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电网故障后双馈风机低电压穿越能力分析

0dfig的lvrt性能研究在风电站的电气服务运行中，风电站必须具有一定的低压穿越能力（lvrt），当电网发生故障时，可以稳定过大，整个供电网络系统可以稳定运行。大多数针对DFIG的LVRT性能的研究主要集中在假设其处于额定风速下进行分析,但这大大降低了分析的精确性。由于大型风电场内各个机组之间的输入风速存在相互影响,也即存在着尾流效应,以及各风机的输入风速所包含的风特性可能有所区别,所以必须考虑它们对风电场系统建模、风场输出特性,以及对被并入电网的稳定性影响。本文就以上所指出的问题,在MATLAB/Simulink中搭建了能够表征自然风的风特性模型,包括基本风分量、阵风分量、渐变风分量、随机风分量;风电场并网的基本模型。就尾流效应以及风特性的不同对DFIG并网后的LVRT能力进行仿真研究。1dfig模型1.1空气动力学模型作为风力发电系统中最重要的部件,风力发电机是将风能转化为电能的重要环节。由空气动力学的相关知识可得出其输出的机械转距及功率分别如下:式中:ρ———流过风机的自然风的密度;R———风机叶片的半径;v———风机叶片所接受的实时风速;Cω———风机旋转角速度;P1.2方程在dq坐标下的转差率DFIG稳定状态下的磁链方程、电压方程在dq坐标下的数学方程如下IUs———转差率;r定、转子侧的有功功率P发电机的电磁转矩数学表达式为2风速四分量风特性在对风速的建模与仿真过程中,国内外比较普遍的方法是将自然风看成是由基本风、随机风、阵风及渐变风自由组合下所形成的,即风速四分量,或者说是风特性。不同情况下可以将四分量中的一种或多种分量相叠加来模拟想要的风速模型,从而能够更加精确地描述出自然风状态的间歇性及波动性的特点。2.1风机功率调调理论风特性中基本风作为风力机获得风能的最基础的风速分量。决定了风机的输出功率基调,理论上是由威布尔分布推导出来的。其数学方程为式中:v基本风的风速可以将其认定为,在短时间内不会发生变化,其由风电场所处地理环境以及气候条件决定。2.2配置阵风的特点为在不确定的情况下,风速突然发生变化。其数学方程描述为式中:v2.3斜风吹渐变风的特点为其随时间呈线性变化,或按着某种规律变化的风速分量。其数学方程描述为式中:v2.4风速随机变量的寻风特性中有一种风速分量无任何变化规律可寻,风速的大小随机变化,这部分分量为随机风。其数学方程描述为式中:vN———取样点个数;ωφμ———平均风速。2.5输入风速模型自然界中真实的风就是将以上提到的几种风特性相组合,得出想要的输入风速模型。真实风速可以由其中的一种或几种组合得到,通过调节各种风特性所占的比重不同,在仿真过程中对实际风况进行化简,自然风的数学方程描述如下:3尾流效应的测定自然风通过风机后,风电机组吸收风能将其转化成为机械能进而转化为电能。这时自然风所携带能量有所下降,处于下风向的风机的输入风速就会相应减小,将风能转化为机械能的能力也相应减弱,这种现像称之为尾流效应。尾流效应的强弱与很多因素有关,如风机之间的间距大小、所处地形的不同、风向风速的大小,以及上风向风机对下风向风机的遮挡面积的差异等,都会影响风机间的尾流效应关于尾流效应的理论建模,比较成熟的有适用于平坦地势以及复杂地势下的尾流效应模型,分别是Jensen模型、Lissaman模型3.1jenen模型图1中X是两台风机之间的距离,R、R风机的推力系数C尾流效应的衰减因子经验公式如下:其中,A≈0.5,Z3.2台风机初始风速很多情况下风电场都会建设在地形比较复杂的山区,风电场内各机组接收到的风速会随着其所处高度的不同而变化,这时选用Lissaman模型来分析有损耗的非均匀风电场内尾流效应假设两台风机接收到的初始风速均为v式中:α———地面摩擦因数,如果是平坦的地形,一般α的取值为0.15。如果x=0处有风电机,则应考虑尾流效应,x=X处风速为式中:d根据Jensen模型可知:式中:m———引入的中间参数。将无损贝努利方程进行线性化处理:将式(13)~式(16)整理得引用网侧变流器电网电压失量控制策略,其数学方程描述如下电流内环电压外环所组成的双闭环结构,可以将有功与无功进行有效的解耦控制,直流电压的外环控制可以稳定直流电压,dq轴电流通过电流内环进行反馈控制,加上前馈的解耦便可以输出控制量u4风电场及应用仿真目的是验证在尾流效应及风特性的影响下对DFIG的LVRT能力的影响分析,在MATLAB/Simulink平台中搭建了能够表征自然风的风特性模型,包括基本风、阵风、渐变风、随机风;风电场并网的基本模型仿真分析假设风电场处于复杂地形,由48台风机按6排8列整齐布置,每台风机的额定功率为1.5MW。由于风电机组都安装有偏航控制系统,所以可以确保每台风机的迎风面都垂直于来风风向。为了方便分析,假设来风风向与风机排列方式垂直,这样处于同一排的风机的输入风速可认为基本相同、运行状态步调一致,可以将同一排的风机看成一台风机,这样风电场被简化成8台风机顺着来风风向依次排列。风机之间的距离为350m,选取一种特殊的复杂地形,简化后的每台风机高度逐渐升高,相邻的两台风机高度差为20m,如图4所示,更加复杂的地势仿真原理相同。仿真的具体步骤如下:假设风电场并网运行后,12s时电网发生不同情况的短路故障,同时机组并网点电压暂降到0.8p.u.和0.4p.u.,短路故障持续0.15s后消除。为了考虑不同风特性对风场的LVRT能力的影响,在12~14s时间段内考虑三种风速分量叠加到基本风之上分别作用于风场,基本风速为12.5m/s;三种风特性的最大幅值均为1m/s,各风特性的仿真图形如图5所示。由前文关于尾流效应的介绍,根据相关公式算出简化后的各台风机的输入风速如表1所示。如果不考虑尾流效应与风特性的影响,则风电场输入风速以及LVRT能力都与1号风机相同。这里为了体现尾流效应的作用,选取1、4、8号等效风机进行仿真分析比较。4.1尾流效应对风电场的影响风电场并网运行后突发单相接地短路故障由图6~图8可以看出,三种风特性对风电场的有功输出能力影响有所区别,其中渐变风与基本风叠加后作用于风机使得其有功功率输出量增加最大;随机风与基本风叠加后作用于风机其有功功率输出量增加最少,并且输出功率随着风速的变化波动,输出有功不稳定;阵风与基本风叠加后作用于风机使得其有功功率输出幅值波动最剧烈。受尾流效应影响,1、4、8号风机输出的有功逐渐降低,当风电场正常并网运行时,尾流效应使得下游风机输出有功功率减小,降低了风能的利用效率,表现出了尾流效应的不利之处。但是当电网发生短路故障时,尾流效应又会表现出其对风电场提高LVRT能力的有利之处,即当电网故障时,风电机组所产生的有功功率不能传输给电网,只能够将产生的电能在风机内部通过阻性元件以热能的方式消散。这样既浪费了电能,又由于风机内温度的大幅度提高,对双馈电机内的各种元器件以及大量用于风机控制的电力电子元件产生较大的：。由于尾流效应的作用,在故障时处于下游的风机由于有功功率的产出较少,故产生的有害热量也随之减小,便提升了风机在故障期间的LVRT能力,增强了风电机组的稳定安全运行能力。电网的正常运行才是常态,应尽量优化电网结构,提高电网的稳态和暂态能力,避免尾流效应对有功功率输出的影响。三种风特性作用于风机对其无功功率的影响十分接近。无功功率的补偿能力对风电场的LVRT特性影响十分巨大,充足的无功补偿可以使故障后的电网迅速恢复到原有稳态电压,从而大大提高风电场的LVRT能力。三种风特性作用于风机对其变换器直流环节电压的影响同样十分接近,故障过后电压振荡很快恢复到原来的稳定电压值。在尾流效应的影响下,1、4、8号风机在故障期间,各种风特性所引起的电压振荡幅度是依次减弱的,减小电压值的波动有利于风机中电力电子器件的可靠运行,继而提升风机的可靠运行能力,提高LVRT性能。4.2种风特性对比风电场并网运行后发生两相接地短路故障,并网电压暂时降低到0.5p.u.时,1、4、8号等效风电机组的LVRT能力仿真对比图如图9、图10所示。由图9、图10可看出,当并网电压降低到0.5p.u.时风电场所表现出的LVRT能力与并网电压降低到0.8p.u.时相比,在有功功率、无功功率、变流器直流环节电压三个方面都比较相似。渐变风与基本风叠加后作用于风机使得其有功功率输出量增加最大;随机风与基本风叠加后作用于风机,其有功功率输出量增加最少,并且输出功率随着风速的变化波动,输出功率不稳定;阵风与基本风叠加后作用于风机,使得其有功功率输出幅值波动最剧烈。在尾流效应的作用下,1、4、8号风机的有功功率输出依次减少,同样也有助于提升风场的LVRT性能。无功功率方面,三种风特性与基本风的叠加输入到等效风机中引起的无功变化基本一致,与单相接地故障相比,故障消除后无功补偿能力没有恢复到原来的水平,较高的无功补偿有利于LVRT能力的提升。变换器直流环节电压方面,对于不同风特性的输入表现出基本相同的电压波动趋势,与单相接地故障相比,电压波动更加明显,并且在尾流效应的作用下呈现出振荡减弱的趋势。归纳总结以上分析结果可得:三种幅值相同的风速风量分别叠加于同一基本风,渐变风使得有功功率输出量最多,阵风输出的有功幅值波动最剧烈,随机风所输出的有功增量最少。由于尾流效应的影响处于下游的网机有功输出要小于上游风机,所以虽然尾流效应会使下游风机的有功功率输出减小,但是对整个风场而言却可以提高其LVRT能力。对于无功补偿与变换器直流环节电压来说,各种风特性对它们的影响基本一致。由于尾流效应的影响,直流环节电压波动呈现出逐步减小的趋势,从电网发生故障的严重程度来看,并网点电压跌落越多使得有功功率、无功功率、直流环节电压振荡越剧烈。5对于尾流效应的改进研究本文通过仿真分析得出了尾流效应以及不同风特性作用于风场后,对风电场LVRT能力的影响,对该领域的研究有一定的参考意义。对于尾流效应方面的研究还应该进一步深入,考虑复杂情况下的尾流效应,建立更加精确的尾流效应模型有助于提高分析结果的精确性。式中:ψrxA———威布尔分布尺度参数;K———外形参数;———伽马函数。KF———随机风的扰动范围;