传动链模型对风机低电压穿越能力的影响

Drive － train Model for Wind Turbine LVRT Capability Influence
ZHAO Wu － peng， WANG Biao （ Anqing power supply company， Anqing 246000 ， China） Abstract： With the rapid increase of wind power generation capacity，its influence on grid is becoming more and more remarkable． The DFIG should be connected with grid and supply continual power to system when grid fault occurs． The performances of wind turbines in transient process are concerned，and the LVRT is proposed． Considering the factor of the drive train shaft tensional flexibility between the wind turbine and the generator，a two － mass and a one － mass wind turbine drive － train equivalent model are presented by using equivalent． The wind generators under a grid voltage drop are investigated and compared by using different drive － train model，the effects are analyzed． Key words： AC － excited； VSCF； wind power generation； LVRT； drive － train
统的 DFIG 转子侧电流波形如图 8 、 图 9 所示。
图8
一质量块传动链风电系统转子电流
图 11
二质量块传动链风电系统定子电流
图 12 图9 二质量块传动链风电系统转子电流
一质量块传动链风电系统电磁转矩
当电网电压发生跌落时， 由于发电机的定子直 接与电网相连， 定子电压将发生突变， 电网电压恢复 时， 风机的定子绕组将经历一个与之类似的过程 ， 因 定子都将产生较大电 此在电网电压跌落和恢复时， 流。在发生电压跌落故障时， 传动链风电系统的定 10 、 11 。 图 所示 子侧电流如图
［10 ］ 动力车、 全电动汽车以及相配套设施 。 氢能源是 ［11 ］ 贫民能源 ， 插入式氢燃料电池混合动力汽车是未
来氢燃料电池电动汽车的最佳发展方向
［12 ］
。
4
结语
公路运输业节能降耗是可持续发展的必然要 ， 提高公路设施 求 从结构性层面考虑应： 夯实基础， 水平帮助汽车在行驶中节能； 抓住重点， 优化车辆结 构， 提倡使用节能环保车型； 重视主体， 倡导运输企 业集约化经营并培养企业的节能意识 ； 跟踪配套， 调 从源头上考虑能源利用问题。 整车辆能源利用结构， 参考文献
注： 数据来源同表 1
不断提高汽车燃油效率强制性标准， 全面提高 ［9 ］ 汽车燃油效率是目前最实际的手段 。 而使用生 天然气及电力等新能源也是节能的有效手 物燃料、 ［8 ］ 段 。目前公路运输业中双燃料车的比重很低 （ 表 3、 表 4） ， 未来应大力提倡新能源和高效率车辆进入 市场。美国拟投入 160 亿美元用于发展插电式混合
通过对图8图13相应的波形进行比较可以看出电网发生电压跌落故障时不同传动链模型对图11二质量块传动链风电系统定子电流图12一质量块传动链风电系统电磁转矩图13二质量块传动链风电系统电磁转矩并网变速恒频双馈风力发电机组暂态运行性能有着不同的影响由于传动链轴系柔性的影响采用二质量块传动链模型的风力发电机组能更好的反映机组的暂态过渡二质量块传动链模型能更好的表达双馈风力机组的暂态特性因此当研究并网双馈风力发电机组暂态运行性能时采用二质量块传动链模型更具实用价值并且随着传动轴系刚度系数越小机组暂态响应的振荡幅值就越大振荡频率就结论变速恒频风力发电机组是目前的主流机组电网电压骤降是一种常见的电压故障对变速恒频风电系统低压穿越能力的研究显得尤为重要
第 30 卷， 总第 174 期 2012 年 7 月， 第4 期
《 节 能 技 术 》 ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY
Sum. No. 174 Vol. 30 ， July. 2012 ， No. 4
传动链模型对风机低电压穿越能力的影响
赵吴鹏， 王 （ 安庆市供电公司， 安徽 摘 彪 安庆 246000 ）
要： 电网电压跌落故障时风电机组应能保持与电网连接并向系统不间断供电 ， 根据风电机 组在暂态过程中的表现提出低电压穿越 （ LVRT ） 要求。 考虑传动轴扭转柔性因素， 应用等效质量 法， 建立了变速恒频风电系统传动链的一质量块等效模型和二质量块等效模型 。 当发生电网电压 跌落故障时， 对采用不同传动链模型的风电系统进行仿真比较及理论分析 。 关键词： 交流励磁； 变速恒频； 风力发电； 低电压穿越； 传动链 中图分类号： TM727 文献标识码： A 文章编号： 1002 － 6339 （ 2012 ） 04 － 0335 － 04
。
［2 ］
电压骤降是一种常见的电网故障 ， 由于风机 与电网直接相连， 当电网出现故障时， 必然影响风 机， 因此， 风机必须具有低压穿越能力 （ Low Voltage Ride － Through， LVRT ） ， 以维持电网稳定。 目前国
1
低压穿越 LVRT
低电压穿越 LVRT 就是当电网故障或扰动引起
2
传动链等效模型
等效两个质量块 和发电机转子等效为一个质量块， 的风力机传动链模型示意图如图 3 所示。
风机的机械传动部分是指从叶片到发电机转轴 这一部分， 它将风能转化为机械能， 再通过轮毂、 联 如图 1 所示。 轴器和齿轮箱将能量传递至发电机 ，
图3
二质量块传动链等效模型
图1
风力发电机组传动链示意图
图7 电网电压波形图
传动链模块是变速恒频风力发电系统的重要组 连接着风力机和双馈发电机， 当传动链采用 成部分， 不同的等效模型时， 双馈风力发电系统有不同的机 电暂态响应。 DFIG 转子侧会出现 当电网电压跌落与恢复时， 尖峰电流， 且电网电压跌落幅值越大， 尖峰电流的幅
图6 风速模块波形
值也越大， 这就对 DFIG 转子侧变流器构成了严重 威胁。一质量块传动链风电系统和二质量块风电系 · 337·
0
引言
内非常重视研究风机 LVRT 技术， 并将其列入国家 高技术研究发展计划资助项目（ 863 计划）
［3 ］
。 在风
风能是一种清洁的可再生能源， 风速不稳定性 决定了风电机组的出力也具有波动性， 变速恒频风 机是主流， 应用广泛
［1 ］
机 传 动 链 装 置 中， 传动链轴系柔性将影响风机 LVRT 能力［4 － 5］， 因此， 研究不同传动链模型对变速 恒频 风 电 系 统 LVRT 能 力 影 响 具 有 重 要 的 现 实 意义。
（ 2 ） 二质量块传动链模型 考虑轮榖和发电机之间低速传动轴的柔性， 本 文将风力机叶片和轮毂等效成一个质量块 ， 齿轮箱 · 336·
图4
二质量传动链仿真模块
图5
风力发电系统整体模型
变速恒频双馈风力发电机组假设初始稳定运行 t= 时的风速为 6 m / s， 在 t = 1 s 时风速逐渐增加， 1. 5 s 时风速达到最大值 8 m / s， t = 2 s 时突然回落 6 m / s 。 到初始风速 电网电压幅值在第 0． 9 s 时突 然骤降 20% ， 故障持续时间为 0． 1 s， 即在时间第 1 s 时故 障 切 除。 风 速 及 电 网 电 压 幅 值 如 图 6 、 图7 所示。
根据考虑的因素的不同， 可将传动链模型分为 一质量块传动链模型和二质量块模型 。 （ 1 ） 一质量块传动链模型 当硬度和阻尼系数被忽略时， 将传动部分看做一 个整体， 即可得到一质量块传动链的实用模型， 一质 量块传动链模型的优点在于其模型简单， 便于计算。 其一阶方程为 T gen － T' wrt = J d 等效转动惯量为 J d = J gen + 等效风轮转矩为 T' wtr = 式中 T wtr — — —风轮转矩； J wtr — — —风轮转动惯量； k gear — — —齿轮比； T gen — — —转子转矩； J gen — — —转子转动惯量； — —转子机械角速度。 Ω gen — 依据得到的一质量块传动链数学模型， 在软件 Matlab / Simulink 环境下搭建仿真模块如图 2 所示。 T wtr k gear J wtr k2 gear （ 2） dΩ gen dt （ 1）
的风电场并网点的电压跌落时，在一定电压跌落范
收稿日期 2012 － 01 － 10 修稿日期 2012 － 04 － 23
围内，风电机组能够不间断并网运行， 甚至向电网 提供无功功率， 支持电网电压恢复， 直到电网恢复正 常穿越这个低电压时间（ 区域） 。 · 335·
作者简介： 赵吴鹏（ 1984 ～ ） ， 男， 硕士， 主要从事输变电工程项 目前期管理与规划工作 。
4
结论
变速恒频风力发电机组是目前的主流机组， 电 网电压骤降是一种常见的电压故障， 对变速恒频风 电系统低压穿越能力的研究显得尤为重要 。传动链 （ 下转第 352 页）
表4
汽油车 柴油车 双燃料车
营运载货汽车能源结构
2003 年 54． 76% 45． 20% 0． 03% 2005 年 31． 51% 68． 43% 0． 06% 2007 年 22． 63% 76． 84% 0． 53% 2010 年 13． 65% 86． 05% 0． 29%
在 Matlab / Simulink 环境下搭建交流励磁变速 恒频风力发电系统如图 5 示， 仿真系统主要包括风
速模块、 风 机 模 块、 变 浆 控 制 模 块、 传 动 链 模 块、 DFIG 发电机模块、 DFIG 矢量控制模块和电网模块。
图2 一质量传动链仿真模块
主要仿真参数： 额定功率 15 kW， 定子额定电压 380 V， 额定频率 50 HZ， 极对数 3 ， 定子电阻 0. 379 Ω， 定 子电抗 0. 0438 H， 转子电阻 0. 314 Ω， 最大风能系数 0. 4382 ， 叶片半径 4. 3 m， 齿轮箱变比 7. 846 ， 切入风 速 4 m / s，切出风速 25 m / s。
图 13
二质量块传动链风电系统电磁转矩
并网变速恒频双馈风力发电机组暂态运行性能有着 不同的影响， 由于传动链轴系柔性的影响， 采用二质 量块传动链模型的风力发电机组能更好的反映机组 的暂态过渡， 二质量块传动链模型能更好的表达双 馈风力机组的暂态特性， 因此， 当研究并网双馈风力 发电机组暂态运行性能时， 采用二质量块传动链模 型更具实用价值， 并且， 随着传动轴系刚度系数越 ， 小 机组暂态响应的振荡幅值就越大， 振荡频率就 越低。
图 10
一质量块传动链风电系统定子电流
当电网电压发生跌落故障时， 双馈电机的定子 电流和转子电流均发生了突变， 与此同时， 双馈电机 的电磁转矩由于定子电压和定、 转子磁链的变化也 随之发生波动， 一质量块传动链风电系统和二质量 块传动链风电系统的 DFIG 电磁转矩变化情况如图 12 、 图 13 所示。 通过对图 8 ～ 图 13 相应的波形进行比较， 可以 看出， 电网发生电压跌落故障时， 不同传动链模型对 · 338·
（ 8）
— —转子角度位移； θ gen — — —风轮机械角速度； Ω wtr — — —风轮角度位移； θ wtr — k swtr — — —风轮刚度系数； k gen — — —转子刚度系数。
在软件 Matlab / Simulink 环境下搭建仿真模块 如图 4 所示。
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不同传动链模型下双馈风电系统 LVRT 响应
传动系统二质量传动链等效模型动态方程 dΩ' wtr T' wtr = J' wtr + D' e Ω' wtr + k' se （ θ' wtr － θ1 ） （ 4 ） dt － T gen = J gen θ' wtr ） dθ' wtr = Ω' wtr dt dθ gen = Ω gen dt 等效刚度 1 1 1 = + k' se k wtr k gen k2 gear 等效转动惯量 J' wtr = （ 3） 式中 1 × J wtr k2 gear （ 9） dΩ gen + D' e （ Ω gen － Ω' wtr ） + k' se （ θ gen － dt （ 5） （ 6） （ 7）