双馈风电系统的建模仿真研究与设计

研究与交亩宣　

双馈感应式风力发电系统低压穿越能力仿真研究　

郑斌张新燕　新疆大学（８３０００８）　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｌｏｗ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｒｉｄｅ　Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　Ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ＺｈｅｎｇＢｉｎ　ＺｈａｎｇＸｉｎｙａｎ　ｘｉｎｊ　ｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

摘　要：在电网故障条件下，风电并网导则要求风　电发电机具备低压穿越能力。为了保护发电机及其变流　器，双馈式感应风力发电机（英文缩写ＤＦＩＧ），需要采用　Ｃｒｏｗｂａｒ保护电路为转子过电流提供旁路通道，同时抑　制直流母线过电压。文章介绍了在ＰＳＣＡＤ平台下搭建的　２ＭＷ双馈感应式风力发电系统，并对有无Ｃｒｏｗｂａｒ电路　的ＤＦＩＧ在三相短路条件下进行了仿真。结果表明：具备　Ｃｒｏｗｂａｒ电路的ＤＦＩＧ有较好的暂态特性，并且具备较强　的低电压穿越能力。　关键词：双馈感应式风力发电机低压穿越　Ｃｒｏｗｂａｒ电路暂态特性　中图分类号：ＴＭ３１５文献标识码：Ａ　ＤＯＩ编码：１０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１００６・２８０７．２０１１．０２．０１２　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｆａｒｍ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｉｎｔｏ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｖｏＲａｇｅ　ｒｉｄｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｕｎｄｅｒ　ｇｒｉｄ　ｆａｕｌｔｓ．Ｆｏｒ　ｐｒｏ－　ｔｅｃｔｉｎｇ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，Ｔｈｅ　ＤＦＩＧ　ｈａｄ　ｔｏ　ａｄｏｐｔ　ｃｒｏｗｂａｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏ　ｂｙｐａｓｓ　ｒｏｔｏｒ　ｏｖｅｒ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｕｐｐｒｅｓｓ　ＤＣ　ｂｕｓｂａｒ　ｏｖｅｒ　ｖｏｋａｇｅ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，２ＭＷ　ＤＦＩＧ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｎｄｅｒ　ＰＳＣＡＤ　ｗａｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｓｉｍｕｌｍｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｂ　ｔｉｏｎ　ｅｉｔｈｅｒ　ｗｉｔｈ　ｃｒｏｗｂａｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｒ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｉｔ　ｗａｓ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｓｐａｒａｔｅｌｙ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｓｈｏｒｔ—ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎｄｉ－　ｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＤＦＩＧ　ｅｑｕｉｐｐｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｃｒｏｗｂａｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｈａｄ　ｂｅｔ－　ｔｅｒ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｇｒｏｎｇｅｒ　ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｉｄｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｉｄｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｃｒｏｗｂａｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｅ　由于国家对可再生能源发电的重视，我国　・３３・２０１１年第２期《．乜机技术》　的风电产业已经进入了一个高速发展的阶段。其　中，ＤＦＩＧ．￣１］由于具有能够变速运行、变流器容量　小，有功与无功功率能够独立调节等优点，正成　为使用最广泛的变速恒频风力发电机之一。风电　场并网规程对风电机组的运行要求越来越多，如　要求具有外部故障下不间断运行能力和一定的　频率、无功和电压控制能力。然而，目前ＤＦＩＧ在　应对电网故障能力方面存在缺陷，在电网故障条　件下，ＤＦＩＧ的低压穿越能力的研究已成为关注　焦点【ｌｌ。　１　ＬＶＲＴ标准及要求　由于风电并入电网的要求越来越多，低电压　穿越标准的建立成为亟待解决的问题。因为要　应对并网新规则的要求，各国纷纷建立以各自电　网条件为基础的ＬＶＲＴ并网标准。其中，德国Ｅ．ｏｎ　公司的低压穿越并网要求最具代表性。２００１之　前，德国电网上的风电机组在电网故障时都会切　除。２００１年之后，能够实现简单的低压穿越，即　在定子回路接入电阻，实现故障后有功支持，但　无功功率不能控制。２００３年之后，德国Ｅ．ｏｎ提出　更高要求，要求无功电流能够作贡献用以控制电　压，并且要求风电场具备无功支撑能力，利于故　障后恢复，达到支撑电压的目的。　德国Ｅ．ｏｎ对低压穿越要求如图ｌ

第２５卷第１期　ＶＯ１．２５　ＮＯ．１　湖　北　工　业　大　学　学　报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２Ｏ１０年２月　Ｆｅｂ．２Ｏ１Ｏ　

［文章编号］１００３—４６８４（２０１０）０１—００７５—０６　

并网双馈风力发电机组的建模与仿真　

高一丹，张步涵　

（华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室，湖北武汉４３００７４）　

［摘　要］基于ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真平台搭建了双馈风力发电机组／风力发电场的暂态模型．对风速变化下　风电场并网运行的端口特性做了仿真，验证了模型的正确性．其次，对典型故障情况下并网风电场的运行进行　了仿真，分析了转速、有功无功等量的动态响应，并验证了转子侧有Ｃｒｏｗｂａｒ保护电路的双馈电机有一定的　低电压穿越能力，有助于故障情况下电网的恢复．　［关键词］双馈风机；矢量控制；解耦控制；运行特性　［中图分类号］ＴＭ３１５　［文献标识码］：Ａ　

双馈变速恒频风力发电机已经成为目前风电开　发的主流机型，它可以根据风速的变化最大限度地　

捕获风能，与电网柔性连接，而且和转子绕组相连的　

变频器仅需处理双馈发电机的转差功率，容量小，成　

本较低，已成为风力发电的研究热点和市场主流．建　立正确的双馈风机模型，正确模拟风机的端口特性　是进行风机并网运行特性等后续研究的基础口　．　

目前普遍采用的双馈变速恒频风电机组的建模　及控制目标为：通过对转子侧变流器的控制实现对　

双馈电机定子绕组有功功率和无功功率解耦控制的　

目的；通过对网侧变流器的控制实现保持变换器直　

流电压恒定，交流侧相电压和电流同相位，交流侧相　电流为正弦波的控制目标　．　

本文基于ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真平台对双馈风　力发电机组的并网运行特性进行了建模与仿真研　

究．仿真风电场为５００ＭＶＡ的大型风电场，由于其　

在电网中所占比例较大，当电网故障时，若风电场在　系统故障时采取解列退出的方式，一方面对电网稳　定性的影响不容忽视；另一方面，会增加系统恢复难　

并网型双馈风力发电机组　

的动态模型仿真研究　

凌志刚　李含善　高绢绢　

（内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特０１００８０）　研究与开发　

摘要本文在介绍双馈电机数学模型的基础上，对变流器模型采用定子磁链的定向矢量控　

制，为满足研究风速变化情况下的风力发电机组的运行特性和电网电压跌落时风电机组不脱网　

运行，通过分析风速变化和电网电压跌落情况下的双馈风力发电机组的运行特点，建立了风力　

发电机组的模型并利用ＰＳＣＡＤ软件对风电并网建模、并对风速变化以及电网电压跌落进行仿真　

分析。仿真结果验证了风速变化情况下，风电机组具有一定的动态适应能力，以及矢量控制可　

以改善系统的低电压穿越能力。　

关键词：双馈感应电机；矢量控制；低电压穿越；动态模型；ＰＳＣＡＤ　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍｏｄｅｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　

Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ　Ｄｏｕｂｌｅ－ｆｅｄ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　

ＬｉｎｇＺｈｉｇａｎｇ　ＬｉＨａｎｓｈａｎ　ＧａｏＪｕａｎｊ＂ｕａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｈｅｈａｏｔｅ　０　１　００８０）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｗｅ　ｕｓｅ　ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｏｒ　ｆｌｕｘ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ　

ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅ１　ｏｆ　ＤＦＩＧ　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓａｒｉｓｆｙ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　

ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ　ｉｎ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｗｉｎｄ　ｓｐｅｅｄ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｏｔ　ｏｆｆ－ｇｒｉｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｗｈｅｎ　ｇｒｉｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｒｏｐｓ　ｏｆｆ，ｗｅ　ｂｕｉｌｄ　

第２６卷第１２期　２０１３年１２月　广东电力　ＧＵＡＮＧＤｏＮＧ　ＥＬＥＣＴＲＩＣ　ＰＯＷＥＲ　Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．２（】１３　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１（）０７・２９０Ｘ．２０１３．１２．０１５　

基于ＰＳＣＡＤ的双馈风电机组建模与仿真　

董剑峰，许志红　

（福州大学电气工程与自动化学院，福建福州３５（）１１６）　

摘要：双馈感应风电机组仿真建模研究的文献很多，但鲜有描述双馈风电机组详细建模过程的。为此，介绍在　ＰｓｃＡＤ／ＥＭＴｃＤ软件中建立包含风力机、双馈风力发电机、变频器和控制系统的双馈感应风电机组的全过程，　在此基础上搭建系统电磁暂态仿真模型并进行仿真分析。仿真结果表明所构建的模型可实现有功、无功功率的　解耦控制和最大风能跟踪；实现保持直流母线电压恒定和交流侧单位功率因素控制；与实际双馈风电机组的风　速一输出功率具有较高的一致性。　关键词：双馈风电机组；ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ；功率解耦；仿真　中图分类号：ＴＭ６１４　文献标志码：Ａ　文章编号：１０（）７—２９０Ｘ（２０１３）１２－（）０７６—０５　

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＳＣＡＤ　

ＤＯＮＧ　Ｊｉａｎｆｅｎｇ，ＸＵ　Ｚｈｉｈｏｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｆｕｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ，Ｆｕｊｉａｎ　３５０　１　１　６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍａｎｙ　ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ　ｏｎ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｆｏｒ　ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｂｕｔ　ｆｅｗ　ｏｎ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ　ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｍｏｄｅｌ　ｉｎｃｌｕ—　ｄｉｎｇ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ／Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｉｎ　ＤＣ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｂａｓｉｓ，ｉｔ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏ—　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｅｄｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ａｃｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｒａｃｉｎｇ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ｋｅｅｐ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｂｕｓ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｉｄｅ　ｕｎｉｔ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ　ａｓ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｗｉｎｄ　ｓｐｅｅｄ—ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｉｄｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ／Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｉｎ　ＤＣ　Ｓｙｓ—　ｔｅｒｎ；ｐｏｗｅｒ　ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ