改進(jìn)的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力研究

苑薇薇，陳 鑫

(沈陽理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

改進(jìn)的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力研究

苑薇薇，陳 鑫

(沈陽理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的要求，在分析Crowbar電路和串聯(lián)制動(dòng)電阻(SDBR)保護(hù)原理的基礎(chǔ)上，提出利用兩種方式結(jié)合的方法來改善雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)建立基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型，并將仿真結(jié)果同不加任何保護(hù)裝置的風(fēng)電系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，改進(jìn)的保護(hù)措施能有效保護(hù)風(fēng)電機(jī)組，提高機(jī)組的低電壓穿越能力。

風(fēng)力發(fā)電；雙饋感應(yīng)電機(jī)；Crowbar電路；串聯(lián)制動(dòng)電阻；低電壓穿越

針對(duì)DFIG低電壓穿越能力主要有改進(jìn)控制策略和增加硬件控制電路的兩種方法。文獻(xiàn)[1-2]均是通過改變控制策略的方法來提高風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。文獻(xiàn)[3-4]針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型，討論了低電壓穿越的控制策略，采用轉(zhuǎn)子側(cè)外接Crowbar保護(hù)電路使風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障保持不脫網(wǎng)運(yùn)行。文獻(xiàn)[5]提出外加直流側(cè)Crowbar電路吸收多余能量，達(dá)到故障穿越的目的。文獻(xiàn)[6-7]提出利用串聯(lián)制動(dòng)電阻來改善風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力的措施，討論了制動(dòng)電阻投切策略，通過仿真實(shí)驗(yàn)表明串聯(lián)制動(dòng)電阻能有效提高風(fēng)電機(jī)組故障穿越能力。 基于目前研究的現(xiàn)狀，采用兩種保護(hù)聯(lián)合控制策略，在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)外加轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)電路，在風(fēng)電場(chǎng)升壓側(cè)與雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)端串聯(lián)制動(dòng)電阻對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的影響進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明兩種保護(hù)聯(lián)合控制方法能更有效提高風(fēng)電機(jī)組故障穿越能力，滿足低電壓穿越要求。

1 低電壓穿越與典型風(fēng)電場(chǎng)模型

1.1 低電壓穿越

低電壓穿越能力正逐漸成為大型并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的必備功能之一。要求風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)保持并網(wǎng)，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障期間不具備故障穿越能力而全部脫網(wǎng)，則將因?yàn)檩敵龉β屎拓?fù)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)原則要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落的情況下具有不脫網(wǎng)運(yùn)行以及提供電壓支持的能力。

圖1 E.ON Netz 公司的LVRT 標(biāo)準(zhǔn)

德國E.ON公司針對(duì)風(fēng)電機(jī)組故障情況下運(yùn)行能力的最新要求。要求風(fēng)電場(chǎng)能夠在圖1所示的電壓范圍內(nèi)(即圖中陰影區(qū))不脫網(wǎng)運(yùn)行，電網(wǎng)電壓跌落到15%以后電壓降低至0.15p.u時(shí)要求風(fēng)電機(jī)組在線運(yùn)行0.625s。電網(wǎng)電壓低于0.9p.u時(shí)，風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間須持續(xù)達(dá)3s，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于圖中陰影部分區(qū)域時(shí)才允許風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)[3]。我國的國家電網(wǎng)公司根據(jù)自身電網(wǎng)結(jié)構(gòu)制定了我國的試行標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示，要求電壓跌落至20%便要投入保護(hù)措施。

圖2 我國試行的LVRT標(biāo)準(zhǔn)

1.2 典型風(fēng)電場(chǎng)模型

1)制動(dòng)電阻串接在風(fēng)電場(chǎng)升壓站

將制動(dòng)電阻串接在風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器低壓側(cè)，雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)加IGBT主動(dòng)式Crowbar保護(hù)電路，如圖3所示。功率因數(shù)較高時(shí)，制動(dòng)電阻使電壓幅值在原來的基礎(chǔ)上得到很大提高，保證了風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓。但功率因數(shù)較低時(shí)，制動(dòng)電阻對(duì)機(jī)端電壓提升并不明顯。

圖3 SDBR接在升壓變壓器低壓側(cè)

2)制動(dòng)電阻串接在風(fēng)電機(jī)組出口

制動(dòng)電阻接在風(fēng)電機(jī)組出口處并在雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)IGBT主動(dòng)式Crowbar保護(hù)電路，如圖4所示。在功率因數(shù)較高時(shí)，利用制動(dòng)電阻產(chǎn)生的電壓降落，實(shí)際上也抬高了風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓。

圖4 SDBR接在風(fēng)電機(jī)組出口

由于在升壓變壓器低壓側(cè)串聯(lián)制動(dòng)電阻要優(yōu)于在風(fēng)機(jī)出口，所以本文將制動(dòng)電阻串聯(lián)在風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器處[6]。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，控制器通過判斷機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)速等參量，在需要時(shí)使旁路開關(guān)斷開，使串聯(lián)電阻接入；當(dāng)需要退出串聯(lián)電阻時(shí)，旁路開關(guān)恢復(fù)到常閉狀態(tài)即可。

2 Crowbar電路與SDBR原理

2.1 Crowbar電路保護(hù)原理

Crowbar電路保護(hù)技術(shù)分為直流側(cè)保護(hù)和轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)，Crowbar電路保護(hù)的基本思想是增加卸荷電路來消耗多余的能量以達(dá)到電壓穩(wěn)定的目的[4]。通常說的Crowbar電路保護(hù)技術(shù)是指轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)，圖5 為幾種典型的轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)電路[6]。其主要作用是當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)故障跌落時(shí)，由于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流升高，保護(hù)電路立刻動(dòng)作投入轉(zhuǎn)子回路旁路保護(hù)裝置，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路，達(dá)到限制通過勵(lì)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(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。本文應(yīng)用的主動(dòng)式IGBT型Crowbar電路Matlab/Simulink仿真模型如圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)電路

圖6 Crowbar電路仿真模型

2.2 SDBR保護(hù)原理

串聯(lián)制動(dòng)電阻的理念旨在減少故障時(shí)有功功率的失衡，利用較大的短路電流在制動(dòng)電阻上產(chǎn)生壓降提高機(jī)組端電壓，吸收過剩的有功功率，延緩風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子加速，保證風(fēng)機(jī)繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行能力，提高故障情況下電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

如圖7為串聯(lián)制動(dòng)電阻示意圖。串聯(lián)制動(dòng)電阻由電阻器、旁路開關(guān)(斷路器或電力電子器件)和控制器組成。串聯(lián)制動(dòng)電阻的目的是為了在電網(wǎng)發(fā)生深度電壓跌落情況下,利用電阻器本身產(chǎn)生壓降,來提高機(jī)組機(jī)端電壓,吸收風(fēng)電機(jī)組多余的有功功率,且避免發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速過多,提高風(fēng)電機(jī)組的故障穿越能力[7]。正常情況下,利用旁路開關(guān)將電阻器短接，旁路開關(guān)常閉；在發(fā)生電壓跌落時(shí),旁路開關(guān)斷開,電阻器投入運(yùn)行；當(dāng)故障消除后,旁路開關(guān)恢復(fù)常閉狀態(tài),電阻器再次短接，從而使電阻器退出運(yùn)行。基于Matlab/Simulink的SDBR仿真模型如圖8所示。

圖7 串聯(lián)制動(dòng)電阻示意圖

圖8 SDBR仿真模型

3 仿真分析

3.1 仿真軟硬件環(huán)境及條件設(shè)定

系統(tǒng)的仿真環(huán)境如表1所示。

表1 Matlab/Simulink仿真環(huán)境

t=0s時(shí)系統(tǒng)開始運(yùn)行，假設(shè)風(fēng)速保持不變，設(shè)定風(fēng)速為15。當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行逐漸穩(wěn)定后，在t=0.05s時(shí)，設(shè)定風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的母線電壓發(fā)生最嚴(yán)重短路故障(三相對(duì)稱短路)，按照國家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)，電網(wǎng)電壓跌落至0.2p.u，故障持續(xù)時(shí)間為625ms。

3.2 不加任何保護(hù)措施

圖9為不加保護(hù)時(shí)各參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖9 不加保護(hù)時(shí)各參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

由圖9可見，在不采取任何保護(hù)措施情況下，電網(wǎng)電壓深度跌落，雙饋異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電流Ir的峰值迅速升高，這對(duì)轉(zhuǎn)子繞組特別是轉(zhuǎn)子側(cè)變流器危害極大；直流側(cè)電壓Vdc(V)在電網(wǎng)故障排除后不能保持在額定值1200V，在故障切除時(shí)突然升高，最高甚至達(dá)到2000多伏，這將使電容由于嚴(yán)重過電壓而燒毀。此外，在故障消除后，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行而發(fā)生振蕩，有功功率P(MW)、定子電壓Us(p.u)不能保持平穩(wěn)恒定輸出，無功功率Q(Mvar)振蕩輸出不能保持在設(shè)定值?？梢?，在電壓深度跌落時(shí)，系統(tǒng)失去了自我恢復(fù)能力，這也說明了加入保護(hù)提高故障穿越能力的必要性。

3.3 參數(shù)設(shè)定及控制策略

應(yīng)用Matlab/Simulink中電力系統(tǒng)模塊集(Power System Block)中仿真模塊搭建聯(lián)合保護(hù)仿真系統(tǒng)如圖10所示，DGIG發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)定：額定功率；1.5MW；電壓：690V；頻率：50Hz；電子電阻：0.007747；轉(zhuǎn)子電阻：0.004175；定子電感：0.000226H；轉(zhuǎn)子電感：0.000352H；互感：0.016998H。

圖10 聯(lián)合保護(hù)仿真系統(tǒng)圖

當(dāng)電網(wǎng)故障發(fā)生電壓跌落時(shí)，制動(dòng)電阻的旁路開關(guān)斷開，投入串聯(lián)電阻提升機(jī)端電壓，當(dāng)雙饋電機(jī)定、轉(zhuǎn)子出現(xiàn)過電流，立刻投入轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)電路、封鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸出脈沖；當(dāng)定、轉(zhuǎn)子電流全部低于電流的設(shè)定下限時(shí)，閉合旁路開關(guān)，切除串聯(lián)電阻，同時(shí)切出轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)電路、恢復(fù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的工作。

3.4 兩種保護(hù)仿真分析

圖11為加裝保護(hù)時(shí)各參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖11 加裝保護(hù)時(shí)各參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

由圖11可以看出，在電壓驟降時(shí)，轉(zhuǎn)子電流達(dá)到的峰值都在安全范圍內(nèi)。電網(wǎng)電壓(也是發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓Us(p.u))在故障消除后能夠恢復(fù)平穩(wěn)電壓輸出。有功功率P(MW)無功功率Q(Mvar)在故障切除后迅速保持恒定輸出，直流母線電壓Vdc(V)僅在故障發(fā)生和切除時(shí)有小幅波動(dòng)。以上各參數(shù)響應(yīng)在故障排除后的0.1s內(nèi)均恢復(fù)到正常狀態(tài)，相對(duì)于不脫網(wǎng)運(yùn)行要求的3s時(shí)間很短，各參量的峰值對(duì)系統(tǒng)本身不會(huì)產(chǎn)生大的影響。因此，串聯(lián)制動(dòng)電阻和Crowbar保護(hù)電路對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的風(fēng)機(jī)保護(hù)以及故障排除后風(fēng)電機(jī)組自我恢復(fù)能力有顯著提高。

4 結(jié)論

本文對(duì)應(yīng)用轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)電路和串聯(lián)制動(dòng)電阻(SDBR)保護(hù)風(fēng)電機(jī)組故障運(yùn)行的原理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，提出在風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器低壓側(cè)串聯(lián)制動(dòng)電阻，并在雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)應(yīng)用轉(zhuǎn)子電流保護(hù)技術(shù)。仿真結(jié)果表明，串聯(lián)電阻能有效提升機(jī)端電壓；Crowbar保護(hù)電路能保護(hù)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源和發(fā)電機(jī)本身；兩種結(jié)合的保護(hù)方法能明顯提高風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。

[1]鄧文浪，陳智勇，段斌.提高雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)故障穿越能力的控制策略[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010,14(12)：15-22.

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TheResearchonImprovingLowVoltageRideThroughCapabilityofDouble-fedWindTurbine

YUAN Weiwei，CHEN Xin

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

To study the wind turbines low voltage ride through ability，based on analysis of the protection principle of Crowbar circuit and series dynamic braking resistor (SDBR),two ways are proposed to be combined to improve the ability of doubly-fed wind power generator in the low voltage ride through.The wind power system simulation model of doubly-fed wind power generator based on Matlab/Simulink simulation platform is established，and the simulation results with the parameters without any protective device of wind power system are compared.Experimental results show that the improved protection measures can effectively protect the wind turbines,which improves the ability of low voltage ride through.

wind power；doubly fed induction generator(DFIG)；Crowbar；series dynamic braking resistor (SDBR)；low voltage ride through(LVRT)

2013-05-08

苑薇薇(1960—)，女，副教授，研究方向：新能源發(fā)電技術(shù).

1003-1251(2014)01-0008-05

TM614

A

馬金發(fā))