電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析及LVRT控制

陳　銀， 吳義純， 于　傳， 徐　華， 賀丹丹

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽　合肥　230022；

2.國網(wǎng)安徽省電力公司培訓(xùn)中心，安徽　合肥　230022)

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電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析及LVRT控制

陳銀1,2， 吳義純1,2， 于傳1,2， 徐華1,2， 賀丹丹1,2

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230022；

2.國網(wǎng)安徽省電力公司培訓(xùn)中心，安徽合肥230022)

摘要：饋電機(jī)由于其定子與電網(wǎng)直接耦合相連，故而在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓和電流沖擊，嚴(yán)重影響到風(fēng)電場的穩(wěn)定運(yùn)行。文章首先討論了故障發(fā)生時(shí)刻以及切除時(shí)刻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，并在此基礎(chǔ)上對一種基于Crowbar電路的低電壓穿越控制方法進(jìn)行了在電網(wǎng)故障發(fā)生時(shí)刻以及故障切除時(shí)刻的仿真研究，通過與傳統(tǒng)矢量控制在雙饋風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重電網(wǎng)故障下的對比分析驗(yàn)證了其可行性與正確性。

關(guān)鍵詞：雙饋電機(jī)；低電壓穿越；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；Crowbar電路

0引言

近年來，風(fēng)能作為一種可再生的綠色清潔能源，因具有巨大的開發(fā)潛能優(yōu)勢而備受重視。雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)因其自身的優(yōu)勢已成為風(fēng)電機(jī)組尤其是兆瓦級大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主導(dǎo)機(jī)型。然而由于雙饋電機(jī)(DFIG)定子端直接與電網(wǎng)相連接，電網(wǎng)故障將直接影響到定子側(cè)磁鏈狀態(tài)，進(jìn)而激起相應(yīng)的電磁暫態(tài)過程，在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生電壓和電流沖擊，嚴(yán)重危及到機(jī)組的安全運(yùn)行，甚至造成機(jī)組脫網(wǎng)，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

對于當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)電DFIG低電壓穿越(LVRT)方案，主要可以概括為算法控制和附加硬件的拓?fù)涓脑靸蓚€(gè)方面。在電網(wǎng)故障較輕時(shí)，可以充分利用變流器控制和電機(jī)的暫態(tài)特性對雙饋機(jī)組進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。例如文獻(xiàn)[1,2]為克服采用矢量控制時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行特性受參數(shù)影響的不足，在DFIG變流器控制中采用了非線性控制策略，以增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；文獻(xiàn)[3,4]通過在電網(wǎng)故障時(shí)增加轉(zhuǎn)子速度，試圖從能量平衡的角度提高系統(tǒng)LVRT能力。而文獻(xiàn)[5-7] 基于DFIG電磁暫態(tài)過程分析[8]，采用直接電磁暫態(tài)控制，有效降低了轉(zhuǎn)子電壓沖擊，拓展了LVRT可控范圍。這些基于軟件控制算法的LVRT方案在一定程度上都對DFIG的穩(wěn)定運(yùn)行有較為明顯的控制效果，但在工程應(yīng)用中，電網(wǎng)故障較為嚴(yán)重時(shí)，仍需要與基于硬件改造的方案配合使用?；谟布腖VRT方案主要圍繞在附加撬棒電路，主要圍繞附加撬棒(Crowbar)電路[9-11]、定子串聯(lián)電力電子開關(guān)[12]、串聯(lián)變流器[13]以及附加阻抗網(wǎng)絡(luò)[14]等方面展開。作為一種基于通過風(fēng)機(jī)系統(tǒng)拓?fù)涓脑靵碓鰪?qiáng)DFIG系統(tǒng)低電壓穿越能力的技術(shù)方案，撬棒電路在當(dāng)前工程上應(yīng)用較為廣泛。

在雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，文章不僅針對電網(wǎng)故障發(fā)生時(shí)刻，也對故障切除時(shí)刻DFIG的電磁動(dòng)態(tài)響應(yīng)做出了討論[15]。并采用了一種Crowbar電路的硬件控制策略對電網(wǎng)故障發(fā)生時(shí)刻以及切除時(shí)刻在3kW雙饋風(fēng)電機(jī)組上進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)討論結(jié)果以及控制策略的正確性與可行性。

1電網(wǎng)故障時(shí)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

假設(shè)系統(tǒng)于t0時(shí)刻前穩(wěn)定運(yùn)行，t0時(shí)刻電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障，跌落深度為p，即定子電壓表示如下：

(1)

式中，us為定子電壓，ωs為電網(wǎng)同步角速度，V為電網(wǎng)電壓幅值。

不考慮轉(zhuǎn)子電流對暫態(tài)磁鏈的影響，即令轉(zhuǎn)子側(cè)電流為零，并假設(shè)t0=0,可得定子磁鏈表達(dá)式[8]：

(2)

式中，τs=Ls/Rs為定子時(shí)間常數(shù)。表達(dá)式可分為兩部分：前者為與故障后定子電壓相對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)磁鏈ψsf，后者為反映磁鏈變化的連續(xù)性的暫態(tài)磁鏈ψsn。圖1(a)為定子磁鏈空間矢量分解圖，其變化過程見圖1(b)(c)。

(a)定子磁鏈分解圖

(b)靜止坐標(biāo)系下定子磁鏈軌跡

(c)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子磁鏈軌跡
圖1電網(wǎng)電壓跌落時(shí)定子磁鏈

由圖1可知，電網(wǎng)故障發(fā)生時(shí)，定子磁鏈軌跡由于衰減的暫態(tài)磁鏈影響，定子磁鏈軌跡圓半徑以電網(wǎng)頻率逐漸減小，直至?xí)簯B(tài)磁鏈衰減為零，系統(tǒng)進(jìn)入跌落后新同心圓。而在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下則表現(xiàn)為磁鏈從電壓額定狀態(tài)下的穩(wěn)定平衡點(diǎn)P0以半徑逐漸縮小的圓軌跡運(yùn)行至新定子電壓下新的穩(wěn)態(tài)平衡工作點(diǎn)P1。

又轉(zhuǎn)子開路電壓滿足[8]：

(3)

將式(2)代入式(3)計(jì)算，并忽略較小的1/τs，并轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子開路電壓可表示為：

(4)

式中，Ls、Lm為定子電感和定轉(zhuǎn)子之間的互感，ωr為轉(zhuǎn)子角速度，ωsl=ωs-ωr并且轉(zhuǎn)差率s=ωsl/ωs。

由于轉(zhuǎn)差率s取值較小，通常在±0.3范圍內(nèi)，因而轉(zhuǎn)子開路電壓主要決定于定子磁鏈暫態(tài)分量，幅值正比于跌落深度p。圖2為取電壓50%跌落時(shí)轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流的波形圖。

圖2　電網(wǎng)電壓50%跌落情況下DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)電壓、電流波形

由圖2可知電網(wǎng)故障時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)將產(chǎn)生較大電壓和電流沖擊，若不能采取有效的措施，該暫態(tài)過程將嚴(yán)重影響到雙饋風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

2電網(wǎng)故障切除時(shí)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)

由上文分析可知，在電網(wǎng)電壓狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，DFIG定子磁鏈從跌落時(shí)刻所處的狀態(tài)點(diǎn)以半徑逐漸縮小的圓軌跡運(yùn)行到新的平衡點(diǎn)。則假如故障切除時(shí)，由電壓跌落所激起的電磁振蕩過程還沒有結(jié)束，則新的振蕩過程將會(huì)疊加在前一振蕩過程之上，即故障切除時(shí)刻的電磁狀態(tài)與其切除時(shí)刻相關(guān)。

由此可知，根據(jù)電網(wǎng)故障切除時(shí)刻由跌落激起的電磁暫態(tài)情況不難分析得出故障切除的幾種典型情況：1)故障時(shí)間足夠長，故障切除時(shí)雙饋電機(jī)已運(yùn)行在跌落后新的平衡狀態(tài)，由電壓跌落激起的定子磁鏈震蕩過程已結(jié)束(Case1)；2)電網(wǎng)故障后DFIG并沒有運(yùn)行到電壓跌落后新的平衡工作點(diǎn)，電網(wǎng)故障就已經(jīng)被切除。此時(shí)存在兩種極端情況分別使故障切除時(shí)刻的定子磁鏈的初始震蕩幅值最大(Case2)和最小(Case3)。其定子磁鏈在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的軌跡圖分別對應(yīng)如圖3。

圖3　電網(wǎng)故障情況下定子磁鏈軌跡

圖3中，假定P1為故障切除時(shí)刻DFIG所處的工作點(diǎn)，P0與上節(jié)定義相同。故障發(fā)生時(shí)，雙饋電機(jī)定子磁鏈將由故障前穩(wěn)定工作點(diǎn)P0沿方向d1向電網(wǎng)故障后新的平衡工作點(diǎn)過渡。圖3(a)中P1點(diǎn)即為故障后新的平衡工作點(diǎn)，故障切除后定子磁鏈由P1點(diǎn)沿d2的方向向P0點(diǎn)收斂。而在圖3(b)和(c)中，故障切除時(shí)DFIG并沒有運(yùn)行到新的平衡點(diǎn)，P1點(diǎn)分別處于距離平衡工作點(diǎn)P0最遠(yuǎn)和最近兩種狀態(tài)，前者磁鏈的初始值為電壓跌落與恢復(fù)引起的兩個(gè)暫態(tài)相加值，磁鏈震蕩最為嚴(yán)重；后者為電壓跌落與恢復(fù)引起的暫態(tài)磁鏈的相減值，磁鏈幾乎不發(fā)生震蕩，很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

同理與故障發(fā)生時(shí)的分析，為方便研究，可取電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對稱完全跌落情況(即p=1)進(jìn)行討論。t1為故障切除時(shí)刻，定子電壓可表示為：

us(t0≤t≤t1)=0

us(t≥t1)=Vejωst

(5)

假設(shè)t0=0，電壓完全跌落情況下，則可得故障切除時(shí)定子磁鏈在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的表達(dá)式[15]：

(6)

由式(6)知取決于故障持續(xù)時(shí)間的不同，定子磁鏈震蕩程度存在較大的差別。當(dāng)t1分別取值Ts/2和Ts(Ts=2π/ωs)時(shí)，定子磁鏈的初始震蕩幅值分別達(dá)到最大與最小，與上文仿真分析結(jié)果相吻合。

同理，將式(6)代入式(2)計(jì)算，并忽略較小的1/τs，可得電壓恢復(fù)時(shí)雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子開路電壓：

(7)

由于故障切除時(shí)刻的選取對定子磁鏈的影響，轉(zhuǎn)子電壓沖擊也與故障切除時(shí)刻相關(guān)。與定子磁鏈震蕩情況相對應(yīng)，如圖4所示為三種情況下轉(zhuǎn)子電壓電流的仿真波形圖。

圖4　轉(zhuǎn)子電壓電流波形

圖4直觀地反映了故障切除時(shí)間不同時(shí)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓電流的沖擊程度，可以看出，故障切除時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的電壓電流暫態(tài)幅值可以達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的幾倍甚至更高的狀態(tài)。并且故障切除時(shí)刻的選取對系統(tǒng)的震蕩過程影響較大，Case2中轉(zhuǎn)子電壓電流震蕩最為嚴(yán)重，而Case3情況下轉(zhuǎn)子電壓電流很快恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。因此實(shí)際應(yīng)用中采用LVRT控制策略時(shí)，不僅要考慮電網(wǎng)故障時(shí)的情況，對故障切除時(shí)機(jī)組的保護(hù)也不容忽視，故障切除時(shí)間是影響保護(hù)電路的參數(shù)設(shè)計(jì)及投入的重要考慮因素。

3嚴(yán)重電網(wǎng)故障情況下Crowbar電路控制策略仿真

由上文可知，故障發(fā)生和切除時(shí)均有必要對雙饋風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行有效控制。本節(jié)將以目前應(yīng)用較為廣泛的轉(zhuǎn)子側(cè)撬棒電路LVRT控制策略[16]為例，進(jìn)行簡單的仿真探討。以兩倍額定轉(zhuǎn)子電流為觸發(fā)Crowbar電路動(dòng)作閾值，假定三相對稱故障跌落深度為85%，持續(xù)時(shí)間為250ms，DFIG運(yùn)行在1700r/min，故障發(fā)生時(shí)，雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的85%，仿真結(jié)果見圖5。

圖5　電網(wǎng)嚴(yán)重故障時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路控制策略仿真

由圖5知，在電機(jī)重載且電網(wǎng)嚴(yán)重故障時(shí)，由電網(wǎng)故障發(fā)生和切除時(shí)激起的較大的轉(zhuǎn)子沖擊電流均會(huì)觸發(fā)Crowbar保護(hù)電路動(dòng)作，撬棒電路投入后，轉(zhuǎn)子變流器被暫時(shí)閉鎖，撬棒電阻的作用加速了轉(zhuǎn)子電流衰減，待轉(zhuǎn)子電流恢復(fù)到Crowbar電路關(guān)斷閥值下，轉(zhuǎn)子變流器重新投入工作。分別對比圖5(a)(b)、圖5(c)(d)、圖5(e)(f)及圖5(g)(h)，不難看出，在投入Crowbar控制電路時(shí)，定轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子端電壓、轉(zhuǎn)矩的震蕩幅度均減小，達(dá)到平衡所需時(shí)間變短，衰減變快。Crowbar控制策略在電壓跌落時(shí)刻和恢復(fù)時(shí)刻均起到了調(diào)節(jié)作用。

4總結(jié)

文章基于電網(wǎng)故障下的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，從磁鏈軌跡角度對電網(wǎng)故障切除時(shí)刻DFIG的電磁暫態(tài)過程做出了相應(yīng)的定性討論，并且從數(shù)學(xué)推導(dǎo)角度進(jìn)行了相應(yīng)的理論探討。最后，Crowbar電路的硬件控制策略和傳統(tǒng)矢量控制的仿真研究驗(yàn)證了對故障發(fā)生和切除時(shí)刻進(jìn)行LVRT控制的必要性、可行性和有效性。

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[責(zé)任編輯：王敏]

Dynamic Response Analysis on Grid Fault and LVRT Control Strategy for Doubly Fed WTs

CHENYin1,2,WUYi-chun1,2,YUChuan1,2,XUHua1,2,HEDan-dan1,2

(1.AnhuiElectricalEngineeringProfessionalTechniqueCollege,Hefei230022,China;2.TrainingCentreofStateGridAnhuiElectricPowerCorporation,Hefei230022,China)

Abstract:Since the stator windings of doubly fed induction generator(DFIG)are usually coupled with power grid directly, the surge can be seen in rotor-side currents and voltages upon grid fault, which have seriously affected the stable operation of the wind farms. Firstly, this paper discusses the dynamic response process of DFIG during the moment of grid fault occurrence and recovery. Then on the basis, the low-voltage ride-through(LVRT)strategy based on Crowbar circuit is researched on simulations. The feasibility and correctness of the strategy is verified by comparing with the traditional vector control on the severe fault of DFIG.

Key words:doubly fed induction generator(DFIG); low-voltage ride-through(LVRT); dynamic response; Crowbar circuit

中圖分類號：TM614

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1672-9706(2016)01- 0014- 05

作者簡介：陳銀(1990-)，女，湖北黃岡人，碩士，助教，主要研究方向：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、變電運(yùn)維和調(diào)度運(yùn)行。

基金項(xiàng)目：2013-2014學(xué)年度安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2013ybxm005)。

收稿日期：2016- 02-15