無crowbar電路的雙饋風(fēng)電變流系統(tǒng)故障穿越設(shè)計(jì)

黃 中

?

無crowbar電路的雙饋風(fēng)電變流系統(tǒng)故障穿越設(shè)計(jì)

黃 中

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越能力提出更高的要求。本文提出了一種基于無crowbar電路的雙饋風(fēng)電變流器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障電壓穿越的方法和策略，并通過仿真驗(yàn)證了其合理性和可行性，對項(xiàng)目設(shè)計(jì)和工程化應(yīng)用有較大的借鑒意義。

故障電壓穿越 雙饋風(fēng)電變流器 crowbar電路

0 引言

近年來電力系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電行業(yè)提出了高/低電壓穿越能力的考核指標(biāo)，作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件的風(fēng)電變流器產(chǎn)品必須在電路上和控制策略上做出相應(yīng)的配置和設(shè)計(jì)[2]。對于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，為滿足故障穿越能力的常規(guī)設(shè)計(jì)方法是同時(shí)配置斬波電路和crowbar電路；雖然功能可以滿足，但是增加了電路的復(fù)雜程度和系統(tǒng)的應(yīng)用成本。本文提出了一種取消crowbar電路后的故障穿越策略，既可以優(yōu)化系統(tǒng)，也可以降低成本。

1 故障電壓穿越原理及現(xiàn)狀

雙饋發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子通過雙饋?zhàn)兞髌髋c電網(wǎng)相連，定子繞組側(cè)與電網(wǎng)直接相連，所以雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)電壓故障較敏感[3]。故障電壓穿越主要包括低電壓穿越和高電壓穿越，是指當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動引起電壓跌落/升高時(shí)，在一定的電壓跌落/升高范圍和時(shí)間間隔內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。其故障電壓穿越曲線如圖1所示。

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。現(xiàn)在風(fēng)電機(jī)組要求必須具備故障電壓穿越能力，而作為風(fēng)電機(jī)組的控制核心——變流器必須采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)來適應(yīng)各種故障電壓工況。高電壓故障主要是由于電網(wǎng)電壓升高導(dǎo)致變流器直流電壓升高，半導(dǎo)體器件會失效；針對高電壓故障穿越主要是通過變流器直流母線配置斬波模塊的方式來實(shí)現(xiàn)，能量泄放路徑如圖1所示。低電壓故障主要是電網(wǎng)電壓突變（跌落）而發(fā)電機(jī)定子磁鏈不能突變，這樣就會引起轉(zhuǎn)子側(cè)過壓或者過流；低電壓故障穿越是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)配置crowbar電路來應(yīng)對，能量泄放路徑如圖2所示。

圖1 故障電壓穿越曲線

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

2 無Crowbar電路的故障穿越設(shè)計(jì)

由于電網(wǎng)的高電壓故障和低電壓故障不會同時(shí)發(fā)生，所以本文提出一種取消Crowbar電路和電阻，而采用直流斬波電路來實(shí)現(xiàn)。取消Crowbar電路后，高電壓故障穿越策略與圖2一樣，低電壓故障穿越策略如圖3所示。

圖3 無Crowbar雙饋?zhàn)兞髌飨到y(tǒng)拓?fù)?/p>

無Crowbar電路的高電壓故障穿越還是采用斬波電路抑制直流電壓不超過安全值；但是電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障時(shí)，由于雙饋電機(jī)的定子側(cè)是與電網(wǎng)直接相連，這樣會造成比較大的電磁暫態(tài)響應(yīng)。發(fā)電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)遣荒芡蛔兊?，所以在電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)為保障瞬間發(fā)電機(jī)定子磁鏈保持不變，磁鏈中會有暫態(tài)直流分量[1][5]。

變流器以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的建模分析在相關(guān)文獻(xiàn)中有詳細(xì)分析，本文不再贅述。雙饋電機(jī)的電壓和定子磁鏈的關(guān)系方程為:

電機(jī)的理想磁鏈方程為：

由上可知磁鏈和定轉(zhuǎn)子的電流關(guān)系為：

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之間時(shí)刻存在相互耦合關(guān)系，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，雙饋電機(jī)的定子磁鏈會發(fā)生振蕩，使定轉(zhuǎn)子電流中包含有直流和交流成分，致使轉(zhuǎn)子電路中電壓和電流急劇升高[4]。為了保證風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行必須采用合理的策略來抑制轉(zhuǎn)子電流/電壓，利用機(jī)側(cè)變流器IGBT反相二極管組成的三相整流橋提供能量通道把轉(zhuǎn)子能量向直流側(cè)輸送，當(dāng)直流電壓超過保護(hù)值時(shí)，開通斬波電路抑制直流電壓升高；同時(shí)配置合理的斬波電阻來抑制轉(zhuǎn)子電流。無Crowbar電路低電壓穿越原理如圖4所示。

當(dāng)發(fā)生低電壓跌落時(shí)，定子電流的動態(tài)響應(yīng)可以用如下方程表示：

圖4 無Crowbar電路的低電壓穿越等效電路圖

一般電阻要比定轉(zhuǎn)子電阻大得多，從圖4的等效電路分析定轉(zhuǎn)子側(cè)的等效阻抗可以表示為:

其中，通過這兩式可以計(jì)算出定轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù)：

所以低電壓電壓過程中，定轉(zhuǎn)子側(cè)電流瞬時(shí)值為：

根據(jù)上式，可以近似認(rèn)為定轉(zhuǎn)子故障電流的最大值為：

在變流器模塊和斬波電路設(shè)計(jì)中需要承受上述電流值而不損壞。斬波電阻選擇要考慮系統(tǒng)可承受的最大電流，因?yàn)閿夭娮柙叫≡接欣诎l(fā)電機(jī)能量快速泄放，但是電流不能大于系統(tǒng)可承受的最大電流（Isafe）：

可以計(jì)算出斬波電阻最小值：

同時(shí)如果電阻取的越大,故障時(shí)電阻上面會出現(xiàn)很大的電壓。這個(gè)過電壓會對直流母線上的電容進(jìn)行充電,過高的電壓會損壞電容甚至變頻器[3]。所以需要電路電阻上的電壓小于直流母線上可以接受的最大電壓：

由此可以計(jì)算出斬波電阻的最大值：

3 仿真分析

通過上述計(jì)算設(shè)計(jì)過程，結(jié)合工程化應(yīng)用項(xiàng)目（3.6 MW雙饋?zhàn)兞髌鳎┐罱∕ATLAB仿真模型，對無Crowbar電路的故障電壓穿越工況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。仿真模型如圖5所示。

圖5 無Crowbar電路的仿真模型

仿真結(jié)果如圖6所示。在t1=4 s時(shí)刻電網(wǎng)電壓三相對稱跌落到0%，此時(shí)變流器進(jìn)入低電壓穿越工作狀態(tài)。發(fā)電機(jī)的定子磁鏈感應(yīng)到轉(zhuǎn)子側(cè)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電壓升高，此時(shí)網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變流器已經(jīng)停止逆變工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電壓通過三相整流橋向變流器測流側(cè)充電導(dǎo)致直流電壓升高（見圖中直流電壓波形），當(dāng)直流電壓超過變流器整定值時(shí)，開通直流斬波電路將能量消耗在斬波電阻上。在t1=4.2 s時(shí)刻電網(wǎng)恢復(fù)正常，變流器也恢復(fù)正常運(yùn)行，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)0電壓故障穿越（低電壓穿越最嚴(yán)酷工況）。

圖6 低電壓故障穿越仿真波形

在低電壓故障穿越過程中，轉(zhuǎn)子電流瞬時(shí)升高但是在可控范圍以內(nèi)，直流電壓控制在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

采用本文提出無Crowbar電路的雙饋?zhàn)兞髌髟O(shè)計(jì)不僅可滿足電網(wǎng)的故障電壓穿越要求，而且對其他故障態(tài)的應(yīng)對更直接有效；由于省略了Crowbar電路電路上更簡單，成本也更有優(yōu)勢。

[1] 王兆安編著. 電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊[M]. 機(jī)械工業(yè)版社, 2008.

[2] 方澤欽等. Crowbar保護(hù)電路參數(shù)選擇對雙饋風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越的影響[J]. 電機(jī)控制與應(yīng)用技術(shù), 2016.

[3] 秦原偉. 變速恒頻雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究（碩士學(xué)位論文）[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2012.

[4] GENG H, LIU C, YANG G. LVRT capability of DFIG-Based WECS under asymmetrical grid fault condition[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(6): 2495-2509.

[5] 王兆安著. 抑制和無功功率補(bǔ)償[M]. 工業(yè)出版社, 05.

[6] PANNELL G, KINSON D J, ZAHAWI B. Minimum-threshold Crowbar for a fault-ride-through grid-code-compliant DFIG Wind turbine [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2010, 5(3): 50-759.

[7] 邱關(guān)源著. [M]. 高等教育出版社, 1999.

[8] 胡家兵, 賀益康. 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越運(yùn)行與控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2008, 32(2): 49-52.

[9] Rahimi M, Parninai M. Efficient control scheme of wind turbines with doubly fed induction generators for LVRT capability enhancement[J]. IET Renewable Power Generation, 2010, 4(3): 242-252．

[10] 賀益康, 周鵬. 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(9): 140-146．

[11] 楊淑英, 陳劉偉, 孫燈悅等. 非對稱電網(wǎng)故障下的雙饋風(fēng)電機(jī)組化電壓穿越暫態(tài)控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2014, 38(8): 13-19.

[12] 張艷霞, 童銳, 趙杰等. 雙饋風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)特性分析及低電壓穿趙方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 36(6): 7-11.

Fault Traversal Design of Doubly-Fed Wind Power Converter System Without Crowbar Circuit

Huang Zhong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM614

A

1003-4862（2019）05-0010-04

2018-12-03

黃中（1978-），男，高工。研究方向：電機(jī)電器及其控制。E-mail: huangzh124@163.com