改進Crowbar低電壓穿越研究

李辰浩

（國網(wǎng)湖北省電力公司監(jiān)利縣供電公司，湖北 荊州 433300）

0 引 言

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)腳步的不斷加快，風(fēng)力已成為能源互聯(lián)的重要組成部分。隨著風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)的占比逐漸增加，風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊和電網(wǎng)故障后對風(fēng)機出力的影響不斷擴大。電網(wǎng)故障后，風(fēng)力機組的重啟需要耗費大量的電能重啟風(fēng)機葉片轉(zhuǎn)動。因此，在電網(wǎng)故障后如何控制風(fēng)電機組在與電網(wǎng)連接點處的電壓降低時仍能保持一定的葉片轉(zhuǎn)動慣性持續(xù)出力，從而保障機組安全和電網(wǎng)的穩(wěn)定運行成為亟待解決的問題。

1 改進Crowbar保護電路下的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組

1.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機組模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電機調(diào)速范圍較大，能夠獨立自主調(diào)節(jié)有功和無功功率，且所占機身比例較小。雙饋風(fēng)電機組的定子連接于電網(wǎng)中，因此轉(zhuǎn)子與定子都能參與勵磁。三相靜止坐標(biāo)系在風(fēng)機運動過程中并不能完整有效地分解電壓、電流和磁鏈的變化過程，因此需要利用d-q動態(tài)兩相坐標(biāo)系進行DFIG數(shù)學(xué)模型簡化，且旋轉(zhuǎn)角速度與DFIG的同步轉(zhuǎn)速相同，將三相ABC等效為兩相動態(tài)下的分析物理量。此時，通過動態(tài)坐標(biāo)的同步旋轉(zhuǎn)，相對于DFIG來說，磁場和電壓、電流相對靜止，原來ABC旋轉(zhuǎn)下不斷變化的過程轉(zhuǎn)化為相對靜止的等效空間矢量，而時間相對靜止，于是將旋轉(zhuǎn)ABC隨時間呈周期性變化的規(guī)律轉(zhuǎn)換為兩相d-q平面下的直流量，減少時間的計算，消除諧波電壓和不平衡狀態(tài)量的影響[1-2]。在旋轉(zhuǎn)d-q空間中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子相互垂直，利用三角函數(shù)計算得出兩者之間的磁鏈為0，因此兩者之間不存在互感。另外，轉(zhuǎn)子和定子兩者各自的坐標(biāo)軸之間保持相對靜止，如圖1所示。

圖1 DFIG在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的等效模型

對圖1中ABC-abc利用旋轉(zhuǎn)變化矩陣通過解耦變換，將DFIG系統(tǒng)中的變量變?yōu)檎淮怪钡南鄬o止坐標(biāo)，變化矩陣為：

可知q軸比d軸超前90°，規(guī)定其為轉(zhuǎn)子的運動方向，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系以角速度ws與DFIG轉(zhuǎn)子同步運動。

由上述分析可知，DFIG的電壓和磁鏈方程在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的等效模型只需通過式（1）相應(yīng)的坐標(biāo)變換便可求得定子電壓方程：

式中，uds、uqs和udr、uqr分別是定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組電壓的d-q分量；ids、iqs和idr、iqr分別是定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組相電流的d-q分量；ψds、ψqs和ψdr、ψqr分別是發(fā)電機定轉(zhuǎn)子繞組磁鏈的d-q分量；ψs為同步角速度；ψr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度。DFIG等效變換后的數(shù)學(xué)模型為[3]：

通過對比易知，在等效后的模型中，非線性變量的數(shù)量減少，并且削弱了其相互間的影響，因此各變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系更加清晰。經(jīng)過變換大大減少了計算量，為下面的仿真奠定了基礎(chǔ)。

1.2 改進撬棒電路在DFIG中的數(shù)學(xué)模型

在雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展過程中，分布式高速風(fēng)力發(fā)電機組將會產(chǎn)生較大的摩擦，工作窗口期長，且風(fēng)機運行環(huán)境大都比較惡劣。Crowbar能夠在一定程度上提高風(fēng)力發(fā)電機組的速度，將網(wǎng)側(cè)故障大電流、諧波電流、高頻電流以及失真電壓等加速衰減，維持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在可控范圍之內(nèi)。通過轉(zhuǎn)子繞組和電路互感器滑環(huán)相連，使轉(zhuǎn)子側(cè)的過壓和過流不大于額定值。雙饋風(fēng)力發(fā)電機組低電壓穿越過程是[4]：電網(wǎng)側(cè)故障診斷導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障電壓驟低，F(xiàn)TU實時更新風(fēng)力機組中的電壓、電流變化值；當(dāng)檢測到電壓過低時，低電壓通過配網(wǎng)與風(fēng)力發(fā)電機組之間的變換器穿越到風(fēng)機啟動電路中；檢測單元監(jiān)測轉(zhuǎn)子電壓低于額定值時，通過自動指令切入短路保護電路和Crowbar保護電路；撬棒電路提供較大的無功功率提升轉(zhuǎn)子電壓，并增大轉(zhuǎn)子滑差，控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，對風(fēng)機葉片進行變槳距控制系統(tǒng)，降低風(fēng)機能量輸入保護機組，并切斷與主網(wǎng)之前的電氣聯(lián)系。Crowbar電路作用使故障大電流控制在額定值之內(nèi)，暫態(tài)電流會因電機過剩的能量被旁路電阻吸收而迅速衰減。

通過撬棒保護可以在故障發(fā)生時限制轉(zhuǎn)子回路電流，而傳統(tǒng)的研究基本只關(guān)注電阻阻值的選取，效果并不理想。本文提出一種基于在Crowbar保護回路中串聯(lián)電感的DFIG低電壓穿越技術(shù)，能夠更好地實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子電流的限制。圖2是串聯(lián)大電感Lc后的DFIG系統(tǒng)等效電路。

故障時，雙饋風(fēng)電機組最大轉(zhuǎn)子電流為：

其中=Lr+Lc，Lr為轉(zhuǎn)子回路等效電感，Lc為串聯(lián)電感。

圖2 串聯(lián)電感后的等效電路

通過上面的分析可知，調(diào)整轉(zhuǎn)子回路的等效電感即在電阻上串聯(lián)一個電感，同樣可以起到改變轉(zhuǎn)子電流的作用。因此，通過建立仿真模型分析在電路中加入電感后對在電網(wǎng)故障情況下轉(zhuǎn)子電流和雙饋風(fēng)力發(fā)電機LVRT性能的影響。

2 仿真分析

由上述理論可知，串聯(lián)大電感Lc后，雙饋風(fēng)電機組的電壓穿越能力明顯提高。為驗證該保護電路的可行性，設(shè)定系統(tǒng)雙饋風(fēng)機總裝機容量為4 MW。表1為系統(tǒng)仿真取值參數(shù)。

表1 DFIG運行參數(shù)

當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落至80%（即V=400 V）時，此時旁路電阻、電感進行取值計算得到雙饋風(fēng)電機組瞬態(tài)特性。如圖3所示，當(dāng)t=3.523 s時電網(wǎng)故障，電網(wǎng)電壓從0.93 p.u.跌落至0.18 p.u.；在t=3.63 s時投入繼電保護后，電壓恢復(fù)。

圖3 電網(wǎng)電壓跌落80%波形圖

故障前后可明顯看出，電網(wǎng)電壓以及轉(zhuǎn)子電流的波形出現(xiàn)大幅振蕩。發(fā)生故障后，Crowbar電路立即啟動運行，此時保護電阻值為0.8 Ω，電感為325 H，得到線電壓與線電流波形圖如圖4和圖5所示。

圖4 線電壓波形圖

圖5 線電流波形圖

將兩圖形的直流母線電壓波形進行比較，當(dāng)t=3.0 s時，電網(wǎng)因短路故障母線電壓波動，此時最大的電壓幅值接近1.1 p.u.，而串聯(lián)電阻可取值為0.8 Ω；當(dāng)t=3.58 s時，在回路上串聯(lián)一個328 H的電感后，電壓的最大幅值維持0.76 p.u.，之后的波形比較平穩(wěn)，定子電流故障初期在-0.5～0.5 p.u.附近持續(xù)波動，加入電感后電流波動較小，頻率較穩(wěn)定?？梢?，相較于傳統(tǒng)的Crowbar回路，串聯(lián)電感技術(shù)可以有效維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于改進Crowbar電路的風(fēng)機低電壓穿越系統(tǒng)。首先對風(fēng)電機組的數(shù)學(xué)模型進行約束條件轉(zhuǎn)換，以電壓和電流穩(wěn)定為控制目標(biāo)，貼合實際采用大電感進行機組狀態(tài)優(yōu)化，通過控制調(diào)節(jié)電感與電阻取值，改善了傳統(tǒng)撬棒電路中只有電阻吸收電流能量的情況，利用串接電感增大了分壓效果，增加了轉(zhuǎn)子滑差?？紤]實際情況采用仿真驗證，結(jié)果說明改進后的撬棒電路能較好地維持機組電壓，控制故障電流，為配網(wǎng)故障后風(fēng)機低電壓穿越提供了較大的無功補償。最后，通過仿真驗證了改進系統(tǒng)在提高風(fēng)機直流電壓上的有效性。