雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越直流側(cè)卸荷電路保護(hù)方案仿真

文/辛博然

●項(xiàng)目基金：云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目《雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越提升技術(shù)研究》；項(xiàng)目編號：2018JS538。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)

1.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概述

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)力機(jī)、變速齒輪箱、發(fā)電機(jī)、雙向變流器、變壓器等部分組成。如圖1所示。風(fēng)力機(jī)的作用就是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；變速齒輪箱與低、高速軸以及聯(lián)軸器等傳動機(jī)構(gòu)連接，將風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速提升，以配合發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需，并將機(jī)械能傳遞給雙饋發(fā)電機(jī)；雙饋發(fā)電機(jī)能夠把風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；轉(zhuǎn)子側(cè)變流器把發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電；網(wǎng)側(cè)變流器把直流電再轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的三相交流電，并對電網(wǎng)功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償；變槳距機(jī)構(gòu)通過調(diào)節(jié)槳距角使葉片始終保持在最佳攻角，在不同風(fēng)速下捕獲最大功率，變壓器把發(fā)電機(jī)輸出的電壓升高為并網(wǎng)所需電壓。

1.2 低電壓穿越技術(shù)

低電壓穿越能力，是指風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的端電壓降低到一定值的情況下不脫離電網(wǎng)而繼續(xù)維持運(yùn)行，甚至還可為系統(tǒng)提供一定無功以幫助系統(tǒng)恢復(fù)電壓的能力。具有低電壓穿越能力的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可躲過保護(hù)動作時間，故障解除后恢復(fù)正常運(yùn)行。這可大大減少發(fā)電系統(tǒng)在故障時反復(fù)并網(wǎng)次數(shù)，減少對電網(wǎng)的沖擊。

2 低電壓穿越保護(hù)方案研究與仿真

2.1 低電壓穿越保護(hù)方案介紹

圖1：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本結(jié)構(gòu)圖

圖2：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流卸荷保護(hù)電路

2.1.1 定子側(cè)保護(hù)電路方案

在定子側(cè)增加晶閘管作為開關(guān)元件，起到控制保護(hù)作用。系統(tǒng)正常運(yùn)行時，晶閘管導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子側(cè)電路選用大功率絕緣柵雙極型晶體管作為開關(guān)元件，以防止電壓跌落造成的大電流沖擊損壞變流器；當(dāng)電壓跌落時，定子電流值會突增，這時，利用控制晶閘管的工作特性對導(dǎo)通角進(jìn)行控制，可以有效限制定子電流。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制電路通常把雙向變流器與定子側(cè)控制回路并聯(lián)，使得變流器能夠向電網(wǎng)注入電流或者從電網(wǎng)吸收電流。限制變流器電壓就可以減小電壓跌落所造成的磁鏈振蕩，防止轉(zhuǎn)子側(cè)電流激增，進(jìn)而減輕電壓跌落故障對系統(tǒng)的沖擊，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3：有直流側(cè)保護(hù)時電壓跌落40%——1s的仿真曲線

圖4：有直流側(cè)保護(hù)時電壓跌落80%——0.5s的仿真曲線

2.1.2 直流側(cè)卸荷電路保護(hù)方案

直流卸荷電路的作用是消耗能量，保護(hù)直流側(cè)電容和功率器件。發(fā)生電壓跌落故障時，轉(zhuǎn)子電流突然增大，導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率受到限制，而風(fēng)力機(jī)傳遞到發(fā)電機(jī)的能量并未減小，此時能量無法輸出，便積蓄在直流側(cè)，造成直流側(cè)電壓升高，對直流側(cè)電容和功率器件安全使用造成威脅。為了防止器件損壞，通常的做法是在直流安裝卸荷負(fù)載保護(hù)電路，為減少直流卸荷電路的能量損耗，可以采用能量存儲設(shè)備(ESS)，既能發(fā)送有功功率，又能在必要條件下吸收有功功率。發(fā)生故障時，把多余的能量存儲于ESS中。直流側(cè)保護(hù)電路的引入，由于需要轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的容量使得設(shè)計(jì)難度和成本都增加了，但良好的保護(hù)性能也是顯而易見的。這種方法是雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常采用的保護(hù)措施之一。如圖2所示。

2.1.3 轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)電路方案

電壓跌落故障除了引起定子電流的增大和直流側(cè)電壓之外，還會對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中多個電氣量造成影響。定子電流的激增導(dǎo)致定子磁場增大，對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器同樣會造成較大沖擊。為了保護(hù)轉(zhuǎn)子變流器不因瞬間過流而損壞，目前常用的方法是在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)增加crowbar保護(hù)電路，能夠限制故障時候轉(zhuǎn)子側(cè)的過電流和直流側(cè)的過電壓。

2.2 低電壓穿越直流側(cè)卸荷電路保護(hù)方案仿真

本文主要選擇直流側(cè)保護(hù)方案為研究對象，在PSCAD平臺分別對電壓跌落40%持續(xù)1s和電壓跌落80%持續(xù)0.5s兩種情況進(jìn)行仿真采樣，得到兩組數(shù)據(jù)，與未采用保護(hù)方案的情況進(jìn)行對比分析，以便獲知直流側(cè)卸荷電路保護(hù)方案對低電壓穿越的保護(hù)效果。

2.2.1 直流側(cè)保護(hù)電路仿真-電壓跌落40%持續(xù)1s

建立直流側(cè)保護(hù)電路，在仿真平臺中設(shè)置短路故障開啟時間，讓電力系統(tǒng)電壓系統(tǒng)運(yùn)行至2s時接入短路故障，使電壓跌落額定電壓幅值的40%，運(yùn)行至3s時故障恢復(fù)，整個運(yùn)行過程中直流側(cè)保護(hù)電路持續(xù)工作。仿真時間持續(xù)16s，截取包含故障時間在內(nèi)的1s至4s的圖形作為分析對象。如圖3所示。

通過對比，可以獲知，在采用直流側(cè)保護(hù)時，在2s故障產(chǎn)生瞬間，定子電流產(chǎn)生波動幅度較無保護(hù)時降低，峰值達(dá)到1.5pu。轉(zhuǎn)子側(cè)電流被限制在0.3pu，比無保護(hù)狀態(tài)大幅下降，過電流倍數(shù)降低。后續(xù)仍出現(xiàn)震蕩，在故障消除后，經(jīng)過0.3s恢復(fù)到正常值。在故障清除時，由于電壓的突變，轉(zhuǎn)子電流再次出現(xiàn)尖峰，之后很快衰減恢復(fù)。電磁轉(zhuǎn)矩在故障到來時所產(chǎn)生的的震動與無保護(hù)電路情況相比較，調(diào)整幅度明顯減小，在故障清除時由于尖峰電流帶來的沖擊，轉(zhuǎn)矩再次產(chǎn)生振蕩，經(jīng)過1s的調(diào)整恢復(fù)正常值。

在輸出功率方面，由于直流卸荷電路的存在，吸收了過于的能量，使得2s時刻有功和無功功率的尖峰都被削去，保證功率相對平穩(wěn)輸出，減少對電網(wǎng)的沖擊。網(wǎng)側(cè)的功率表現(xiàn)也較為平穩(wěn)，有功功率瞬間下跌的情況得到改善，響應(yīng)特性明顯優(yōu)于無保護(hù)時的情況。

2.2.2 直流側(cè)保護(hù)電路仿真-電壓跌落80%持續(xù)0.5s

在仿真平臺中設(shè)置短路故障開啟時間，讓電力系統(tǒng)電壓系統(tǒng)運(yùn)行至2s時接入短路故障，使電壓跌落額定電壓幅值的80%，運(yùn)行至2.5s時故障恢復(fù)，整個運(yùn)行過程中直流側(cè)保護(hù)電路持續(xù)工作。仿真時間持續(xù)16s，截取包含故障時間在內(nèi)的1s至4s的圖形作為分析對象。如圖4所示。

將仿真平臺中有直流側(cè)保護(hù)時電壓跌落80%持續(xù)0.5s的故障仿真曲線圖與未采用保護(hù)措施的故障仿真曲線圖進(jìn)行對比。未接直流保護(hù)電路時，在電壓跌落瞬間，定子電流值到達(dá)3.8pu,轉(zhuǎn)子電流值超過1.1pu,是正常值的近6倍。接入直流保護(hù)電路后，定子電流降低為3pu，轉(zhuǎn)子電流則降低為0.8pu。對比保護(hù)前后電磁轉(zhuǎn)矩的曲線發(fā)現(xiàn)，在2.5s時刻所產(chǎn)生的尖峰值由-5.5pu降低到了-2.0pu，但振蕩并沒有太明顯的改善。直流側(cè)電壓有明顯減小趨勢。不加保護(hù)的情況，2s時最大值達(dá)到1.1pu，3s清除故障時來到了1.5pu，但加入保護(hù)后，這兩個值都在0.85pu左右，比之前有較大變化。說明直流側(cè)保護(hù)電路對直流側(cè)過電壓有明顯抑制作用。在加直流保護(hù)之后有功功率在故障期間降低了0.5pu，和不加保護(hù)時一致，而在故障清除后，有保護(hù)時有功功率上升了1pu，不加保護(hù)時則上升為1.5pu，后續(xù)調(diào)整恢復(fù)時間基本一致。網(wǎng)側(cè)有功功率在故障清除時有較大差異，吸收了1pu的有功功率和1pu的無功功率，而加了保護(hù)之后則是發(fā)出了0.4pu的有功功率，吸收了0.4pu的無功功率?？梢娂恿酥绷鞅Ｗo(hù)電路后對網(wǎng)側(cè)電流器保護(hù)效果較好。

3 總結(jié)

通過對在PSCAD平臺對直流側(cè)保護(hù)方案進(jìn)行仿真，數(shù)據(jù)表明，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)小幅電壓跌落時采用直流側(cè)保護(hù)電路較大幅電壓跌落時更為有效，能夠在一定程度上提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力。