變槳距雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制*

張隆1，楊俊華1，陳凱陽(yáng)1，陳思哲1，吳捷2

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,廣東 廣州510006;2. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州510641)

摘要：基于Crowbar電路的并網(wǎng)運(yùn)行雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(DFIG)，在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落期間，發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組需要吸收大量無(wú)功功率并產(chǎn)生沖擊電流?；诘碗妷汗收掀陂gDFIG系統(tǒng)的運(yùn)行分析，建立了變槳距角控制模型，通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角，抑制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率增大，降低系統(tǒng)無(wú)功吸收量。建立了Crowbar電路中串聯(lián)電阻整定規(guī)則，合理選定電阻值可有效抑制發(fā)電機(jī)暫態(tài)電流幅值。PSCAD/EMTDC暫態(tài)仿真結(jié)果表明，在低電壓故障期間，變槳距控制和Crowbar保護(hù)電路的協(xié)同作用，可有效降低系統(tǒng)無(wú)功功率吸收并抑制轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流幅值，從而提高了DFIG系統(tǒng)的低電壓穿越能力。

關(guān)鍵詞：雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)； 變槳距控制； Crowbar電路； 低電壓穿越

基金項(xiàng)目:* 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51307025,5177050,51407035);廣東省高等學(xué)校科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2013KJCX0059);廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2012LYM_0052;2013LYM_0019)

通訊作者：張隆

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 614; TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期：2015-03-26

Low Voltage Ride-Through Control of Pitch Controlled

Doubly-Fed Induction Generator

ZHANGLong1,YANGJunhua1,CHENKaiyang1，CHENSizhe1,WUJie2

(1. School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;

2. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Abstract：As grid voltage occurs dip fault, the stator and rotor windings of the crowbar-based doubly-fed induction generator(DFIG) wind turbine would absorb the vast reactive power from grid and form the surge current. The model of the pitch controller was built by analyzing the operational characteristics of DFIG system at grid fault. During the crowbar circuit active, the slip of DFIG could be restrained to reduce the amount of reactive power consumption with regulating pitch angle. The setting rules of the series resistance were deduced in crowbar circuit, and the amplitude of transient current in generator were effectively suppressed by selecting reasonable resistance. With PSCAD/EMTDC simulation platform, the dynamic process of DFIG system was simulated during the grid voltage sag. The simulation results showed that the amount of reactive power absorbed by DFIG system from grid could be reduced, and the amplitude of transient current in rotor windings could be effectively restrained with cooperative action of pitch control and crowbar protection circuit during voltage sag. The low voltage ride-through ability of DFIG system was enhanced.

Key words： doubly-fed induction generator； pitch control； crowbar circuit； low voltage ride-through

0引言

目前的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有兩個(gè)主流分支: 永磁直驅(qū)同步發(fā)電系統(tǒng)和交流勵(lì)磁雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)。雙饋系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)定子繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)功率可雙向流動(dòng)的雙PWM變換器連接電網(wǎng)，具有成本低、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高、可實(shí)現(xiàn)變速恒頻及有功功率和無(wú)功功率解耦控制等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，定、轉(zhuǎn)子繞組將會(huì)產(chǎn)生很大的暫態(tài)沖擊電流，危及系統(tǒng)安全運(yùn)行。初期風(fēng)電穿透率較小，在電網(wǎng)電壓驟降期間風(fēng)電機(jī)組可直接從電網(wǎng)中解列；但隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的增加，大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成二次沖擊，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰[3-5]。因此，從電網(wǎng)安全考慮，風(fēng)電機(jī)組必須具備低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)能力。

為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障期間，DFIG系統(tǒng)繼續(xù)保持并網(wǎng)運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。定子側(cè)通過(guò)與雙向交流開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電阻矩陣并網(wǎng)，可提高低電壓故障下機(jī)組的并網(wǎng)能力，但正常運(yùn)行時(shí)損耗大、硬件成本較高[6-7]。通過(guò)增設(shè)直流母線(xiàn)網(wǎng)側(cè)串聯(lián)變換器，低電壓故障時(shí)，可將積累在直流母線(xiàn)上的電能輸送到電網(wǎng)，避免直流母線(xiàn)電壓抬升，維持雙PWM變換器正常工作，雙饋系統(tǒng)LVRT能力得以提高，但該方法控制復(fù)雜、硬件成本增加[8-9]。直流Crowbar電路可吸收直流母線(xiàn)上的剩余能量，避免直流母線(xiàn)電壓驟升，但不能應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障引起的直流母線(xiàn)電壓降低[10-11]。在直流母線(xiàn)側(cè)增設(shè)不間斷電源可維持電網(wǎng)低電壓故障期間的母線(xiàn)電壓，但加大了機(jī)組維護(hù)工作量[12-13]。在轉(zhuǎn)子側(cè)增加Crowbar電路，雖可保證機(jī)組在故障狀態(tài)下并網(wǎng)運(yùn)行，但DFIG轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ó惒桨l(fā)電機(jī)運(yùn)行模式，需從電網(wǎng)吸取大量無(wú)功功率，嚴(yán)重阻礙電網(wǎng)電壓恢復(fù)[14-15]。

針對(duì)電網(wǎng)短路故障狀態(tài)下，基于Crowbar電路的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組需吸收大量無(wú)功功率并產(chǎn)生沖擊電流問(wèn)題，提出槳距控制策略，給出轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路串聯(lián)電阻阻值整定規(guī)則。研究表明，低電壓故障期間，變槳距控制和Crowbar保護(hù)電路的協(xié)同作用，可有效降低系統(tǒng)無(wú)功功率吸收并抑制轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流幅值，從而提高了DFIG系統(tǒng)的LVRT能力。

1雙饋發(fā)電系統(tǒng)短路故障時(shí)運(yùn)行特性

基于Crowbar電路的DFIG系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)雙PWM功率變換器控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值、相位和頻率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功功率、有功功率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。電網(wǎng)電壓驟降時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路，變換器旁路，不再控制電機(jī)。

圖1　基于Crowbar電路的DFIG系統(tǒng)示意圖

電網(wǎng)電壓驟降時(shí)，通過(guò)電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組中可感應(yīng)出5～10倍額定電流值的暫態(tài)電流[15]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出變換器中的電力電子器件最大耐受沖擊電流。起動(dòng)轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路后，可避免器件損壞，但同時(shí)機(jī)組的工作狀態(tài)由雙饋發(fā)電模式轉(zhuǎn)變?yōu)楫惒桨l(fā)電運(yùn)行模式，需從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功功率勵(lì)磁，等效電路如圖2所示。

圖2　Crowbar電路動(dòng)作后的等效電路

圖2中Req、Xeq分別為機(jī)組的等效電阻和電抗:

(1)

式中：Rs、Rr、Rcw——定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻、Crowbar電路上串聯(lián)的電阻；

Xσs、Xσr、Xm——定、轉(zhuǎn)子漏電抗、勵(lì)磁電抗；

s——轉(zhuǎn)差率。

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出的有功功率和無(wú)功功率為

(2)

由式(2)可知，Crowbar電路動(dòng)作后，Xeq>0，Qe<0，電機(jī)需從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，其大小主要取決于轉(zhuǎn)差率s和定子端電壓Us，其關(guān)系如圖3所示，Rcw=1.2Ω。

圖3　無(wú)功功率Q、轉(zhuǎn)差率s、機(jī)端電壓U間關(guān)系

2變槳距控制模型

電壓跌落故障下，基于Crowbar電路的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩、機(jī)械轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速為

(3)

式中:Te——電磁轉(zhuǎn)矩；

U——DFIG系統(tǒng)端電壓；

Req、Xeq——電機(jī)等效電阻、電抗；

Tm——機(jī)械轉(zhuǎn)矩；

ρ——空氣密度；

R——風(fēng)葉輪半徑；

υ——風(fēng)速；

J——系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Cp——風(fēng)能利用系數(shù)。

Cp是葉尖速比λ和槳距角α的函數(shù)[16]:

0.00184(λ-3)α

(4)

根據(jù)式(4)，可得到不同α?xí)r的Cp-λ的特性曲線(xiàn)簇，如圖4所示。

電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，可通過(guò)增大槳距角減小機(jī)械轉(zhuǎn)矩，抑制轉(zhuǎn)差率s增大，降低系統(tǒng)無(wú)功吸收量，既可提高機(jī)組的暫態(tài)穩(wěn)定裕度及機(jī)組的低電壓穿越能力，也可為電網(wǎng)電壓恢復(fù)創(chuàng)造條件。

圖4　C p-λ特性曲線(xiàn)

電網(wǎng)電壓驟降，Crowbar電路短接，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惒桨l(fā)電狀態(tài)，變槳距系統(tǒng)需切換到故障狀態(tài)控制模式，以轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速與故障下的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速之差為控制系統(tǒng)輸入信號(hào)，槳距角控制框圖如圖5所示。

圖5　變槳距控制框圖

3轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar阻值整定

轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電阻整定，受網(wǎng)側(cè)變流器耐受電壓和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器耐受電流的約束。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時(shí),Crowbar阻值整定過(guò)小，不能有效抑制轉(zhuǎn)子繞組上的暫態(tài)電流；整定過(guò)大,又可能會(huì)導(dǎo)致直流母線(xiàn)側(cè)出現(xiàn)過(guò)電壓。

DFIG系統(tǒng)發(fā)生低電壓故障時(shí)，為避免損壞變流器，通常會(huì)起動(dòng)Crowbar電路，將轉(zhuǎn)子側(cè)繞組短接，此時(shí)的等效電路如圖6示。

圖6　短路后的定、轉(zhuǎn)子側(cè)等效電路

(5)

短路后轉(zhuǎn)子繞組上的電流主要由交、直流暫態(tài)分量疊加而成。

在轉(zhuǎn)子定向坐標(biāo)系下，短路后的暫態(tài)感應(yīng)電流表達(dá)式為[13]

(6)

ir(1)、ir(2)——由定、轉(zhuǎn)子磁鏈感應(yīng)的交流暫態(tài)分量；

Lσs、Lσr——定、轉(zhuǎn)子漏磁電感；

Lm——?jiǎng)?lì)磁電感；

udr、uqr——轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；

ωs、ωr——同步、轉(zhuǎn)子角速度。

其中：Ls=Lσs+Lm；Lr=Lσr+Lm。

Crowbar的開(kāi)起將改變轉(zhuǎn)子側(cè)電阻值，短路后的定、轉(zhuǎn)子磁鏈和電流衰減時(shí)間常數(shù)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，可由式(7)計(jì)算:

(7)

電網(wǎng)故障期間，轉(zhuǎn)子最大電壓為

Ur.max=Ir.maxRcw

(8)

為避免網(wǎng)側(cè)變流器因直流側(cè)電壓過(guò)高而損壞，Crowbar電阻整定值需滿(mǎn)足:

(9)

式中:Ur.lim——網(wǎng)側(cè)變流器直流側(cè)耐受極限電壓。

Crowbar阻值Rcw.max需滿(mǎn)足:

(10)

為確定Crowbar阻值整定的合理性，結(jié)合式(6)和式(7)，通過(guò)代入不同的整定值Rcw，得到相應(yīng)最大短路電流Ir.max；聯(lián)立式(8)，可得最大轉(zhuǎn)子側(cè)相電壓Ur.max，根據(jù)式(9)判定Rcw是否符合要求。在符合約束條件下，Rcw應(yīng)盡可能接近極值Rr.max，有利于抑制轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流，減小衰減時(shí)間常數(shù)，縮短暫態(tài)電流的衰減周期。

4系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

仿真采用DFIG系統(tǒng)，經(jīng)額定容量為SN=2MVA、變比為N=10/0.69kV的升壓變壓器接入10kV主電網(wǎng)，雙饋電機(jī)的額定值:PN=1.5MW，f=50Hz，UN=690V，極對(duì)數(shù)p=2，定、轉(zhuǎn)子電阻及漏抗:Rs=3.283Ω、Ls=0.0324H、Rr=2.845Ω、Lr=0.317H，勵(lì)磁電抗Lm=0.284H，變換器容量S=0.4MVA，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=6.1×106kg·m2、風(fēng)輪半徑R=45m，額定風(fēng)速13m/s。主電網(wǎng)在2s時(shí)發(fā)生三相短路故障，公共連接點(diǎn)電壓跌落至額定電壓的15%，故障持續(xù)200ms后切除，其電壓波形如圖7所示。

圖7　公共連接點(diǎn)電壓波形

圖8表明，在電網(wǎng)發(fā)生三相短路時(shí)，起動(dòng)變槳距控制系統(tǒng)可以抑制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升。

圖8　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

圖9在故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路動(dòng)作后，變槳距控制能夠有效抑制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升，減少DFIG系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率量。

圖9　DFIG輸出無(wú)功功率

圖10　轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流有效值

5結(jié)語(yǔ)

電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障期間，基于Crowbar電路的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需吸收大量無(wú)功功率并產(chǎn)生沖擊電流問(wèn)題。通過(guò)變槳距系統(tǒng)可有效抑制系統(tǒng)轉(zhuǎn)差率增大，降低機(jī)組無(wú)功功率消耗。給出Crowbar電路串聯(lián)電阻阻值整定規(guī)則，電阻值的合理選定，可抑制定、轉(zhuǎn)子上的暫態(tài)電流的幅值。仿真結(jié)果表明，通過(guò)變槳距控制和轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)電路的協(xié)同作用可減少系統(tǒng)無(wú)功功率吸收、抑制轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流，提高了DFIG系統(tǒng)的LVRT能力。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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