電壓兩次跌落對雙饋型風(fēng)電機(jī)組的影響分析

孫勇，陳晨，王瑞明，李少林，張金平，杜慧成

（中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

隨著風(fēng)電在電網(wǎng)中所占比例越來越高，對風(fēng)電機(jī)組的要求也越來越高。目前，人們關(guān)注較多的是風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越性能，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，大部分風(fēng)電機(jī)組已具備低電壓穿越性能。

低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）即風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)能夠保持不脫網(wǎng)運(yùn)行。針對DFIG風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越問題，目前已有大量文獻(xiàn)對低電壓穿越進(jìn)行了研究，并相繼提出了風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越保護(hù)策略[1-5]。但是目前研究的主要是電壓一次跌落的現(xiàn)象，對于電壓二次跌落的研究較少。國際上已有標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)電機(jī)組在電壓兩次跌落情況下，不能脫網(wǎng)[6]。

本文簡要敘述了電壓會(huì)發(fā)生兩次跌落的現(xiàn)象，并分析了電壓跌落過程中定子磁鏈衰減變化現(xiàn)象，指出了在電壓發(fā)生第二次跌落時(shí)，應(yīng)考慮定子磁鏈初始值的問題。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)對比，兩次電壓跌落的間隔時(shí)間不同，DFIG風(fēng)電機(jī)組即使具備低電壓穿越功能，也無法通過第二次電壓跌落。

1 電壓兩次跌落

電壓跌落是指電網(wǎng)電壓均方根值在短時(shí)間突然下降的事件[7]，電壓跌落往往還會(huì)伴隨有電壓相位的改變。天氣條件是引起電壓跌落的主要原因，如雷擊，暴風(fēng)雨等。另外，大電機(jī)的起動(dòng)，電機(jī)的再加速等現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)伴隨的電流嚴(yán)重畸變也會(huì)引起所在線路的電壓發(fā)生跌落。

由于電網(wǎng)故障引起的線路自動(dòng)重合閘失敗，是典型的產(chǎn)生電壓兩次跌落的原因，如圖1所示。一般情況下，線路故障的自動(dòng)重合閘越快，效果越好。我國自動(dòng)重合閘的最小時(shí)間為0.3～0.4 s[8]。在電壓等級較高的線路上，大多采用單相自動(dòng)重合閘，此時(shí)自動(dòng)重合閘失敗，會(huì)引起其鄰近線路發(fā)生不對稱電壓兩次跌落。

圖1 電壓兩次跌落示意圖Fig.1 The diagram of voltage double-dip

2 雙饋型風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的方法

目前，風(fēng)電機(jī)組對于實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，做了很多工作。但當(dāng)電網(wǎng)跌落幅度很大時(shí)，簡單靠控制策略的改進(jìn)，很難實(shí)現(xiàn)低電壓穿越這樣就必須增加硬件電路。在轉(zhuǎn)子側(cè)增加crowbar硬件電路，是目前雙饋?zhàn)兞髌鲗?shí)現(xiàn)低電壓穿越所采用的主要方法，人們對crowbar電路的控制也做了許多深入的研究。

目前采用較多的crowbar控制電路，如圖2所示。圖2（a）為在二極管整流橋后采用IGBT和電阻構(gòu)成的保護(hù)電路；圖2（b）為采用晶閘管和電阻構(gòu)成的保護(hù)電路。這2種電路結(jié)構(gòu)都為故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)的大電流提供通路，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落過程中，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器可以與轉(zhuǎn)子保持連接，當(dāng)故障消除后，切除旁路電阻使系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖2 Crowbar電路Fig.2 Crowbar control circuit

3 電壓兩次跌落下雙饋型風(fēng)電機(jī)組的響應(yīng)

DFIG是定子側(cè)直接連接至電網(wǎng)，機(jī)側(cè)變流器與轉(zhuǎn)子相連，網(wǎng)側(cè)變流器直接與電網(wǎng)相連。圖3為雙饋型風(fēng)電機(jī)組示意圖。

圖3 雙饋型風(fēng)電機(jī)組示意圖Fig.3 The block diagram of DFIG wind turbine

DFIG在定子參考坐標(biāo)系下相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如下[10-11]：

式中，Us、Ur分別表示發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電壓矢量；Is、Ir分別表示發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流矢量；ψs、ψr分別表示發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?；ω為轉(zhuǎn)子角速度；ωn為同步角速度；Ls、Lr分別表示發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組自感；Lm表示發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感。

根據(jù)式（1）~（4），推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子電壓為：

由于轉(zhuǎn)子電阻Rr及σLr相對較小，因此分析時(shí)僅考慮與定子磁鏈有關(guān)的第一項(xiàng)。這樣，轉(zhuǎn)子電壓的幅值可以寫成定子電壓的幅值函數(shù)：

式中，s為轉(zhuǎn)差率。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生對稱故障時(shí)，電壓沒有負(fù)序分量，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時(shí)，可以將電壓分解為正序電壓、負(fù)序電壓及零序電壓，如式（7），其中Usp、Usn、Us0分別表示定子電壓的正序分量、負(fù)序分量及零序分量。由于零序電壓不會(huì)產(chǎn)生磁鏈，所以將不考慮零序電壓分量。

式中：

當(dāng)不考慮轉(zhuǎn)子電流的影響時(shí)，轉(zhuǎn)子電壓由三部分組成

式中，Urp、Urn、UrDC分別表示定子磁鏈感應(yīng)出的轉(zhuǎn)子電壓的正序分量、負(fù)序分量及直流分量。

根據(jù)公式（5）、（8）、（9）可以求得：

從上述公式可以看出，由正序分量引起的轉(zhuǎn)子正序電壓正比于轉(zhuǎn)差率s；由負(fù)序分量引起的轉(zhuǎn)子負(fù)序電壓正比于（2-s），接近2；因而如果電網(wǎng)電壓跌落幅度很大，加上直流分量及轉(zhuǎn)子電流的影響，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過電壓。

通過轉(zhuǎn)子側(cè)增加crowbar電路，當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)生過流或過壓時(shí)，通過觸發(fā)晶閘管或整流電路使其導(dǎo)通，使雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)成封閉的回路，此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器停止工作，起到保護(hù)變流器的作用。

當(dāng)電壓發(fā)生第二次跌落時(shí)，且與第一次電壓跌落間隔時(shí)間較短，應(yīng)考慮由于電壓跌落，定子磁鏈產(chǎn)生暫態(tài)分量的因素。

根據(jù)公式（1）~（4）：

假設(shè)電壓在t=0時(shí)刻發(fā)生跌落，忽略定子電阻的影響，近似認(rèn)為，其中ψs0為電壓跌落時(shí)定子磁鏈的初始值；Us0為電壓跌落時(shí)定子電壓的初始值。得：

當(dāng)電壓發(fā)生不對稱跌路時(shí)，定子電壓會(huì)產(chǎn)生正序和負(fù)序分量，同樣的，定子磁鏈也會(huì)產(chǎn)生正序和負(fù)序分量。

根據(jù)公式（14）可以看出，在電壓發(fā)生跌落時(shí)，定子磁鏈由兩部分組成，第一部分是電壓跌落后形成的穩(wěn)態(tài)定子磁鏈，另一部分是電壓跌落后所形成的暫態(tài)分量，且呈衰減震蕩趨勢。由于磁鏈不能突變，若此時(shí)電壓發(fā)生第二次跌落，則定子磁鏈的初始值會(huì)變大，尤其是不對稱跌落，定子磁鏈的負(fù)序分量不為0，相應(yīng)的定子磁鏈再次發(fā)生突變，且較第一次電壓跌落時(shí)更為嚴(yán)重，由此帶來的過電壓也會(huì)變大，若依舊采用第一次電壓跌落時(shí)的低電壓穿越控制策略，加上crowbar電阻的容量有限，則很難通過電壓的二次跌落。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)對比

下面通過現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，來說明電壓兩次跌落對風(fēng)電機(jī)組的影響。試驗(yàn)風(fēng)電機(jī)組為相同配置的1.5 MW雙饋型風(fēng)電機(jī)組。

圖4、圖5給出了電壓跌落期間的三相電壓及風(fēng)電機(jī)組有功功率的波形圖，兩次電壓跌落深度約為25%Un，圖4所示兩次電壓跌落時(shí)間間隔約為400 ms，圖5所示兩次電壓跌落時(shí)間間隔約為750 ms。

圖4 電壓兩次跌落，間隔時(shí)間400 ms，風(fēng)電機(jī)組三相電壓與有功功率波形圖Fig.4 Voltage double-dip of an interval of 400 ms，the waveform of the three-phase voltage and active power of the wind turbine

由試驗(yàn)結(jié)果可見，當(dāng)兩次電壓跌落間隔變短時(shí)，風(fēng)機(jī)未能通過第二次電壓跌落。由于風(fēng)電機(jī)組已通過第一次電壓跌落，說明其已具備低電壓穿越功能。但由于未考慮第二次電壓跌落與第一次結(jié)束后的定子磁鏈初始狀態(tài)有關(guān)，若兩次電壓跌落間隔時(shí)間較短，則無法通過第二次電壓跌落。

圖5 電壓兩次跌落，間隔時(shí)間750 ms，風(fēng)電機(jī)組三相電壓與有功功率波形圖Fig.5 Voltage double-dip of an interval of 750 ms，the waveform of the three-phase voltage and active power of the wind turbine

5 總結(jié)

1）本文首先簡述了電網(wǎng)發(fā)生兩次電壓跌落的現(xiàn)象，同時(shí)介紹了當(dāng)前變流器增加crowbar電路解決低電壓穿越的方法。

2）分析了雙饋電機(jī)定子磁鏈的變化進(jìn)行了分析，若兩次電壓發(fā)生間隔時(shí)間較短，則應(yīng)考慮定子磁鏈的初始值。通過現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果說明并驗(yàn)證了該問題。

3）目前大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組已具備低電壓穿越能力，但電網(wǎng)發(fā)生二次跌落的現(xiàn)象也會(huì)時(shí)有發(fā)生。若兩次電壓跌落的間隔時(shí)間較長，只要風(fēng)電機(jī)組硬件條件滿足，則相當(dāng)于兩次獨(dú)立的低電壓穿越；若兩次電壓跌落的間隔時(shí)間較短，則會(huì)由于定子磁鏈衰減，導(dǎo)致定子磁鏈初始值變大，無法通過第二次電壓跌落。風(fēng)電機(jī)組可以通過變流器，主控系統(tǒng)及保護(hù)電路的控制做出相應(yīng)的改進(jìn)，以通過兩次電壓跌落。

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