Crowbar保護(hù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)LVRT的影響分析與仿真

楊偉偉， 王碩禾， 陳 金

(1.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北鯤能電力工程咨詢有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

隨著風(fēng)電場(chǎng)的大規(guī)模并網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)普遍具備了LVRT能力[1]。近年來(lái)，由于DFIG具備有功和無(wú)功功率獨(dú)立控制、調(diào)速范圍廣及勵(lì)磁變流器容量小等特點(diǎn)，被風(fēng)電場(chǎng)作為首選兆瓦級(jí)機(jī)型。目前，DFIG的LVRT策略主要是：增加變流器容量、改進(jìn)變流器控制策略或者增加硬件勵(lì)磁涌流消納電路等[2-3]，增加硬件電路多以在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器側(cè)安裝Crowbar實(shí)現(xiàn)。當(dāng)機(jī)端發(fā)生電壓大幅度跌落時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)投入Crowbar使轉(zhuǎn)子側(cè)變流器閉鎖[4-6]，同時(shí)防止直流母線過(guò)電壓和轉(zhuǎn)子過(guò)電流對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器造成損壞。切除Crowbar之前DFIG相當(dāng)于異步發(fā)電機(jī)，不同于變流器工作時(shí)的短路電流特性。文獻(xiàn)[7]分析了風(fēng)電場(chǎng)大規(guī)模連鎖脫網(wǎng)原因，并進(jìn)一步討論了DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器加裝Crowbar保護(hù)電路的必要性，但沒(méi)有從風(fēng)電場(chǎng)的角度分析Crowbar保護(hù)對(duì)其自身的影響。

由于電力電子器件的快速發(fā)展，其在DFIG中的廣泛應(yīng)用使得DFIG短路暫態(tài)特性相當(dāng)復(fù)雜，目前Crowbar保護(hù)投切開(kāi)關(guān)主要由電力電子器件控制，從而加快故障電流衰減并分擔(dān)一部分短路電流。對(duì)于Crowbar阻值對(duì)短路電流的影響已經(jīng)取得了一定的成果。文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[12]從DFIG的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，根據(jù) Crowbar投入后的短路特性推導(dǎo)了轉(zhuǎn)子電流的暫態(tài)表達(dá)式。文獻(xiàn)[13]、文獻(xiàn)[14]給出了Crowbar阻值優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[15]通過(guò)Matlab/Simulink搭建含Crowbar的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)模型，仿真表明Crowbar能夠提高風(fēng)電場(chǎng)抵御電壓跌落的性能。文獻(xiàn)[15]提出自適應(yīng)的Crowbar阻值調(diào)整策略，該方法能滿足不同情況下的轉(zhuǎn)子電流和直流電壓。以上研究均從Crowbar阻值入手進(jìn)行研究，但對(duì)Crowbar投切時(shí)間方面的深入研究較少，綜合研究Crowbar阻值與投切時(shí)間的相互影響以及其對(duì)LVRT影響的文獻(xiàn)較少。

基于以上情況，結(jié)合DFIG并網(wǎng)結(jié)構(gòu),分析Crowbar保護(hù)的工作原理，并從DFIG數(shù)學(xué)模型出發(fā)分析投入Crowbar保護(hù)后的特性變化機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，以實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)為依托搭建仿真模型，研究不同Crowbar阻值和投切時(shí)間以及Crowbar保護(hù)投入與否對(duì)風(fēng)電場(chǎng)短路電流的影響，進(jìn)而分析Crowbar保護(hù)對(duì)LVRT效果的影響。

1 DFIG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)及Crowbar保護(hù)工作原理

圖1 Crowbar保護(hù)的DFIG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖1所示為Crowbar保護(hù)的DFIG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，DFIG定子側(cè)直接通過(guò)升壓變壓器連接到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)則通過(guò)可以四象限工作的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器連接到電網(wǎng)。為了避免機(jī)端電壓跌落時(shí)造成的轉(zhuǎn)子側(cè)變流過(guò)電流或者直流鏈路過(guò)電壓，在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器處安裝Crowbar保護(hù)電路，如圖1虛線框內(nèi)所示。其結(jié)構(gòu)一般由可控二極管組成的開(kāi)關(guān)部分和晶閘管串聯(lián)電阻部分構(gòu)成。

圖2所示為Crowbar保護(hù)動(dòng)作邏輯圖，Crowbar保護(hù)電路工作原理為：觸發(fā)轉(zhuǎn)子過(guò)電流門限或者觸發(fā)直流母線過(guò)電壓門限，則Crowbar保護(hù)動(dòng)作。圖3所示為基于PSCAD/EMTDC軟件采用IEEE14節(jié)點(diǎn)風(fēng)電場(chǎng)模型在1.2 s時(shí)發(fā)生故障的Crowbar動(dòng)作情況。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，Crowbar保護(hù)約1.027 5 s延時(shí)后投入。

圖2 Crowbar保護(hù)動(dòng)作邏輯圖

圖3 Crowbar投切時(shí)序圖

2 DFIG數(shù)學(xué)模型及含Crowbar的DFIG特性變化

采用空間矢量法，歸算所有參數(shù)至定子側(cè)，則DFIG的電磁暫態(tài)方程為[16-17]

(1)

(2)

ψs=Lsis+Lmir

(3)

ψr=Lrir+Lmis

(4)

Ls=Lsσ+Lm

(5)

Lr=Lrσ+Lm

(6)

圖4 含Crowbar電阻后的DFIG暫態(tài)等值電路

式中，us、ur、is、ir、Rs、Rr、ψs、ψr分別為定、轉(zhuǎn)子電壓、電流、電阻和磁鏈；ωs、ωs-r分別為同步角速度和轉(zhuǎn)差角速度；下標(biāo)s和r分別代表定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，字母斜體加粗表示變量為空間矢量;Lm、Lsσ、Lrσ分別為激磁電感、定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感。

含Crowbar電阻的定子側(cè)等效阻抗如圖4所示，利用戴維南定理可推導(dǎo)出定子側(cè)阻抗表達(dá)式為

Zs=jωsLsσ+[(RCB+jωsLrσ)/jωLm]=RCB+jωsLs′

(7)

式中，RCB為Crowbar電阻。分析式(7)可知定子側(cè)阻抗變大，將會(huì)使風(fēng)機(jī)短路電流減少。

Crowbar保護(hù)啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)子側(cè)電阻值將發(fā)生改變，同時(shí)定轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)也相應(yīng)發(fā)生變化，表達(dá)式為

(8)

3 仿真分析

圖5所示為風(fēng)電場(chǎng)仿真模型，單臺(tái)DFIG參數(shù)見(jiàn)表1，其他設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2。使用PSCAD/EMTDC以實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建，采用等容量等值聚合風(fēng)電場(chǎng)模型等效11臺(tái)DFIG并聯(lián)連接。風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速為11 m/s，發(fā)出電能由690 V經(jīng)過(guò)箱式變壓器升壓至33 kV，再經(jīng)過(guò)升壓變壓器升壓至110 kV，最后并入大電網(wǎng)。設(shè)置時(shí)間t=1 s時(shí)110 kV PCC母線處發(fā)生三相短路,短路持續(xù)時(shí)間為0.6 s。

圖5 風(fēng)電場(chǎng)仿真圖

表1 單臺(tái)DFIG風(fēng)機(jī)參數(shù)

表2 其他設(shè)備參數(shù)

3.1 Crowbar投入與否及阻值對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響分析

設(shè)置Crowbar投入時(shí)間為0.5 s，仿真分析Crowbar不同投入情況的定轉(zhuǎn)子電流、Crowbar電流以及電壓跌落，表3為仿真結(jié)果。分析可知：①相較于未投入Crowbar，投入Crowbar后電壓跌落增加5%左右，不利于故障后電網(wǎng)恢復(fù)電壓，但是定轉(zhuǎn)子電流有所減小，達(dá)到了減小過(guò)流電流的目的，Crowbar能夠分擔(dān)一部分感應(yīng)電流，有利于DFIG的安全運(yùn)行，驗(yàn)證了前文分析的正確性。②隨著Crowbar阻值的增大，定轉(zhuǎn)子電流越來(lái)越小，而Crowbar電流承擔(dān)能力越來(lái)越大，但是電壓跌落先減后增，不利于風(fēng)電場(chǎng)LVRT。說(shuō)明并不是Crowbar阻值越大越好，而是在一定范圍內(nèi)存在最優(yōu)值。

表3 Crowbar不同投入情況下的定轉(zhuǎn)子電流和Crowbar電流及電壓跌落對(duì)比

為了進(jìn)一步研究Crowbar阻值對(duì)風(fēng)電場(chǎng)LVRT效果的影響，通過(guò)觀察機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電流和風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率變化曲線了解更詳細(xì)的暫態(tài)變化規(guī)律。設(shè)置Crowbar投入時(shí)間為0.1 s，分別取Crowbar阻值為0.21 Ω和0.11 Ω時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，圖6為DFIG機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電流和風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率仿真結(jié)果。

圖6 不同Crowbar阻值下的DFIG機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電流和風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率

對(duì)比圖6發(fā)現(xiàn)除了符合由分析表3得出的結(jié)果外，Crowbar阻值變大后，轉(zhuǎn)子電流衰減更快，與前文理論分析一致；Crowbar阻值為0.11 Ω時(shí)電壓跌落程度較阻值為0.21 Ω嚴(yán)重，且從電網(wǎng)吸收最大無(wú)功也較多，加重了電網(wǎng)電壓跌落以及風(fēng)電場(chǎng)LVRT的壓力。綜上所述，建議在合理范圍內(nèi)選取較大的Crowbar阻值。

3.2 Crowbar投入時(shí)間對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響分析

設(shè)置Crowbar阻值為0.11 Ω，分別取Crowbar投入時(shí)間為0.2 s和0.05 s時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，圖7為DFIG機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電流和風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率仿真結(jié)果。

分析圖7發(fā)現(xiàn)：Crowbar投入時(shí)間為0.2 s時(shí)，風(fēng)機(jī)持續(xù)定子電壓偏低運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，而Crowbar投入時(shí)間為0.05 s時(shí)，風(fēng)機(jī)電子電壓偏低，運(yùn)行時(shí)間基本為0，隨著投入時(shí)間變小，風(fēng)機(jī)定子電壓偏低，運(yùn)行時(shí)間越短，同樣電網(wǎng)無(wú)功的時(shí)間也越短。但是Crowbar投入時(shí)間為0.05 s時(shí)，轉(zhuǎn)子電流變小與變大暫態(tài)過(guò)程重合，不僅沒(méi)有有效地抑制轉(zhuǎn)子過(guò)電流，而且還加大了轉(zhuǎn)子電流的的暫態(tài)擾動(dòng)。同時(shí)，由于Crowbar投入后DFIG相當(dāng)于異步發(fā)電機(jī)，需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功，且從圖7無(wú)功仿真圖中發(fā)現(xiàn)1.6 s故障結(jié)束時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)需要從電網(wǎng)再次吸收較多無(wú)功，而Crowbar切出時(shí)向電網(wǎng)發(fā)出較多無(wú)功。因此，建議Crowbar投入時(shí)間在合理范圍內(nèi)選取較小值，Crowbar保護(hù)切出時(shí)刻應(yīng)該盡可能在故障切除前且接近切除時(shí)刻。

4 結(jié)論

從Crowbar控制電路出發(fā)，對(duì)其工作原理進(jìn)行分析，建立DFIG數(shù)學(xué)模型，得到含Crowbar的DFIG等值電路，通過(guò)公式推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)Crowbar阻值能使DFIG的定子短路電流減小，加快轉(zhuǎn)子短路電流衰減。在此基礎(chǔ)上搭建仿真模型，仿真結(jié)果不僅驗(yàn)證了理論分析的正確性，而且分析得到了Crowbar阻值和投入時(shí)間以及切出時(shí)刻的選取思路：在合理范圍內(nèi)選取較大Crowbar阻值，投入時(shí)間較小值，且Crowbar保護(hù)切出時(shí)刻應(yīng)該盡可能在故障切除前且接近切除時(shí)刻，有利于提高風(fēng)電場(chǎng)LVRT能力。