第 12 期 　2011 年 12 月 工 矿 自 动 化 I ndust ry and M ine Automa tion N o.12　 Dec.2011　 文章编号 :1671 -251X(2011)12 -0056 -04 　　　D O I:CN K I :32 -1627/ T P .20111128 .1612 .016 直驱式风力发电系统低电压穿越技术仿真研究 韩国庆 (开滦矿业集团唐山矿业分公司, 河北 唐山　063000) 　　摘要 :给出了永磁直驱式风力发电系统的拓扑结构, 分析了直流卸荷电路的工作原理和拓扑结构, 建立 了永磁风力发电系统模型, 运用 M atlab/ Simulink 平台搭建了基于直流卸荷电路的永磁直驱风力发电系统 低电压穿越技术仿真模型。 仿真结果验证了系统的可行性和电网电压跌落时系统良好的穿越性能。 该系统 为进一步的产品实现打下了基础 。 关键词:风力发电 ;双三电平;直驱式风力发电;直流卸荷电路 ;低电压穿越 　　中图分类号:T D614 ;T M 76 　　　文献标识码 :A 　　　网络出版时间 :2011 -11 -28 16 :12 　　网络出版地址 :ht t p :// w ww .cnki .net/ kcms/ det ai l/ 32 .1627 .T P .20111128 .1612 .016 .ht ml Sim ulation Research of L ow-voltage Ride T hroug h T echnolog y of Direct Drive Ty pe Wind Pow er Sy stem H A N G uo-qing (Branch of T ang shan Coal Company of K ailuan G roup , T angshan 063000 , China) 　　Abstract :T he pape r g ave topolo gical st ructure of permanent magnet di rect drive ty pe w ind pow er sy stem , analyzed w orking princi ple and t opological st ructure of DC unloading ci rcui t , est ablished m odel o f pe rm anent m ag net w ind pow er sy st em , and constructed simulatio n model of low-volt age ride through t echno logy of perm anent m ag net di rect dri ve t ype wind po wer sy st em based on DC unloading circuit o n M atlab/Simulink platf orm .T he simulatio n result pro ved feasibili ty and g ood ri de throug h capabilit y during low-vol tage ri de t hrough o f the system .T he sy stem is fo undat ion of product realizatio n . Key words :w ind pow er , dual three-level , direct drive ty pe w ind gene ra tion , D C unloading circuit , low-vol tage ri de t hrough 0 　引言 现阶段我国的风电发展迅速 , 总装机容量占电 网总量的比例越来越大 , 风力发电机出现脱网故障 对整个电网的影响也越来越大, 因此, 容易引起风机 脱网的电网电压 跌落故障也越来越引起 人们的关 注 。我国国家电网公司也于 2009 年制定了相应企 业标准《Q/ G DW392 —2009 风电场接入电网技术规 定》 , 要 求 并 网 风 力 发 电 机 要 具 有 低 电 压 穿 越 (LV RT)能力。 所谓低电压穿越就是指在风力发电 机并点电压跌落的时候 , 风机能够保持并网 , 甚至向 收稿日期 :2011-08-03 作者简介 :韩国庆(1972-), 男 , 河北唐山 人 , 高级工 程师 , 开 滦 矿业集团唐山矿业分公司机电副总 工程师 , 主 要从事煤 矿机电技 术 管理工作 。 E-m ail :han 2048@163.com 电网提供一定的无功功率 , 支持电网恢复 , 直到电网 恢复正常, 从而穿越这个低电压时间(区域)[ 1] 。 目前 , 我国风场所用机型主要为双馈风力发电 机和永磁直驱风力发电机 。相对来说, 双馈风力发 电系统起步要早一点, 与其相关联的双馈风力发电 系统低电压穿越技术也比较早地得到了人们的关注 并取得了较大进展, 而永磁直驱风力发电系统的低 电压穿越技术的研究就相对少了一点。 由于直驱式 风力发电系统当网侧发生电压跌落的时候会引起直 流母线电压升高 , 而过高的直流母线电压又会对变 流器功率器件造成损坏, 因此 , 要实现低电压穿越就 要降低直流母线电压, 而直流卸荷电路就是一种能 够满足这种要求的设备 。本文在双三电平 Back-to- Back 永磁直驱风力发电系统的基础上, 对直流卸荷 电路拓扑结构、工作原理和仿真分析进行了深入研 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2011 年第 12 期 韩国庆:直驱式风力发电系统低电压穿越技术仿真研究 　　　 57 究 , 为接下来的产品实现打下基础[ 2] 。 功率吸收电阻。 1 　系统拓扑结构 永磁直驱风力发电系统拓扑结构如图 1 所示。 本系统采用双三电平 Back-to-Back 变换器结构, 网 侧和机侧均是电压型 P WM 变换器, 可以实现 2 个 部分的独立控制, 并能分别提供恒定的直流母线电 压和几乎正弦的谐波较少的电流, 使发电机运行在 最优工作点。 图 3 　直流卸荷电路 　　卸荷电路通常由功率器件和卸荷电阻构成 , 通 过控制功率器件投入和切出卸荷电路, 调节直流侧 电压 。 直流侧电容电压的控制方程为 C 1 2 dU 2 dc max dt =P gen -P grid =ΔP (1) 　　式中:U dc max 为直流侧允许的最大电压 ;P gen 为 机侧变换器功率;P g rid 为网侧变换器功率;ΔP 为变 换器之间的功率偏差 。 　　卸荷电路投入时的导通占空比为 图 1 　双三电平 Back-to-Back 永磁直驱风力 发电系统拓扑结构 　　带直流卸荷电路的永磁直驱风力发电系统拓扑 结构如图 2 所示[ 3] 。 图 2　带直流卸荷电 路的永磁直驱风力发电系统拓扑结构 　　图 2 中所示的卸荷电路为直流侧卸荷电路 。它 由半导体功率器件(本文使用 IG BT)与 RCD 缓冲 电路串联构成 。当电网发生故障时, 启动卸荷电路 消耗直流侧多余的能量 , 使系统具有国家标准规定 的低电压穿越能力 , 从而提高直驱式风力发电系统 的低电压运行能力 。 2 　直流卸荷电路工作原理 基于 RCD 缓冲电路的直流卸荷电路拓扑结构 如图 3 所示 。 图中 , K 为 IG BT ;Ca 、VD a 和 R a 分别 为吸收电容、快速恢复二极管和吸收电阻 ;R 0 为大 2 U dc m ax ma (2) 　　式中:ma 为卸荷电路功率器件的导通占空比 ; R d 为卸荷电阻值。 =ΔP R d 直流卸荷电阻的大小与变换器的低电压穿越能 力有很大关系, 下面对它的参数计算进行介绍 。 直流侧卸荷电阻的选择同电网电压跌落深度 、 变换器的过载能力 、直流侧电压等有关。 假设故障 发生后, 电网电压变为 γug(γ为故障发生后电压同 额定电压的比例 ;u g 为额定电压有效值), 网侧变换 器相电流增大为(1 +δ)i g(i g 为额定电流有效值), 而机侧变换器的功率 P gen 不变, 则变换器之间的功 率偏差为 ΔP =P gen -P grid = P gen -3γ(1 +δ)ug ig (3) 　　式中:δ为超过额定电流的比例部分 。 如果限制 δ, 防止网侧变换器过流, 则式(1)中 功率偏差将会导致直流电压升高 , 多余的能量需要 由直流侧卸荷电阻消耗掉 。卸荷电阻的大小取决于 允许消 耗的 最 大功 率 及直 流侧 允 许 的最 大 电 压 U dc max 。当不考虑电路 中非线性元件 时, 卸荷电 阻 阻值为 R d =U2 (4) 　　考虑最严重情况, 在电压跌落时风电机组工作 在额定功率状态 , 发电机输出功率为 P e , 则 dc maxΔP R d = U2 dc max P e -3γ(1 +δ)ug ig (5) 　　卸荷电阻需要承受的功率为 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

58 工矿自动化 2011 年 12 月　　　　　 ΔP R =U 2 dc m ax R d (6) 　　考虑电阻的发热情况, 在设计卸荷电阻时, 其功 率参数应留出一定裕量 。 综合以上计算 , 1 .5 M W 直驱式变换器 , 直流母 线电压为 1 200 V 左右 , 取 1 .3 倍的裕量, 因此, 直 流卸荷电路中 IG BT 选择 FZ1600R17K E3 B2 , Ca 选用 EACO 公司的 ST F 1500V 2 .2 μF 电容, VD a 选用赛米 控公司生产的 SKN 60F17 系列 快速恢复 二极管, R a =10 .0 Ψ, 进而 ΔP =250 kW 。 卸荷电路控制器工作原理如图 4 所示。 其中: P in为输入有功功率 ;P out 为输出有功功率 ;U dc 为直 流侧电压 。 　　通过计算(P in -P out)得到功率偏差 ΔP , 然后对 ΔP 进行判断 。 当 ΔP 在合理范围时进入 P I 调节 器 , PI 调节器的输出与三角波比较 形成占空比 d , 而 d 同时又取决于直流侧电压 U dc , 即 d 由 2 路判 断条件决定[ 4] 。 图 4 　卸荷电路控制器工作原理 3 　仿真研究 根据上述分析搭建基于直流卸荷电路的永磁直 驱风力发电系统低电压穿越仿真模型, 仿真参数如 下:进线电压为 690 V , 进线电阻为 0 .001 Ψ, 进线 电感为 0 .001 H , 母线电容为 0 .008 F , 母线电压为 1 100 V , 额定功率为 700 kW 。电动机参数 :定子绕 组等效电阻 R s =0 .05 Ψ, 等效电感 Ld =L q =635 × -3 mH ;电动机极对数为 N p =10 ;永磁磁通为 Χf 10 =0 .192 Wb ;惯性系数 J =0 .011 kg · m2 ;摩 擦系 -3 N · m · s 。 仿真模 型结构 如 数 F =1 .889 ×10 图 5 所示。 图 5　系统仿真模型 　　根据国家电网相关规定, 现只考虑最严重电网 事故下的运行状 态:电动机运行于超 同步转速(如 1 .3 倍), 全功率运行 , 电网电压跌落 80 %[ 5] , 系统运 行状态如图 6 所示 。 仿真过程中 t =2 s 时, 网侧发生电压跌落, 几乎 同时直流母线就会检测到异常, 给 IG BT 以开通信 号 , 从而投入直流卸荷电路, 因此, 会有毫秒级的延 迟 , 符合实际试验情况 。 　　从图 6 可看出 , 在 2 s 时电网电压跌落, 直流卸 荷电路控制器检测到功率偏差 ΔP 异常 , 就会开通 IG BT 启动直流卸荷 电路, 缓冲掉直流母线上 的冲 击电压, 并起到吸收直流母线上瞬时冲击能量作用 。 由此可见, 即使面临 80 %的严重电压跌落 , 机 组仍 能保持并网运行 , 各电气指标均能满足要求, 说明当 电网电压跌落时直流卸荷电路能很好地发挥泄放直 流母线能量 , 防止直流母线电压升高的作用。 由此 可知 , 基于直流卸荷电路的永磁直驱风力发电系统 具有低电压穿越能力 。 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2011 年第 12 期 韩国庆:直驱式风力发电系统低电压穿越技术仿真研究 　　　 59 (a)电网电压 U s (b)电动机转速 ωr (c)电磁转矩 T e (d)定子输出功率 P 、Q (e)大功率电阻 R2 流过的电流 (f)直流电压 Udc 图 6　电 压跌落 80 %时, 系统运行状态 4 　结语 在双三电平 Back-t o-Back 永磁直驱风 力发电 系统的基础上 , 设计了直流卸荷电路, 阐述了直流卸 荷电路控制器的工作原理, 并搭建了系统仿真模型。 通过仿真结果可以看出 , 该直流卸荷电路在电网电 压跌落过程中对于抑制直流母线冲击并吸收瞬时冲 击能量能起到明显的作用 , 并可保证风力发电机在 规定时间和跌落幅度内能够保持并网 ;仿真结果还 验证了具有低电压穿越能力的基于直流卸荷电路的 永磁直驱风力发电系统的可行性和有效性 。 参考文献: [ 1] 　张兴, 张龙云, 杨 淑英, 等.风力发 电低 电压穿 越技 术 综述[ J] .电 力 系统 及 其 自 动 化 学 报, 2008, 20(2): 1-8 . [ 2] 　李建林.风力 发电 系 统低 电压 运 行 技术[ M] .北 京: 机械工业出版社, 2008. [ 3] 　胡书举, 李建林, 许 洪华.直 驱风电系统 变流器建 模和 跌落特性仿真[ J] .高电压技术, 2008, 34(5):949-954 . [ 4 ] 　胡家兵, 孙丹, 贺益康, 等.电网 电压 骤降故 障下 双馈 风力发电机建模 与控制[ J] .电力 系统 自动 化, 2006 , 30(8):21-26. [ 5 ] 　李建林.全功率变流器永磁直驱风电系统低电 压穿越 特性研究[ J] .电力系统自动化, 2008, 32(19):29-33 . [ 6 ] 　陈瑶.直驱型风力发电系统全功率并网变流技 术的研 究[ D] .北京:北京交通大学, 2008 . [ 7 ] 　杨淑英.双馈型风力发电 变流器及 其控制[ D] .合 肥: 合肥工业大学, 2007 . [ 8 ] 　胡书举, 李建林, 许 洪华.永磁直驱风电系统低 电压运 行特性的分析[ J] .电 力 系统 自 动化, 2007 , 31(17): 73-77. [ 9 ] 　Z HA O Y, LI Y, LIP O T A .Fo rce Co mmuta ted T hree Level Bo ost T y pe Rectifier[ J] .IEEE T ra nsactio ns o n Industry A pplications, 1995 , 31(1):155-161 . [ 10] 　M AN JREK A R M D, ST EIM ER P K, L IPO T A . Hy brid M ultilev el P owe r Conver sion Sy stem : A Co mpetitive So lutio n for High-powe r A pplicatio ns [ J] .I EEE T ransac tions on I ndust ry A pplica tions , 2000, 36(5-6):834-841 . 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net