雙饋風(fēng)電場(chǎng)故障下低電壓穿越控制研究

張欽智　楊夢(mèng)寧　趙亭亭

摘 要：當(dāng)雙饋風(fēng)電場(chǎng)接入交流電網(wǎng)時(shí)，若電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障，風(fēng)電場(chǎng)需要具有低電壓穿越的能力。為此本文提出在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)利用風(fēng)電機(jī)組撬棒保護(hù)電路抑制轉(zhuǎn)子回路過流以及斬波電路保護(hù)穩(wěn)定直流母線電壓來實(shí)現(xiàn)故障穿越的控制策略，并基于PSCAD軟件建立仿真模型，在交流電網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路故障下進(jìn)行控制策略仿真分析，對(duì)綜合保護(hù)控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電;低電壓穿越;撬棒保護(hù);斬波電路保護(hù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.138

1 雙饋風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的組成部分主要為葉片、風(fēng)力機(jī)、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、背靠背式換流器、變壓器及線性等值器等組成。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其使用纏繞式異步發(fā)電機(jī)，且轉(zhuǎn)子側(cè)連接到背靠背換流器。定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連，這使得電能可以通過定子直接輸送給電網(wǎng)，有功或無功功率則可以通過轉(zhuǎn)子經(jīng)過背靠背式變流器向電網(wǎng)輸送[1]。

在背靠背換流器中，直接連接到電網(wǎng)的部件稱為電網(wǎng)側(cè)換流器（grid side converter，GSC）。另一個(gè)連接到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的是轉(zhuǎn)子側(cè)換流器（rotor side convert，RSC）。GSC可以保持風(fēng)電系統(tǒng)直流電壓恒定并控制電網(wǎng)側(cè)無功功率。RSC則能夠調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流幅值、相位、頻率，維持并網(wǎng)電壓頻率和電壓的恒定，同時(shí)保證能夠無沖擊并網(wǎng)。本文在傳統(tǒng)研究上對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部控制進(jìn)行了改進(jìn)，在轉(zhuǎn)子側(cè)應(yīng)用Crowbar保護(hù)電路，在直流母線并聯(lián)了Chopper保護(hù)電路。

2 低電壓穿越控制方案

2.1 風(fēng)場(chǎng)內(nèi)Crowbar電路保護(hù)控制

Crowbar電路由一個(gè)單管IGBT和放電電阻組成。其中，三相整流橋連接到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，IGBT的功能是控制Crowbar電路的斷開或閉合。采用單管IGBT的結(jié)構(gòu)，適合簡(jiǎn)化Crowbar的控制。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)換器需要保護(hù)時(shí)，分流電阻器通過二極管整流橋和關(guān)斷裝置等效地連接到風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)子回路上[2]。

當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過流，并且在檢測(cè)到直流母線過電壓或轉(zhuǎn)子過電流后，Crowbar電路將輸入。防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電路的涌入電流流入變流器，并且抑制DC線路電壓的上升以保護(hù)換流器。在原始Crowbar電路中，提出了轉(zhuǎn)子過電流檢測(cè)控制，即，在下降到極限值一段時(shí)間后，Crowbar電路斷開并且轉(zhuǎn)子側(cè)換流器恢復(fù)。

2.2 風(fēng)場(chǎng)內(nèi)Crowbar電路保護(hù)控制

如上所述，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)，將引起轉(zhuǎn)子過電流，并且轉(zhuǎn)子回路過電流將容易導(dǎo)致直流總線電容器充電，這極大地增加了直流總線電容器將被擊穿的可能性。因此，在故障時(shí)保持直流總線電壓恒定尤為重要。Chopper保護(hù)電路通過不斷的投切將直流電壓保持在合理的范圍內(nèi)。風(fēng)電場(chǎng)中的Chopper保護(hù)是在直流母線側(cè)的并聯(lián)耗能電阻電路，它反復(fù)改變投入或切出的狀態(tài)，從而消耗風(fēng)電場(chǎng)故障中的過大沖擊功率。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證雙饋風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障擾動(dòng)時(shí)具備故障穿越的能力，本文在PSCAD軟件搭建雙饋風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)模型，4s時(shí)在交流電網(wǎng)側(cè)設(shè)置三相接地故障，電壓下降至20%左右，故障在0.15s后消失，模型的仿真結(jié)果如圖1所示。

雙饋發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定功率為5MW，額定電壓為0.69kV，額定頻率為50Hz;定子側(cè)電阻為0.0054p.u.，轉(zhuǎn)子側(cè)電阻為0.0061p.u.;定轉(zhuǎn)子互感為0.02p.u.，定子側(cè)自感為0.10p.u.，轉(zhuǎn)子側(cè)自感為0.11p.u.;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為4s，機(jī)械阻尼為0.0001p.u。

單臺(tái)雙饋發(fā)電機(jī)的額定功率為5MW，模型中為單臺(tái)風(fēng)機(jī)組成的500MW雙饋風(fēng)電場(chǎng)。模在雙饋風(fēng)場(chǎng)內(nèi)加入Crowbar和Chopper保護(hù)電路，Crowbar電阻值為1，Chopper電阻值為0.4;Crowbar起始電流為3kA，Chopper投入上下限電壓分別為1.7kV和1.5kV。

圖中對(duì)比了有無Crowbar電路下的轉(zhuǎn)子電流大小?？梢钥闯觯珻rowbar電路在故障發(fā)生時(shí)進(jìn)入輸入狀態(tài)，并且可以在故障結(jié)束后快速切斷。而在無Crowbar電路的情況下，發(fā)生故障后，轉(zhuǎn)子電流達(dá)到接近4kA，此時(shí)導(dǎo)致機(jī)側(cè)變流器電流、有功和無功都會(huì)產(chǎn)生振蕩，風(fēng)電系統(tǒng)將存在被電網(wǎng)切除的可能。加入Crowbar電路后，使轉(zhuǎn)子電流在故障期間不會(huì)超過設(shè)定值3kA，有效地控制住轉(zhuǎn)子電流從而達(dá)到降低轉(zhuǎn)子電壓的目的。

圖中分析了有無Chopper電路下的風(fēng)機(jī)換流器直流電壓的大小?？梢钥闯?，斬波器保護(hù)電路采用滯后控制切換策略，該策略檢測(cè)直流母線電壓，當(dāng)其過高時(shí)輸入，并在過低時(shí)切斷，從而使直流母線電壓維持在一個(gè)合理的運(yùn)行區(qū)間，所以在運(yùn)行過程中，一直保持投切的狀態(tài)。仿真結(jié)果有效的驗(yàn)證了Chopper電路的保護(hù)作用，在無故障期間，使電壓一直維持在設(shè)定的1.5kV-1.7kV范圍內(nèi)波動(dòng)，并且在發(fā)生故障時(shí)，保持直流電壓不會(huì)超過設(shè)定值，有效地限制住了直流母線過電壓的產(chǎn)生。在無Chopper保護(hù)電路投入時(shí)，發(fā)生故障后直流母線電壓瞬間增大，極易導(dǎo)致直流母線電容被擊穿，并且在故障切除后，不能快速恢復(fù)到穩(wěn)定值，對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)造成很大的負(fù)面影響。

4 結(jié)論

雙饋風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本文提出了一種新的綜合故障穿越控制策略，即在風(fēng)電場(chǎng)交流電網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路故障。在風(fēng)電場(chǎng)中，撬棍保護(hù)電路用于抑制轉(zhuǎn)子電路的過電流，斬波保護(hù)電路穩(wěn)定直流母線電壓，實(shí)現(xiàn)故障穿越控制策略。它可以穩(wěn)定直流電壓，滿足故障穿越的要求。控制策略可以有效提高系統(tǒng)低電壓穿越能力。最后，使用PSCAD進(jìn)行的仿真驗(yàn)證證明了控制策略的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王紫薇，肖繁，王友懷，張哲，尹項(xiàng)根.適用于雙饋風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線故障選相方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2018，42（08）：170-176.

[2]蔡文超，楊炳元，李超，李佳琪.Crowbar優(yōu)化控制策略下的雙饋風(fēng)機(jī)無功調(diào)節(jié)能力研究[J].水電能源科學(xué)，2018，36（07）：140-144.

作者簡(jiǎn)介：張欽智（1995-），男，山東濟(jì)南人，碩士研究生，研究方向：配電網(wǎng)及其自動(dòng)化、新能源發(fā)電技術(shù)。