直驱永磁风力发电机并入10kV配电网的研究

直驱永磁风力发电机并入 10kV配电网的研究

武乐华 胡丽莎 刘海月 尹卫刚 李晓菲 肖浩喆

中车永济电机有限公司 044500 山西永济

摘 要：本文通过并网点安装和放电中的并网插座与接地故障的比较，讨论了风力发电机组对配电网安全的影响。同时，在配电网停电的情况下，直驱永磁的运行特性由充满电的风力涡轮机供电。结果表明，在发生短路时，直驱永磁风力发电机组可以提供短路稳定的电路电流，也有助于增加并网点后的短时短路，且影响不大。当电压下降时，机组可适当脱离故障，并对电网有一定的支持。

关键词：直驱永磁风力发电机；变流器；配电网

引言

10 kV 配电网是我国电力系统的重要组成部分，覆盖范围广，10kV配电网作为电力系统与用户之间的纽带，还具有其他功率等级所不具备的功能，如切换高负荷、短传输距离等； 但是，它具有较大的电缆和有功功率损失问题，更糟糕的是，电功率通常小于 0.8。近年来，随着分布式风电技术的出现，分布式风电场可以直接并入配电网运行，显着提高能源效率、电网配电能力和经济效益。

1双 PWM 变流器及其控制策略

双PWM转换器是D-PMSG的组成部分，可以控制和修改功率输出，使功率满足并网要求。双PWM转换器为包体式结构，由两个电压转换器组成，两侧滤波器参数相同，如图1所示。大小相同， R1 和 R2 是等效电阻，直流侧的电容器C起到减少爆炸和节约电能的作用。发电机侧控制器控制发电机功率和转速，并网逆变器控制有功和有功功率的耗散。 发电机侧支架可以使发电机运行更强劲，完全独立于市电侧的逆变器。

图1 双 PWM 变流器主电路

以旋转磁场旋转旋转的中心线为d轴，q轴在d轴和旋转旋转方向之前90°，链接转换后，在 d-q 链接系统中找到定子电压方程。

式中 、 、 、 分别为d、q轴对应的电流对象； 是发电机的角速度；ψ——永磁连接器；Rs 和 Ls 定子电阻和电感。

等式（1）表明，d轴和q轴的电流分量不仅取决于 、 控制电缆，还取决于 、 的连接水平。 因此，需要对通信电源的开启时间进行单独监控。

本文采用id=0的控制策略，双PI速度，电流响应如图2所示，控制信号为高速，结果与电流q轴进行比较。

电网变流器控制对保证风电机组与电网之间功率传输和有功功率控制的重要性；同时需要控制直流接头处的电压，保证电容供电的直流平衡。本文使用基于电源的控制系统，虽然动态功率控制也可以检测固定连接系统中电流内环的形成，但实际效果并不是由于频率切换等因素的影响。但是，由于在 d-q 轴变量系统中可以保证为直流，这样可以更容易控制，因此考虑了 d-q 坐标系。由于定向电压控制是根据旋转连杆系统进行控制的，因此是目前最常用的控制方法。

网侧转换器类似于发电机侧，具有两个回路电压和后功率。电压回路将直流侧电压 与其参考 进行比较，并将其调整为 PI。与 d 轴电流元素分量 相比的输出 也由 PI 调整。这对于消除 d 轴和 q 轴之间的差异是必要的。它们之间的链路最终会接收到 控制信号。电流环将有功功率与其参考值进行比较，将PI控制器的输出与 进行比较，去除耦合项后得到控制信号 。

2 D-PMSG 并入10kV配电网模型

标准的 10 kV 配电网络使用单一电源并以辐射模式运行。 带有风力涡轮机的 10 kV 配电网络。D-PMSG 的输出功率为 690 V，安装升压变压器后，集成到 10 kV 配电网中。配电网的所有 B~H 母线连接到 0.85 MW 的运行功率和 0.526 的运行功率、7 Mvar 固定负载，系统功率 500MV·A。

3仿真实验分析

最小功率为 1.5 MW 的 D-PMSG 装置建立在 PSCAD（电力系统计算机辅助设计）平台上。 该机组采用图2和图3所示的控制策略，建立在图4所示的C-bus配电网络上。 D-PMSG 的输出功率为 690 V，在额定风速下运行，并在功率增加后集成到配电网络中。

本文档进行了3次模拟测试：① 仿真时间为3.5 s，2 s后释放D-PMSG网络连接出现全局错误，长度0.1 s；②仿真时间为 3.5 秒，2 s后，配电网D母线发生对地短路，长度为0.1 s；③仿真时间为10 s，5 s后出现压降，长度为0.5 s，深度为50%。

3.1出口故障

相连的D-PMSG插座K1发生错误，分别发生单相和三相接地错误。图 5 给出了风电机组输出短路电流、变换器直流电压、D-PMSG 出现错误时的动态和有功仿真曲线。

图2 D-PMSG 并网出口处故障仿真结果

图 2 (a) 表明，无论单相或三相误差如何，D-PMSG 都能提供稳定的短路电流。其中，电流单相达到稳定值的120%，电流短相达到500%电流的平均值，短路结束后配网恢复稳定。这是因为D-PMSG采用全功率转换器，转换器功率略高于机组功率，所以转换器可以承受短时间内增加500%的电流。图 2 (b) 显示了在三相短路期间直流侧功率的下降，2.1秒后电压功率上升，约为正常值的130%；大约0.2s后，功率波动恢复正常。由于振荡幅度小，小功率恢复时间短，PWM 转换器不会受到显着影响。当发生单相故障时，直流侧的电源非常微弱，完全不受双PWM转换器出色驱动效果的影响。

3.2配电网其他线路发生故障

当 D-PMSG 连接点D总线，即 K2 发生故障时，调查 D-PMSG 连接是否对电流短路有显着影响。在单相电路的情况下，D-PMSG可以显着增加短路电流，电流增加约30%。 当前临时功率的增加对传输保护有显着影响。由于D-PMSG可以提供短路稳定电流，所以只需要重新计算保护输电组的值即可。图6(b)显示，在三相电路的情况下，与系统电源相比，由于D-PMSG的功率较低，接上后的短时电路几乎没有明显变化。

结语

本文介绍了 D-PMSG 变流器模型，变压器的变压器侧采用控制装置id=0，而电网侧根据电路环节采用电压功率控制策略。结果表明，PWM变换器可以接收有功功率，分流运行功率控制，出现故障时也能快速响应。

参考文献：

[1]王雪,王海涛,郭彤.浅谈10 kV配电网检修与安全运行[J].农村电工,2021,29(08):41-42.

[2]贺思郦.10 kV配电网运维精细化管理的探析[J].农电管理,2021(08):47-48.