考慮三重因素的雙饋風(fēng)電機(jī)組撬棒電路保護(hù)控制策略分析

郭 志 ，陳冠彪 ，詹仲?gòu)?qiáng) ，趙 明 ，林 松

（1.國(guó)網(wǎng)淮南供電公司，安徽 淮南 232000；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模、風(fēng)電裝機(jī)容量逐漸增加，風(fēng)電將成為電力系統(tǒng)的重要組成部分。然而，在電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大影響，因此研究如何提高風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力十分必要。針對(duì)由DFIG組成風(fēng)電場(chǎng)而言，在電網(wǎng)故障時(shí)一般采用在轉(zhuǎn)子側(cè)并入撬棒（Crowbar）電路來(lái)提高機(jī)組低電壓穿越能力，然而Crowbar電路不同控制策略對(duì)機(jī)組低電壓穿越影響較大。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)Crowbar電路控制策略做了大量研究：文獻(xiàn)［1］提出了Crowbar在故障發(fā)生時(shí)投入，在故障清除后1～2個(gè)周波內(nèi)退出的控制策略；文獻(xiàn)［2］指出機(jī)端電壓跌落程度和故障持續(xù)時(shí)間不同時(shí)，Crowbar應(yīng)在故障清除時(shí)刻前不同周波內(nèi)退出；文獻(xiàn)［3］采取磁鏈阻尼控制以減小磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩暫態(tài)振蕩幅值，但振蕩時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；文獻(xiàn)［4］提出了評(píng)價(jià)機(jī)組動(dòng)態(tài)相應(yīng)的指標(biāo)函數(shù)，并給出了不同電壓跌落時(shí)Crowbar的控制策略。

然而在實(shí)際電網(wǎng)中，故障發(fā)生時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間不可預(yù)測(cè)，難以在故障消除時(shí)刻提前幾個(gè)周波內(nèi)使Crowbar退出。此外Crowbar控制策略的選取不但與故障持續(xù)時(shí)間、機(jī)端電壓跌落深度有關(guān)，而且與故障時(shí)刻風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)也有關(guān)系，然而這一問(wèn)題很少有文獻(xiàn)提及研究。因此，在選取Crowbar控制策略時(shí)應(yīng)多方面考慮。搭建含Crowbar電路的雙饋風(fēng)電機(jī)組模型，通過(guò)在不同故障持續(xù)時(shí)間、機(jī)端電壓跌落深度和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況下仿真，并分析轉(zhuǎn)子側(cè)暫態(tài)電流，驗(yàn)證了故障持續(xù)時(shí)間、機(jī)端電壓跌落深度和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況對(duì)Crowbar保護(hù)退出時(shí)刻的影響，初步得到了為較好實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)低電壓穿越時(shí)的Crowbar控制策略。

1 基于Crowbar保護(hù)的雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行原理［5］， 在 Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建含Crowbar電路的1.5 MW雙饋風(fēng)電系統(tǒng)模型，如圖1所示。其具體參數(shù)為：額定功率9 MW，額定電壓575 V，額定頻率60 Hz，定子電阻 0.023 pu，轉(zhuǎn)子電阻0.016 pu，定子漏感0.18 pu，轉(zhuǎn)子漏感0.16 pu，定、轉(zhuǎn)子互感2.9 pu，直流側(cè)額定電壓 1 150 V，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0.685 kg·m2。Crowbar控制電路由三相整流橋、絕緣柵雙極晶體管IGBT和放電電阻構(gòu)成，放電電阻阻值按照文獻(xiàn)［6］進(jìn)行選取。當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子電流為正常值1.5倍時(shí)投入Crowbar電路，同時(shí)切除轉(zhuǎn)子變流器，系統(tǒng)進(jìn)入異步狀態(tài)運(yùn)行，此時(shí)分別在不同故障持續(xù)時(shí)間、機(jī)端電壓跌落深度和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況三重因素下討論Crowbar控制策略。

圖1 基于Crowbar保護(hù)的雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 Crowbar控制策略分析

2.1 DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)電流分析

將DFIG在三相靜止坐標(biāo)系下方程轉(zhuǎn)換到以定子軸為參考系的坐標(biāo)軸中，則電壓磁鏈方程為

式中：us、is、Ψs分別為定子軸坐標(biāo)系中定子電壓、電流及磁鏈；ur、ir、Ψr分別為轉(zhuǎn)子電壓、電流及磁鏈。

由式（1）可得轉(zhuǎn)子電流與磁鏈關(guān)系式為

式中：Ls、Lr、Lm分別為定子電感、轉(zhuǎn)子電感及定子轉(zhuǎn)子互感。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，DFIG機(jī)端電壓瞬間跌落，而磁鏈根據(jù)守恒定律不能突變，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr將有直流磁鏈分量Ψr1和交流磁鏈分量Ψr2共同組成，且有 Ψr1＞＞Ψr2，忽略交流分量，轉(zhuǎn)子磁鏈表達(dá)式為

將式（3）故障時(shí)刻轉(zhuǎn)子磁鏈表達(dá)式轉(zhuǎn)換到時(shí)域中為

式中：｜Ψr1｜為故障瞬間轉(zhuǎn)子磁鏈有效值；Tr為轉(zhuǎn)子磁鏈直流分量衰減時(shí)間，Tr=（Lls+Llr）/Rr；ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度。

同理可得故障瞬間定子磁鏈有效值｜Ψs1｜及定子磁鏈直流分量衰減時(shí)間Ts，由于DFIG的勵(lì)磁電感Lm遠(yuǎn)大于其勵(lì)磁漏感 Lls、Llr，忽略勵(lì)磁漏感，將式（4）代入式（2）可得時(shí)域下故障時(shí)轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流表達(dá)式為

從式（5）中可以看出，轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流由定子、轉(zhuǎn)子磁鏈決定，而故障瞬間定子、轉(zhuǎn)子磁鏈與DFIG機(jī)端電壓有關(guān)，因此可以得出轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流與DFIG運(yùn)行狀況有關(guān)。

2.2 Crowbar控制策略分析

目前Crowbar電路控制策略主要分為兩種：當(dāng)檢測(cè)到風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓或轉(zhuǎn)子電流超出預(yù)設(shè)上限閾值時(shí)Crowbar投入，故障清除后延時(shí)退出；當(dāng)轉(zhuǎn)子電流超過(guò)預(yù)設(shè)上限閾值時(shí)Crowbar投入，直接延時(shí)較短時(shí)間后退出［7］或低于預(yù)設(shè)下線(xiàn)閾值時(shí)延時(shí)較短時(shí)間后退出［8］。相比較第一種控制策略而言，第二種控制策略既能減少Crowbar投入時(shí)間，又能有效避免二次投切。然而在故障持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、電壓跌落較深或者風(fēng)機(jī)大功率運(yùn)行情況下仍會(huì)出現(xiàn)Crowbar多次投切，對(duì)系統(tǒng)造成不利影響，后續(xù)仿真結(jié)果也證明了這點(diǎn)。

3 仿真分析

3.1 故障持續(xù)時(shí)間對(duì)LVRT的影響

設(shè)置雙饋機(jī)組運(yùn)行功率 Pe=0.875 pu，Qe=0.038 pu，在0～0.4 s內(nèi)機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，電網(wǎng)0.5 s發(fā)生三相接地短路，機(jī)端電壓跌落至0.31 pu，采用第二種控制策略，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流達(dá)到1.5 pu時(shí)投入，低于1 pu時(shí)延時(shí)切出。延時(shí)時(shí)間為0.03 s，分別在故障持續(xù)時(shí)間 0.2 s（短時(shí)）、0.625 s（長(zhǎng)時(shí)）進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 故障持續(xù)時(shí)間不同時(shí)風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真

從仿真結(jié)果可以看到：當(dāng)故障持續(xù)時(shí)間為0.2 s時(shí)，轉(zhuǎn)子電流在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到1.5 pu，Crowbar電路投入，并在0.507 6 s時(shí)首次達(dá)到Crowbar延時(shí)切出閾值1 pu，延時(shí)0.03 s后切出，在故障清除后未再次投切，風(fēng)電機(jī)組吸收較少的無(wú)功功率；而當(dāng)故障持續(xù)時(shí)間為0.625 s時(shí)，轉(zhuǎn)子電流首次達(dá)到Crowbar延時(shí)切出閾值的時(shí)間幾乎不變，即Crowbar電路投入和延時(shí)切出時(shí)間幾乎不變，在故障清除時(shí)所產(chǎn)生的暫態(tài)分量超過(guò)Crowbar切入閾值1.5 pu，Crowbar在1.187 s二次投入，同時(shí)直流側(cè)電壓快速升高，危害直流母線(xiàn)電容安全，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定。分析可知：電網(wǎng)故障持續(xù)時(shí)間不同時(shí)，將會(huì)對(duì)Crowbar控制策略產(chǎn)生影響，這是由于故障持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)功功率進(jìn)一步不足，在故障切除時(shí)轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生較高的暫態(tài)分量。因此在實(shí)際電網(wǎng)中，應(yīng)盡量縮短故障持續(xù)時(shí)間，提高繼電保護(hù)裝置在故障時(shí)的可靠性和速動(dòng)性。

3.2 風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況對(duì)LVRT的影響

為探討風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況對(duì)LVRT的影響，分別設(shè)置風(fēng)機(jī)不同的運(yùn)行點(diǎn)：輸入風(fēng)速分別為8 m/s和14 m/s，電網(wǎng)0.5 s發(fā)生三相接地短路，機(jī)端電壓跌落至0.24 pu，持續(xù)時(shí)間0.6 s，仍采用第二種控制策略，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)不同時(shí)風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真

從圖3中可以看出，風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)較低時(shí)，Crowbar電路在故障清除后未二次投切，風(fēng)電機(jī)組吸收較少的無(wú)功功率；而風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)較高時(shí)，若依然采用第二種控制策略，在故障清除時(shí)所產(chǎn)生的暫態(tài)分量超過(guò)Crowbar切入閾值1.5pu，Crowbar電路分別在1.181 s、1.210 s時(shí)兩次投入，同時(shí)直流側(cè)電壓快速升高至1.3 pu，危害直流母線(xiàn)電容安全，不利于低電壓穿越。故而Crowbar策略的制定必須考慮風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況，即在故障時(shí)刻風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)不同時(shí)應(yīng)采取不同的控制策略。

3.3 電壓跌落深度和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況對(duì)Crowbar控制策略選取的影響

機(jī)端電壓跌落深度不同將對(duì)LVRT產(chǎn)生影響［2］。為探討在不同電壓跌落深度和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況對(duì)Crowbar控制策略選取的影響，將電壓跌落至0.24 pu，風(fēng)機(jī)大功率運(yùn)行時(shí)的Crowbar控制策略改為第一種控制策略，延時(shí)退出時(shí)間為0.05 s，其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 在DFIG大功率運(yùn)行、電壓跌落至0.24 pu狀況下采用第一種控制策略的DFIG動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真

由仿真結(jié)果可以看出，采用Crowbar閾值投入故障清除后延時(shí)退出的控制策略，能夠有效避免Crowbar電路再次動(dòng)作，且直流側(cè)電壓與圖3（b）中相比較，在故障清除后直流側(cè)電壓僅小幅度的波動(dòng)，因此在DFIG運(yùn)行點(diǎn)較高、電壓跌落較深時(shí)采用第一種控制策略能夠有效避免Crowbar電路再次投切。表明兩種控制策略均有一定的適用范圍。

3.4 考慮三重因素的Crowbar控制策略?xún)?yōu)化分析

在機(jī)端電壓跌落程度、故障時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況不同的情況下，需要采用不同的控制策略來(lái)避免Crowbar電路多次動(dòng)作，為了進(jìn)一步研究?jī)煞N控制策略的適用范圍，在故障時(shí)刻選擇最優(yōu)的Crowbar電路控制策略，在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建DFIG短路仿真系統(tǒng)模型，如圖5所示。通過(guò)改變接地電阻Rg及Ron、線(xiàn)路阻抗Zm和風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速，獲得不同的電壓跌落程度及對(duì)應(yīng)狀況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)，并分析此時(shí)采用兩種不同Crowbar控制策略給系統(tǒng)帶來(lái)的影響，最后分別獲得了Crowbar動(dòng)作區(qū)域曲線(xiàn)和Crowbar控制策略選擇區(qū)域曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖5 DFIG短路仿真系統(tǒng)示意圖

圖6中虛線(xiàn)為Crowbar動(dòng)作區(qū)域曲線(xiàn)，曲線(xiàn)上各點(diǎn)是該輸入風(fēng)速及對(duì)應(yīng)電壓跌落程度下Crowbar發(fā)生動(dòng)作的臨界點(diǎn)，只有在該曲線(xiàn)下方Crowbar才發(fā)生動(dòng)作。從圖6虛線(xiàn)可得，Crowbar動(dòng)作區(qū)域曲線(xiàn)隨著風(fēng)速的增加呈上升趨勢(shì)，也就是說(shuō)當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況不一致時(shí)，風(fēng)電機(jī)組即使處于同一機(jī)端電壓跌落深度下也會(huì)出現(xiàn)Crowbar電路動(dòng)作和不動(dòng)作兩種情況，且隨著輸入風(fēng)速的升高，風(fēng)電機(jī)組Crowbar電路更容易發(fā)生動(dòng)作，其原因主要是在故障時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)越高，越容易產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電流，從而越容易觸發(fā)Crowbar電路。

圖6 Crowbar控制策略曲線(xiàn)

而6圖中實(shí)線(xiàn)為Crowbar控制策略選擇區(qū)域曲線(xiàn)，曲線(xiàn)上方區(qū)域選取第二種控制策略，下方區(qū)域選取第一種控制策略，曲線(xiàn)上各點(diǎn)則為采取第二種控制策略時(shí)Crowbar剛好發(fā)生二次動(dòng)作而采取第一種控制策略未發(fā)生二次動(dòng)作的點(diǎn)，由于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)與風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速有關(guān)，可以看出隨著運(yùn)行點(diǎn)的升高，Crowbar控制策略選擇區(qū)域曲線(xiàn)同樣處于上升趨勢(shì)，也就是說(shuō)第一種控制策略隨著輸入風(fēng)速的升高，其適用范圍不斷增大，這是因?yàn)檫\(yùn)行點(diǎn)較高時(shí)，第二種控制策略控制Crowbar短時(shí)投入后雖在一定程度上減少無(wú)功功率的損耗，但在切出時(shí)會(huì)發(fā)生多次動(dòng)作，給電網(wǎng)帶來(lái)不利影響，引起系統(tǒng)電壓、功率等波動(dòng)，不利于雙饋機(jī)組的低電壓穿越。根據(jù)區(qū)域曲線(xiàn)可以判斷故障時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組Crowbar電路是否動(dòng)作以及需采用何種控制策略，由此得到考慮風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀況及機(jī)端電壓跌落程度在較長(zhǎng)故障時(shí)間下的Crowbar控制策略。

4 結(jié)語(yǔ)

建立了含Crowbar電路的雙饋機(jī)組模型，通過(guò)分析雙饋機(jī)組故障狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子側(cè)電流，得出轉(zhuǎn)子側(cè)暫態(tài)電流與DFIG運(yùn)行狀況有關(guān)的結(jié)論。

在實(shí)際電網(wǎng)中故障持續(xù)時(shí)間未知，分析和優(yōu)化Crowbar控制策略時(shí)，應(yīng)盡量考慮故障時(shí)間較長(zhǎng)條件下LVRT效果，仿真表明第二種控制策略能夠有效減少Crowbar電路投入時(shí)間，但是卻有一定的局限性。

通過(guò)對(duì)比分析得出兩種控制策略的局限性和適用范圍，給出了Crowbar動(dòng)作區(qū)域曲線(xiàn)和Crowbar控制策略選擇區(qū)域曲線(xiàn)，根據(jù)區(qū)域曲線(xiàn)可以判斷故障時(shí)刻風(fēng)電機(jī)組Crowbar電路是否動(dòng)作以及需采用何種控制策略，為進(jìn)一步研究風(fēng)電機(jī)組Crowbar電路對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建模的影響提供理論基礎(chǔ)。