一種轉(zhuǎn)子串聯(lián)可變電阻與卸荷電路配合的低電壓穿越方法

陳豪君， 王星華， 劉升偉， 林 璞

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 廣東 廣州 510006）

0 引言

近年，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占的比例不斷提高。 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）作為主流風(fēng)機(jī)類型，具有成本低、易維護(hù)，能實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功解耦控制和最大功率跟蹤等優(yōu)點(diǎn)。 然而由于DFIG 結(jié)構(gòu)特殊，導(dǎo)致機(jī)組對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)和故障比較敏感，當(dāng)其受到嚴(yán)重干擾時(shí)可能導(dǎo)致脫網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量構(gòu)成威脅。 因此，提高雙饋風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力具有重要意義。

DFIG 的LVRT 方案總體可分為改進(jìn)控制策略和增設(shè)硬件設(shè)備兩類。 文獻(xiàn)[1]通過(guò)滅磁控制減小定子磁鏈暫態(tài)分量的幅值， 加速其衰減速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LVRT，但由于變流器容量有限，控制策略一般只能應(yīng)對(duì)輕度故障的情形。 在實(shí)際工程中，撬棒保護(hù)裝置應(yīng)用得較為普遍，文獻(xiàn)[2]，[3]提出了動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)子撬棒阻值的方式，對(duì)不同程度故障下的LVRT 具有良好的適用性。但是，撬棒投入后轉(zhuǎn)子變流器被斷開(kāi)，導(dǎo)致故障期間有功和無(wú)功功率無(wú)法得到有效控制，不利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。 文獻(xiàn)[4]，[5]在傳統(tǒng)撬棒保護(hù)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)串聯(lián)電阻，盡管在一定程度上減少了撬棒的投入次數(shù)和時(shí)間，但沒(méi)有從根本上解決轉(zhuǎn)子變流器失控的問(wèn)題。 文獻(xiàn)[6]，[7]提出了轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻與卸荷電路協(xié)調(diào)控制， 但此方法面對(duì)未知故障的靈活性較低， 且電阻是按最嚴(yán)重的故障情況來(lái)整定， 忽略了輕度故障下投入大電阻對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)電路穩(wěn)定性的影響。

針對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)LVRT 方案的不足， 本文提出一種轉(zhuǎn)子串聯(lián)可變電阻（SDR）與卸荷電路配合的改進(jìn)低電壓穿越方式。 本方案本著“離線計(jì)算，在線匹配”的思想，無(wú)須在線整定，在一定程度上提高了方案的執(zhí)行效率。 該方案離線整定出不同故障程度下所對(duì)應(yīng)的制動(dòng)電阻，并形成策略表，電網(wǎng)故障后， 根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓查表匹配出適合的電阻，通過(guò)控制IGBT 開(kāi)關(guān)占空比實(shí)現(xiàn)等效接入；若當(dāng)前的制動(dòng)電阻無(wú)法抑制轉(zhuǎn)子電流， 則按照策略表逐級(jí)增大電阻， 改變占空即能實(shí)時(shí)調(diào)整等效阻值。 在PSCAD/EMTDC 平臺(tái)上搭建DFIG 模型，仿真風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越特性， 與傳統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比分析， 驗(yàn)證了本文方案能夠提高了轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)電路的靈活性和機(jī)組暫態(tài)穩(wěn)定性， 且轉(zhuǎn)子變流器在故障過(guò)程中持續(xù)運(yùn)行， 減少了風(fēng)機(jī)吸收的無(wú)功，有助于電網(wǎng)恢復(fù)正常。

1 轉(zhuǎn)子串可變電阻的LVRT 方案原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)子側(cè)保護(hù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Rotor side protection circuit topology

圖中，R1，R2的投切由全控型電力電子器件IGBT 來(lái)控制。 通過(guò)控制IGBT1，IGBT2 的開(kāi)關(guān)占空比可改變接入電阻的等效阻值。

投入的等效阻值為

式中：D1，D2分別為IGBT1，IGBT2 導(dǎo)通脈寬的占空比。

圖2 為轉(zhuǎn)子等效電路圖。

圖2 轉(zhuǎn)子側(cè)等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of rotor side

故障期間，制動(dòng)電阻投入后，轉(zhuǎn)子繞組等效電阻增加，有效地縮短了直流分量的衰減時(shí)間，減小了衰減交流分量的初值及穩(wěn)態(tài)交流分量的幅值，從而降低暫態(tài)轉(zhuǎn)子電流峰值[3]。 同時(shí)，轉(zhuǎn)子變流器仍然處于運(yùn)行狀態(tài)。

小麥紅蜘蛛屬于瞞類，是小麥種植過(guò)程中的高發(fā)蟲(chóng)害。紅蜘蛛吸食小麥汁液后造成小麥苗上出現(xiàn)斑點(diǎn)，雖然通常不會(huì)造成小麥壞死，但是群體密度增大后可造成葉子變成紅褐色、不能抽穗以及植株枯死的情況，春季是此蟲(chóng)害的高峰期。

1.2 方案原理

本文離線形成一份策略表，如表1 所示。 按照電壓跌落程度分成9 個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的跌落深度間隔大概為10%，各區(qū)間均已整定出相應(yīng)的接入電阻值。 電網(wǎng)發(fā)生故障瞬間，檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓， 查表后通過(guò)控制開(kāi)關(guān)占空比D1，D2等效出預(yù)設(shè)電阻，并在電阻投入過(guò)程中，可以根據(jù)當(dāng)前故障情況實(shí)時(shí)調(diào)整阻值以達(dá)到最佳限流效果。 制動(dòng)電阻投入后若直流母線電壓越限， 則啟動(dòng)卸荷電路消耗多余能量，維持變流器安全運(yùn)行。

表1 串接電阻策略表Table 1 Series dynamic resistor strategy table

1.3 保護(hù)電路投切控制策略

轉(zhuǎn)子串聯(lián)可變電阻的投切策略流程圖如圖3所示。

圖3 制動(dòng)電阻投切策略流程圖Fig.3 Dynamic resistor switching strategy

2 故障下DFIG 轉(zhuǎn)子電流

文獻(xiàn)[4]已詳細(xì)地分析了故障期間轉(zhuǎn)子的暫態(tài)過(guò)程，并給出了轉(zhuǎn)子電流的表達(dá)式，本文僅簡(jiǎn)單闡述。

DFIG 正常運(yùn)行下，轉(zhuǎn)子電壓在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)參考系下的表達(dá)式為

式中： 上標(biāo)r 為參數(shù)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)參考系下的表示形式； →ur0為定子磁鏈在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出的電壓；Rr，Lr為轉(zhuǎn)子電阻、 電感；Lm為勵(lì)磁電感；→irr為轉(zhuǎn)子電流；σ=1-Lm2/LSLr為漏感系數(shù)。

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾?，定子?cè)會(huì)出現(xiàn)衰減的定子磁鏈直流分量； 此分量在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生一個(gè)幅值與跌落程度有關(guān)的暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)，故障后→urr0變?yōu)?/p>

式中：Us，Usf為故障前、 后的定子電壓幅值；s 為轉(zhuǎn)差率；ωs，ω 分別為同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差角頻率；τs=LS/RS為等效定子時(shí)間常數(shù)。

由式（4）可知，DFIG 轉(zhuǎn)子故障電流可分解為4 個(gè)分量[5]：

忽略定子電阻后有e-t/τs≈1，將各分量轉(zhuǎn)換成三角函數(shù)的形式后：

3 可變制動(dòng)電阻與卸荷電阻的整定

目前，還未有制動(dòng)電阻準(zhǔn)確的整定方法，可借鑒撬棒電阻整定的約束條件，以取得大致范圍，整定要求： ①所串電阻應(yīng)能將故障電流和電壓抑制在變流器能承受的范圍內(nèi)；②所串電阻不能過(guò)大，防止轉(zhuǎn)子電壓超過(guò)變流器的安全電壓閾值。

轉(zhuǎn)子接入電阻后變流器持續(xù)運(yùn)行， 考慮各分量在最大電流下的幅值，為了簡(jiǎn)化分析，令τ=τr，轉(zhuǎn)子電流峰值為

4 仿真分析

在PSCAD/EMTDC 平臺(tái)中建立容量為2 MW的DFIG 低電壓穿越仿真模型，DFIG 經(jīng)過(guò)0.69 kV/33 kV 和33 kV/110 kV 兩臺(tái)變壓器并入無(wú)窮大電網(wǎng)， 且兩臺(tái)變壓器分別為Yg/Yg和Yg/Δ 接線方式，風(fēng)電機(jī)組參數(shù)如表2 所示。

表2 DFIG 機(jī)組參數(shù)Table 2 DFIG parameters

設(shè)t=5 s 時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相短路故障，持續(xù)200 ms，5.2 s 故障切除。 為了驗(yàn)證本文方案LVRT效果更好，分別在電壓跌落30%，90%的情況下對(duì)本文提出的方案（方案1）、傳統(tǒng)撬棒保護(hù)方案（方案2） 和轉(zhuǎn)子串聯(lián)固定電阻與卸荷電路配合方案（方案3）進(jìn)行對(duì)比分析，3 種方案均采用檢測(cè)轉(zhuǎn)子電流、直流側(cè)電壓的方式來(lái)觸發(fā)保護(hù)電路。其中轉(zhuǎn)子電流額定值為0.55 kA， 直流母線電壓額定值為1 150 V，卸荷電阻取值0.1 Ω，撬棒電阻為1.5 Ω，R1=0.18 p.u.，R2=0.76 p.u.。 為了給變流器的安全運(yùn)行留一定的裕度，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流＞1.6 IrN時(shí)投入撬棒電阻。

4.1 電壓跌落30%下的低電壓穿越分析

當(dāng)電壓跌落30%時(shí)，制動(dòng)電阻的整定值如前文所述， 橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間t，3 種方案的仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 電壓跌落30%時(shí)LVRT 特性對(duì)比Fig.5 Comparison of LVRT characteristics of 30% voltage sag

由圖5 可知，電壓跌落較輕時(shí)，3 種方案的限流能力相差不大， 但傳統(tǒng)撬棒方案無(wú)法抑制直流母線電壓的驟升，電壓被抬升至1 230 V，比轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻方案高出50 V 左右； 對(duì)比功率發(fā)現(xiàn)，方案1 有功、無(wú)功損耗最少。電磁轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)特性與轉(zhuǎn)子串接的電阻關(guān)系密切， 方案3 中固定電阻按故障最嚴(yán)重的情況整定， 突然接入大電阻會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩振蕩幅度大， 而且會(huì)影響轉(zhuǎn)子側(cè)功率傳輸；相反，方案1 通過(guò)檢測(cè)出實(shí)際的電壓跌落程度后確定適當(dāng)?shù)慕尤胱柚担?使串聯(lián)電阻對(duì)機(jī)組干擾最小，有利于系統(tǒng)的暫態(tài)性能。

通常故障電流上升速度很快， 引用策略表可直接匹配到相應(yīng)阻值并接入，無(wú)須在線整定，有效縮短了故障后接入電阻的時(shí)間， 并且在電阻投入過(guò)程中還可根據(jù)當(dāng)前故障狀況實(shí)時(shí)改變接入電阻大小，此方法在工程中更具有實(shí)際意義。

4.2 電壓跌落90%時(shí)低電壓穿越仿真

電網(wǎng)電壓跌落90%時(shí)， 仿真對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 電壓跌落90%時(shí)LVRT 特性對(duì)比Fig.6 Comparison of LVRT characteristics of 90% voltage sag

由圖6 可知， 方案1 中由于IGBT 開(kāi)關(guān)頻率較高，損耗相對(duì)大一些，但其無(wú)功損失較小，故障切除后恢復(fù)速度比方案3 快； 對(duì)于轉(zhuǎn)子故障電流電壓的抑制效果基本一樣。 在方案1，方案2 中，盡管撬棒電阻與制動(dòng)電阻取值相同， 但由于保護(hù)電路接入的方式不同， 導(dǎo)致機(jī)組的系統(tǒng)響應(yīng)也有所不同。 撬棒保護(hù)動(dòng)作后，轉(zhuǎn)子電流、直流母線電壓均超出安全閾值， 而且此時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)變?yōu)楫惒诫姍C(jī)， 從電網(wǎng)吸收了約1.5 MVar 的無(wú)功功率，影響并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)；轉(zhuǎn)子串電阻方案中，故障期間網(wǎng)側(cè)有功損失更少，效率更高；同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩振蕩幅度比傳統(tǒng)撬棒保護(hù)的小，暫態(tài)穩(wěn)定性更高，有利于延長(zhǎng)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)齒輪箱的使用壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于轉(zhuǎn)子側(cè)串聯(lián)背靠背變流器的特殊結(jié)構(gòu)，DFIG 具有比其他風(fēng)機(jī)更復(fù)雜的暫態(tài)特性，在不同的故障程度和故障時(shí)刻下， 轉(zhuǎn)子電流有不同的特點(diǎn)。 傳統(tǒng)撬棒保護(hù)動(dòng)作過(guò)程中雙饋風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)吸收無(wú)功，惡化了故障程度；而轉(zhuǎn)子串聯(lián)固定電阻靈活性低，難以兼顧各種程度的電壓跌落。本文方案投入后，變流器處于可控狀態(tài)，有助于電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，同時(shí)在面對(duì)不同程度的故障時(shí)，不僅可以選擇接入的電阻， 還能根據(jù)當(dāng)前情況實(shí)時(shí)調(diào)整串接阻值，在一定程度上克服了固定電阻的缺點(diǎn)，有效改善了機(jī)組的瞬態(tài)性能， 具備更好的低電壓穿越能力。