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(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)量塊，齒輪箱和發(fā)電機轉(zhuǎn)子等效為一個質(zhì)量塊，如圖1所示。
雙饋風電機組兩個質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角位移；Tm，Te分別為轉(zhuǎn)子上的機械轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)子側(cè)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(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。
①正常電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時的DBR控制(非0-Power模式)：即通過控制并聯(lián)在直流母線上的DBR回路中的DBR電阻釋放暫態(tài)能量，保證風電機組穩(wěn)定運行，并網(wǎng)斷路器Q2．6一直處于閉合狀態(tài)；②0-Power控制：即電網(wǎng)電壓極端跌落時(u／ur<20％，u為測試實際電壓，ur為額定電壓)，斷開Q2．6，然后通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar或DBR回路實現(xiàn)電網(wǎng)保護。采用上述控制策略，既滿足了國家標準，又避免了電網(wǎng)發(fā)生故障時風電機組頻繁觸發(fā)使得Crowbar電路對風電機組使用壽命和性能的產(chǎn)生影響。
下面對LVRT控制策略進行敘述。雙饋風力發(fā)電機組在電網(wǎng)電壓瞬間跌落時，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，從而會產(chǎn)生直流分量。由于積分量減小，定子磁鏈幾乎不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大滑差，從而引起轉(zhuǎn)子繞組過壓、過流，機側(cè)變流器(GSC)的IGBT橋臂閉鎖且Crowbar電路又不啟動：轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的高暫態(tài)電流通過二極管整流橋不控整流后，交流變?yōu)橹绷鳎B加到直流母線電容上。當直流母線電壓Udc>1 250 V，控制指令采用遲滯環(huán)控制原理控制DBR回路IGBI開通或關閉，母線能量通過與IGBT串聯(lián)的DBR電阻泄放，從而維持Udc穩(wěn)定。
(1)DBR控制(非0-Power模式)
①電網(wǎng)電壓輕度跌落(u／ur>50％，平衡和不平衡跌落)，DBR泄放能量+GSC持續(xù)可控，風電機組處于全控狀態(tài)，Crowbar電路不觸發(fā)；②電網(wǎng)電壓重度跌落(20％≤u／ur≤50％)，閉鎖GSC，DBR泄放能量穿越故障，Crowbar電路不觸發(fā)。非0-Power模式下軟件控制流程如圖4所示。
(2)0-Power模式
電網(wǎng)電壓極端跌落(u／ur<20％)，GSC閉鎖，Q2．6斷開，風電機組正常運行。通過控制Crowbar電路或DBR回路釋放轉(zhuǎn)子側(cè)積累能量，實現(xiàn)風電機組直流母線電壓Udc的穩(wěn)定控制，當電網(wǎng)相關性能恢復后，Q2．6閉合，實現(xiàn)風電機組正常并網(wǎng)運行，其控制流程如圖5所示。
4 仿真與實驗
4．1 仿真分析
額定風況時，電網(wǎng)電壓發(fā)生20％不平衡跌落，2 MW風電機組在所述兩種控制策略下對其暫態(tài)特性進行仿真。風電機組在發(fā)生LVRT跌落和恢復過程時，其發(fā)電機和齒輪箱暫態(tài)軸扭矩載荷仿真結果如圖6所示，其中upha為風機相電壓，it為風機總電流，Tgen為風機扭矩，Tgea為齒輪箱扭矩。
綜上所述：①風電機組在非0-Power控制模式下，發(fā)電機和齒輪箱軸承受額外的附加不良扭矩，影響機組長時間運行的特性和使用壽命；LVRT發(fā)生或恢復過程中產(chǎn)生大的暫態(tài)電流，可能觸發(fā)風電機組變流器的保護定值；在外部電網(wǎng)恢復過程中無功的注入具有挑戰(zhàn)；②風電機組在0-Power控制模式下，發(fā)電機和齒輪箱軸不承受額外的附加不良扭矩；在外部電網(wǎng)恢復過程中，電流的各種暫態(tài)無沖擊且平穩(wěn)過渡。
4．2 實驗分析
以對某公司2 MW雙饋風力機組在國家實驗中心進行LVRT測試。風電機組在新型LVRT方案下進行LVRT測試并通過國家關于LVRT測試標準?，F(xiàn)以電網(wǎng)(機組運行功率為2 MW，風速大于額定風速12 m／s)發(fā)生20％不平衡跌落為例，進行非0-Power模式及0-Power模式實際測試，實驗波形如圖7，8所示。
由圖7，8可知：①風電機組在非0-Power控制策略下通過國家關于LVRT的測試：②在非0-Power控制模式下，風電機組的有功在LVRT發(fā)生過程和恢復過程存在暫態(tài)波動或額外峰值；③風電機組在0-Power控制模式下可實現(xiàn)LVRT，在LVRT發(fā)生和恢復過程不存在有功暫態(tài)波動或峰值；④由于實驗測試時未對風電機組發(fā)電機軸和齒輪箱軸進行扭矩監(jiān)測，因此沒有實際測試數(shù)據(jù)驗證不同控制模式下其暫態(tài)特性。
5 結論
新型LVRT技術方案經(jīng)過實際測試，從仿真和測試波形分析驗證了此技術方案硬件和非0-Power控制模式的正確性。由于實驗測試時未對風電機組發(fā)電機軸和齒輪箱軸的扭矩進行監(jiān)測，后續(xù)進行其他特性測試的同時，進行了風電機組機械特性測試驗證。同時提出了一種0-Power控制模式，在風電機組電網(wǎng)電壓跌落低于20％情況下實現(xiàn)了風電機組不停機穿越電網(wǎng)故障，而且在此控制策略下可減少風電機組在LVRT發(fā)生和恢復過程中暫態(tài)對風電機組的不良影響。0-Power控制策略為研究風電機組LVRT技術提供了一種研究思路來改善風電機組在LVRT發(fā)生過程中所產(chǎn)生的機械載荷機組本身產(chǎn)生的不良影響，以達到提高風電機組使用壽命的目的，然后再采取不同技術改善機組的LVRT性能。
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