定子側(cè)變阻值Crowbar的DFIG高電壓穿越技術(shù)

郭岳霖，買買提熱依木·阿布力孜，劉謹(jǐn)言，項(xiàng)志成，謝麗蓉

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆，烏魯木齊 830017）

0 引言

近年來，以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Double Fed Induction Generator，DFIG）為主要機(jī)型的風(fēng)力發(fā)電得到了大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對于其并網(wǎng)的故障生存性問題也成為了國內(nèi)外專家的關(guān)注熱點(diǎn)。其中，電網(wǎng)電壓驟升故障與電網(wǎng)電壓下降故障是電網(wǎng)的2 種典型電壓故障，但目前關(guān)于低電壓跨越技術(shù)（Low Voltage Ride Through，LVRT）的研究已相對成熟[1-2]，而針對高電壓穿越技術(shù)（High Voltage Ride Through，HVRT）的研究成果則尚處在起步階段，所以迫切需要對實(shí)現(xiàn)高電壓跨越的有效技術(shù)手段進(jìn)行深入研究[3-24]。

文獻(xiàn)[3-4]中主要研究了靜態(tài)無功補(bǔ)償器和動態(tài)電壓恢復(fù)器之間的HVRT 作用，前者主要是利用控制進(jìn)入電網(wǎng)的無功輸入額定電流，減小電網(wǎng)電壓驟升的速度，而后者則主要是通過補(bǔ)償電源異常情況下與正常狀態(tài)間的電流差，來維持發(fā)電端的恒定電流。在文獻(xiàn)[5]中采用靜止同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）來吸收電網(wǎng)電壓驟升時產(chǎn)生的無功功率，完成HVRT 過程。在文獻(xiàn)[6]中，當(dāng)電網(wǎng)電壓對稱驟升時，串聯(lián)的網(wǎng)側(cè)變流器（Stator Side Converter，GSC）通過保持發(fā)電機(jī)定子電壓不變，完成HVRT 過程。通過附加的Chopper電路[7]和Crowbar 電路[8-9]依靠附加硬件電路增大阻值的方法也應(yīng)用在DFIG 的HVRT 中。

由Prashant 提出采用飽和鐵心故障限流器（Saturation Core Fault Current Limiter，SCFCL）來滿足雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障穿越。該方法利用SCFCL 的主要特點(diǎn)，即通過改變鐵心在飽和與非飽和狀態(tài)下的磁導(dǎo)率以提供低穩(wěn)態(tài)阻抗值和高暫態(tài)阻抗值，能夠抑制過電流，進(jìn)而提高DFIG 的故障穿越能力[10]。文獻(xiàn)[11]將所提出的改進(jìn)型直流斬波器接入轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（Rotor Side Converter，RSC）與直流側(cè)電容之間，這種改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中包含3 個額外的開關(guān)器件，控制其導(dǎo)通與關(guān)斷相當(dāng)于等效在直流側(cè)串聯(lián)或并聯(lián)接入直流斬波電阻。不僅能夠使直流電壓保持在可接受范圍內(nèi)，同時還能夠限制定、轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)過流，使雙饋風(fēng)機(jī)的故障穿越性能得到有效提升。文獻(xiàn)[12-13]分別在轉(zhuǎn)子側(cè)引入Crowbar 裝置和限流電阻來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的故障穿越，能夠抑制電磁轉(zhuǎn)矩波動并降低機(jī)械應(yīng)力。文獻(xiàn)[14]提出一種協(xié)調(diào)控制方案，利用直流側(cè)加裝的卸荷電路、DFIG 定子側(cè)串接的電抗和無功控制策略共同實(shí)現(xiàn)DFIG 高電壓穿越。

本文采用附加定子側(cè)變阻值撬棒電路的方式，對投入撬棒電路后的雙饋電機(jī)電磁暫態(tài)過程進(jìn)行詳細(xì)分析。通過磁鏈確定定子電流的最大值，用定子電流限定定子撬棒電阻的阻值范圍，基于已確定的阻值范圍，提出定子側(cè)撬棒保護(hù)電路的投切控制策略，最后用Matlab/Simulink 專業(yè)仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

1 電網(wǎng)電壓驟升故障時DFIG的分析

1.1 電網(wǎng)電壓對稱驟升的瞬態(tài)過程分析

根據(jù)電動機(jī)慣例，利用兩相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型簡化DFIG 電磁暫態(tài)過程的分析，將轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換為定子側(cè)后，電壓方程和磁鏈方程為：

式中：L，R，ψ，I，U分別為電感、電阻、磁通、電流、電壓；下標(biāo)s，r 分別為定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)；ωr為轉(zhuǎn)子角速度，Lm為定轉(zhuǎn)子間互感。

設(shè)定當(dāng)t=1.5 s 時電網(wǎng)電壓對稱驟升，在電壓變化前后，定子電壓方程為：

式中：d為驟升幅度；ωs為同步轉(zhuǎn)速。

在忽略定子電阻后，通過式（1）可得定子磁鏈方程：

根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍韺⑹剑?）代入式（4）可得電網(wǎng)電壓驟升時定子磁鏈方程：

其中，τs=Ls/Lr，為定子磁鏈衰減常數(shù)。

電壓波動后轉(zhuǎn)子磁鏈的動態(tài)響應(yīng)為：

式中：τr，ψr0為轉(zhuǎn)子磁通衰減時間常數(shù)、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)子磁鏈振幅；ψr1，ψr2為故障時轉(zhuǎn)子磁鏈的穩(wěn)態(tài)分量與暫態(tài)衰減分量的幅值，并且根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍瓌t，可知其中為超出t1時刻，為未達(dá)到t1時刻。

定轉(zhuǎn)子間電流關(guān)系為：

由功率表達(dá)式Ps+jQs=-1.5UsIs，其中Ps為有功功率，Qs為無功功率，可知定子電流與功率關(guān)系為：

聯(lián)立式（2）、式（7）、式（8）可得由Ps和Qs表示的轉(zhuǎn)子磁鏈ψr0：

電網(wǎng)電壓驟升后，轉(zhuǎn)子磁鏈ψr1和ψr2為：

1.2 暫態(tài)電流分析

由定子和轉(zhuǎn)子磁鏈表示的定子轉(zhuǎn)子電流方程可以從式（1）獲得：

其中，σ=1-/(LrLs)，將式（5）、式（6）代入得到電網(wǎng)電壓驟升故障的瞬態(tài)定子和轉(zhuǎn)子電流表達(dá)式：

1.3 定子撬棒保護(hù)理論依據(jù)及其阻值范圍確定

根據(jù)式（1）、式（2），轉(zhuǎn)子動態(tài)數(shù)學(xué)模型為：

式中：E為反電動勢；Lrσ，Rrσ分別為轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電感和電阻，其表達(dá)式為:

從式（18）中可以發(fā)現(xiàn)，改變定子回路電阻就可以改變轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電阻，從而改變轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電流的幅值和衰減時間。

當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升時，定子撬棒保護(hù)電路投入，可以有效抑制轉(zhuǎn)子故障電流。

式中：Rc為定子撬棒電路的阻值；Rs為投入前定子側(cè)總阻抗Zs為投入后定子側(cè)總阻抗。

阻值的選取由式（1）、式（13）得：

2 撬棒電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與投切控制

2.1 撬棒電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的撬棒電路均是附加一個固定阻值的撬棒電阻在轉(zhuǎn)子側(cè)，但是其存在以下2 個問題：第一個是由于轉(zhuǎn)子電流與撬棒阻值成反比，而轉(zhuǎn)子電壓與撬棒阻值成正比，采用固定阻值的電阻不能夠同時對直流母線電壓和對轉(zhuǎn)子側(cè)電流起到抑制作用；第二個是電網(wǎng)發(fā)生電壓驟升故障時投入轉(zhuǎn)子撬棒會屏蔽轉(zhuǎn)子變流器，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)不穩(wěn)定。故在定子側(cè)添加可調(diào)節(jié)阻值的撬棒電路來應(yīng)對高電壓穿越問題。圖1 為定子側(cè)變阻值撬棒電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，由一個主控開關(guān)控制撬棒電路的投切，用其余5 個開關(guān)控制不同驟升幅度的不同阻值投入與切除，使其能更好地完成電壓驟升的故障穿越。圖1 中S1 為總開關(guān)，S2 至S6 為子開關(guān)控制阻值大小，R1 至R5 為阻值。

圖1 定子側(cè)變阻值撬棒電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology diagram of stator side variable resistance crowbar circuit

2.2 撬棒電路的投切控制策略

定子側(cè)變阻值的Crowbar 在DFIG 系統(tǒng)中基本工作模式如圖2 所示：當(dāng)正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時總開關(guān)斷開，定子側(cè)變阻值Crowbar 保護(hù)電路被旁路；在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)電壓驟升故障后，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓會升高。當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓上升到與直流母線電壓一樣時便會向母線電容進(jìn)行充電，導(dǎo)致直流母線電壓升高。通常情況下，轉(zhuǎn)子側(cè)的故障電流在經(jīng)過0.01 s（半個工頻周期）后就會達(dá)到峰值，而直流母線電壓由于母線電容充電相對較慢還處在上升階段[25]。所以，在故障發(fā)生初期主要抑制轉(zhuǎn)子側(cè)過電流。此時系統(tǒng)將控制總開關(guān)閉合，投入定子側(cè)變阻值Crowbar保護(hù)電路，使得雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的繞組通過串聯(lián)的定子側(cè)Crowbar 與電網(wǎng)相接；直到直流母線電壓達(dá)到所設(shè)閾值時，Crowbar 主要針對母線電壓做調(diào)整，逐漸切除阻值，直到故障結(jié)束完全切出Crowbar。

圖2 投切控制策略圖Fig.2 Switching control strategy diagram

投入的阻值由不同的驟升幅度來確定，而當(dāng)母線電壓超過所設(shè)閾值時，進(jìn)行阻值的部分切除，直至完成故障穿越后將阻值完全切除。

3 仿真及結(jié)果分析

表1 為DFIG 參數(shù)。通過在Matlab/Simulink 平臺搭建DFIG 仿真模型，采用增加定子側(cè)變阻值Crowbar 保護(hù)電路的控制方案，驗(yàn)證定子側(cè)變阻值Crowbar 保護(hù)電路能夠提升DFIG 系統(tǒng)的故障穿越能力。分析定子側(cè)變阻值Crowbar 電路的投切對DFIG 系統(tǒng)HVRT 的作用。

表1 雙饋電機(jī)參數(shù)Table 1 DFIG parameters

DFIG 在額定工況下平穩(wěn)運(yùn)行，風(fēng)速恒為12 m/s，電壓在1.5s 時驟升至1.3p.u.，直至2 s 時故障切除，HVRT 策略在檢測到故障時投入，故障切除時退出。圖3—圖6 給出了傳統(tǒng)RSC 控制策略與定子側(cè)變阻值Crowbar 控制策略的定子電流、轉(zhuǎn)子電流、直流側(cè)母線電壓和電磁轉(zhuǎn)矩的對比數(shù)據(jù)。

圖3 定子電流對比圖Fig.3 Stator current comparison diagram

從圖3 中可以看出DFIG 在1.5 s 時受到1.3 p.u.電網(wǎng)電壓驟升故障，定子電流出現(xiàn)大幅度沖擊，附加定子側(cè)變阻值Crowbar 電路的系統(tǒng)，定子電流沖擊幅值不超過15 kA，并且能快速穩(wěn)定至正常工作狀態(tài)；而傳統(tǒng)RSC 控制策略定子電流沖擊幅值超過60 kA，并且用了0.2 s 才使其穩(wěn)定至正常工作狀態(tài)。不過在故障切除時，雙方都有短暫的電流沖擊，電流沖擊幅值并不大。

從圖4 中可以看出DFIG 在1.5 s 時受到1.3 p.u.電網(wǎng)電壓驟升故障，轉(zhuǎn)子電流出現(xiàn)大幅度沖擊，附加定子側(cè)變阻值Crowbar 電路的系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子電流沖擊幅值不超過4 kA，并且能快速穩(wěn)定至正常工作狀態(tài)；而傳統(tǒng)RSC 控制策略轉(zhuǎn)子電流沖擊幅值超過60 kA，并且用了0.2 s 才使其穩(wěn)定至正常工作狀態(tài)。在故障切除時后，轉(zhuǎn)子電流雙方都發(fā)生短暫電流沖擊，并且電流沖擊幅值不大，附加定子側(cè)變阻值Crowbar 電路的系統(tǒng)受轉(zhuǎn)速影響頻率有短暫波動。

圖4 轉(zhuǎn)子電流對比圖Fig.4 Rotor current comparison diagram

從圖5 中可以看出DFIG 在1.5 s 時受到1.3 p.u.電網(wǎng)電壓驟升故障，母線電壓遭受大幅度沖擊，附加定子側(cè)變阻值Crowbar 電路的系統(tǒng)，母線電壓沖擊幅值不超過2.3 kV，并且在有效抑制后逐漸切除阻值使母線電壓逐漸下降，在故障結(jié)束后完全切除，有效地抑制了直流母線側(cè)的電壓沖擊，快速恢復(fù)至正常工作狀態(tài)；而傳統(tǒng)RSC 控制策略母線電壓沖擊幅值接近7 kV，并且用了0.2 s 才使其控制在2.1 kV，在故障結(jié)束后恢復(fù)至正常工作狀態(tài)。

圖5 母線電壓對比圖Fig.5 Bus voltage comparison diagram

從圖6 中可以看出DFIG 在1.5 s 時受到1.3 p.u.電網(wǎng)電壓驟升故障，電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)大幅度沖擊，附加定子側(cè)變阻值Crowbar 電路的系統(tǒng)，電磁轉(zhuǎn)矩沖擊幅值不超過10kNm，并且能快速將波動抑制在可承受區(qū)間，在故障結(jié)束后恢復(fù)至穩(wěn)定工作狀態(tài)；而傳統(tǒng)RSC 控制策略電磁轉(zhuǎn)矩沖擊幅值超過100 kNM，之后將波動抑制在10 kNm，在0.2 s 后才將波動穩(wěn)定在正常工作狀態(tài)。雖然附加定子側(cè)變阻值Crowbar 電路的系統(tǒng)在故障結(jié)束后才能恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，但是其受到的沖擊幅值得到迅速抑制，能穩(wěn)定工作；而傳統(tǒng)RSC 控制策略系統(tǒng)中，電磁轉(zhuǎn)矩受到巨幅沖擊，并且在初步抑制后仍然比附加定子側(cè)變阻值Crowbar 電路的系統(tǒng)所受最大幅值要高。

圖6 電磁轉(zhuǎn)矩對比圖Fig.6 Electromagnetic torque comparison diagram

4 結(jié)論

本文針對電網(wǎng)電壓驟升故障下DFIG 的暫態(tài)過程分析，驗(yàn)證了定子側(cè)變阻值Crowbar 保護(hù)電路的可用性。根據(jù)定、轉(zhuǎn)子電流和磁鏈關(guān)系推導(dǎo)出定子等效轉(zhuǎn)子阻值；通過仿真驗(yàn)證，能夠有效抑制電網(wǎng)電壓的驟升故障下，定、轉(zhuǎn)子電流的沖擊，并且由于是變阻值Crowbar 保護(hù)電路，在母線電壓超過閾值時，可以切除部分阻值，有效降低母線電壓升高帶來對系統(tǒng)不穩(wěn)定的壓力，并且減小了在HVRT 過程中電磁轉(zhuǎn)矩突變對系統(tǒng)的影響，降低了撬棒投切對系統(tǒng)造成的擾動。定子側(cè)變阻值Crowbar 保護(hù)電路能夠有效完成DFIG 的HVRT，對高功率的DFIG 的HVRT 技術(shù)研究有借鑒價值。

然而對于功率控制方面還需要進(jìn)一步研究，這對于雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障穿越性能的影響也很重要，這將是我今后研究關(guān)注的重點(diǎn)