雙饋風(fēng)電機組的低電壓穿越影響因素分析

邵 錕， 李培強， 歐陽惠， 朱 琳， 劉衛(wèi)健

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082)

雙饋風(fēng)電機組的低電壓穿越影響因素分析

邵 錕， 李培強， 歐陽惠， 朱 琳， 劉衛(wèi)健

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410082)

隨著風(fēng)力發(fā)電量的急劇增加，近年對DFIG低電壓穿越保護(hù)方案的研究文獻(xiàn)甚多，對系統(tǒng)自身低電壓穿越能力的影響因素報道卻很少。通過DFIG的數(shù)學(xué)模型，在Matlab/Simulink中建立并網(wǎng)仿真模型，通過仿真探討了網(wǎng)側(cè)變頻器最大限值電流和控制網(wǎng)測變頻器不同無功補償時刻對DFIG低電壓穿越能力影響，仿真結(jié)果表明合理的限流值能穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，而及時控制網(wǎng)側(cè)變頻器進(jìn)行無功補償則能減少DFIG系統(tǒng)的暫態(tài)振蕩，這兩方面都直接或間接地改善了系統(tǒng)的LVRT能力。

風(fēng)力發(fā)電；低電壓穿越；網(wǎng)側(cè)變頻器；無功補償；直流母線電壓

隨著國家新能源發(fā)展線路的明確，風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展正在被越來越多的人所關(guān)注。在風(fēng)電技術(shù)的選擇方面，雙饋風(fēng)機已經(jīng)成為主流，但并網(wǎng)時也存在一些問題。由于雙饋風(fēng)機的定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連，對電網(wǎng)電壓的擾動十分敏感，電網(wǎng)故障導(dǎo)致定子側(cè)出現(xiàn)直流成分，當(dāng)不對稱電網(wǎng)電壓跌落時還會出現(xiàn)負(fù)序分量。此時雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)速通常較高，相對于定子磁鏈的直流分量與負(fù)序分量而言，轉(zhuǎn)差率均較大，因而導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子回路的過電壓或過電流，由于DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器和網(wǎng)側(cè)變頻器的電力電子過壓、過流能力有限，較高的暫態(tài)轉(zhuǎn)子電流和直流側(cè)電壓會對脆弱的電力電子器件構(gòu)成威脅。因此，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器最大電流和網(wǎng)側(cè)直流母線最大電壓是制約低電壓穿越能力的兩個主要因素。

針對以上低電壓穿越問題，最常用的方法是在轉(zhuǎn)子側(cè)加入Crowbar電路，即所謂的撬棒保護(hù)電路，文獻(xiàn)[1-2]針對傳統(tǒng)的被動式Crowbar的不足，采用主動式Crowbar電路的控制方法實現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機的低電壓穿越。文獻(xiàn) [3-4]分析了Crowbar阻值與最大短路電流及其出現(xiàn)時間之間的關(guān)系和Crowbar阻值以及投切時間對DFIG的LVRT效果的影響。文獻(xiàn)[5-6]通過裝有Crowbar電路裝置的實驗平臺驗證了其低電壓穿越能力。

以上文獻(xiàn)都得出了很多有價值的結(jié)論，但對系統(tǒng)自身低電壓穿越能力的影響因素以及在此基礎(chǔ)上改善抵御故障的能力方面卻很少提及。本文以Matlab/Simulink建立的仿真算例為基礎(chǔ)，探討了網(wǎng)側(cè)變頻器不同最大限值電流對直流母線電壓和不同無功補償時刻對雙饋風(fēng)機系統(tǒng)的影響，仿真結(jié)果表明合理的網(wǎng)側(cè)變頻器限值電流和無功補償時刻能改善系統(tǒng)本身抵御低電壓故障的能力，恢復(fù)風(fēng)力發(fā)電機組的穩(wěn)定運行。

1 低電壓穿越要求

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電容量相對較小時，在電網(wǎng)發(fā)生擾動時，風(fēng)電機組所采取的大多是自我保護(hù)的措施，即在Crowbar電路動作后，風(fēng)電機組脫離電網(wǎng)，直到電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時，風(fēng)電機組再次投入運行。然而，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電容量很大時，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況下，所有的風(fēng)電機組都同時脫離電網(wǎng)，而不能像常規(guī)能源那樣在電網(wǎng)故障的情況下對電網(wǎng)提供頻率和電壓的支撐，那么將會給電網(wǎng)的安全運行帶來不利的影響。為此電力部門針對風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電，已經(jīng)開始出臺了一些相關(guān)的法規(guī)，但目前不同國家甚至同一國家的不同地區(qū)可能有不同的規(guī)定。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，德國的E.ON標(biāo)準(zhǔn)是影響最大的標(biāo)準(zhǔn)之一[7-9]，如圖1所示。

圖1 E.ON公司低電壓穿越能力要求

圖1 中，僅當(dāng)電網(wǎng)電壓值處于圖示折線下方才允許風(fēng)機脫網(wǎng)，而在折線以上區(qū)域，風(fēng)機應(yīng)繼續(xù)保持并網(wǎng)，等待電網(wǎng)恢復(fù)。且當(dāng)電壓位于圖中虛線框區(qū)域時，還要求風(fēng)機向電網(wǎng)提供無功功率支撐以協(xié)助電網(wǎng)電壓恢復(fù)。當(dāng)電壓跌落至額定電壓的15%時，要求風(fēng)機提供無功支持并保持并網(wǎng)至少625 ms，而在電壓跌落到90%以上時風(fēng)機應(yīng)一直保持并網(wǎng)，且要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障后20 ms之內(nèi)對電網(wǎng)進(jìn)行無功補償。

2 DFIG數(shù)學(xué)模型

雙饋感應(yīng)發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)與繞線式轉(zhuǎn)子異步電機相似。圖2給出了DFIG等效電路。

圖2 Crowbar激活時DFIG等效電路

按照電動機慣例，由圖2可得到DFIG在同步坐標(biāo)系下定、轉(zhuǎn)子電壓方程：

定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程：

忽略定子側(cè)電阻，DFIG定子側(cè)發(fā)出的有功和無功功率為：

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

3 DFIG低電壓穿越仿真分析

為驗證上述提出的低電壓控制策略的有效性[10]，在Matlab/Simulink中建立如下風(fēng)機并網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)圖(圖3)。風(fēng)電場總裝機容量為9 MW，包含6臺1.5 MW并聯(lián)的雙饋風(fēng)電機組，通過575 V/25 kV升壓變，輸電線路連接到無窮大電網(wǎng)。在并網(wǎng)處高壓側(cè)25 kV母線上設(shè)置一個500 ms的85%電壓跌落。風(fēng)機系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1。

表1 雙饋風(fēng)機系統(tǒng)參數(shù)

3.1 電網(wǎng)電壓三相電壓跌落發(fā)生器的模擬

三相等幅電壓跌落是典型的故障類型，而Simulink/Sim-PowerSystems里并沒有用于任意三相等幅電壓跌落的仿真模塊，本文采用升-降變壓器組合形式來模擬三相電壓跌落，如圖4所示。

圖4 升-降變壓器組合模擬器

三相電壓跌落模擬通過設(shè)置變壓器不同的電壓比來模擬不同等級的電壓跌落，升壓變壓器和降壓變壓器的電壓比相反。正常運行時，三相斷路器2斷開，同時三相斷路器1閉合，電網(wǎng)電壓經(jīng)降壓變壓器先降壓后經(jīng)升壓變器向負(fù)載供電，當(dāng)需要電壓跌落時，三相斷路器2閉合且三相斷路器1斷開，則負(fù)載電壓跌至降壓變壓器的二次側(cè)電壓，當(dāng)三相斷路器2斷開同時斷路器1閉合時，負(fù)載電壓恢復(fù)正常。圖5顯示采用升-降變壓器組合形式模擬85%的電壓跌落，跌落深度和仿真設(shè)定情況完全吻合，且沒有波形的畸變。

圖5 定子側(cè)85%的三相電壓跌落

3.2 網(wǎng)側(cè)變頻器限值電流對直流側(cè)母線電壓的影響

網(wǎng)側(cè)變頻器采用直流電壓外環(huán)、交流側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級結(jié)構(gòu)控制器，主要功能之一就是穩(wěn)定直流母線電壓。電壓外環(huán)控制輸出直流電壓，電壓控制器的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定。電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落時，網(wǎng)側(cè)變頻器為了維持輸出功率恒定，電流值突增，可能會造成變流器功率器件的損壞。因此，對網(wǎng)側(cè)變頻器采取限流措施是非常有必要的。

由DFIG的數(shù)學(xué)模型可推導(dǎo)出風(fēng)機直流母線側(cè)電容電壓的表達(dá)式如下：

圖6 網(wǎng)側(cè)變流器不同電流限值時的直流側(cè)電壓

從圖6中可以看出，三種不同網(wǎng)側(cè)變頻器限值電流下直流母線電壓都會突增。越大，網(wǎng)側(cè)控制作用越強，直流母線電壓振蕩幅值越小。反之，越小，控制作用越弱，直流母線電壓振蕩幅值則越大，系統(tǒng)的暫態(tài)過程也越長。可見，DFIG網(wǎng)側(cè)變頻器本身具有一定的抵御故障的能力，如果電流限值選擇恰當(dāng)?shù)脑?，還可以盡可能地縮減直流側(cè)母線電壓的峰值，在一定電壓范圍內(nèi)避免外加保護(hù)電路的必要。

3.3 網(wǎng)側(cè)變頻器不同無功功率補償時刻對DFIG系統(tǒng)的影響

E.ON標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要在電網(wǎng)故障后20 ms之內(nèi)對電網(wǎng)進(jìn)行無功補償。但是在電壓跌落初期DFIG系統(tǒng)中存在著暫態(tài)浪涌電流，此時對系統(tǒng)進(jìn)行無功補償有可能會加劇系統(tǒng)的暫態(tài)過程。故障各分量的暫態(tài)衰減時間一般為60～120 ms[18]。在暫態(tài)過程消除之后再進(jìn)行無功功率補償明顯無法滿足E.ON標(biāo)準(zhǔn)中對無功功率補償時間的要求。因此需要研究電壓跌落后不同無功功率補償時刻對DFIG系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響，為制定雙饋感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)無功功率補償方法提供參考依據(jù)。

圖7 網(wǎng)側(cè)變頻器不同補償時刻對DFIG系統(tǒng)的影響

圖7中的波形顯示了DFIG使用網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行無功功率補償和滯后100 ms無功補償?shù)捻憫?yīng)情況。其中實線(藍(lán)線)波形是網(wǎng)側(cè)變流器無功電流在0.3 s電網(wǎng)電壓跌落時立即發(fā)送0.3 pu無功電流的仿真結(jié)果。虛線(紅線)波形是網(wǎng)側(cè)變流器在0.3 s電網(wǎng)電壓跌落后延遲100 ms發(fā)送0.3 pu無功電流的仿真結(jié)果。

圖7(a)和(b)中的波形顯示故障發(fā)生后立即進(jìn)行無功功率補償和延遲100 ms進(jìn)行無功功率補償對風(fēng)電場輸出的有功和無功功率并沒有產(chǎn)生明顯的差異。圖(a)中有功功率的情況基本相同，圖(b)中的波形顯示在電壓跌落發(fā)生之后立即進(jìn)行無功功率補償比延遲100 ms進(jìn)行無功功率補償會產(chǎn)生稍小的無功功率波動，但曲線形態(tài)基本一致。說明在電網(wǎng)電壓跌落之后盡快進(jìn)行無功功率補償并不會由于系統(tǒng)中存在著暫態(tài)浪涌電流而加劇系統(tǒng)的振蕩，反而會由于及時向系統(tǒng)輸送了無功功率而減少系統(tǒng)的暫態(tài)過程。圖(c)是變頻器直流母線電壓變化情況，可以看出，立即進(jìn)行無功功率補償比延后進(jìn)行無功功率補償?shù)姆逯瞪源?，但兩條曲線形態(tài)一致，實線和虛線之間的差異很少。圖(d)和圖(e)是網(wǎng)側(cè)變頻器有功和無功電流的波形。和圖(a)和圖(b)情況相同，實線和虛線差異很小，表明無功功率補償時刻對網(wǎng)側(cè)變頻器的影響較小。圖(e)中，故障前網(wǎng)側(cè)變頻器以單位功率因素運行，故障后在給定的時刻向電網(wǎng)滯后100 ms輸送了0.3 pu的無功電流，這與仿真的設(shè)定是相符的。

由此可以得知，在電網(wǎng)電壓跌落之后盡快進(jìn)行無功功率補償并不會由于系統(tǒng)中存在著暫態(tài)浪涌電流而加劇系統(tǒng)的振蕩，應(yīng)該盡快對系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補償。

4 結(jié)論

本文通過仿真，探討了網(wǎng)側(cè)變頻器最大限值電流對直流母線電壓的影響和不同無功補償時刻對雙饋風(fēng)機系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明：適當(dāng)提高網(wǎng)側(cè)最大限值電流能夠提高DFIG自身的低電壓穿越能力，輕微電壓跌落時可減少低電壓保護(hù)電路的使用；滯后無功補償不會減少系統(tǒng)的暫態(tài)振蕩，因此必須盡快對系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補償來滿足E.ON標(biāo)準(zhǔn)中對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無功功率補償時間的要求。

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Analysis on low voltage ride through influencing factors of doubly-fed wind turbines

With the dramatic increase of the proportion of wind power in the power system,in recent years much of literature researchs about the protection schemes of LVRT of DFIG were made,less on the factors of the system itself.Through the mathematical model of DFIG,the grid-model was built up in Matlab/simulink.Then the effect factors of DFIG low voltage ride-through ability were simulated,and the influence of grid-side converter maximum current to the DC bus voltage and different reactive power compensation time to DFIG system were disscussed.Finally the conclusion of reasonable limiting value was obtained and the LVRT ability of system itself could be improved by compensation time.

wind power generation;low voltage ride through;grid side converter;reactive power compensation;DC bus voltage

TM 743

A

1002-087 X(2016)03-0684-03

2015-08-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(51277055)

邵錕(1987—)，男，湖北省人，碩士生，主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)。