凌 禹,高 強(qiáng),蔡 旭,3
(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電研究中心,上海 200240;2.山西大同大學(xué) 電氣工程系,山西 大同 037003;3.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)
為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境惡化,世界各國(guó)正積極地推動(dòng)著可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用,其中風(fēng)力發(fā)電已成為科研人員和商業(yè)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。這是因?yàn)轱L(fēng)能是一種可靠的、無(wú)限的、可再生的電力供應(yīng)源。風(fēng)電的大規(guī)模應(yīng)用既可以緩解能源危機(jī),又能減輕常規(guī)能源使用所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題,從而減少二氧化碳?xì)怏w的排放。
然而,大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)卻給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。要想大規(guī)模的風(fēng)電接入電網(wǎng)運(yùn)行,風(fēng)電機(jī)組必須具備低電壓穿越能力,甚至具備在故障切除后向電網(wǎng)提供無(wú)功和支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)的能力[1-2]。事實(shí)上,所有風(fēng)電機(jī)組都存在低電壓穿越的問(wèn)題,其中雙饋機(jī)組最具挑戰(zhàn)性,這是因?yàn)殡p饋機(jī)組對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)尤其是電壓跌落最敏感。但雙饋機(jī)組因?yàn)槠渚哂械妮^多優(yōu)點(diǎn)[3]已成為目前主流機(jī)型之一。
目前,較為成熟并商用的雙饋機(jī)組低電壓穿越技術(shù)是撬棒(Crowbar)技術(shù)。撬棒技術(shù)就是為轉(zhuǎn)子故障電流提供旁路通路,從而避免轉(zhuǎn)子過(guò)電流對(duì)變換器的破壞以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的不間斷并網(wǎng)運(yùn)行[4-8]。
然而,文獻(xiàn)[9]指出,對(duì)于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的故障,撬棒技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。這主要是因?yàn)?,在低電壓期間可以認(rèn)為風(fēng)速在電網(wǎng)故障時(shí)間內(nèi)是不變的,但網(wǎng)側(cè)電壓的突然跌落造成機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩差值較大,尤其是在故障發(fā)生時(shí)機(jī)組超同步運(yùn)行的情況下,機(jī)組很容易過(guò)轉(zhuǎn)速而導(dǎo)致過(guò)速保護(hù)動(dòng)作,使機(jī)組脫離電網(wǎng),同時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩的突變也會(huì)對(duì)齒輪箱產(chǎn)生破壞,并弱化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。
為了保證機(jī)組在故障情況下運(yùn)行在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),不至于過(guò)速保護(hù)動(dòng)作,需要采用改變槳距角從而減小風(fēng)輪輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩的方法來(lái)實(shí)現(xiàn),即緊急變槳控制。
本文首先闡述撬棒技術(shù)的控制,并針對(duì)其存在的缺點(diǎn),采用緊急變槳與撬棒協(xié)調(diào)控制的方案改善雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。為了改善緊急變槳控制的快速性,采用了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的緊急變槳控制策略。
撬棒保護(hù)電路即通常意義上的轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù),包括被動(dòng)撬棒和主動(dòng)撬棒2種。前者是一種自我保護(hù)形式的撬棒技術(shù),故障時(shí)按感應(yīng)電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行,存在諸多缺點(diǎn),如不僅無(wú)法對(duì)故障電網(wǎng)提供無(wú)功支持,還會(huì)從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功功率。尤其當(dāng)電網(wǎng)電壓大幅跌落時(shí),將出現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功不足,導(dǎo)致電網(wǎng)電壓進(jìn)一步下降,嚴(yán)重時(shí)可能使系統(tǒng)崩潰,且其投切操作會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)沖擊。
主動(dòng)撬棒技術(shù)作為一種改進(jìn)技術(shù)被提出。其與被動(dòng)撬棒的主要區(qū)別在其利用可關(guān)斷器件對(duì)轉(zhuǎn)子回路強(qiáng)迫換流。通過(guò)對(duì)撬棒的合理設(shè)計(jì)和控制,在故障情況下,可以使雙饋發(fā)電機(jī)迅速恢復(fù)到可控運(yùn)行狀態(tài),并對(duì)電網(wǎng)提供一定的無(wú)功支持。
目前典型的撬棒電路如圖1所示[10],其中圖1(a)為混合橋型撬棒電路,每個(gè)橋臂由GTO和二極管串聯(lián)而成;圖1(b)為由IGBT組成的撬棒電路,各橋臂由2個(gè)二極管串聯(lián),直流側(cè)串入一個(gè)IGBT器件和一個(gè)吸收電阻;圖1(c)為旁路電阻型撬棒電路,出現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),通過(guò)功率開(kāi)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(gè)旁路,從而達(dá)到限制大電流、保護(hù)勵(lì)磁變流器的作用。
圖1 典型Crowbar電路拓?fù)銯ig.1 Topologies of typical Crowbar circuits
撬棒電路的控制系統(tǒng)主要是控制其何時(shí)投入、何時(shí)退出的問(wèn)題。通常,轉(zhuǎn)子電流和直流側(cè)電壓均可作為撬棒電路的啟動(dòng)/退出信號(hào)[11]。一旦滿足上述2個(gè)條件的任何一個(gè),就可以設(shè)置轉(zhuǎn)子側(cè)變換器參考電壓為零,同時(shí)撬棒電路接入轉(zhuǎn)子繞組以提供故障電流通路,防止過(guò)電流和直流側(cè)過(guò)電壓。通常撬棒電路運(yùn)行期間,轉(zhuǎn)子側(cè)變換器要退出運(yùn)行。
撬棒電路退出運(yùn)行可以是根據(jù)一個(gè)固定時(shí)間值,也可以采用其他標(biāo)準(zhǔn),如出口電壓幅值或者轉(zhuǎn)子電流和直流側(cè)電壓恢復(fù)正常的時(shí)刻。
本文采用了圖1(b)所示的撬棒電路拓?fù)?,其投入和退出信?hào)的產(chǎn)生是同時(shí)基于轉(zhuǎn)子電流和直流側(cè)電壓。無(wú)論是轉(zhuǎn)子電流還是直流側(cè)電壓,只要超過(guò)其給定的參考值就啟動(dòng)撬棒電路,否則撬棒電路退出運(yùn)行,以此來(lái)盡可能地減少撬棒電路在故障期間的運(yùn)行時(shí)間。通常,二者的參考值均設(shè)置為其額定值的1.5倍。
撬棒電路中的主要參數(shù)是旁路電阻,該電阻阻值的大小對(duì)于其實(shí)現(xiàn)低電壓穿越能力至關(guān)重要。其合適的阻值必須滿足以下2個(gè)條件:
a.旁路電阻要足夠大以限制雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流;
b.旁路電阻不能過(guò)大以避免雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組電壓過(guò)高。
根據(jù)文獻(xiàn)[12],當(dāng)旁路電阻接入轉(zhuǎn)子繞組且忽略定轉(zhuǎn)子繞組電阻時(shí),雙饋發(fā)電機(jī)在機(jī)端短路時(shí)的定子最大電流可近似表示為:
其中,Rcb為轉(zhuǎn)子旁路電阻,Xs為雙饋電機(jī)定子瞬時(shí)電感,Us為雙饋電機(jī)定子電壓有效值,ismax為雙饋電機(jī)短路故障時(shí)的最大定子電流。
由于式(1)是基于電機(jī)的全部參數(shù)折算到定子側(cè)得出的,因此,短路故障時(shí)的最大轉(zhuǎn)子電流也可以近似認(rèn)為與定子最大短路電流一致。于是轉(zhuǎn)子電壓可滿足:
其中,Ur為轉(zhuǎn)子電壓,irmax為轉(zhuǎn)子電流。
根據(jù)式(1)和式(2),可以求出旁路電阻的最大值應(yīng)滿足:
其中,Urmax為轉(zhuǎn)子繞組允許的最大電壓有效值。
按照前面所述,對(duì)于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電壓跌落故障,撬棒電路并不能實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。這主要是因?yàn)?,雙饋感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于風(fēng)力機(jī)輸入機(jī)械功率和雙饋電機(jī)電磁功率之差,在電網(wǎng)低電壓故障期間,風(fēng)輪輸入機(jī)械功率可以認(rèn)為是不變的,但網(wǎng)側(cè)電壓的突然跌落會(huì)造成機(jī)械功率和電磁功率差值變大,這將不僅使得轉(zhuǎn)速加速直至過(guò)速保護(hù)動(dòng)作,使機(jī)組脫離電網(wǎng),而且由于電磁轉(zhuǎn)矩的突變也會(huì)對(duì)齒輪箱產(chǎn)生破壞。
同時(shí),當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),撬棒電路投入后,轉(zhuǎn)子變換器退出運(yùn)行,使得風(fēng)輪失去控制而運(yùn)行在鼠籠感應(yīng)電機(jī)模式,需向電網(wǎng)吸收大量無(wú)功功率。同時(shí),由于撬棒電路的投入,轉(zhuǎn)子故障電流快速衰減,反而惡化了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性,使機(jī)組轉(zhuǎn)速上升更快。如果電壓跌落故障時(shí)間較長(zhǎng),結(jié)果會(huì)進(jìn)一步惡化。
為了說(shuō)明上述問(wèn)題,基于仿真軟件MATLAB/Simulink進(jìn)行了試驗(yàn)。
圖2給出了電壓跌落至0.2 p.u.,故障在3 s時(shí)發(fā)生,持續(xù)時(shí)間為625 ms時(shí),無(wú)變槳控制的情況下,撬棒電路投入前后機(jī)組轉(zhuǎn)速(標(biāo)幺值)的變化情況。從圖2中可以清楚地看出,盡管轉(zhuǎn)速在此運(yùn)行條件下沒(méi)有過(guò)速,但在撬棒電路投入后,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速上升加快,在故障切除的時(shí)候,已經(jīng)達(dá)到了過(guò)速保護(hù)動(dòng)作值1.3 p.u.。
圖3給出了電壓跌落至0.2 p.u.,故障在3 s時(shí)發(fā)生,持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)為700 ms時(shí),無(wú)變槳控制的情況下,撬棒電路投入前后機(jī)組轉(zhuǎn)速(標(biāo)幺值)的變化情況。從圖中同樣可以看出,撬棒電路的投入惡化了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速上升加快,同時(shí),當(dāng)電壓跌落故障發(fā)生時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),系統(tǒng)轉(zhuǎn)速超過(guò)過(guò)速保護(hù)整定值1.3 p.u.。
圖2 電壓跌落625 ms機(jī)組轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig.2 Response of rotor speed to voltage drop for 625 ms
圖3 電壓跌落700 ms機(jī)組轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig.3 Response of rotor speed to voltage drop for 700 ms
為了彌補(bǔ)撬棒電路技術(shù)的不足和對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,本文采用了緊急變槳與撬棒電路協(xié)調(diào)控制的策略來(lái)提高系統(tǒng)低電壓穿越能力和改善系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。
通常,變槳是控制風(fēng)輪輸入功率的手段之一,其主要是通過(guò)調(diào)節(jié)槳葉的槳距角(氣流方向與葉片橫截面的弦的夾角)在0°~90°范圍內(nèi)變化,以使風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能相對(duì)穩(wěn)定,并保持在發(fā)電機(jī)容量允許的范圍以內(nèi)。然而,按前面所述,雙饋感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于風(fēng)力機(jī)輸入功率和雙饋感應(yīng)電機(jī)輸出功率之差,電網(wǎng)電壓驟降期間,風(fēng)輪的輸入功率可以認(rèn)為是不變的,而此時(shí),由于雙饋感應(yīng)電機(jī)輸送至電網(wǎng)的有功功率劇降,不平衡的功率將導(dǎo)致雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速快速升高,此時(shí),應(yīng)及時(shí)增大槳葉槳距角以減小風(fēng)力機(jī)的輸入功率,從而阻止機(jī)組轉(zhuǎn)速上升,即實(shí)行變槳距控制[13]。
因此,在故障情況下,也可以采用變槳控制實(shí)現(xiàn)輸入機(jī)械功率的減少,抑制轉(zhuǎn)速升高,從而改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,保證機(jī)組不間斷并網(wǎng)運(yùn)行[14-16]。
考慮變槳響應(yīng)較電磁響應(yīng)慢的特點(diǎn),采用一種緊急快速變槳控制的方法,其控制框圖見(jiàn)圖4[17]。
圖4 緊急變槳控制框圖Fig.4 Block diagram of emergency pitch control
圖中,Pw_lim是機(jī)械功率參考值;Pw是風(fēng)輪輸出機(jī)械功率;θref_em是緊急控制模式下的槳距角指令;Cp是功率系數(shù),是槳距角θ和葉尖速比λ的函數(shù),Cp=f(θ,λ),在仿真中,由 look up
Table 實(shí)現(xiàn),其關(guān)系如圖5所示,這里假設(shè)λ是常數(shù),且為最優(yōu)值;Cpmax和Cpmin分別是功率系數(shù)的最大值和最小值;θref_nor是正常模式下的槳距角指令,通常設(shè)為0;邏輯控制用來(lái)實(shí)現(xiàn)故障模式和正常模式的轉(zhuǎn)換。
圖5 槳距角和功率系數(shù)之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between pitch angle and power coefficient
電網(wǎng)正常情況下,槳距角為給定值,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)功率系數(shù)運(yùn)行,使雙饋感應(yīng)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤發(fā)電;一旦檢測(cè)到電網(wǎng)電壓驟降,則馬上啟用緊急槳距角控制系統(tǒng),根據(jù)故障時(shí)給定的風(fēng)力機(jī)極限功率來(lái)計(jì)算風(fēng)能功率系數(shù),然后查表得出相應(yīng)槳距角的參考值,通過(guò)減小風(fēng)電機(jī)組的輸入機(jī)械功率來(lái)適應(yīng)電網(wǎng)故障下輸出電能的減小。
值得注意的是,槳距角的變化率是個(gè)很重要的參數(shù),它決定了變槳控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度[17-18],最終決定風(fēng)輪輸入機(jī)械功率減少的快慢,從而成為影響緊急變槳控制效果的主要因素[19]。按文獻(xiàn)[19]中所述,在緊急變槳控制中,槳距角變化率的最大范圍可達(dá)到 10°/s~20°/s,因此,本文折中將其設(shè)置為 15°/s。
基于仿真軟件MATLAB/Simulink,驗(yàn)證了上述緊急變槳與撬棒協(xié)調(diào)控制對(duì)機(jī)組低電壓穿越能力的提高和對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的改善。仿真中所使用的雙饋感應(yīng)電機(jī)參數(shù)為:額定功率PN=1.5 MW,額定電壓UN=575 V,額定頻率f=60 Hz,定子電阻Rs=0.00706 p.u.,定子漏感 Lls=0.171 p.u.,轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0.005 p.u.,轉(zhuǎn)子漏感 Llr=0.156 p.u.,互感 Lm=2.9 p.u.,極對(duì)數(shù)p=3,慣性時(shí)間常數(shù)H=5 s。
仿真條件如下:風(fēng)速為13.7 m/s,電壓跌落至20%,故障3 s時(shí)發(fā)生,持續(xù)時(shí)間為625 ms,槳距角變化率為 15°/s,初始轉(zhuǎn)速為 1.1 p.u.。
圖6給出了槳距角在仿真中的變化曲線,其對(duì)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的控制效果如圖7所示。從圖7中可以看出,采用協(xié)調(diào)控制后,轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯變小,并且抑制了系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化率。按照?qǐng)D8所示,采用協(xié)調(diào)控制也能抑制轉(zhuǎn)子故障電流,尤其是在故障切除后作用更加明顯。從圖9和圖10中看出,協(xié)調(diào)控制也能改善電機(jī)定子有功功率和無(wú)功功率的波動(dòng),尤其是對(duì)有功功率的穩(wěn)定性影響較大;并且,和撬棒控制相比,協(xié)調(diào)控制的采用,使得電機(jī)定子有功功率在故障切除后,產(chǎn)生的瞬間尖峰脈沖幅值略有減小,而此時(shí)對(duì)無(wú)功功率瞬間尖峰脈沖幅值并無(wú)改善。
圖6 電壓跌落625 ms槳距角變化曲線Fig.6 Variation curve of pitch angle during voltage drop for 625 ms
圖7 電壓跌落625ms機(jī)組轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig.7 Response of rotor speed to voltage drop for 625 ms
圖8 電壓跌落625 ms機(jī)組轉(zhuǎn)子電流響應(yīng)Fig.8 Response of rotor current to voltage drop for 625 ms
圖9 電壓跌落625 ms機(jī)組定子有功響應(yīng)Fig.9 Response of stator active power to voltage drop for 625 ms
圖10 電壓跌落625 ms機(jī)組定子無(wú)功響應(yīng)Fig.10 Response of stator reactive power to voltage drop for 625 ms
為了進(jìn)一步驗(yàn)證撬棒和變槳協(xié)調(diào)控制對(duì)機(jī)組低電壓穿越能力的改善,尤其是持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電壓故障,設(shè)計(jì)完成了另外一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)。在該仿真驗(yàn)證中,除了故障持續(xù)時(shí)間不同(電壓跌落故障持續(xù)700 ms)外,其他仿真條件均相同。
該仿真條件下,得出的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)1一致。圖11是槳距角的變化曲線,其對(duì)轉(zhuǎn)速的控制效果如圖12所示,由于電壓跌落故障持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),在撬棒控制下,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過(guò)了過(guò)速保護(hù)的整定值1.3 p.u.。然而,協(xié)調(diào)控制的采用使得系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制在規(guī)定的范圍之內(nèi),同時(shí)穩(wěn)定了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。圖 13同樣表明,協(xié)調(diào)控制能抑制轉(zhuǎn)子故障電流,尤其是故障切除后作用更加明顯,而圖14和圖15也說(shuō)明,協(xié)調(diào)控制能改善系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率的波動(dòng)。
需要強(qiáng)調(diào)的是,按照?qǐng)D14和圖15所示,和撬棒控制相比,協(xié)調(diào)控制的采用,使得電機(jī)定子有功在故障切除后,產(chǎn)生的瞬間尖峰脈沖幅值略有減小,而對(duì)無(wú)功功率瞬間尖峰脈沖幅值并無(wú)改善。
圖11 電壓跌落700 ms機(jī)組槳距角變化曲線Fig.11 Variation curve of pitch angle during voltage drop for 700 ms
圖12 電壓跌落700 ms機(jī)組轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig.12 Response of rotor speed to voltage drop for 700 ms
圖13 電壓跌落700 ms機(jī)組轉(zhuǎn)子電流響應(yīng)Fig.13 Response of rotor current to voltage drop for 700 ms
圖14 電壓跌落700 ms機(jī)組定子有功響應(yīng)Fig.14 Response of stator active power to voltage drop for 700 ms
圖15 電壓跌落700 ms機(jī)組定子無(wú)功響應(yīng)Fig.15 Response of stator reactive power to voltage drop for 700 ms
撬棒技術(shù)是目前風(fēng)機(jī)制造商優(yōu)先考慮的改善雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的較為成熟的技術(shù)。但是,撬棒電路在故障期間的運(yùn)行不僅使得機(jī)組向系統(tǒng)吸收無(wú)功功率,而且不利于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性,對(duì)于時(shí)間較長(zhǎng)的電壓跌落故障,機(jī)組可能過(guò)速跳閘,使得機(jī)組低電壓穿越失敗。因此,建議采用緊急變槳和撬棒協(xié)調(diào)控制來(lái)加強(qiáng)雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力。
然而,變槳控制相對(duì)電氣參數(shù)而言,變化較慢,因此在故障持續(xù)時(shí)間較短時(shí),改善機(jī)組低電壓穿越能力的作用不是很明顯,但仍能改善機(jī)組轉(zhuǎn)速和輸出電磁功率的穩(wěn)定性,同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子故障電流,尤其是故障切除后,有一定作用。而當(dāng)系統(tǒng)遭受故障持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),協(xié)調(diào)控制能有效限制轉(zhuǎn)速的上升,控制其在規(guī)定的范圍之內(nèi),同時(shí)改善機(jī)組轉(zhuǎn)速和輸出電磁功率的穩(wěn)定性,并能起到抑制轉(zhuǎn)子故障電流、減小輸出機(jī)械功率、緩解轉(zhuǎn)矩大的變化對(duì)齒輪箱產(chǎn)生的沖擊的作用。