基于Crowbar的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低壓穿越的仿真與分析

王 佳， 章躍進(jìn)

(上海大學(xué)，上海 200072)

0 引言

作為節(jié)能環(huán)保的新能源，風(fēng)力發(fā)電前景看好。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量在電力系統(tǒng)中所占比例的不斷提高，其可靠性已不容忽視［1］。許多國家制定了接入電網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，其中就包括低壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)［2］，即當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，在一定電壓跌落范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷的并網(wǎng)運(yùn)行。

在所有風(fēng)電系統(tǒng)中。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)應(yīng)用最為廣泛［3］，其優(yōu)點(diǎn)為只有部分功率流過勵(lì)磁變頻器，有功、無功可單獨(dú)調(diào)節(jié)。但是，正是由于變頻器容量較小，使得它對(duì)電網(wǎng)故障非常敏感［4］。

在各種電網(wǎng)故障中，三相對(duì)地短路最為嚴(yán)重，電網(wǎng)故障會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)過流、過壓，電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速發(fā)生突變等一系列問題。

當(dāng)電網(wǎng)故障不嚴(yán)重時(shí)，可以通過改變定、轉(zhuǎn)子控制策略來實(shí)現(xiàn)LVRT。文獻(xiàn)［5-6］通過控制轉(zhuǎn)子電流抵消定子磁鏈直流分量的影響，來提高LVRT的能力。文獻(xiàn)［7］在原有控制系統(tǒng)中加入了靜止同步無功補(bǔ)償(Static Synchronous Compensator，STATCOM)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)并網(wǎng)風(fēng)電場的無功功率，實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)的LVRT。

當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重的電網(wǎng)故障，僅改進(jìn)控制策略已難以控制過壓、過流［8］。本文在轉(zhuǎn)子側(cè)加入Crowbar電路，在過流時(shí)觸發(fā)開關(guān)，將轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器旁路從而保護(hù)電力電子器件。在此基礎(chǔ)上，討論了不同切除時(shí)刻對(duì)系統(tǒng)的影響。同時(shí)，在雙饋電機(jī)逐漸向兆瓦級(jí)及更高功率發(fā)展時(shí)，本文運(yùn)用仿真比較Crowbar電路在不同功率等級(jí)系統(tǒng)中的性能。

1 變速恒頻雙饋發(fā)電系統(tǒng)

DFIG在結(jié)構(gòu)上類似繞線式異步電機(jī)，具有定、轉(zhuǎn)子雙套繞組，可以從定、轉(zhuǎn)子兩側(cè)回饋能量，兼有同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，控制靈活性好，具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力［9］。

DFIG系統(tǒng)運(yùn)行原理如圖1所示，主要由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、雙饋異步發(fā)電機(jī)、雙脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)以及變壓器組成。DFIG定子繞組并入工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通過雙PWM變頻器與電網(wǎng)相連，成為一個(gè)頻率、幅值、相位均可調(diào)的三相變頻電源。

圖1 變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)

式中:f1——定子頻率;

f2——轉(zhuǎn)子頻率;

n2——跟隨風(fēng)機(jī)不斷變化的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;

p——極對(duì)數(shù)。

根據(jù)式(1)所示，可以通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁頻率，在風(fēng)速不斷變化的過程中，保持定、轉(zhuǎn)子磁鏈在空間位置上的相對(duì)靜止，達(dá)到定子側(cè)電壓幅值、頻率與電網(wǎng)始終保持一致的目的。

2 DFIG電網(wǎng)故障時(shí)的瞬態(tài)分析

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際上可認(rèn)為是一個(gè)三端口能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，軸端輸入機(jī)械能，定子向電網(wǎng)輸出電能，轉(zhuǎn)子的能量流向則由發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況決定。當(dāng)s＞0時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器電源向定子側(cè)供電，當(dāng)s＜0時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)向電網(wǎng)反饋能量，功率流動(dòng)關(guān)系如圖2所示。

式中:Pwind——風(fēng)機(jī)輸入的機(jī)械功率;

Pr——轉(zhuǎn)子輸入或輸出的功率;

Ps——定子向電網(wǎng)輸出的功率;

P損耗——功率損耗。

圖2 功率流動(dòng)關(guān)系

根據(jù)雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型及定子磁鏈定向的矢量控制策略，忽略渦流損耗及鐵耗，設(shè)定在dq軸坐標(biāo)系下的Uds和ids為0則可以得到dq軸坐標(biāo)系下的電壓電流基本方程:

式中:Rs、Rr——定、轉(zhuǎn)子繞組電阻;

Ls、Lr、Lm——定、轉(zhuǎn)子等效自感及等效互感;

Uds、Uqs、Udr﹑Uqr——分別為定、轉(zhuǎn)子電壓dq軸分量;

ids、iqs、idr、iqr——分別為定、轉(zhuǎn)子電流dq軸分量。

將式(3)、式(4)代入式(2)并整理，可得到風(fēng)機(jī)輸入功率與定子電流的關(guān)系:

當(dāng)電網(wǎng)三相短路故障時(shí)，電壓跌落嚴(yán)重，Uqs迅速減小，但轉(zhuǎn)速及軸上風(fēng)機(jī)輸入的機(jī)械功率依然保持不變，則在電網(wǎng)故障的瞬間造成能量過剩，必將導(dǎo)致定子側(cè)電流變化。此時(shí)根據(jù)磁鏈與電壓的關(guān)系可知，定子磁鏈將減小。根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍?，定子?cè)將產(chǎn)生感生電流來阻礙由于電壓跌落導(dǎo)致的磁鏈變化，定子磁鏈將產(chǎn)生呈指數(shù)衰減的暫態(tài)直流分量，如式(2)所示。由于電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈間的強(qiáng)耦合作用，定子磁鏈暫態(tài)直流分量將會(huì)由于電機(jī)轉(zhuǎn)子自身的高速旋轉(zhuǎn)，切割轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感生旋轉(zhuǎn)電勢(shì)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)過流、直流母線過壓，從而破壞電力電子器件。

式中:φ's——發(fā)生故障時(shí)的定子磁鏈;

φs——故障前電子磁鏈;

φsdc——產(chǎn)生的磁鏈直流分量。

電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子繞組又將經(jīng)歷一個(gè)與之相反的逆過程，因此在電網(wǎng)電壓跌落恢復(fù)時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)同樣會(huì)產(chǎn)生過壓、過流。如圖3、圖4所示，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后0.5 s時(shí)刻，電網(wǎng)電壓跌落并持續(xù)0.2 s后清除，其仿真結(jié)果與理論分析完全一致。

究其本質(zhì)是由于風(fēng)能過剩，導(dǎo)致磁鏈變化，而在電壓跌落瞬間，磁場不能突變。這一電磁振蕩過程劇烈程度和持續(xù)時(shí)間由電機(jī)參數(shù)、跌落深度、跌落前的轉(zhuǎn)速等因素共同決定［10］。

圖3 電網(wǎng)故障定子電壓波形

3 變速恒頻雙饋發(fā)電系統(tǒng)的建模仿真

3．1 變速恒頻雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)

圖4 電網(wǎng)故障轉(zhuǎn)子電流波形

本文采用定子磁場定向的空間矢量控制技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能追蹤控制的同時(shí)，采取功率解耦控制，以便獲得任意功率因數(shù)的電能來滿足電網(wǎng)要求，使變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)能夠靈活、高效地運(yùn)行于各種不同的風(fēng)速場合。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)

3．2 運(yùn)用Crowbar電路的LVRT仿真模型

本文將在上述控制系統(tǒng)中模擬LVRT。Crowbar電路如圖6所示。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障，則上述控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡將被打破。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生大值跌落時(shí)，風(fēng)力機(jī)由于慣性較大，變槳矩系統(tǒng)不能快速調(diào)節(jié)，導(dǎo)致捕獲的風(fēng)能過剩，這部分多余能量如不及時(shí)消耗，則必將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)乃至整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行造成影響。

圖6 Crowbar電路

本文采用可以在任意時(shí)刻切斷轉(zhuǎn)子回路的主動(dòng)式Crowbar保護(hù)電路，為電網(wǎng)電壓跌落期間，風(fēng)機(jī)所捕獲的多余能量提供釋放通道。Crowbar保護(hù)電路由三相二極管整流橋、可關(guān)斷器件IGBT及旁路電阻組成，通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子側(cè)過電流，來控制Crowbar電路的開通與關(guān)斷，以此在電網(wǎng)大值跌落時(shí)，保護(hù)電力電子器件。

為驗(yàn)證Crowbar保護(hù)電路的有效性，選擇額定功率為15 kW雙饋電機(jī):定子電阻0.379 Ω、定子漏感0.001 1 H、轉(zhuǎn)子電阻0.314 Ω、轉(zhuǎn)子漏感0.002 2 H、勵(lì)磁電感 0.042 7 H、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.39 kg·m2;以及額定功率為1.25 MW雙饋電機(jī):定子電阻0.003 09 Ω、定子漏感0.020 16 H、轉(zhuǎn)子電阻0.020 16 Ω、轉(zhuǎn)子漏感0.040 462 H、勵(lì)磁電感0.901 5 H、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量87 kg·m2的2臺(tái)雙饋電機(jī)來進(jìn)行對(duì)比仿真。

在電機(jī)發(fā)生三相對(duì)稱故障時(shí)，投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路，討論三種不同切除時(shí)刻方案對(duì)系統(tǒng)LVRT性能的影響。隨著電機(jī)容量不斷增加，本文就Crowbar電路在兩種功率等級(jí)系統(tǒng)中的性能進(jìn)行比較，其中旁路電阻的選擇參考文獻(xiàn)［11］，按照相同規(guī)律選取。

3．3 不同切除時(shí)刻的Crowbar電路LVRT性能

在電機(jī)發(fā)生三相對(duì)稱故障時(shí)，電網(wǎng)電壓跌落80%，并且持續(xù)0.2 s故障時(shí)間。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)系統(tǒng)故障，轉(zhuǎn)子側(cè)過流1.2倍時(shí)投入轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)電路，并且比較三種不同切除時(shí)刻對(duì)LVRT性能的影響:切除時(shí)刻為故障后10 ms、15 ms、20 ms。

根據(jù)圖7仿真結(jié)果可知:無論是哪個(gè)切除時(shí)刻，Crowbar電路都能有效抑制LVRT期間，由于捕獲多余風(fēng)能而造成的轉(zhuǎn)子側(cè)過壓、過流，仿真驗(yàn)證了Crowbar電路的有效性。在電壓跌落80%時(shí)，Crowbar電路將轉(zhuǎn)子短接，為多余能量提供了釋放回路，很好地保護(hù)了電力電子器件，保證了電網(wǎng)故障期間，雙饋電機(jī)依然可以并網(wǎng)運(yùn)行。

其次，根據(jù)圖7和表1比較不同切除時(shí)刻Crowbar電路對(duì)LVRT性能的影響。對(duì)于轉(zhuǎn)子d軸電流而言，越早切除Crowbar保護(hù)電路，即投入Crowbar保護(hù)電路的時(shí)間越短，可以避免在切除時(shí)刻電路由于要吸收更多的無功功率，而再一次的導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)過電流。對(duì)于轉(zhuǎn)子q軸電流而言，不同切除時(shí)刻，對(duì)其影響不大。從中也看到直流母線電壓在切除時(shí)刻的波形，隨切除時(shí)刻越晚則過沖越小，這是由于Crowbar投入時(shí)間越多，則消耗掉的多余能量也越多，切除時(shí)對(duì)變頻器的影響就會(huì)越小。因此，其切除時(shí)刻要綜合考慮各方面的因素，鑒于大多數(shù)電力電子器件具有一定的耐壓能力，因此Crowbar的切除時(shí)刻應(yīng)將過流因素放在首位，盡早切除。

圖7 不同切除時(shí)刻DFIG各項(xiàng)波形

表1 不同切除時(shí)刻電流電壓比較

3．4 不同功率等級(jí)系統(tǒng)中Crowbar電路LVRT性能的比較

分別選取額定功率為15 kW及1.25 MW的2臺(tái)雙饋電機(jī)，Crowbar電路形式相同，旁路電阻按照相同規(guī)則選取。電網(wǎng)電壓跌落至20%，并且持續(xù)0.2 s。根據(jù)以上分析，切除時(shí)刻定為故障后10 ms。1.25 MW雙饋電機(jī)系統(tǒng)中各項(xiàng)LVRT特性如圖8所示。

圖8 1.25 MW雙饋電機(jī)系統(tǒng)中各項(xiàng)LVRT特性

從上述仿真結(jié)果可看出，隨著電機(jī)功率的上升，Crowbar電路對(duì)低壓穿越時(shí)的過流過壓抑制作用逐步降低。一方面由于電機(jī)功率上升，風(fēng)力機(jī)功率也隨之增大。當(dāng)電壓跌落時(shí)，需要依靠Crowbar旁路電阻消耗的功率增大，在短時(shí)間內(nèi)難以快速消耗，并且在機(jī)艙有限空間內(nèi)，電阻發(fā)熱嚴(yán)重。另一方面，電機(jī)功率等級(jí)上升后，體積質(zhì)量增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大。在電壓下降的瞬間，電機(jī)狀態(tài)不宜改變，Crowbar電路的抑制作用比起轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小的電機(jī)，抑制效果下降，實(shí)際應(yīng)用應(yīng)與控制策略結(jié)合來更好地實(shí)現(xiàn)LVRT。

4 結(jié)語

通過以上分析，證明了Crowbar電路的有效性。在電網(wǎng)電壓瞬間驟降后，將雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子短路，防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的浪涌電流流入變頻器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變頻器的保護(hù)。同時(shí)，阻止了能量從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子傳遞到直流母線中，有效抑制直流母線電壓的升高。對(duì)于其切除時(shí)刻，應(yīng)該將過流放在首位，盡早切除Crowbar電路。隨著雙饋電機(jī)不斷的向更大功率發(fā)展，Crowbar電路可能需要與定、轉(zhuǎn)子控制策略共同作用，來更好地實(shí)現(xiàn)LVRT。

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