力发电占主导地位的一些国家,如丹麦、德国等相继制定了新的电网运行准则,只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力机脱网,当电压在凹陷部分时,发电机应提供无功功率。这就要求风电系统具有较强的低电压穿越(LVRT )能力[1]
,同时能方便的为电网提供无功支持,永磁同步发电机构成的直驱式变速恒频风电系统已被证实在这方面拥有出色的性能[2]。同时电网也要求风电系统能像传统火力发电一样,可方便控
制输出功率因数,安全的运行在一定的功率因数范围内(一般是超前0 9到滞后0 9),并且能够在电网故障如电压跌落等情况下,快速向电网提供无功,
调节系统电压[3]。国内外目前对双馈感应发电机(DFIG)风电系统低电压穿越特性的研究较多[4],但是对直驱风电系统变流器的整体建模和研究还不是很多,大部分文献中并没有考虑电网电压跌落时系统的应对措施[5]。
因此,本文从提高直驱风电系统低电压穿越特性出发,增加了直流侧卸荷负载,并对由发电机侧变流器、电网侧变流器和卸荷负载构成的变流器进行了整体建模,详细分析了各部分的工作原理。基于M atlab7.3/simulink6.5构建了直驱风电系统的仿真模型,对其在电网电压跌落时的穿越特性进行了详细的分析;通过直流侧卸荷负载使电网电压跌落发生时,发电机和电网侧变流器保持原有运行状态,不受电压跌落的影响,同时系统能够保持正常工作。
949
第34卷第5期2008年 5月
高 电 压 技 术
H igh Voltag e Engineering Vol.34No.5M ay 2008
图1 采用背靠背结构变流器的永磁同步电机风电系统
Fig.1 Wind power system using permanent magnet synchronous generator with back -to -back
converters
图2 发电机侧变流器控制框图
Fig.2 C ontrol block diagram of generator -side converter
1 系统工作原理
图1是本文采用的直驱式永磁同步电机风电系统的结构图,带有连接发电机定子和电网的全功率
背靠背变流器。发电机侧的AC -DC 变流器通过调节定子侧的d 轴和q 轴电流,控制发电机的转矩和定子的无功功率(无功设定值为0);网侧DC -AC 变流器通过调节网侧的d 轴和q 轴电流,控制直流侧电压和流向电网的无功功率[6]
,实现有功和无功的解耦控制;直流侧卸荷负载用于电网发生故障时,消耗掉直流侧积累的多余能量,因此这种风机的电压跌落表现可以看成是变流器的电压跌落表现[7]。1.1 发电机侧变流器控制方案
发电机侧变流器控制发电机的电磁转矩,使定子无功输出为0。模型以发电机转子磁通为参考坐
[8]:
s i s d -L s d i s d
d t
+L s i s q ;
s i s q -L s d i s q d t
-L s i s d + 。(1)
式中,u s d 、u s q 和i s d 、i s q 分别是发电机定子输出电压、电流的d 轴和q 轴分量;L s 和R s 分别是定子电感和电阻; 是电机转速; 为磁通。
发电机的电磁转矩方程为
T e =32
p i s q 。(2)
式中,p 是发电机极对数,式(2)表示发电机电磁转矩可以通过定子电流的q 轴分量进行控制。
图2是电机侧变流器的控制原理框图,可以实现电磁转矩和无功的解耦控制。d 轴电流参考值一般设定为0,但是为了减小功率损耗,可通过算式f ( )确定;f (P g )的输入量为转速 和输出有功功率P g ,通过一定的算法实现最大功率跟踪,确定转速参考值 *;电流环采用PI 调节,增加电压补偿项以提高动态响应[9]。
1.2 电网侧变流器控制方案
电网侧变流器控制直流母线电压的稳定及流向电网的无功功率。在两相同步旋转的dq 坐标系中,使d 轴定向于电网电压矢量,则电网侧变流器的模型可以表示为[10]
950 M ay 2008H ig h Voltage Engineering Vol.34No.5
Fig.3 Control block diagram of grid-side converter d i d
d t
d i q d t d U dc d t =
-R
L
e-S d
L
- e-R
L
-
S q
L
3S d
2C
3S q
2C
i d
i q
U dc
+
1
L
00
01
L
00-1
C
u d
u q
i L
。(3)
式中,u d、u q为电网电压的d、q轴分量;i d、i q分别为电网侧变流器输出电流的d、q轴分量;S d、S q是开关函数S k(k=a,b,c)变换到dq坐标系中的d、q轴相应的开关函数;U dc是直流侧电压;L和R分别为输出交流感抗的电感和电阻分量;C为直流侧电容;
i L为直流侧电流;w e为电网电压角频率。
图3为电网侧变流器的控制原理框图,可以实现输出有功和无功的解耦控制[11]。通过直流侧电压控制器确定d轴参考电流,控制变流器输出的有功功率,无功设定通常为0,可使系统运行在单位功率因数状态[12]。
1.3 卸荷负载控制方案
直流侧的控制方程为[6]
1 2C
d(U2d c)
d t
=P s-P g= P。(4)
式中,P s是永磁同步电机定子侧输出功率;P g是电网从风电系统中吸收的功率;
P为输入输出有功功率偏差。
图4是直流侧卸荷负载控制原理框图,其中卸荷负载由功率器件IGBT和卸荷电阻构成。卸荷电阻投入时IGBT的导通占空比d d可由下式给出
(d d U dc)2
R d = P。(5)
图4 直流侧卸荷负载控制框图
Fig.4 Control block diagram of DC side damp load
式中,R d为卸荷电阻,上式表明当直流侧功率不平
衡时,由卸荷负载吸收多余的功率。
系统正常运行时,U dc和 P在有限范围内波
动,此时d d=0,也即卸荷负载不参与工作;当 P
超出设定值时,立刻投入卸荷负载,占空比d d通过
式(5)确定,当U dc超出允许值时,使d d=1,完全投
入卸荷负载。
2 直驱风电系统跌落特性分析和仿真模型
介绍
直驱风电系统在电压跌落时,可以只在电网侧
变流器和直流侧采取应对措施,而不必影响到发电
机侧变流器以及风电机组的正常运行,这是直驱型
风电系统的故障穿越能力优于双馈式系统的地
方[13]。当电网电压跌落时,电机侧变流器并不采取
特别措施,其功能仍在于保持永磁同步发电机的正
常运行;而电网侧变流器因为电网电压跌落,同时由
于半导体的热容量有限,电流有一定的要
求[14],因此使输出功率受到,这会造成直流侧
功率不平衡,由式(4)可见电容两侧输入功率大于输
出功率,如果不增加功率泄放通道,会使直流侧电压
上升[15],对系统整体的正常运行产生影响。因此本
951
2008年5月高 电 压 技 术第34卷第5期
图5 仿真系统原理图Fig.5 Scheme of simulation system
文在直流侧增加卸荷负载电路,其电压的升高,保持直流侧的功率平衡,使故障期间风电系统仍能正常并网工作[2]。
基于上述控制原理,本文使用Matlab7 3/sim-ulink6 5构建了系统的仿真模型[16],图5是仿真系统原理图。为简化模型以恒定的交流源代替永磁同步发电机的输出,发电机侧变流器使用恒定的转速输入,通过解耦控制使输入功率因数为1,模拟PM SG定子输出无功功率为0,电网电压跌落时,使电机侧变流器的控制不变;电网侧变流器由d轴电流控制有功,q轴电流调节无功,改变q轴参考电流可方便调节输出功率因数,而电网侧变流器通常运行在单位功率因数状态[17],无功给定为零,即i*q= 0;电压跌落发生时,通过计算卸荷负载需要吸收的功率,确定卸荷电路功率器件的导通占空比,其开关频率与其他变流器相同。
详细的仿真参数如下:输出功率为100kVA,输出线电压有效值为600V,直流侧电压额定值为1200V;功率器件为IGBT,开关频率均为2kH z;直流侧电容6800 F,输入电感1mH,输出滤波电感1 2mH,卸荷负载R d=5 ;直流母线电压控制器PI参数为k p=0 002,k i=0 05,电机侧和电网侧变流器电流调节器PI参数均为k p=2 5,k i=500。
3 跌落特性仿真结果
本文对直驱风电系统运行在单位功率因数下的跌落特性进行了仿真,电网侧变流器无功给定为0,电压跌落的幅度为50%,跌落持续时间为0 5s, 1 5s跌落开始,5s跌落结束。仿真波形见图6,包括电网侧变流器输出侧a相电网电压、a相电流、有功、无功功率以及直流侧电压的波形,仿真中各量都采用标幺值形式。
从图6的波形可见跌落发生时电压的有效值降至额定电压的50%,而跌落期间电流增大,但是受到电网侧变流器限流环节的作用[8],输出电流i a,p u 不会超过1 5,图中显示跌落期间电流i a,pu约为1 4。从有功和无功波形可见仿真模型实现了有功和无功的解耦控制,无功功率Q pu基本为0。电压跌落的瞬间,由于电流不能突变,因此输出有功功率很快跌落至额定的60%左右,而随着电流的增大,有功功率P pu也增大,在跌落期间约为0 7,在电压恢复后,同样由于电流不能突变,有功P pu瞬间达到1 3左右,从波形上也可见电压恢复时有功出现一个尖峰,经过短时的振荡后,有功恢复至额定值;无功在电压跌落和恢复的瞬间都有一个小的波动。直流侧电压在电压跌落时有一个上冲,经过控制器的调节后逐渐恢复至额定值,电压恢复时有一个下陷,电压的波形可以与有功的波形相对应,电压跌落时电容上输入的功率瞬间增大,因而电压出现上升,对应恢复时电容上输出的功率瞬间增大,因而电压出现下降。
仿真中发现,不采用卸荷负载时直流侧电压会出现较大的上升,实际中可能会超过直流侧电容的电压上限;同时去掉电网侧变流器限流措施,在电压
952
M ay2008H ig h Voltage Engineering Vol.34No.5
图6 50%-0.5s跌落时电网侧变流器的
仿真波形(功率因数为1)
Fig.6 Simulation w av eforms of grid-side converter
during50%-0.5s voltage sag(PF=1)
跌落幅度较多时,为了维持输出功率,电流标幺值变得非常大[18],可以超过5甚至更大,这在实际使用中会造成变流器功率器件的损坏。
4 结 语
新的电网规则要求大型变速恒频并网风电系统具有低电压穿越能力,对于直驱型变速恒频并网风电系统,通过在变流器直流侧增加卸荷负载,可以在电网电压故障时消耗掉直流侧多余的能量,使电网电压跌落发生及恢复时,直驱风电系统仍能保持并网和正常运行,发电机和电机侧变流器可以基本不受电压跌落的影响,具有较快的动态响应速度,从而有效提高直驱风电系统的低电压穿越能力。使用卸荷负载提高故障穿越能力的方法适用于短时电网电压跌落故障,如果跌落持续时间较长,则需要辅助采用其他控制策略如变桨等风电机组输入的功率;文中主要针对三相对称跌落故障,对其他类型的跌落故障,还需要进一步的探索。
参考文献
[1]M orren J,de H ann S W.Ride-through of w ind turbin es with
doubly-fed induction generator during a voltage dip[J].IEEE T ran saction s on En ergy Convers ion,2005,20(2):435-441. [2]Abbey C,J oos G.Effect of low voltage ride through(LVRT)
ch aracteristic on voltage stab ility[C] IEEE Pow er Engineer-ing Society General M eeting.San Francisco,USA,2005,2: 1901-1907.
[3]Kai Pietil ain en.Voltage sag ride-through of AC drives:con tr ol
and analysis[D].Stock holm,Sw eden:Electrical M achines an d Pow er Electronics Departmen t of Electrical Sys tems Royal Ins t-i tute of Technology,2005.
[4]李建林,许鸿雁,梁 亮,等.VSCF-DFIG在电压瞬间跌落情况
下的应对策略[J].电力系统自动化,2006,30(19):65-68.
LI Jian-lin,XU H ong-yan,LIANG Liang,et al.Strategy to cope w ith the VSCF-DFIG du ring voltage dip[J].Au tomation of Electric Pow er S ystems,2006,30(19):65-68.
[5]徐 科,胡敏强,郑建勇,等.风力发电机无速度传感器网侧功
率直接控制[J].电力系统自动化,2006,30(23):43-47.
XU Ke,H U M in-qiang,ZH EN J ian-yong,et al.Direct-con tr ol grid-connected power with none direct s peed meas urem ent of d-i r ect-drive w ind generator[J].Automation of Electric Pow er System s,2006,30(23):43-47.
[6]M orren J,Pierik J T G,de H aan S W H.Voltage dip rid e-
th rough control of direct-drive win d turbines[C] 39th Interna-tional U nivers ities Pow er Engineering Con feren ce(U PE C2004).
Bristol,U K,2004,3:934-938.
[7]M ullane A,Lightbody G,Yacamini R.Wind-turbin e fault rid e-
through en han cem ent[J].IEEE Transactions on Pow er Sys-tems,2005,20(4):1929-1937.
[8]Chinchilla M,Arnaltes S,Burgos J C.Control of perm an ent-
magnet g enerators applied to variable-speed w ind-energy sys-tem s connected to the grid[J].IEEE T rans action s on Energy Conversion,2006,21(1):130-135.
[9]Wang Fengxiang,H ou Qingming,Bo J ianlong,et al.Study on
control system of low speed PM generator direct driven by win d tu rbine[C] Proceedings of the E ighth In ternation al Confer-ence on Electrical M achines and Sys tems(ICEM S2005).Nan-jing,Ch ina,2005,2:1009-1012.
[10]Pena R,Clare J C,Asher G M.Doub ly fed indu ction gen erator
using back-to-back PWM converters an d its application to var-i able-s peed w ind-en ergy generation[J].IE E Proceedings-Elec-tric Pow er Applications,1996,143(3):231-241.
[11]段大鹏,孙玉坤,潘春伟.基于三相VS I的SVG动态建模与仿
真研究[J].高电压技术,2006,32(6):84-87.
DUAN Da-p eng,SU N Yu-kun,PAN Chu n-w ei.Dynamic m odeling and s imulation of three-phase VS I-based SVG[J].
953
2008年5月高 电 压 技 术第34卷第5期
H igh Voltage Engin eering,2006,32(6):84-87.
[12]Chuanw ei Yang,Hui Lian g,Jiu chun Jiang.M odeling and s im-
ulation of AC-DC-AC converter s ystem for M W-level direct-drive w ind tu rbine grid interface[C] 37th IEEE Power Elec-tr on ics Specialists Conference(PESC'06).Jeju,Korea,2006: 1-4.
[13]Abbey C,Kh odabakhchian B,Zhou F,et al.Transient model-
ing and comparis on of win d gen erator topologies[C] Interna-tion al Confer ence on Pow er Systems T rans ients(IPS T'05).
M ontreal,Canada,2005:131-136.
[14]Karlsson P,Bjornstedt J,Strom M.Stab ility of voltag e and
frequency con trol in distributed generation bas ed on paralle-l conn ected con verters feeding con stan t p ow er load s[C] 2005 European C on feren ce on Pow er Electronics and Applications.
Dr esden,Germany,2005:10-15.
[15]Pierik J T G,M orr en J,Wiggelink huizen E J.Electrical and
control aspects of offsh ore w ind farms (Erao )Volume2: Offsh ore w ind farm cas e studies[R].Petten,Netherlands: T echnical report ECN-C-04-051,2004:78-79.
[16]黄绍平,彭 晓,浣喜明.基于M AT LAB的高压直流输电系统
的建模与仿真[J].高电压技术,2004,30(3):53-55.
H UANG Sh ao-ping,PENG Xiao,H UAN X-i ming.M odel and
sim ulation of HVDC pow er tran smiss ion system based on M AT LAB[J].H igh V oltage Engineering,2004,30(3):53-
55.
[17]Raju A B,Fernandes B G,C hatterjee K.A UPF pow er cond-i
tioner w ith maximum pow er p oin t tracker for grid connected variab le s peed w ind en ergy con version system[C] Proceed-ings of2004First International Conferen ce on Pow er Electron-ics S ystems and Applications.H on g Kong,C hina,2004:107-112.[18]Polisetty V K,Jetti S R,Vena G K.Intelligent integration of a
w ind farm to a utility pow er netw or k with im proved voltage stability[C] Conference Record of The2006IE EE Indus try Applications Conference Forty-First IAS An nual M eetin g.
Florida,U SA:World Scientific and Engineering Academy an d S ociety(WS EAS),2006,3:1128
-1133.
H U S hu-ju
Ph.D.can didate
胡书举
1978 ,男,博士生
研究方向为电力电子与电力传动、风力发
电控制技术
电话:(010)625247
E-mail:h ushu ju@mail.iee.ac.cn
LI Jian-lin
Ph.D.
李建林
1976 ,男,博士
研究方向为电力电子技术、变速恒频风力
发电技术
XU H ong-h ua
Professor
许洪华
1967 ,男,研究员,博导
研究方向为风力发电、太阳光伏发电以及
电力电子技术
收稿日期 2007-04-02 编辑 陈 蔓
954
M ay2008H ig h Voltage Engineering Vol.34No.5下载本文
