基于可調(diào)整電阻Crowbar電路的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越方法

高 昕，孫圣凱

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)為電網(wǎng)供電的比重逐年升高。但DFIG在電網(wǎng)故障狀態(tài)下容易發(fā)生脫網(wǎng)，影響整個電力系統(tǒng)的運行。因此，采取有效的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越(LVRT)對維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定運行具有重要意義[1-2]。

在轉(zhuǎn)子側(cè)增設(shè)Crowbar保護(hù)電路是DFIG在故障下實現(xiàn)LVRT最常見的方案。文獻(xiàn)[3—4]分析了在投入Crowbar保護(hù)電路前后，DFIG暫態(tài)電流的組成和其變化過程。文獻(xiàn)[5]提出了在不同的電網(wǎng)故障嚴(yán)重程度下標(biāo)定Crowbar電阻的條件。文獻(xiàn)[6]分析了實現(xiàn)DFIG機(jī)組LVRT的Crowbar保護(hù)電路的原理及方法。文獻(xiàn)[7]指出選取適當(dāng)?shù)腃rowbar阻值決定了機(jī)組實現(xiàn)LVRT的效果。文獻(xiàn)[8]提出在電網(wǎng)側(cè)增加補(bǔ)償裝置，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障期間，對電網(wǎng)補(bǔ)償無功功率避免電壓跌落，但要求較高的監(jiān)測精度，并且實現(xiàn)準(zhǔn)確的無功補(bǔ)償有一定難度。DFIG在電網(wǎng)發(fā)生故障時刻的不同、電壓跌落深度的不同和受其自身的運行等因素的影響也會改變其自身的暫態(tài)特性。文獻(xiàn)[9—10]通過利用改變轉(zhuǎn)子Crowbar電阻投切的時間來優(yōu)化LVRT性能，但為避免故障下直流母線的過電壓，Crowbar的阻值標(biāo)定偏小，轉(zhuǎn)子電流抑制效果不理想。

傳統(tǒng)固定阻值Crowbar保護(hù)電路無法得到良好的LVRT效果。根據(jù)解轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程得出Crowbar電阻投入前后DFIG暫態(tài)轉(zhuǎn)子電流的時域方程，提出調(diào)整Crowbar阻值的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低壓穿越方案，制定可調(diào)整Crowbar阻值的控制策略?；赑SCAD/EMTDC平臺上搭建的DFIG在并網(wǎng)處三相對稱故障動態(tài)仿真模型，仿真分析可調(diào)整Crowbar電阻的方案中在電壓深度跌落下的LVRT特性，并比較傳統(tǒng)固定阻值Crowbar方案，驗證了所提方案在轉(zhuǎn)子電流的抑制和穩(wěn)定直流母線電壓方面具有更理想的效果。

1 可調(diào)整電阻的Crowbar電路

1.1 可調(diào)整阻值的Crowbar電路

由圖1所示，可調(diào)整電阻RAD的Crowbar電路的電路結(jié)構(gòu)圖，調(diào)整電阻RAD與Crowbar電阻RCB串聯(lián)，RCB與RAD的投切均由全控型器件IGBT控制。

圖1 可調(diào)整電阻的Crowbar 電路

1.2 可調(diào)整Crowbar電阻的轉(zhuǎn)子等效電路

故障期間轉(zhuǎn)子電壓[11]為

(1)

(2)

則故障期間的轉(zhuǎn)子電流為[12]

(3)

其中，τs表示定子時間常數(shù)；s表示轉(zhuǎn)差率；U1、U2表示故障時刻前后的機(jī)側(cè)線電壓；ω表示轉(zhuǎn)子角速度。

因此，Crowbar電阻RCB和調(diào)整電阻RAD的轉(zhuǎn)子等效電路如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子側(cè)等效電路

2 電網(wǎng)故障下Crowbar投入前后的轉(zhuǎn)子電流

2.1 Crowbar投入前

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，DFIG電機(jī)進(jìn)入暫態(tài)過程，形成暫態(tài)電壓和電流。由式(1)—式(3)得到轉(zhuǎn)子暫態(tài)電壓方程：

(4)

轉(zhuǎn)子側(cè)的暫態(tài)開路電壓方程為

(5)

(6)

2.2 Crowbar投入后

在電網(wǎng)發(fā)生故障后，DFIG機(jī)側(cè)電壓下降，轉(zhuǎn)子電流迅速升高，當(dāng)其超過設(shè)置的條件值后，閉鎖轉(zhuǎn)子側(cè)RSC變流器，并投入Crowbar電路，轉(zhuǎn)子電流流經(jīng)投入的Crowbar電路：

(7)

解轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程所示的一階線性微分方程得Crowbar投入后的DFIG轉(zhuǎn)子電流時域方程為[12]

(8)

由式(8)可以看出，在投入Crowbar電路后，轉(zhuǎn)子電流由以時間常數(shù)衰減的暫態(tài)交流分量、以時間常數(shù)τs衰減的暫態(tài)直流分量及穩(wěn)態(tài)交流分量三者疊加[14]。因此，轉(zhuǎn)子電流的初值根據(jù)機(jī)側(cè)線電壓跌落的深度、DFIG的轉(zhuǎn)差率以及等效定、轉(zhuǎn)子時間常數(shù)而決定的。故障期間投入Crowbar電阻阻值的大小與直流分量衰減速度的快慢成正比，與暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)交流分量幅值的大小成反比，可以有效地抑制暫態(tài)轉(zhuǎn)子電流的驟升。

傳統(tǒng)Crowbar阻值方案標(biāo)定阻值時，一方面通常保持直流母線電容電壓在安全范圍內(nèi)。然而在不同故障類型下機(jī)組暫態(tài)特性會發(fā)生改變，Crowbar電阻值的標(biāo)定不具備廣泛適用性，直流母線電壓仍可能會超過安全值，危及設(shè)備安全。另一方面，由于標(biāo)定的Crowbar電阻值偏小，在電壓深度跌落時，抑制轉(zhuǎn)子電流沖擊的效果并不理想。

2.3 Crowbar阻值調(diào)整后的暫態(tài)轉(zhuǎn)子電流

在故障期間，轉(zhuǎn)子電流暫態(tài)過程隨著調(diào)整Crowbar阻值而改變。但調(diào)整Crowbar阻值不會引起DFIG電氣結(jié)構(gòu)的變化，因此轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程同式(7)。

假設(shè)在t2時刻切除調(diào)整電阻RAD，Crowbar電阻減小為RCB，調(diào)整后DFIG暫態(tài)轉(zhuǎn)子電流時域方程，如下：

(9)

3 可調(diào)整阻值Crowbar電路控制策略與阻值標(biāo)定

3.1 可調(diào)整阻值Crowbar電阻的原理

傳統(tǒng)固定阻值的Crowbar保護(hù)電路有很難實現(xiàn)理想的LVRT效果的缺陷。為此，采用可調(diào)整阻值的Crowbar電路，并提出可調(diào)整Crowbar阻值的控制策略：實時監(jiān)測轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓，在電網(wǎng)發(fā)生故障后，監(jiān)測到其超過設(shè)定的條件值時，投入Crowbar電路并根據(jù)轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓的變化投切調(diào)整電阻RAD以調(diào)整電阻調(diào)整Crowbar阻值，在保證轉(zhuǎn)子電流抑制效果的前提下，降低Crowbar阻值，抑制直流母線電壓迅速上升，以保證DFIG有效地LVRT，維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

3.2 可調(diào)整阻值Crowbar電阻控制策略

調(diào)整策略步驟如下：

(1)當(dāng)轉(zhuǎn)子電流|ir|幅值越過條件值ir·con時，給予閉鎖轉(zhuǎn)子側(cè)RSC變流器的PWM信號，并投入阻值為Rsum的Crowbar電阻，此時Rsum阻值足夠大，足以對轉(zhuǎn)子過電流的峰值形成有效的抑制。

(2)當(dāng)直流母線電容電壓Udc超過條件值Udc·con時，切除RAD，Crowbar阻值減小為RCD，抑制直流母線電容電壓Udc的快速上升。

(3)當(dāng)直流母線電容電壓Udc低于條件值Udc·con，但減小了Crowbar的阻值使轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流衰減速度下降，轉(zhuǎn)子電流可能形成二次尖峰。轉(zhuǎn)子電流|ir|幅值仍超過條件值ir.con時[13]，再次投入RAD，繼續(xù)抑制轉(zhuǎn)子過電流。

(4)當(dāng)直流母線電容電壓Udc回落到條件值Udc·con以下且轉(zhuǎn)子電流ir回落到安全值ir·sf以下時，切除Crowbar電路。

3.3 Crowbar阻值的標(biāo)定

(10)

所以轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓最大值為

(11)

(12)

圖3 與Rsum函數(shù)關(guān)系曲線

在Rsum確定后，根據(jù)Rsum=RCB+RAD，標(biāo)定RCB和RAD的值：

(1)設(shè)置在并網(wǎng)點發(fā)生最嚴(yán)重故障，即三相對稱短路故障且跌落深度為100%時，在僅投入RCB的情況下，作直流母線電壓的Udc-t曲線，再作直線Udc·con，取交點(1.01,1.175)，如圖4所示。

圖4 投入Rsum時直流母線電壓變化曲線

得到交點橫坐標(biāo)的值為t1(故障在1.00 s時出現(xiàn))，可得到t1≈0.01 s。t1時刻的轉(zhuǎn)子電流為

(13)

(14)

將t1=0.01s帶入式(14)中，得到RCB≤0.131 7 Ω，取RCB=0.131 7Ω。由Rsum=RCB+RAD，得RAD=0.451 7 Ω。

4 仿真分析

在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建DFIG風(fēng)電機(jī)組以及電網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。設(shè)置在1.00 s時，DFIG并網(wǎng)點處出現(xiàn)三相短路故障，電壓跌落程度為80%，故障共持續(xù)0.20 s。為了驗證基于可調(diào)整電阻Crowbar電路的DFIG低電壓穿越的效果，分別對采用傳統(tǒng)固定阻值Crowbar 電路方案和采用可調(diào)整阻值Crowbar電阻的方案進(jìn)行仿真，并將上述方案的結(jié)果進(jìn)行比對。電網(wǎng)發(fā)生故障期間的機(jī)側(cè)線電壓波形，如圖5所示。再用傳統(tǒng)固定阻值Crowbar保護(hù)電路方案和采用可調(diào)整阻值Crowbar保護(hù)電路的方案之間的轉(zhuǎn)子A相電流值、轉(zhuǎn)子電流的有效值以及直流母線電壓值對比，如圖6—圖8所示。

圖5 電網(wǎng)電壓跌落80%的波形

(a)傳統(tǒng)Crowbar方案

(b)調(diào)整阻值Crowbar方案

(a)傳統(tǒng)Crowbar方案

(b)調(diào)整阻值Crowbar方案

(a)傳統(tǒng)Crowbar方案

(b)調(diào)整阻值Crowbar方案

由圖6—圖8可以看出，在電壓跌落80%的工況下，可調(diào)整阻值的Crowbar方案中轉(zhuǎn)子電流峰值為1.24 kA，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)固定值Crowbar方案中的轉(zhuǎn)子電流峰值1.49 kA，電流有效值的波動也明顯減小。在故障期間，Crowbar電阻經(jīng)過調(diào)整，阻值減小為RCB，抑制直流母線電壓的抬升，減小其波動，使直流母線的電壓值穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)。因此，與傳統(tǒng)固定值Crowbar方案相比，可調(diào)整電阻Crowbar方案實現(xiàn)低電壓穿越的效果較好。

5 結(jié)束語

在投入Crowbar電路期間，轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流受DFIG機(jī)側(cè)線電壓的跌落深度和故障期間不同的機(jī)組運行狀態(tài)的影響較大，以至于傳統(tǒng)固定阻值的轉(zhuǎn)子Crowbar無法獲得良好的LVRT效果，并且無法有效地抑制直流母線電壓的提升。分析了產(chǎn)生轉(zhuǎn)子過電流和導(dǎo)致直流母線側(cè)升高電壓的原理，針對傳統(tǒng)固定阻值Crowbar不能既抑制轉(zhuǎn)子電流又抑制直流母線電壓的缺陷，提出基于可調(diào)整Crowbar電阻的方案，根據(jù)給出的Crowbar阻值調(diào)整策略計算和標(biāo)定阻值。從仿真結(jié)果看出，達(dá)到了理想的抑制轉(zhuǎn)子過電流的效果，并且防止直流母線電壓迅速升高超過安全值，減小其波動，達(dá)到了穩(wěn)定直流母線電壓的目的，相較于傳統(tǒng)固定Crowbar阻值方案實現(xiàn)了良好的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)LVRT效果。

但是，在Crowbar投入階段，轉(zhuǎn)子側(cè)RSC變流器的失控，帶來了DFIG機(jī)組開始從電網(wǎng)吸收無功功率的負(fù)面影響，導(dǎo)致電網(wǎng)的無功缺額進(jìn)一步加大，增加了電網(wǎng)恢復(fù)的負(fù)擔(dān)。因此，在電網(wǎng)故障發(fā)生期間及其恢復(fù)的過程中，需要必要的無功補(bǔ)償裝置或改進(jìn)控制策略持續(xù)向系統(tǒng)提供無功功率。為恢復(fù)電網(wǎng)電壓提供有效的無功補(bǔ)償，將作為下一個階段工作的目標(biāo)。