風電故障穿越能力提升方法

吳水軍，何廷一，彭俊臻，鄭子萱，楊若奐

(1.云南電力科學研究院，云南 昆明 650217；2 四川大學 電氣信息學院，四川 成都 610065)

風電故障穿越能力提升方法

吳水軍1，何廷一1，彭俊臻1，鄭子萱2，楊若奐2

(1.云南電力科學研究院，云南 昆明 650217；2 四川大學 電氣信息學院，四川 成都 610065)

雙饋感應(yīng)發(fā)電機是并網(wǎng)型風電的主要機型，在高滲透率情況下，其故障穿越能力直接影響整個電力系統(tǒng)的安全運行。由于雙饋感應(yīng)電機(DFIG)定子側(cè)直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過背靠背電力電子變換器接入電網(wǎng)，DFIG對電網(wǎng)故障引起的電壓暫降事件非常敏感。為了提高DFIG的故障穿越(FRT)能力，提出一種在DFIG機端裝設(shè)諧振型固態(tài)限流器(RBFCL)的故障穿越能力提升方案，在研究諧振型橋式故障限流器基本原理的基礎(chǔ)上，制定故障限流器的控制策略。通過MATLAB/Simulink三相故障仿真，證明DFIG機端裝設(shè)諧振型固態(tài)限流器，提升風電故障穿越能力措施的正確性和可行性。

并網(wǎng)型風電；雙饋感應(yīng)電機；故障穿越能力；諧振橋式限流器

在2015年，隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)(GEI)的提出[1]，風能、太陽能等綠色能源將會逐漸取代傳統(tǒng)燃料能源[2]，因此，將會有越來越多的風力發(fā)電機接入電網(wǎng)，這就對電網(wǎng)穩(wěn)定提出了挑戰(zhàn)。過去，在風電機組發(fā)電比例不是很大時，風電機組脫網(wǎng)還可以接受。隨著近幾年風電機組容量不斷增加并部分取代了傳統(tǒng)發(fā)電方式，因此一旦有風電場脫網(wǎng)，脫網(wǎng)的功率就可能相當大，這會加劇電網(wǎng)功率缺額。為了確保電網(wǎng)穩(wěn)定，許多國家制訂了并網(wǎng)導則，要求風電場具備與傳統(tǒng)發(fā)電廠相類似的響應(yīng)特性。而這些要求的核心就是電網(wǎng)故障時和電網(wǎng)故障后，風電機組擁有繼續(xù)并網(wǎng)運行的能力，稱為低電壓穿越能力。甚至有一些國家(加拿大、德國等)要求風電場能承受零電壓，即零電壓穿越(ZVRT)[3]。不同國家不同標準下的低電壓穿越要求如圖1所示。

圖1 不同并網(wǎng)導則下風電機組穿越要求

雙饋感應(yīng)電機(DFIG)以其無可比擬的控制性能和經(jīng)濟性，在風力發(fā)電中得到廣泛應(yīng)用。然而由于DFIG的定子側(cè)直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)轉(zhuǎn)子變換器(RSC)和網(wǎng)側(cè)變換器(GSC)組成的背靠背電力電子變換器接入電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4]，使其易受到電網(wǎng)電壓暫降的影響。在故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的過電壓和過電流，可能導致RSC失控，也可能導致DFIG脫網(wǎng)運行。因此，研究如何提高DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)故障穿越能力是一項非常重要的課題。

為了提高DFIG的故障穿越能力，近年來許多學者提出了各種各樣的解決方法[5-19]。文獻[5-9]提出對DFIG的變換器應(yīng)用新的控制策略，在故障狀態(tài)下對發(fā)電機發(fā)出無功進行控制，進而增強DFIG的故障穿越能力。然而，這些方法通常僅適用于不太嚴重的故障。在機端出現(xiàn)較為嚴重的電壓暫降時，幾乎無能為力；文獻[10-12]提出使用Crowbar保護電路解決轉(zhuǎn)子側(cè)的過電流問題，因其簡單的操作原理和較低的成本，取得了不錯的效果，然而Crowbar電路需要從電網(wǎng)中吸收很大功率，這可能導致機端出現(xiàn)更嚴重的電壓暫降[13]，可能導致DFIG的齒輪箱(Gearbox)受到嚴重損害[14]。一些文獻提出使用如STATCOM等輔助設(shè)備來提升DFIG的故障穿越能力[15-16]，但這些設(shè)備使用限制較多，需要額外的變換器、耦合變壓器、諧波濾波器等，而這些設(shè)備又可能對電能質(zhì)量造成新的影響。此外，一些文獻提出使用各種結(jié)構(gòu)的超導磁儲能等裝置提高DFIG的故障穿越能力[17-18]，雖然取得了很好的效果，但造價高昂，這對本身發(fā)電成本就較傳統(tǒng)能源偏高的風電而言，負擔將會更重。

由于優(yōu)秀的暫態(tài)響應(yīng)特性，故障限流器(FCL)近幾年得到了廣泛關(guān)注。限流器的特點主要有①正常運行下幾乎零阻抗；②故障情況下阻抗很大；③發(fā)生故障時快速動作；④故障清除后快速恢復。因此，使用故障限流器提升DFIG的故障穿越能力是一個有效且合理的選擇。文獻[19-20]提出使用串聯(lián)制動電阻(SDBR)改善風電場的故障穿越能力；文獻[21-23]提出使用電阻型超導限流器改善DFIG的故障穿越能力；文獻[24-25]應(yīng)用橋式限流器(BFCL)進行了恒速異步風機和DFIG的故障穿越研究;文獻[26]提出了基于傳統(tǒng)橋式限流器結(jié)構(gòu)的諧振型限流器(RBFCL)，這種限流器在故障情況下能夠提供更高的阻抗，從而對DFIG故障穿越能力的提升更加明顯。

筆者對DFIG模型和RBFCL工作原理進行闡述，并將RBFCL應(yīng)用于并網(wǎng)DFIG風電場以改善其暫態(tài)響應(yīng)特性；在MATLAB/Simulink中建立RBFCL的投切控制模型；通過進行仿真計算，驗證三相短路故障情況下RBFCL對風電場暫態(tài)穩(wěn)定的貢獻。使用SDBR作為對照，仿真結(jié)果顯示出RBFCL對提高風電場暫態(tài)穩(wěn)定的有效性。

1 理論分析

文獻[21-23，25]對雙饋感應(yīng)發(fā)電機在故障下的工作原理及運行特性已交代的非常清楚，此處不在贅述。對RBFCL進行測試的測試系統(tǒng)如圖2所示，風電場經(jīng)變壓器、雙回輸電線路接入無窮大電網(wǎng)。

圖2 含F(xiàn)CL的雙饋感應(yīng)發(fā)電機風電場—無窮大系統(tǒng)接線

1.1 限流器工作原理

根據(jù)圖2所給出的測試系統(tǒng)，可以畫出如圖3(a)所示的等效電路圖，根據(jù)圖中ZL1，ZL2和ZFCL的三角形關(guān)系，可以得出如圖3(b)所示的等效電路。其中：

(1)

(2)

(3)

定子電壓的變化量確定：

(4)

圖3 等效電路

1.2 限流器控制策略

該文將要討論的RBFCL是基于IGBT開關(guān)的限流器，SDBR是基于離散控制的機械開關(guān)的限流器。2種開關(guān)可以采用同一種控制策略。選取圖2中的節(jié)點2(PCC點)電壓以及流過開關(guān)的電流組成控制信號。該文所建立的由PCC點電壓和電流共同控制的限流器控制器如圖4所示。當PCC點電壓跌落到0.9 p.u.或流過開關(guān)的電流高于1.3 p.u.時，控制器發(fā)出信號，使得限流器等效電阻在短時間內(nèi)就可以增大；當故障恢復時，控制器同時檢測PCC點電壓和流過開關(guān)的電流，僅當PCC點電壓高于0.9 p.u.且開關(guān)電流低于1.3 p.u.時，控制器才會向IGBT發(fā)出信號，使得限流器恢復正常運行。圖4中所加的延時控制是為了躲開暫態(tài)過程中的電磁震蕩，避免開關(guān)在故障/非故障時的頻繁開斷。2種控制信號協(xié)同控制可以避免開關(guān)在某些情況下的誤跳，可以增加整個限流器的可靠性。

圖4 IGBT控制器原理

2 諧振型橋式故障限流器(RBFCL)

RBFCL拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示，它由橋路和旁路兩部分構(gòu)成。在橋路中，由于4個整流二極管的存在，使得中間線路里只會流過直流電流。中間線路中裝設(shè)了直流電感Ldc和IGBT，與直流電感并聯(lián)的二極管可以起到續(xù)流作用。這種橋式結(jié)構(gòu)相較2個IGBT反并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，有2個優(yōu)點：

1)橋式結(jié)構(gòu)中安裝的直流電感可以在故障發(fā)生時刻、IGBT未動作時起到一定的限流效果；

2)橋式結(jié)構(gòu)中只需要1個IGBT，僅需要對1個IGBT進行控制，相比2個IGBT反并聯(lián)情況下控制策略較為簡單。

限流器的旁路由RC和電感電路并聯(lián)構(gòu)成。其等效電阻可以由公式確定，即

(5)

(6)

圖5 RBFCL結(jié)構(gòu)

在正常運行的情況下，IGBT導通，由于電阻的分流作用，絕大部分電流都只會流過橋路。橋路中的直流電感較小，幾乎不會影響系統(tǒng)的正常運行。

當故障發(fā)生時，流過IGBT的電流增大，控制器向IGBT發(fā)出信號，IGBT關(guān)斷，強迫過電流流過旁路。旁路結(jié)構(gòu)的等效阻抗很大，可以有效抑制線路過電流并提高PCC點電壓，進而可以提高機端電壓。故障清除后，控制器重新向IGBT發(fā)出信號使得IGBT導通，系統(tǒng)恢復正常運行。

3 串聯(lián)動態(tài)制動電阻(SDBR)

為了證明RBFCL對于提高風電場暫態(tài)穩(wěn)定的可行性，使用SDBR作為對照。串聯(lián)制動電阻單相結(jié)構(gòu)如圖6所示。文獻[19-20]對SDBR應(yīng)用于風電場已做了相關(guān)分析。SDBR由電阻器、旁路開關(guān)和控制器構(gòu)成。正常穩(wěn)態(tài)情況下旁路開關(guān)導通將電阻器短路，當電網(wǎng)故障導致風電場機端電壓下降時，旁路開關(guān)在控制器的作用下關(guān)斷，電阻器接入線路中以改善風電場動態(tài)性能。

圖6 SDBR結(jié)構(gòu)

4 仿真分析

采用測試系統(tǒng)(圖2)搭建MATLAB/Simulink模型。風電場中包含了6×1.5 MW的DFIG機組，經(jīng)690 V/35 kV升壓變壓器，再經(jīng)雙回30 km輸電線路和35 kV/220 kV升壓變壓器送至220 kV電網(wǎng)。因主要考察限流器在故障狀態(tài)下的作用，所以仿真中不考慮槳距角的調(diào)節(jié)作用，也不考慮風速變化。單臺DFIG機組參數(shù)等如表1所示。為使得2種限流器能夠合理地進行比較，采用文獻[25，27]中所給出的限流器參數(shù)，如表2所示。

該文在圖2測試系統(tǒng)的FCL處設(shè)定3種不同的保護情況：①無限流器保護；②加裝SDBR；③加裝RBFCL，以進行比較。

表1 DFIG和線路參數(shù)

表2 限流器參數(shù)

考慮實際線路中三相短路故障最為嚴重，因此，該文主要針對此故障類型進行研究。在圖2故障點處設(shè)置故障，0.1 s故障發(fā)生，0.25 s故障切除。

三相短路故障、3種保護情況下的機端電壓響應(yīng)如圖7所示，可以看到，在無保護的情況下故障期間機端電壓幾乎降至0；在SDBR保護的情況下，機端電壓可以提高到0.4 p.u.，而在RBFCL的保護下機端電壓可以維持0.7 p.u.。這說明RBFCL的保護效果要優(yōu)于SDBR。在有保護的情況下，故障恢復速度明顯快于無保護的情況。

三相短路故障、3種保護情況下的機端有功功率輸出響應(yīng)如圖8所示，故障發(fā)生時，故障點處流過非常大的電流，使得DFIG輸出功率突然上升，而隨后機端電壓的下降又會導致DFIG的輸出功率降低。在故障恢復時，也會出現(xiàn)類似的情況。在無保護的情況下，整個故障期間輸出有功功率變化非常大，故障情況下輸出為0，且故障排除后輸出功率出現(xiàn)波動，影響電能質(zhì)量。這會對DFIG機組本身產(chǎn)生較為惡劣的影響，也會使得直流母線電壓升高，如圖9所示。在SDBR的保護下，雖然故障恢復階段有較大改善，但效果不甚明顯。RBFCL在故障發(fā)生時和故障恢復時都能較好地保護DFIG，且故障排除后輸出功率不產(chǎn)生波動，在故障發(fā)生期間幾乎可以穩(wěn)定功率的正常輸出。三相短路故障、3種保護情況下的電機內(nèi)部直流電壓響應(yīng)如圖9所示。無保護情況下，由于機端電壓幾乎為0，使得能量不能通過網(wǎng)側(cè)變換器輸出，導致直流母線電壓持續(xù)升高。無論加裝SDBR還是RBFCL，其電壓均能得到較好的控制。

圖7 3種故障情況下機端電壓響應(yīng)波形

圖8 3種故障情況下機端有功功率輸出響應(yīng)波形

圖9 3種故障情況下電機直流電壓響應(yīng)波形

5 結(jié)語

1)RBFCL較SDBR而言，在該文提出的測試系統(tǒng)中對故障情況下DFIG的機端電壓、機端輸出有功功率均有較為明顯的提升，且能穩(wěn)定故障情況下的DFIG轉(zhuǎn)速及直流母線電壓，對DFIG故障情況下的保護起到了較好的效果。

2)RBFCL對于機端電壓的提升效果較為明顯，因而對維持機組直流母線電壓、輸出有功功率等參數(shù)的穩(wěn)定有較好的效果。但對定、轉(zhuǎn)子側(cè)電流的抑制效果不甚明顯，這是所有裝設(shè)在線路上的限流器的通病。該文可以為解決分布式能源并入大型電力系統(tǒng)情況下的故障限流提供一種解決方案。

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Method of DFIG fault ride-through capacity improvement using resonance-type fault current limiter

WU Shui-jun1, HE Ting-Yi1, PENG Jun-zhen1, ZHENG Zi-Xuan2, YANG Ruo-Huan2

(1 Yunnan Electric Power Research Institute, Kunming 650217，China; 2 College of Electrical Engineering and Information Technology, Sichuan University, Chengdu 610065，China)

Double Fed Induction Generator (DFIG) is the major model of the grid-connected wind turbine. Under high permeability situation, the fault ride-through (FRT) capacity of DFIG affects the safety and stability of power system. Due to the special construction of DFIG that the stator is direct connected to the grid, and the rotor is connected to the grid via converter. Thus, DFIG is easily affected by voltage sag events causing by grid faults. In order to enhance the FRT capacity of DFIG, a method based on Resonance-type Bridge-type Fault Current Limiter (RBFCL) was proposed to enhance the FRT of DFIG in this paper. Based on the principle of RBFCL, detailed control strategies were presented. Three-phase to ground (3LG) fault was simulated to test the feasibility of RBFCL in MATLAB/Simulink. Simulation results show that the proposed method has feasibility and validity to enhance the FRT capacity of DFIG.

grid-connected wind turbine；doubly-fed induction generator (DFIG)；fault ride-through (FRT)；resonance bridge type fault current limiter (RBFCL).

2016-10-30

中國南方電網(wǎng)公司科技項目(YNKJQQ00000279)

鄭子萱(1990-)，男，博士研究生，主要從事優(yōu)質(zhì)電力、可再生能源并網(wǎng)與承載能力的研究；E-mail: 472277716@qq.com

TM43

A

1673-9140(2016)04-0036-07