雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越的改進(jìn)技術(shù)

齊桓若，劉其輝

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

隨著能源問題的不斷突出，世界范圍內(nèi)、尤其是我國，風(fēng)力發(fā)電蓬勃發(fā)展[1-4]。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其具有獨立的有功、無功調(diào)節(jié)能力[5-6]，易于實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，機(jī)側(cè)變換器所需容量小等優(yōu)點受到了業(yè)界的青睞，但正因為它機(jī)側(cè)變換器容量小，也造成其對電網(wǎng)故障敏感、脆弱的特性[7]。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然跌落時，定子側(cè)電壓跌落，而根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣啥ㄗ哟沛湶粫蛔儯ㄗ哟沛湶粌H包含周期分量還有暫態(tài)直流分量，此暫態(tài)分量以定子時間常數(shù)衰減，其最大值與電網(wǎng)電壓降落的大小和電壓降落發(fā)生的時間有關(guān)。定子磁鏈暫態(tài)直流分量感生出反電動勢暫態(tài)直流分量，它除了與電網(wǎng)電壓降落的大小和電壓降落發(fā)生的時間有關(guān)外，還與滑差率s成正比。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）運(yùn)行時滑差率一般較小，故反電動勢周期分量一般比較小。與此同時，由定子磁鏈周期分量感生出的反電動勢暫態(tài)直流分量的幅值與（s-1）成正比，其大小遠(yuǎn)超過反電動勢周期分量。反電動勢暫態(tài)與周期分量又分別作用于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流暫態(tài)和周期分量。由以上分析可知，轉(zhuǎn)子電流中的暫態(tài)分量往往可以很大[8]。DFIG的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器是由電力電子器件組成的，過流對他們造成的損害是毀滅性的，因此低電壓穿越一直是雙饋風(fēng)力發(fā)電重點研究課題之一。電網(wǎng)電壓跌落對DFIG的影響不僅僅是轉(zhuǎn)子電流升高。由于電網(wǎng)電壓較低網(wǎng)側(cè)變流器功率輸送不出去，會引起直流母線過電壓，進(jìn)而可能引起直流環(huán)節(jié)電容被損毀。除了以上2點，風(fēng)力機(jī)俘獲的能量與發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率不平衡還可能會引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高引發(fā)飛車危險。故成功的低電壓穿越，需要滿足轉(zhuǎn)子側(cè)變流器不過流，直流母線不過壓以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不過限，只有這3方面都滿足要求才稱為實現(xiàn)了成功的低電壓穿越[9-10]。

目前轉(zhuǎn)子corwbar技術(shù)[11-12]是低穿的主流解決方案，即在檢測到電網(wǎng)故障引起轉(zhuǎn)子電流過高時，用電阻短接DFIG的轉(zhuǎn)子并將機(jī)側(cè)變流器旁路，為轉(zhuǎn)子側(cè)的浪涌電流提供一條大阻尼通道，這樣可以有效地控制流過機(jī)側(cè)變流器的電流不過限，避免燒毀機(jī)側(cè)變流器的電力電子器件。也有研究提出chopper[13]解決方案，即在背靠背變流器的直流母線電容旁并聯(lián)一個電阻，此電阻的通斷由與其串聯(lián)的IGBT控制，當(dāng)直流母線電壓過高，投入chopper來卸荷。

本文在PSCAD仿真平臺上將crowbar與chopper共同納入主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過理論分析與仿真發(fā)現(xiàn)chopper的加入不僅減小了電網(wǎng)電壓波動過程中轉(zhuǎn)子電流的振蕩；另一方面chopper的加入大大提高了crowbar電阻阻值整定上限，可以有效減小定子無功功率振蕩以及恢復(fù)過程的過渡時間。在crowbar與chopper配合的硬件電路基礎(chǔ)之上，本文還提出低電壓穿越過程中機(jī)側(cè)變流器的無擾切換控制方法，最后通過仿真驗證了這種方法可以大大減少crowbar投切次數(shù)與低穿過渡時間，并且控制實現(xiàn)較簡單可行。

1 Crowbar與chopper配合的改進(jìn)方式

Crowbar與chopper共同配合的DFIG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[14-15]。

圖1 crowbar與chopper共同配合的DFIG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 The main structure of the DFIG main circuit combined with crowbar and chopper

Crowbar的投切控制信號由采集到的轉(zhuǎn)子電流信號決定，crowbar投切判據(jù)采用：當(dāng)三相轉(zhuǎn)子電流任意一相超過轉(zhuǎn)子電流上限Irlimt+時，crowbar投入；當(dāng)三相轉(zhuǎn)子電流都不大于轉(zhuǎn)子電流下限Irlimit-時，crowbar切出。Chopper的投切控制信號由采集到的直流母線電壓決定，chopper投切判據(jù)為：當(dāng)直流母線電壓超過直流母線電壓上限Ulimit+時投入；當(dāng)直流母線電壓不超過直流母線電壓下限Ulimit-時切出。Irlimt+、Irlimit-與Ulimit+、Ulimit-分別為轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓的閾值，之所以大小不同是為了實現(xiàn)一定的延時，減少不必要的投切。通過控制crowbar與chopper的投切確保流過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流與直流母線電壓不過限，兩者分開控制，可以有效確保機(jī)側(cè)變流器與直流側(cè)電容的安全。

值得注意的是，轉(zhuǎn)子電流的閾值與機(jī)側(cè)變流器的額定電流有密切關(guān)系，若機(jī)側(cè)變流器采用的IGBT容量大，則Irlimit可以相對大一些，這對減少crowbar的投切次數(shù)和過渡時間很有幫助，但會造成IGBT的資金投入較大。直流側(cè)電壓一般不允許超過額定電壓Un的10%[16]，在仿真中將閾值設(shè)置為1.1Un。

仿真中雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)Tab. 1 Parameters of the DFIG system

電壓跌落后引發(fā)的一系列不良后果究其本質(zhì)是由于能量不平衡引起的，單一crowbar只能提供一條能量泄流通道，而crowbar與chopper配合可以提供兩條能量泄流通道，這必然會起到更好的效果[17]。Crowbar單獨作用與crowbar、chopper配合作用的低電壓穿越仿真結(jié)果如圖2所示。圖2中左、右曲線分別為crowbar單獨作用與crowbar、chopper配合作用的仿真曲線。電網(wǎng)電壓在8～8.625 s跌落80%，兩種方案crowbar阻值相同都為0.3 Ω。從圖中可以看到，crowbar單獨作用與crowbar、chopper配合作用仿真結(jié)果的主要區(qū)別體現(xiàn)在直流母線電壓上：crowbar、chopper配合作用的直流母線電壓增量被可靠限制在額定電壓的10%（即1.1 kV×1.1=1.21 kV）。其他結(jié)果基本相似。

chopper的加入，還可以大大減小電網(wǎng)電壓恢復(fù)后的過渡時間與電網(wǎng)電壓突變時的無功功率振蕩。具體分析如下。

圖2 crowbar單獨作用與crowbar、chopper配合作用的低電壓穿越仿真結(jié)果Fig. 2 Simulation results of LVRT under the use of the single crowbar and the crowbar cooperated with chopper

許多文獻(xiàn)致力于研究crowbar阻值R整定問題，如文獻(xiàn)[18-19]，研究普遍認(rèn)為若R值太小，對轉(zhuǎn)子電流的阻尼作用不夠明顯，將大大延長crowbar的投入時間。因此R值越大越有利于快速有效的低穿。但是，若R值過大，電壓突變時較大的轉(zhuǎn)子電流流過crowbar將產(chǎn)生很大的電壓降落，這部分電壓同時加在了變流器與直流環(huán)節(jié)上，過大的電壓可能會引起網(wǎng)側(cè)變流器與直流母線電容的損毀。Crowbar與chopper配合的低穿方式可以大大提高crowbar阻值整定上限，當(dāng)直流母線電壓超過了設(shè)定值后，chopper投入卸荷，可以有效保護(hù)網(wǎng)側(cè)變流器與直流母線電容不過壓。

在Crowbar投入期間機(jī)側(cè)變流器被電阻短接，DFIG相當(dāng)于一個異步電機(jī)，crowbar阻值較大等效于轉(zhuǎn)子電阻大，提高了轉(zhuǎn)子側(cè)的功率因數(shù)，減少了定子無功需求，這對減弱定子無功的震蕩也有積極作用。

crowbar與chopper配合作用下不同crowbar阻值（左側(cè)曲線為0.3 Ω、右側(cè)1 Ω）的低穿仿真結(jié)果如圖3所示。電網(wǎng)電壓在8.000～8.625 s跌落80%。參考文獻(xiàn)[5]中crowbar阻值整定方程與仿真用雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)，單獨crowbar作用時R值上限為0.3 Ω，而圖3仿真結(jié)果表明，加入chopper后crowbar阻值增大，并且隨著crowbar阻值的增大，故障時crowbar投入時間減短、投切次數(shù)減少、轉(zhuǎn)子電流波動減小、電網(wǎng)電壓突變時定子無功沖擊也減小，直流母線電壓并沒有隨crowbar阻值增大而升高。

有了chopper的配合，crowbar的阻值理論上可以無限增大，且阻值越大效果越好。但實際仿真中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)crowbar阻值增大到一定程度后，投切次數(shù)不減反增，這是由于每一次crowbar的投切，相當(dāng)于單刀雙擲開關(guān)在電阻與變流器之間切換，必然會引起過渡過程，當(dāng)電阻過大時，切換的擾動過大，反而會引起過渡過程加劇、過度時間增長不利于低電壓穿越。故即使有了chopper的配合，crowbar阻值也不能無限增大。

圖3 Crowbar與chopper配合作用下不同crowbar阻值的低穿仿真結(jié)果Fig. 3 Simulation results of the LVRT under different resistances under the use of the crowbar together with chopper

2 電網(wǎng)電壓跌落時機(jī)側(cè)變流器無擾切換控制策略

低電壓穿越過程中，crowbar投入時機(jī)側(cè)變流器被短接，故有觀點認(rèn)為此時機(jī)側(cè)變流器的控制策略不會影響低穿過程也不用做改變（簡稱為方案1）。還有一種觀點認(rèn)為，電網(wǎng)電壓跌落導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率無法輸送到電網(wǎng)，此時令發(fā)電機(jī)有功指令為0（簡稱為方案2）可以減弱因功率不平衡引起的振蕩。方案1忽略了在機(jī)側(cè)變流器被短路時，其功率環(huán)中PI控制器仍在運(yùn)算，實際功率與功率指令的較大差值可能引起PI控制器的飽和，導(dǎo)致crowbar切除、機(jī)側(cè)變流器重新投入電路后短時間內(nèi)變流器不能對功率進(jìn)行有效的控制。方案2忽略了有功指令突變?yōu)?引起的變動又成為一個潛在擾動增強(qiáng)了過渡過程、增加了過渡時間?；谝陨戏治?，本文提出電網(wǎng)電壓跌落時機(jī)側(cè)變流器無擾切換控制策略（簡稱為方案3），即在檢測到電網(wǎng)電壓跌落時，令機(jī)側(cè)變流器的有功指令和無功指令分別取其有功功率、無功功率實際值，這樣避免了功率指令值與實際值懸殊引起的PI控制器的飽和，在故障切除后可以快速有效地對功率實現(xiàn)再控制[20-21]。電網(wǎng)電壓跌落時機(jī)側(cè)變流器無擾切換控制框圖如圖4所示。電網(wǎng)電壓在8.000～8.625 s跌落80%并且采用crowbar與chopper配合的硬件措施，3種方案的低穿仿真結(jié)果如圖5所示。圖5中曲線從上而下依次為方案1、2、3的仿真結(jié)果，Ⅰ為電壓跌落時刻、Ⅱ為電壓恢復(fù)時刻、Ⅲ為方案1過渡過程結(jié)束（即crowbar與chopper均不再投入）時刻、Ⅳ為方案2過渡過程結(jié)束時刻、Ⅴ為方案3過渡過程結(jié)束時刻。從圖中可以看出，方案3在機(jī)側(cè)變流器不過流、直流母線電壓不過壓、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不過限的基礎(chǔ)上大大減少了crowbar的投切次數(shù)和過渡時間，減小了轉(zhuǎn)速的波動，這有利于風(fēng)電機(jī)組實現(xiàn)快速有效的低電壓穿越，仿真結(jié)果證明了機(jī)側(cè)變流器無擾切換的改進(jìn)控制方法的有效性與優(yōu)越性。

圖4 低電壓穿越無擾切換DFIG控制框圖Fig. 4 The control block diagram of the non-disturbing LVRT switching of DFIGs

圖5 3種方案的低穿仿真結(jié)果Fig. 5 Simulation g results of the three LVRT strategies

3 結(jié)論

本文通過理論分析與仿真驗證發(fā)現(xiàn)crowbar與chopper 配合的低電壓穿越方法可以大大提高crowbar阻值整定的上限，進(jìn)而減小轉(zhuǎn)子電流與定子無功功率的波動，減少電壓恢復(fù)后的過渡時間。在crowbar與chopper共同作用的硬件電路基礎(chǔ)之上，配合本文提出的無擾切換的控制策略，可以快速、有效地實現(xiàn)低電壓穿越。

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