雙饋型風(fēng)電系統(tǒng)電網(wǎng)故障不間斷運(yùn)行的研究

黨存祿 宮有民 周明星

(1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電在整個(gè)電力生產(chǎn)中所占的比重越來(lái)越大，因此風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響已經(jīng)不能忽略，提高雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)在外部電網(wǎng)故障下的不間斷運(yùn)行能力變得更加重要。在電網(wǎng)故障中，電網(wǎng)電壓跌落是最常見的一種，研究雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)在這種故障下的行為特性，提高其對(duì)這種故障的適應(yīng)能力，已成為目前國(guó)內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題。電網(wǎng)規(guī)范要求，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障如電壓跌落時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要保持與電網(wǎng)的連接，只在故障嚴(yán)重時(shí)才允許離網(wǎng)，這就要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的低電壓穿越(LVRT)能力［1，2，3］。

本文針對(duì)2MW變頻器的功率管(IGBT)爆炸情況，重新對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子電流暫態(tài)變化的DFIG數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，對(duì)變流器的控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)加入了Crowbar電路，使得在電網(wǎng)電壓跌落和恢復(fù)時(shí)系統(tǒng)有好的運(yùn)行效果。通過對(duì)電網(wǎng)故障不脫網(wǎng)運(yùn)行的測(cè)量，可以知道該設(shè)計(jì)能達(dá)到很好的效果，并運(yùn)用于變頻器。

1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電壓跌落特性

對(duì)于變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，雙饋發(fā)電機(jī)是一種流行的主要風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。一個(gè)主要原因是電力電子變流器只需要控制總電能的一小部分(20%-30%)，也就是轉(zhuǎn)差功率。因此，和變流器需要控制總功率的系統(tǒng)相比，電力電子變流器的損耗可以減小，此外變流器的造價(jià)也將降低。

為了研究雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)定子電壓跌落，需要知道暫態(tài)數(shù)學(xué)模型［4，5，6］。由于電網(wǎng)電壓跌落情況下雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電路被Crowbar電路短路，利用電路的疊加原理對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路情況下定子電壓跌落情況進(jìn)行分析，定子三相電壓對(duì)稱驟降的過程可以看作在定子端突然加一組與原端電壓方向相反、幅值為跌落幅值電壓的過程。轉(zhuǎn)子回路被簡(jiǎn)化為短路狀態(tài)。定子短路電流的空間矢量is為

is0—定子電壓跌落前定子穩(wěn)態(tài)電流的空間矢量;

is1—定子端突然加反向的三相電壓時(shí)所產(chǎn)生的定子電流空間矢量;

設(shè)定子電壓的空間矢量為us=-jUmej(ω1t+φ)，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中，u's=use-jωrt=-jUmej(ωst+φ)，則定子跌落前的電流矢量 i's0為

式中:Xs—定子電抗;ω1—定子同步旋轉(zhuǎn)角速度;ωr—轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角速度;ωs—轉(zhuǎn)差角速度;

由于Xs遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Rs，(2)式可寫成

而在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中，當(dāng)定、轉(zhuǎn)子的磁鏈初始值為0時(shí)，定子電壓方程和拉氏變換為

式中，Ls(s)為在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中定子的運(yùn)算電抗，Ls(s)=Ls(1+T'r)/1+sTr;Tr為轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù)，Tr=Lr/Rr;T'r為瞬態(tài)時(shí)間常數(shù) T'r=L'r/Rr。得 I's1為

式中，α為定子直流分量的衰減系數(shù)，α≈Rs/L's。

將運(yùn)算電感的倒數(shù)展開成部分分式，得

取拉氏變換后由 α?ωr、-1/Tr+ α?ωr、(s-jωs)(s+ α +jω1)≈s(s+α +jωr)，因此

于是可以得到

最終可以得到定子坐標(biāo)系中定子電流的空間矢量為

定子A相得電流為

AUm是交流分量，以瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)T'r衰減。

通過數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)結(jié)果看出，定子故障暫態(tài)電流受到電壓跌落幅值、時(shí)間和發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電感、電阻的影響。從而知道改變發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)電壓故障情況下的定轉(zhuǎn)子電感、電阻的辦法可行。

2 DFIG系統(tǒng)的控制策略

圖1為變速恒頻雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理圖。為了要研究電網(wǎng)故障下機(jī)側(cè)變流器的控制策略，建立同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)電壓方程和磁鏈方程

令

由(11)、(12)、(13)得

Im0定子勵(lì)磁電流矢量，ωslip滑差電角度，Us、Ur分別為定、轉(zhuǎn)子端電壓矢量，Is、Ir分別為定、轉(zhuǎn)子繞組電流矢量，ψs、分別為定磁鏈?zhǔn)噶俊?/p>

考慮暫態(tài)下定子電流的變化，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用了定子電壓定向功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)矢量控制方式，把定子勵(lì)磁電流的微分項(xiàng)引入，使得在故障情況下能更準(zhǔn)確的控制雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)定子側(cè)的有功和無(wú)功，所要調(diào)制d、q分量的轉(zhuǎn)子電壓模型如下

圖1 DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

定子勵(lì)磁電流的微分項(xiàng)為

定子輸出地有功、無(wú)功功率與dq軸電流之間的關(guān)系為

根據(jù)上面的模型對(duì)機(jī)側(cè)變流器進(jìn)行控制，控制框圖如圖2所，在圖中主要比正常情況下多加入了定子勵(lì)磁電流變化的補(bǔ)償量，以此對(duì)解耦電路作了必要的修正，這樣使得控制更具有準(zhǔn)確性。

3 電網(wǎng)LVRT故障不脫網(wǎng)運(yùn)行

低電壓穿越(LVRT)，指在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間(區(qū)域)。低電壓穿越技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)之一，關(guān)系著風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用［7］。

電壓跌落的過程分為兩個(gè)階段:一是電壓跌落期間，風(fēng)力發(fā)電機(jī)從正常運(yùn)行過渡到故障運(yùn)行;二是電壓恢復(fù)后，發(fā)電機(jī)從故障狀況恢復(fù)到正常運(yùn)行。

3.1 電網(wǎng)“故障不脫網(wǎng)運(yùn)行”的標(biāo)準(zhǔn)

在電網(wǎng)故障(電壓突降dips)期間，LVRT可保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)連續(xù)的電網(wǎng)連接。由LVRT恢復(fù)的故障時(shí)段和深度是由可適用的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義的。

圖3為電網(wǎng)允許的低電壓穿越能力曲線。在圖中實(shí)線以上部分所示的區(qū)域不允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)脫離電網(wǎng)，只有在實(shí)線以下區(qū)域才允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)脫離，并且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要根據(jù)圖中實(shí)線上升的斜率相對(duì)應(yīng)的時(shí)間來(lái)向系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率，加快系統(tǒng)恢復(fù)的速度。圖4為電壓跌落700 ms電網(wǎng)電壓保留15%時(shí)，不允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)脫離電網(wǎng)，而且要根據(jù)圖中的實(shí)現(xiàn)來(lái)向系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功功率，以至促使系統(tǒng)恢復(fù)。這表明在電網(wǎng)電壓發(fā)生故障的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能像以往一樣可以隨意脫離電網(wǎng)，需要像傳統(tǒng)的火力發(fā)電機(jī)組一樣，在電網(wǎng)故障時(shí)為電網(wǎng)提供支撐。

英國(guó)電網(wǎng)允許的故障 (100%對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)終端電壓660 V):

不采用LVRT，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將停機(jī)，至少60秒以后才能重新啟動(dòng)。

3.2 電網(wǎng)“故障不脫網(wǎng)運(yùn)行”系統(tǒng)

3.2.1 Crowbar電路的功能

由前面知道改變發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)電壓故障情況下的定轉(zhuǎn)子電感、電阻的辦法可行，所以把Crowbar電路接在雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)的轉(zhuǎn)子上如圖1所示。在轉(zhuǎn)子側(cè)接Crowbar電路，使得轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在電網(wǎng)故障時(shí)可以與轉(zhuǎn)子保持連接，當(dāng)故障消除后通過切除該電路，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行，因而具有更大的靈活性。

轉(zhuǎn)子Crowbar電路有兩個(gè)主要功能:一是抑制雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)系統(tǒng)電網(wǎng)電壓瞬間跌落情況下出現(xiàn)的暫態(tài)過程:二是防止直流母線電壓上升。在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻，可以抑制暫態(tài)故障電流的交流分量，達(dá)到保持變流器正常工作、使得雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)系統(tǒng)運(yùn)行低電壓故障的目的。此外，還能抑制定子電壓發(fā)生驟升的情況，使系統(tǒng)更加迅速的恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。但是由于增加Crowbar電路中的電阻可能會(huì)導(dǎo)致變流器直流母線電壓上升，因此選擇恰當(dāng)?shù)腃rowbar電路電阻值。而電阻是根據(jù)故障時(shí)的最大電壓來(lái)選擇;并且阻值還必須考慮防止轉(zhuǎn)子側(cè)電壓超過直流側(cè)電壓，以及故障持續(xù)時(shí)間電阻發(fā)熱問題。

3.2.2 LVRT操作原理

· 電網(wǎng)故障偵查時(shí)，發(fā)電機(jī)的定子電流通過電子開關(guān)和定子(“撬杠”，“保護(hù)短路”，“消弧”)而中斷;

· 發(fā)電機(jī)通過定子和轉(zhuǎn)子“撬杠”強(qiáng)制消磁;

· 發(fā)電機(jī)通過邊變頻器重新與當(dāng)前電網(wǎng)電壓電平同步;

· 在再同步期間，反應(yīng)電流通過線形邊變頻器并入電網(wǎng);

· 在完成再同步以后，定子再連接到電網(wǎng)恢復(fù)發(fā)電;

· 線電壓的回歸后采用了相似的程序;

3.2.3 LVRT技術(shù)數(shù)據(jù)

參數(shù)的意義:電網(wǎng)電壓觸發(fā)LVRT回路的電壓;電網(wǎng)電壓能重新恢復(fù)正常工作的電流;電壓不對(duì)稱觸發(fā)LVRT回路的時(shí)間;電網(wǎng)不對(duì)稱重新回到正常工作的時(shí)間;最大允許電壓突降持續(xù)的時(shí)間;對(duì)于LVRT最小保留的電壓。數(shù)據(jù)表如下

保留電壓IVBI ＞5%U＜2.5電壓短路同步時(shí)間 ＜280ms電壓恢復(fù)同步時(shí)間 ＜230ms電流響應(yīng)時(shí)間 ＜30ms電壓短路到同步的電流瞬間短路電流＜0.5

4 電網(wǎng)LVRT故障不脫網(wǎng)運(yùn)行的測(cè)量

以下是測(cè)量故障不脫網(wǎng)運(yùn)行的線電壓和線電流的波形，從圖形可以看出電壓突降的范圍和突降時(shí)對(duì)電壓和電流的影響。

以下各波形顯示Crowbar電路在電網(wǎng)跌落持續(xù)的時(shí)間較短時(shí)仍然能夠快速阻尼系統(tǒng)振蕩過程;同時(shí)也顯示系統(tǒng)電壓跌落持續(xù)時(shí)間較短，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)系統(tǒng)能很好的處理暫態(tài)振蕩過程，減少了電壓恢復(fù)時(shí)系統(tǒng)定、轉(zhuǎn)子電流受到的沖擊;此外還顯示電網(wǎng)電壓跌落期間定子電流的頻率和跌落之前保持一致，這是因?yàn)殡妷旱浒l(fā)生時(shí)雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速十分接近。

圖5是電壓突降到保留電壓的5%的線電壓波形，跌落發(fā)生時(shí)，輸出電壓從600 V跌倒30 V，跌落至原來(lái)電壓的5%左右。圖7是電壓突降到保留電壓的60%的線電壓波形，跌落時(shí)，輸出電壓從600 V跌倒360 V，跌落至原來(lái)電壓的60%左右。從這兩個(gè)波形可以看出，電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)時(shí)，電壓在過零點(diǎn)銜接的很好，沒有出現(xiàn)電壓中斷、電壓尖峰等，跌落時(shí)間為130 ms。

圖8 電壓突降到60%的線電流波形

圖6是電壓突降到保留電壓的5%的線電流的波形，圖8是電壓突降到保留電壓的60%的線電流波形，跌落發(fā)生時(shí)，從兩圖可以看出電流變大(這主要是為了維持功率平衡)，但仍然基本維持和電壓同相，電壓恢復(fù)后，電流恢復(fù)正常，整個(gè)過程顯示雙閉環(huán)控制對(duì)系統(tǒng)有較好的控制效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)采用Crowbar可以迅速抑制電壓跌落下的轉(zhuǎn)子浪涌電流，保護(hù)勵(lì)磁變頻器。

(2)網(wǎng)側(cè)變換器在電網(wǎng)電壓跌落期間可以一直向電網(wǎng)提供無(wú)功，以利于在DFIG失控狀態(tài)下對(duì)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓發(fā)揮有效作用。

(3)在長(zhǎng)時(shí)間電壓跌落的情況下，Crowbar在轉(zhuǎn)子電流穩(wěn)定之后應(yīng)及時(shí)切除，以便讓DFIG回到可控狀態(tài)，提供無(wú)功幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)。當(dāng)然Crowbar切除時(shí)刻的選擇十分重要，過早會(huì)因故障電流未衰減至要求值而再次動(dòng)作，過遲則不利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，因此Crowbar投入及切除的時(shí)間將是一個(gè)難點(diǎn)。

(4)采用Crowbar電路可以抑制電壓恢復(fù)時(shí)發(fā)生驟升的情況，使得電壓快速穩(wěn)定下來(lái)，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

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