電網(wǎng)故障情況下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

張欣 高騫

1、江蘇省電力公司調(diào)度控制中心，江蘇 南京 210024

2、江蘇省電力公司發(fā)策部，江蘇 南京 210024

電網(wǎng)故障情況下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

張欣1高騫2

1、江蘇省電力公司調(diào)度控制中心，江蘇 南京 210024

2、江蘇省電力公司發(fā)策部，江蘇 南京 210024

在當(dāng)今世界各種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因具有風(fēng)能利用率高的特點而逐漸成為風(fēng)電技術(shù)的主流。由于風(fēng)電裝機容量的增大，使電力運營商對風(fēng)力機組的并網(wǎng)提出了更高的要求，其中最關(guān)鍵的即是風(fēng)電機組的低電壓穿越能力。本文在分析了現(xiàn)行風(fēng)電機組并網(wǎng)導(dǎo)則的基礎(chǔ)上，首先對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組在電網(wǎng)電壓跌落情況下的運行狀況作理論分析，提出采用Crowbar電路來保護轉(zhuǎn)子勵磁電源和發(fā)電機本身的方案。然后在MATLAB/Simulink建立的風(fēng)電場模型中進行仿真以驗證其有效性。仿真結(jié)果表明，該電路可以有效限制電壓跌落時轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生的最大電流，保證系統(tǒng)各元件的安全，同時也證明了故障期間風(fēng)電機組控制策略的有效性。

風(fēng)力發(fā)電；變速恒頻；低電壓穿越；Crowbar電路

引言

目前，運用于并網(wǎng)的風(fēng)力機組主要是雙饋異步電機，由于此電機變流器容量僅占系統(tǒng)容量的1/3左右，所以很易受系統(tǒng)電壓波動的影響。在電網(wǎng)電壓跌落嚴(yán)重情況下，風(fēng)電機組會因自保而脫網(wǎng)。在某些歐洲國家，風(fēng)力發(fā)電所占電網(wǎng)的容量已高達20%[1]。如果風(fēng)力發(fā)電機組在電網(wǎng)故障期間不具備故障穿越能力，在故障期間全部脫網(wǎng)，則將因為輸出功率和負荷功率的嚴(yán)重不平衡，導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰。因此，很多國家的并網(wǎng)導(dǎo)致對風(fēng)電機組的并網(wǎng)要求也越來越高，要求風(fēng)力發(fā)電機組在電網(wǎng)電壓跌落的情況下具有不脫網(wǎng)運行的能力以及提供電壓支持的能力[2]-[4]。

本文以MATLAB/Simulink建立的風(fēng)電場模型為基礎(chǔ),在分析了電壓跌落情況下雙饋異步電機的運行狀況和Crowbar電路的保護原理后,進行多種情況下的仿真，以此證明該方案的有效性。

圖1 E.ON標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電壓跌落曲線

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行標(biāo)準(zhǔn)

圖1描述了德國電力運營商制定的風(fēng)電機組低電壓穿越規(guī)則曲線。這個標(biāo)準(zhǔn)中的電壓輪廓線是針對于風(fēng)電場并網(wǎng)點的電壓而言。電壓跌落前,風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓維持在額定水平。0s電網(wǎng)發(fā)生短路故障引起電壓跌落,當(dāng)電壓不低于額定電壓的15%時，在625m/s時間范圍內(nèi)，風(fēng)電場必須保持并網(wǎng)運行；另外當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在電網(wǎng)故障后3s時間內(nèi)能夠始終高于圖中電壓輪廓線，并在3s后恢復(fù)至額定電壓的90%以上，此過程中風(fēng)電場必須保持并網(wǎng)運行。

2 電網(wǎng)故障期間風(fēng)機運行分析

雙饋異步電機的定子端通過升壓變壓器直接掛網(wǎng)。因此，電網(wǎng)電壓的跌落亦即定子端電壓的跌落。根據(jù)電路分析疊加原理，定子三相電壓對稱驟降的過程可以看作在定子端突然施加一組與原電壓方向相反，幅值為跌落幅值電壓的過程。由于轉(zhuǎn)子電壓并不影響雙饋異步電機在定子電壓跌落情況下的響應(yīng)情況，因此轉(zhuǎn)子回路被視為短路。據(jù)文獻[5]的理論計算可知，在電網(wǎng)電壓跌落情況下，發(fā)電機定子一相電流可表達如式（1）所示。

式中，XS表示定子電抗；Tr′表示瞬態(tài)常數(shù)；ωr表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角度。

由推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型可以看出，定子故障暫態(tài)電流受電壓跌落幅值、時刻和發(fā)電機定轉(zhuǎn)子電感、電阻的影響。由于雙饋異步電機在運行時刻轉(zhuǎn)子電流小于定子電流，因此改變發(fā)電機轉(zhuǎn)子電阻的方案更加合理和易于實現(xiàn)。因此，在電網(wǎng)電壓驟降時，增加發(fā)電機轉(zhuǎn)子電阻可以有效抑制暫態(tài)故障電流的大部分交流分量，以使變流器正常工作，使雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)具有低電壓穿越的能力。

3 Crowbar電路功能及型號

Crowbar保護電路技術(shù)即通常意義上的轉(zhuǎn)子短路保護技術(shù)。目的在于當(dāng)檢測到電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)電壓跌落時，立刻投入轉(zhuǎn)子回路旁路保護裝置，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，達到限制通過勵磁變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過電壓的作用以此來維持雙饋電機不脫網(wǎng)運行。目前典型的，Crowbar電路如下[6]：

（1）混合橋型Crowbar電路，每個橋臂由控制器件和二極管串聯(lián)而成。

圖2 混合橋型Crowbar

（2）IGBT型Crowbar電路，各橋臂由兩個二極管串聯(lián)，直流側(cè)串入一個IGBT器件和一個吸收電阻。

圖3 IGBT型Crowbar

（3）旁路電阻型Crowbar電路，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時，通過功率開關(guān)器件將旁路電阻連接到轉(zhuǎn)子回路中，這就為電網(wǎng)故障期間所產(chǎn)生的大電流提供了一個旁路，從而達到限制大電流，保護勵磁變流器的作用。

圖4 旁路電阻型Crowbar

4 仿真研究

本文仿真是基于圖5所示的恒風(fēng)速的風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)。風(fēng)電場總裝機容量為9MW ,包含6臺1.5MW風(fēng)電機組,機端并聯(lián)電容器組;機組通過機端升壓變壓器升壓到25kV,匯集后經(jīng)過一輸電線路后，再由T1升壓到120 kV。在本仿真實例中，風(fēng)電場由6臺1.5MW的風(fēng)電機構(gòu)成。為計算方便，額定容量選為10MW,定子額定電壓575V,旁路電阻取值為0.9pu,即0.03左右。

圖5 風(fēng)電場并網(wǎng)仿真模型

4.1 參數(shù)設(shè)置

雙饋異步電機參數(shù)表如下：

表1 電機參數(shù)表

4.2場景仿真

系統(tǒng)仿真步驟簡述如下:仿真系統(tǒng)從t=0開始運行，輸入風(fēng)速為12 m/s,在0～0.4s期間風(fēng)電機組運行逐步趨于穩(wěn)定。在t=0.4s時,設(shè)定接入風(fēng)電場的母線電壓發(fā)生三相對稱短路故障，按照德國電力公司E.ON標(biāo)準(zhǔn)，電網(wǎng)電壓跌落至0.15pu，故障持續(xù)時間為625m/s。為討論低電壓保護策略的有效性，仿真在兩種情況下進行，以作對比。情況一：在檢測到電壓跌落時，不作任何保護措施，既不投入Crowbar保護電路，也不封鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，直到仿真進行完畢；情況二：在檢測到電壓跌落時，立即封鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的驅(qū)動脈沖，同時接入轉(zhuǎn)子旁路保護電阻，發(fā)電機轉(zhuǎn)入異步電動方式繼續(xù)運行。在t=1.025s時故障被排除，電網(wǎng)電壓恢復(fù)至正常值，在檢測到電壓恢復(fù)后立即切除轉(zhuǎn)子旁路保護電阻，并給予轉(zhuǎn)子側(cè)變流器驅(qū)動脈沖，使其重新控制發(fā)電機使其恢復(fù)正常運行。圖2～5及表1中有功為正表示定子輸出有功，無功為負表示定子吸收滯后無功，電磁轉(zhuǎn)矩為負表示為制動轉(zhuǎn)矩。

電網(wǎng)電壓驟降下無Crowbar保護時的各參量動態(tài)響應(yīng)曲線如圖6所示。

由圖6可見，在電網(wǎng)電壓幅值驟降的情況下，若不采取任何保護措施，雙饋異步電機的轉(zhuǎn)子電流峰值可達到正常運行時的3～4倍，這將對轉(zhuǎn)了繞組尤其是轉(zhuǎn)子側(cè)變流器產(chǎn)生極大的危害。而且，電磁轉(zhuǎn)矩T劇烈振蕩，其幅值達到額定值的2倍以上，對風(fēng)電機組轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力沖擊。從圖中可以明顯看出，在電網(wǎng)電壓跌落和回升時刻，各電流參量，以及電磁轉(zhuǎn)矩都會產(chǎn)生高于正常時數(shù)倍的沖擊值，這將對機組本身產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。同時可以看出，直流母線電壓在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后不能穩(wěn)定在1200V,而是逐步增加，一直上升到額定值的3～4倍，峰值幾乎達到4000V,這將致使電容器嚴(yán)重過壓而燒毀；電磁轉(zhuǎn)矩在正負值之間正弦變化，且振蕩幅值不斷增加，這將對風(fēng)電機組的機械系統(tǒng)造成更大的損害。此外，由于電網(wǎng)電壓跌落程度很大，達到了85%，由響應(yīng)曲線可知，在故障排除后，風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生失步振蕩，有功功率不能達到恒定輸出，無功功率也不能穩(wěn)定在給定值；結(jié)合相關(guān)文獻和以上響應(yīng)曲線可知，在電網(wǎng)電壓跌落較小時，風(fēng)電系統(tǒng)自身具有抵御故障的能力；在跌落程度較大時，系統(tǒng)失去了恢復(fù)能力。這也說明了加入Crowbar保護電路的必要性。

圖6 不采用Crowbar時各電量動態(tài)響應(yīng)曲線

5 結(jié)論

本文在對風(fēng)電機組的并網(wǎng)導(dǎo)則和雙饋異步電機在電網(wǎng)故障下的運行情況做詳細理論分析的前提下，提出了運用轉(zhuǎn)子短路技術(shù)來保護轉(zhuǎn)子勵磁電源和發(fā)電機本身，并同時實現(xiàn)機組本身的低電壓穿越。經(jīng)實例仿真可以得出如下結(jié)論:⑴在電網(wǎng)電壓深度跌落情況下，加裝Crowbar電路的風(fēng)電機組能很好的保護機組本身并實現(xiàn)低電壓穿越；⑵適當(dāng)增加定、轉(zhuǎn)子的漏感和互感有助于提高機組的故障運行能力；⑶保護電阻的選擇應(yīng)首先保證避免轉(zhuǎn)子過電流，然后再考慮避免轉(zhuǎn)子過電壓。

[1]閆廣新，李江，張鋒，等.變速雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越功能仿真[J].電網(wǎng)與清潔能源.2009,25（6）：49-52

[2]PETERSSON A , LUNDBERG S , THIRINGER T. A DFIG wind-turbine ride-through system influence on the energy production. Wind Energy, 2005, 8(3): 251-263

[3]MORREN J , DE HAAN W H S. Ride through of wind turbines with doubly-fed induction generator during a voltage dip. IEEE Trans on Energy Conversion , 2005, 20(1): 435-441

[4]胡家兵,孫丹,賀益康.電網(wǎng)電壓驟降故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機建模與控制[J].電力系統(tǒng)自動化.2006,30(8):21-26

[5]李建林,許洪華.風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變流技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社.2008:176-180.

[6]臧曉笛.幾種雙饋式變速恒頻風(fēng)電機組低電壓穿越技術(shù)對比分析[J].變頻器世界.2008,(5):41-45

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.22.001

張欣，男，工程師，江蘇省電力公司調(diào)度控制中心調(diào)度值班長，主要從事電力系統(tǒng)調(diào)度工作。

高騫，男，工程師，江蘇省電力公司發(fā)展策劃部，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃研究。