劉廣東，高寧，王東，趙雙喜 ，魯志平

(1.保定天威風(fēng)電科技有限公司，河北省 保定市，071051;2.保定天威保變電氣股份有限公司，河北省 保定市，071056)

0 引言

隨著國內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量的逐年增大，風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的相互影響愈加顯著，尤其是電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，如果風(fēng)電場整體切出電網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)造成嚴(yán)重的功率沖擊，在這種情況下要求并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具備低電壓穿越能力，以避免對(duì)電網(wǎng)的沖擊［1］。其實(shí)，風(fēng)電技術(shù)較為先進(jìn)的國家(如德國、丹麥、美國等)早在2003年前后就根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況制定了相應(yīng)的風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則，對(duì)接入電網(wǎng)的風(fēng)電場提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求。我國國家電網(wǎng)公司也在2009年根據(jù)國內(nèi)電網(wǎng)的實(shí)際情況提出了相應(yīng)的并網(wǎng)導(dǎo)則，該導(dǎo)則主要包括風(fēng)電場有功無功功率控制、風(fēng)電場運(yùn)行頻率、電能質(zhì)量及低電壓穿越能力等相關(guān)要求。其中風(fēng)電機(jī)組的低電穿越(low voltage ride through，LVRT)能力是風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行必不可少的條件及要求，是風(fēng)電機(jī)組在外部故障條件下不間斷運(yùn)行能力的保證［2］。

目前，國內(nèi)的主流機(jī)型為1.5 MW雙饋式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，其中雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)(double fed induction generator，DFIG)的定子直接接入電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)將引起定子電流的變化。在電網(wǎng)電壓跌落情況下，DFIG發(fā)出的功率不能及時(shí)送出，導(dǎo)致定子電流急劇增加，由于定、轉(zhuǎn)子之間的強(qiáng)耦合，急劇增加的定子電流將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流急劇上升，急劇上升的轉(zhuǎn)子電流通過電力電子電路耦合到變流器，導(dǎo)致過電流、直流母線過電壓、有功功率和無功功率發(fā)生振蕩等故障。此時(shí)如果不采取相應(yīng)的保護(hù)措施，定、轉(zhuǎn)子繞組僅靠其自身電阻和漏抗不足以抑制浪涌電流，過大的電流和電壓將導(dǎo)致勵(lì)磁變流器、定轉(zhuǎn)子繞組以及母線電容損壞。因此，電網(wǎng)電壓跌落時(shí)雙饋式風(fēng)電機(jī)組的LVRT能力成了風(fēng)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。很明顯，雙饋式風(fēng)電機(jī)組LVRT控制策略的主要目標(biāo)是限制轉(zhuǎn)子過電流和直流母線過電壓［3］。

目前，關(guān)于低電壓穿越的研究多集中于電網(wǎng)電壓對(duì)稱故障情況下的Crowbar電路及其控制，雖然也有文獻(xiàn)關(guān)注過雙饋電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)之間的切換問題，但是對(duì)具體的實(shí)現(xiàn)邏輯鮮有涉及［4］，對(duì)Crowbar電路的邏輯控制方面的介紹也較少。然而Crowbar電路控制邏輯的研究相當(dāng)重要，若在電網(wǎng)故障清除前退出，則可能會(huì)導(dǎo)致變流器再次過流而引起Crowbar電路的再次保護(hù)動(dòng)作。若在電網(wǎng)故障清除后退出，因轉(zhuǎn)子被短接時(shí)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)相當(dāng)于鼠籠式異步發(fā)電機(jī)，運(yùn)行滑差很大，將從電網(wǎng)中吸收大量無功功率，致使電網(wǎng)難以迅速恢復(fù)正常。所以Crowbar電路的投入與切出時(shí)間的控制尤為重要。

隨著電網(wǎng)容量的不斷增大，電網(wǎng)不對(duì)稱故障發(fā)生的幾率也越來越大，國家電網(wǎng)公司首次在風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則中提出了風(fēng)電機(jī)組在不對(duì)稱故障下仍能保證良好的穿越能力。因此，研究雙饋式風(fēng)電機(jī)組在不對(duì)稱故障情況下的LVRT技術(shù)更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文將分析電網(wǎng)電壓不對(duì)稱故障情況下的DFIG運(yùn)行狀態(tài)的影響，并針對(duì)目前比較流行的Crowbar電路來實(shí)現(xiàn)LVRT的解決方案，提出一套完整的控制邏輯，并在電網(wǎng)不對(duì)稱故障的情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力要求

1.1 概述

風(fēng)電機(jī)組的LVRT能力是指風(fēng)電場在電網(wǎng)故障期間，保持不間斷并網(wǎng)運(yùn)行的能力，并能在故障后的電網(wǎng)恢復(fù)期間向電網(wǎng)提供一定的無功支持，以便盡快支撐電網(wǎng)電壓的恢復(fù)［5］。國家電網(wǎng)公司關(guān)于LVRT的基本要求如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不間斷運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 Standard for uninterrupted operation of wind turbine unit

圖1中所示的電壓輪廓線是指風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)的電壓而言。電壓跌落前風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓維持在額定水平。電網(wǎng)發(fā)生故障引起電壓跌落的時(shí)間假定為0 s，當(dāng)電壓不低于額定電壓的20%時(shí)，在625 ms時(shí)間范圍內(nèi)風(fēng)電場必須保持并網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在電網(wǎng)故障后2 s時(shí)間內(nèi)能夠始終保持在圖1中電壓輪廓線以上，并且在2 s后恢復(fù)至額定電壓的90%以上，在此過程中風(fēng)電場必須保持并網(wǎng)運(yùn)行。

1.2 不同故障類型的考核要求

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不同類型的故障時(shí)，對(duì)機(jī)組低電壓穿越的要求如下:

(1)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落、風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)各線電壓在圖1中輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行;風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)任一線電壓低于或部分低于圖1中輪廓線時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出。

(2)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生兩相短路故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落、風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)各線電壓在圖1中輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行;風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)任一線電壓低于或部分低于圖1中輪廓線時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出。

(3)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相短路故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落、風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)各相電壓在圖1中輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行;風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)任一相電壓低于或部分低于圖1中輪廓線時(shí)，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出。

1.3 有功恢復(fù)

對(duì)電網(wǎng)故障期間沒有切出電網(wǎng)的風(fēng)電場，其有功功率在電網(wǎng)故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，以至少0.1 PN/s(PN為額定功率)的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。

1.4 動(dòng)態(tài)無功支撐能力

對(duì)于百萬kW以上風(fēng)電基地內(nèi)的風(fēng)電場，其場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具有低電壓穿越過程中的動(dòng)態(tài)無功支撐能力，要求如下:

(1)電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動(dòng)，機(jī)組出口電壓跌落處于額定電壓的20% ～90%區(qū)間內(nèi)，機(jī)組需通過向電網(wǎng)注入無功電流支撐電網(wǎng)電壓，該動(dòng)態(tài)無功控制應(yīng)在電壓跌落出現(xiàn)后的30 ms內(nèi)響應(yīng)，并能持續(xù)300 ms的時(shí)間。

(2)機(jī)組注入電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無功電流幅值為K(1.0-UT)IN，其中IN為機(jī)組的額定電流，UT為故障期間機(jī)組出口電壓標(biāo)么值，K≥2。

2 不對(duì)稱故障下DIFG的數(shù)學(xué)模型

電網(wǎng)電壓的跌落通常是指電力系統(tǒng)中某個(gè)點(diǎn)的電壓突然跌落10% ～90%，并且持續(xù)0.5個(gè)周波到1 min的時(shí)間［6］。引起電壓跌落的原因主要包括電網(wǎng)故障、大電機(jī)起動(dòng)、電機(jī)再加速等［7］。其中電網(wǎng)故障引起的電壓跌落故障恢復(fù)時(shí)間較短，幾乎瞬時(shí)發(fā)生，而且常常伴隨電壓相位的突變，以及三相電壓的不對(duì)稱問題。電機(jī)起動(dòng)造成的電壓跌落，電壓恢復(fù)所需時(shí)間較長，通常需要數(shù)百ms到數(shù)s的時(shí)間。電機(jī)加速時(shí)引起電壓跌落的起始階段，由于電機(jī)的慣性作用類似于電壓源，從而阻止了電網(wǎng)電壓的跌落速度;而在電網(wǎng)電壓需要恢復(fù)時(shí)由于電機(jī)在加速過程中所吸收的無功功率增加，從而阻礙了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。本文所分析的電網(wǎng)不對(duì)稱故障是指電網(wǎng)故障引起的不對(duì)稱電壓跌落的情況。

不對(duì)稱電壓跌落的情況與對(duì)稱電壓跌落的情況相比，不但種類多樣而且理論推導(dǎo)也較為復(fù)雜?？偟膩碚f，不對(duì)稱故障主要包括單相跌落故障、兩相跌落故障、相間短路故障等。不對(duì)稱跌落使得電網(wǎng)電壓矢量中不僅含有基波分量，還含有負(fù)序分量甚至零序分量［8］。為了簡化起見，假定電網(wǎng)正序分量、零序分量和負(fù)序分量的線路阻抗均相等。由于雙饋電機(jī)通常不含有中線，可不考慮零序分量的影響。在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱跌落故障時(shí)，為了簡化分析過程，引入了電網(wǎng)電壓不平衡度εV，雙饋電機(jī)的定子電壓可表述為

式中:us為故障后電機(jī)定子電壓;up為故障后正序電壓矢量;εV為故障后電網(wǎng)電壓不平衡度;φn為故障后負(fù)序電壓矢量的起始相角。

由雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知雙饋電機(jī)的磁鏈方程為

式中:ψs和ψr為電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子磁鏈;Lss和Lrr為電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子自感;Lsr和Lrs為電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間的互感。雙饋電機(jī)在dq坐標(biāo)系中的電壓方程為

式中:usd和usq分別為定子電壓在dq坐標(biāo)系中的d軸和q軸分量;urd和urq分別為定轉(zhuǎn)子電壓在dq坐標(biāo)系中的d軸和q軸分量;isd和isq分別為定子電壓在dq坐標(biāo)系中的d軸和q軸分量;ird和irq分別為定轉(zhuǎn)子電壓在dq坐標(biāo)系中的d軸和q軸分量;Rs和Rr分別為定轉(zhuǎn)子繞組電阻;Ls和Lr分別為定轉(zhuǎn)子繞組在dq坐標(biāo)系中的自感;Lm為在dq坐標(biāo)系中定轉(zhuǎn)子繞組間的互感;ωs為同步角頻率;ωzc為轉(zhuǎn)差角頻率;p為微分算子。

結(jié)合上述式(1)～(3)可到定子電壓的矢量表達(dá)式為

由于［up+RsLmIr/Ls］/(Rs/Ls+jωs)≈upΨs0/us0，其中:us0為故障發(fā)生時(shí)刻定子電壓矢量;Ψs0為故障發(fā)生時(shí)刻定子磁鏈?zhǔn)噶?，?duì)式(4)求解可得

從式(5)可以看出，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，在雙饋電機(jī)的定子磁鏈中不但含有正序分量，還含有負(fù)序分量以及因負(fù)序分量而引起的直流分量，這些量的增加勢必會(huì)增大過渡過程中定子磁鏈的幅值。

3 LVRT結(jié)構(gòu)與控制

通過以上的分析可知，在電網(wǎng)電壓跌落過程中，雙饋電機(jī)定子磁通出現(xiàn)衰減的直流分量，若發(fā)生不對(duì)稱跌落故障時(shí)還會(huì)出現(xiàn)負(fù)序分量。直流分量和負(fù)序分量的存在會(huì)導(dǎo)致雙饋電機(jī)形成較大的轉(zhuǎn)差率，從而在轉(zhuǎn)子電路中感生出較大的轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流［9］。本文采用改進(jìn)控制策略和硬件保護(hù)電路相結(jié)合的方案，來應(yīng)對(duì)不對(duì)稱故障情況下的惡劣工況。軟件方面，根據(jù)電網(wǎng)不對(duì)稱故障情況下雙饋式感應(yīng)電機(jī)的暫態(tài)電磁關(guān)系，通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的合理控制，來抵消定子磁鏈暫態(tài)直流分量和負(fù)序分量對(duì)電機(jī)的影響，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)子過電壓和過電流。硬件部分主要由2部分組成，包括轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路和直流側(cè)Chopper電路。其中轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路由1個(gè)二極管整流橋、單管IGBT及放電電阻組成。其中二極管整流橋與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，IGBT用來控制Crowbar電路的開通與關(guān)斷，直流側(cè)Chopper電路由1個(gè)單管IGBT和1個(gè)放電電阻組成。通過IGBT來控制電路的開通與關(guān)斷，如圖2所示。

圖2 常用主動(dòng)式Crowbar電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Circuit structure of common active Crowbar

在Crowbar電路設(shè)計(jì)中，合理地選取放電電阻的阻值比較重要［10］。選取較大的阻值可以使暫態(tài)分量衰減得更快，但較大的電阻值可能會(huì)造成轉(zhuǎn)子側(cè)的過壓，使直流母線電容反充電，同時(shí)還有可能損壞轉(zhuǎn)子側(cè)變換器。另外，較大阻值的瞬態(tài)功耗也比較大，從散熱角度對(duì)放電電阻的體積也有一定要求。經(jīng)綜合考慮及仿真比較，放電電阻阻值選為0.07 pu。當(dāng)機(jī)組控制系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)跌落時(shí)，如果跌落的程度不深，造成母線過電壓，而轉(zhuǎn)子側(cè)的電流通過合適的控制策略，保持在允許的范圍內(nèi)，此時(shí)可以只利用直流側(cè)Chopper電路動(dòng)作來完成穿越過程，如果跌落的程度大，僅僅利用Chopper電路的動(dòng)作不能完成穿越，這時(shí)需要轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路來動(dòng)作，讓電機(jī)磁鏈中的暫態(tài)分量通過定轉(zhuǎn)子電阻及Crowbar放電電阻迅速衰減，共同完成穿越過程，由于轉(zhuǎn)子電流中包括部分振蕩的分量，因此需要在轉(zhuǎn)子電流值下降到限定值以下一定時(shí)間后，才能關(guān)斷Crowbar電路并同時(shí)使轉(zhuǎn)子側(cè)變換器恢復(fù)工作。本文中設(shè)定Chopper電路的起動(dòng)電壓為額定直流母線電壓的1.3倍，Crowbar電路的起動(dòng)電流為1.5倍的轉(zhuǎn)子額定電流。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證前面的理論分析的正確性和合理性，以1臺(tái)1.5 MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電組為例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)參數(shù)如下:額定功率P=1.5 MW;額定電壓U=690 V;額定轉(zhuǎn)速v=1 800 r/min;定子電阻R1=2.3 mΩ;轉(zhuǎn)子電阻R2=2.4 mΩ;定子電抗X1=2.1 mΩ;轉(zhuǎn)子電抗X2=4.2 mΩ;激磁電抗XH=1.11 Ω。

試驗(yàn)過程中的電網(wǎng)不對(duì)稱故障由2 MW全功率試驗(yàn)平臺(tái)來模擬，電網(wǎng)不對(duì)稱跌落的幅度設(shè)定為A相79%、B相71%、C相18%，跌落時(shí)間為650 ms，比國家電網(wǎng)公司要求的625 ms的時(shí)間略長，更能檢驗(yàn)控制邏輯的適應(yīng)性和合理性。

圖3 LVRT故障下電網(wǎng)電壓波形Fig.3 Grid voltage waveform under LVRT fault

LVRT故障下電壓波形如圖3所示。從圖3中可以看出在整個(gè)穿越過程中，電網(wǎng)電壓A相UA的跌落幅度為80%左右，B相UB的電壓跌落幅度為75%左右，C相UC的跌落幅度為18%左右，為典型的不對(duì)稱跌落故障，且跌落幅度較陡，較好地模擬了現(xiàn)實(shí)中電網(wǎng)的瞬間跌落現(xiàn)象，這更能考驗(yàn)控制策略和電路的正確性和合理性。

LVRT故障下電網(wǎng)電流波形如圖4所示。

圖4 LVRT故障下電網(wǎng)電流波形Fig.4 Grid current waveform under LVRT fault

從圖4可以看出，在穿越過程中A相電流IA、B相電流IB穿越開始時(shí)，突然上沖隨后逐漸降低，在穿越過程結(jié)束時(shí)有一個(gè)快速的下探，隨后按已設(shè)定的速率恢復(fù)正常。而C相電流在故障開始時(shí)，瞬間沖高后快速的下探，然后緩慢上升，在故障結(jié)束時(shí)快速的下探之后，按設(shè)定的速率恢復(fù)正常。

經(jīng)過分析可以看出，在穿越過程中所設(shè)計(jì)的LVRT電路能很好地控制電網(wǎng)電流，把電網(wǎng)電流限制在電機(jī)、功率模塊容許的范圍內(nèi)，起到了保護(hù)風(fēng)電機(jī)組的作用。

LVRT故障下電網(wǎng)有功和無功功率波形如圖5所示。

圖5 LVRT故障下電網(wǎng)有功、無功功率波形Fig.5 Grid active power and reactive power waveform under LVRT faultt

從圖5中可以看出，在穿越過程中有功出力快速降低，而在跌落故障判斷后能快速地提供無功支撐，且在整個(gè)穿越過程中能不斷地提供無功支撐，符合國家電網(wǎng)公司的要求;在穿越結(jié)束后有功出力快速恢復(fù)，能快速恢復(fù)故障前的有功功率。符合國家電網(wǎng)公司有功功率恢復(fù)的速度要求。

5 結(jié)語

本文分析了電網(wǎng)電壓不對(duì)稱跌落情況下雙饋電機(jī)定子磁鏈的暫態(tài)過程，并根據(jù)上述分析，針對(duì)目前比較流行的基于Crowbar電阻的短路電機(jī)轉(zhuǎn)子的LVRT控制策略提出了一套比較完整的控制邏輯，用試驗(yàn)的方式驗(yàn)證了控制邏輯的有效性和可行性。

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