具有低電壓穿越能力的雙饋風(fēng)電場(chǎng)故障特性分析

閻 智，林雪峰

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830047)

隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的加劇，風(fēng)電并網(wǎng)容量占系統(tǒng)容量的比例也越來(lái)越大，風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響也越來(lái)越不容忽略。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)由其優(yōu)越性成為主流機(jī)型廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)。雙饋風(fēng)電機(jī)組的特殊結(jié)構(gòu)和控制策略，導(dǎo)致其故障特性與常規(guī)發(fā)電機(jī)的故障特性存在明顯差異。而其低電壓穿越特性及具備LVRT的雙饋風(fēng)電機(jī)組故障特性更值得研究。

本文針對(duì)傳統(tǒng)Crowbar電路的弊端提出一種有別于傳統(tǒng)Crowbar電路保護(hù)的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越策略，基于此搭建了雙饋風(fēng)電場(chǎng)模型，仿真驗(yàn)證了雙饋風(fēng)電場(chǎng)具備低電壓穿越能力及控制策略的優(yōu)越性。并仿真研究了雙饋風(fēng)電場(chǎng)不同故障類型下的故障特性，研究結(jié)果表明傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子Crowbar電路的投入是機(jī)組故障電流頻率為非工頻的原因，而采用其他非轉(zhuǎn)子Crowbar電路的機(jī)組故障電流頻率為工頻；風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生任何類型的不對(duì)稱接地故障，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)都會(huì)表現(xiàn)出弱電源特性，單相接地故障表現(xiàn)出的弱電源特性更為明顯，這對(duì)故障選相元件將會(huì)受到嚴(yán)重影響。

1 雙饋風(fēng)電機(jī)組控制策略

1.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的矢量控制

轉(zhuǎn)子側(cè)采用定子磁鏈定向矢量控制，d軸沿定子磁場(chǎng)方向,定子磁通的q軸分量為零,則usd=0，usq=Us。忽略定子側(cè)電阻,定子有功功率Ps和無(wú)功功率Ps為：

由式轉(zhuǎn)子側(cè)的電流分量iqr、idr可以分別控制定子側(cè)的有功功率Ps和無(wú)功功率Ps，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)定子有功與無(wú)功的解耦控制，使定子側(cè)輸出恒定的電壓和穩(wěn)定的頻率。雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變流器矢量控制結(jié)構(gòu)圖見圖1。

1.2 網(wǎng)側(cè)變換器的矢量控制

網(wǎng)側(cè)采用定子電壓定向矢量控制，d軸沿定子電壓方向，q軸在旋轉(zhuǎn)方向上超前d軸90°，則ud=us，uq=0，進(jìn)而可以得到電網(wǎng)側(cè)變換器與電網(wǎng)交換的有功與無(wú)功表達(dá)式如下：

圖1 雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變流器矢量控制結(jié)構(gòu)圖

式中：igd、igq為網(wǎng)側(cè)變換器電流在d、q軸上的分量。

由上式(1)－(4)可知，通過調(diào)節(jié)igd、igq可控制網(wǎng)側(cè)輸出的有功、無(wú) 功功率。網(wǎng)側(cè)逆變器滿足網(wǎng)側(cè)電壓定向矢量控制的原理見圖2。

圖2 雙饋電機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器控制原理框圖

1.3 轉(zhuǎn)子 Crowbar 電路

目前雙饋風(fēng)電機(jī)組較多的采用Crowbar 電路實(shí)現(xiàn)LVRT，見圖3。在故障期間Crowbar電路觸發(fā)將轉(zhuǎn)子變流器短接，保護(hù)變流器，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的不間斷運(yùn)行。

圖3 轉(zhuǎn)子Crowbar電路

2 雙饋風(fēng)電機(jī)組及低電壓穿越策略

利用DC－Chopper代替Crowbar，在故障時(shí)可以較好的起到保護(hù)直流側(cè)電容和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的作用。在故障情況下通過對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器進(jìn)行解耦控制，控制定子側(cè)給電網(wǎng)提供一定無(wú)功支持，實(shí)現(xiàn)故障穿越。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖4。

圖4 DFIG實(shí)現(xiàn)故障穿越系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 直流卸荷電阻模塊

卸荷電路由IGBT和卸荷電阻串聯(lián)構(gòu)成。工作原理為：當(dāng)Udc大于Udc-max時(shí)，卸荷電阻快速投入；當(dāng)Udc小于Udc-max時(shí)，直流卸荷電阻快速切出。在PSCAD/EMTDC中構(gòu)建模型，其中卸荷電阻和直流電壓的參數(shù)為：R=0.6Ω，Udc-max=1.1p.u。其中電阻的參數(shù)由Udc-max和ΔP決定(R=U2dc-max/ΔP，式中ΔP為功率流動(dòng)偏差，Udc-max為母線最大電壓。

2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器無(wú)功控制策略

本文采用DC－Chopper代替Crowbar，因此變流器在故障期間沒有切除。故障過程中，網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在變功率因數(shù)狀態(tài)，向電網(wǎng)提供部分容性無(wú)功支撐；故障切除后，轉(zhuǎn)子變流器恢復(fù)單位功率因數(shù)控制，風(fēng)電機(jī)組迅速恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。控制策略見圖5。

圖5 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器無(wú)功控制控制策略

風(fēng)電正常并網(wǎng)時(shí)，無(wú)功電流的給定值為i1q=0，只給電網(wǎng)發(fā)出有功功率;當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)側(cè)逆變器立即切換為靜止無(wú)功補(bǔ)償模式，向電網(wǎng)發(fā)出一定的無(wú)功，從而穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，有助于風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越。

3 具有LVRT的雙饋風(fēng)電場(chǎng)故障特性

3.1 具有LVRT的雙饋風(fēng)電場(chǎng)建模

在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)中搭建雙饋風(fēng)電機(jī)組及雙饋風(fēng)電場(chǎng)仿真模型，風(fēng)電場(chǎng)由5臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，單臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組參數(shù)見表1。系統(tǒng)容量為200 MVA，系統(tǒng)正序阻抗為1.31pu仿真風(fēng)速為12 m/s。搭建模型見圖6。低電壓穿越仿真結(jié)果見圖7。

表1 雙饋風(fēng)電機(jī)組參數(shù)

仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)的Crowbar控制策略無(wú)法在電壓跌落跌落程度較嚴(yán)重的情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，而本文采取的控制策略可以實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

3.2 具有LVRT的雙饋風(fēng)電場(chǎng)故障特性

在t =0.8 s時(shí)風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線上距離風(fēng)電場(chǎng)側(cè)40 km處發(fā)生單相接地、兩相接地、兩相和三相接地故障，故障發(fā)生時(shí)間為2 s，故障持續(xù)時(shí)間0.1 s。故障電流仿真結(jié)果分別見圖8～圖11。故障電流頻譜仿真分別見圖12～圖16。

根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)比可知，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子Crowbar電路的投入是機(jī)組故障電流頻率為非工頻的原因(見圖16)，而采用其他非轉(zhuǎn)子Crowbar電路的機(jī)組故障電流頻率為工頻；風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生任何類型的不對(duì)稱接地故障，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)都會(huì)表現(xiàn)出弱電源特性，單相接地故障表現(xiàn)出的弱電源特性更為明顯。這對(duì)故障選相元件將會(huì)受到嚴(yán)重影響。

圖6 雙饋風(fēng)電場(chǎng)建模

圖7 雙饋風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越仿真曲線

圖8 單相接地故障仿真曲線

圖9 兩相接地故障仿真曲線

圖10 兩相短路故障仿真曲線

圖11 三相短路故障仿真曲線

圖12 單相接地故障仿真電流幅頻圖

圖13 兩相接地故障仿真電流幅頻圖

圖14 兩相短路故障仿真電流幅頻圖

圖15 三相短路故障仿真電流幅頻圖

圖16 基于傳統(tǒng)Crowbar保護(hù)的三相短路電流幅頻圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)Crowbar電路的弊端提出雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越策略，基于此搭建了雙饋風(fēng)電場(chǎng)模型，仿真驗(yàn)證了雙饋風(fēng)電場(chǎng)具備低電壓穿越能力及控制策略的優(yōu)越性。并仿真研究了雙饋風(fēng)電場(chǎng)不同故障類型下的故障特性，研究結(jié)果表明傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子Crowbar電路的投入是機(jī)組故障電流頻率為非工頻的原因，而采用其他非轉(zhuǎn)子Crowbar電路的機(jī)組故障電流頻率為工頻；風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線發(fā)生任何類型的不對(duì)稱接地故障，風(fēng)電場(chǎng)側(cè)都會(huì)表現(xiàn)出弱電源特性，單相接地故障表現(xiàn)出的弱電源特性更為明顯。這對(duì)故障選相元件將會(huì)受到嚴(yán)重影響。研究成果具有一定的實(shí)際價(jià)值和意義。

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