楊晉嶺，陳富強，張一博

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

隨著新能源在電力系統(tǒng)中比例的不斷增加，風(fēng)電機組裝機容量不斷擴大，風(fēng)電機組與電網(wǎng)之間的相互影響越來越大，影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，國內(nèi)許多風(fēng)電場曾發(fā)生過多次因低電壓引起的大規(guī)模風(fēng)機脫網(wǎng)事故[1]，因此由風(fēng)電場并網(wǎng)規(guī)范國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19963—2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)規(guī)定》要求[2]，在外部電網(wǎng)電壓跌落20%情況下，風(fēng)電機組具有不脫網(wǎng)運行的能力。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機組(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)的結(jié)構(gòu)特性，其定子側(cè)直接跟電網(wǎng)相連，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)對稱或不對稱電壓驟降時，會使定子電流增大，轉(zhuǎn)子側(cè)繼而也感應(yīng)出過電流和過電壓，由于DFIG中電流的大幅波動會造成電磁轉(zhuǎn)矩的急烈變化，對風(fēng)電機組機械系統(tǒng)產(chǎn)生很大的扭切應(yīng)力沖擊，轉(zhuǎn)子中的不平衡能量經(jīng)機側(cè)變換器后，一部分被網(wǎng)側(cè)變換器傳遞到電網(wǎng)，其他部分將會對直流側(cè)電容進(jìn)行充電，會導(dǎo)致直流母線電壓的快速上升，嚴(yán)重時，過大的電流和電壓會導(dǎo)致變換器、定轉(zhuǎn)子絕緣和直流母線電容的損壞，而風(fēng)電場過多的風(fēng)電機組出現(xiàn)連鎖故障反應(yīng)，會嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)小幅跌落時，文獻(xiàn)[3]通過對DFIG的控制策略進(jìn)行改進(jìn)，可順利的進(jìn)行低電壓穿越，文獻(xiàn)[4]采用儲能型DFIG結(jié)構(gòu)進(jìn)行低電壓穿越，可有效的減少暫態(tài)轉(zhuǎn)子電流沖擊，但是硬件成本較大，文獻(xiàn)[5-6] 通過對定子磁鏈中的暫態(tài)直流分量進(jìn)行補償，實現(xiàn)風(fēng)機電網(wǎng)低電壓穿越，但當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落深度較大時，其不能有效進(jìn)行控制，需要引入外部硬件電路，通常做法為接入Crowbar電路[7-8]，但是文獻(xiàn)中沒有提及如何優(yōu)化控制Crowbar裝置的投入和切除時間，以保證風(fēng)電機組的安全穿越和協(xié)助電網(wǎng)恢復(fù)，文獻(xiàn)[9-11]提出了對Crowbar電路阻值整定的方法，并結(jié)合控制算法對所提結(jié)論進(jìn)行了仿真驗證，但是沒有針對不同跌落深度下分析投入和切除時間，以及結(jié)合直流母線上Chopper電路[12]產(chǎn)生的影響，文獻(xiàn)[13-14]提出撬棒附加動態(tài)電容的控制方案，需要根據(jù)風(fēng)機運行狀況計算備用的投切電容，由于實際工程低穿改造需要考慮空間、硬件成本，所以可能并不適用。

因此，本文采用結(jié)合主動Crowbar電路的基礎(chǔ)上加上直流Chopper電路。根據(jù)雙饋風(fēng)電機組的數(shù)學(xué)模型分析電網(wǎng)故障下定轉(zhuǎn)子的動態(tài)響應(yīng)特性，并在電網(wǎng)電壓三相平衡跌落20%條件下，分析Crowbar電路不同阻值對限制轉(zhuǎn)子側(cè)過電流，增加Chopper電路對限制直流母線過電壓的影響。最后，以1.5 MW雙饋發(fā)電機組模型仿真實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓跌落穿越驗證。

1 理想電網(wǎng)下DFIG的建模

本文所用雙饋風(fēng)力發(fā)電機組如圖1所示，DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)外接Crowbar硬件保護，直流母線上接Chopper保護電路，定子側(cè)通過升壓變壓器之間跟電網(wǎng)相接。

圖1 雙饋風(fēng)電機組系統(tǒng)示意圖

根據(jù)電動機慣例，DFIG定、轉(zhuǎn)子繞組均采用端電壓和端電流的正向相反，電壓和電勢的正向相同，忽略空間諧波、磁芯損耗、磁路飽和的影響，在空間同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓和磁鏈方程為：

(1)

(2)

ψs=LsIs+LmIr

(3)

ψr=LmIs+LrIr

(4)

式中：Us、Ur為定、轉(zhuǎn)子電壓，Is、Ir為定、轉(zhuǎn)子電流，Rs、Rr為定、轉(zhuǎn)子電阻，ψs、ψr為定、轉(zhuǎn)子磁鏈，Ls、Lr為定、轉(zhuǎn)子電感，Lm為勵磁電感，ω1為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系任意旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，ωslip=ω1-ωr為轉(zhuǎn)差角速度。

由上式可得DFIG的等效電路如圖2所示。

2 電網(wǎng)電壓跌落時DFIG分析

2.1 Crowbar阻值分析

由式(3)式(4)可得定、轉(zhuǎn)子電流方程為：

(5)

(6)

忽略定、轉(zhuǎn)子間漏感，可得:

(7)

理想對稱電網(wǎng)電壓條件下DFIG風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，兩相靜止αβ坐標(biāo)系中DFIG定子電壓可表示為：

Usαβ=Usm+ej(ω1t+φ+)

(8)

Usm+、φ+分別為定子正序相電壓幅值、相位，將式(8)代入(1)(2)，設(shè)ω1=0，并且由ωslip=ω1-ωr可得：

(9)

(10)

式中：ψsαβ、ψsαβ分別為同步速dq坐標(biāo)系中定、轉(zhuǎn)子磁鏈，Isαβ、Irαβ分別為同步速dq坐標(biāo)系中定、轉(zhuǎn)子電流，忽略負(fù)序分量和定子電阻壓降后，αβ坐標(biāo)系中定子磁鏈為：

(11)

電網(wǎng)電壓故障時，轉(zhuǎn)子為開路狀態(tài)，即Ir=0，此時電流可達(dá)最大，可得轉(zhuǎn)子磁鏈方程為：

(12)

而定子磁鏈的變化率為：

(13)

設(shè)電網(wǎng)電壓降低到額定電壓的k倍，由式(13)可得(11)、(12)變?yōu)椋?/p>

(14)

式中：定子時間常數(shù)τs=Ls/Rs，令φ+=0則式(7)為：

(15)

(16)

而由空間電壓調(diào)制原理，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓應(yīng)小于直流母線電壓，可得Rcb的最大值為：

(17)

2.2 Chopper電路分析

當(dāng)電網(wǎng)電壓故障引起暫態(tài)過流情況時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器閉鎖，由于轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)電流沒有其他的電路通道，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的退磁能量被流向直流母線，從而造成直流母線的快速上升，為此，直流母線兩側(cè)加入直流卸荷Chopper電路模塊，過電壓時使其投入，如圖3所示，卸荷模塊通過電阻器可有效的防止直流母線上面產(chǎn)生過電壓危險事件，當(dāng)轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電流充分衰減到安全值時，卸荷模塊退出轉(zhuǎn)子側(cè)變流器恢復(fù)控制。

圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器Chopper電路結(jié)構(gòu)圖

由于直流母線電壓的變化主要受直流母線上的電容限制，卸荷電阻上電壓將會保持大致不變，此時，卸荷電阻可認(rèn)為是一個近似恒定的負(fù)載，卸荷功率方程為[15]：

(18)

式中：Vdc為直流母線電壓，Rchopper為Chopper電路電阻，Pchopper為直流卸荷功率，卸荷模塊的控制主要采用滯環(huán)控制，當(dāng)母線電壓過高時投入，低于設(shè)置電壓時切出，在實際應(yīng)用中需要頻繁的投切。

3 仿真分析

為了驗證本文所提方法在電網(wǎng)低電壓穿越中的作用，在Matlab/Simulink中搭建DFIG仿真模型，仿真參數(shù)如下：

表1 DFIG仿真模型參數(shù)

3.1 有無Chopper電路的影響

參考目前國標(biāo)的并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范，在電網(wǎng)電壓三相平衡跌落20%持續(xù)625 ms進(jìn)行了有無Chopper電路仿真驗證，設(shè)置DFIG模型在1.5 s時電網(wǎng)電壓進(jìn)行跌落，設(shè)定Chopper電路投切的上下限母線電壓為(1 150～1 100)V，只有Crowbar電路作用而無Chopper電路為接入仿真結(jié)果如圖4所示，兩者共同作用仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖4 Crowbar電路單獨作用時仿真結(jié)果

圖5 Chopper和Crowbar電路共同作用時仿真結(jié)果

從圖4、5的(a)(c)可以看出，當(dāng)直流母線電壓超過Chopper電路的設(shè)置上限時，觸發(fā)脈沖動作，而低于設(shè)置電壓的下限時，切除Chopper電路，從圖4、5的(b)可以看出，電網(wǎng)電壓跌落故障導(dǎo)致直流母線電壓過高時，投入Chopper電路可以有效的防止瞬間直流母線電壓過高，從而在實際工程中可保護硬件防止直流母線過壓損壞，由于加入Chooper電路，直流母線上Chopper電阻和并聯(lián)電容可看作為一阻抗元件，當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器閉鎖時間段內(nèi)，由于母線上的電容和Chopper電路電阻值很小，它們的時間常數(shù)RC很小，所以在此期間直流母線電容充放電對于直流母線電壓的影響時可以忽略的。由此可見，在低電壓穿越期間根據(jù)直流母線電壓，可多次有效的投切Chopper保護電路，在DFIG電網(wǎng)電壓低穿期間防止直流母線電壓過高，從而達(dá)到保護變流器的目的。

3.2 不同Crowbar阻值的影響

在有Chopper電路的作用下，分別取Crowbar電阻值為0.1 pu、1 pu、2 pu時在電網(wǎng)電壓三相平衡跌落到20%深度持續(xù)625 ms進(jìn)行的仿真驗證如下圖6、圖7、圖8所示。

圖6 Crowbar阻值為0.1 pu時仿真結(jié)果

圖7 Crowbar阻值為1 pu時仿真結(jié)果

圖8 Crowbar阻值為2 pu時仿真結(jié)果

如圖6(a)所示當(dāng)Crowbar阻值為0.1 pu時，DFIG從電網(wǎng)吸收的無功功率大約為2 100 kVar，圖7(a)所示當(dāng)Crowbar阻值為1 pu時，DFIG從電網(wǎng)吸收的無功功率大約為1 600 kVar，而圖8(a)所示當(dāng)Crowbar阻值為2 pu時，DFIG從電網(wǎng)吸收的無功功率大約為1 400 kVar，可以看出當(dāng)Crowbar阻值從0.1 pu到2 pu逐漸變大時，DFIG從電網(wǎng)吸收的無功功率在減少，而不同阻值所示的圖(b)中的直流母線電壓，在電網(wǎng)電壓跌落的瞬間，當(dāng)Crowbar阻值從從0.1 pu時調(diào)整到2 pu時，瞬間的電壓沖擊幅值在增大，相對應(yīng)的從0.1 pu的1 130 V變化到2 pu的1 240 V，而Crowbar阻值從0.1 pu到2 pu所示的圖(c)中的轉(zhuǎn)子電流衰減速度也在增大。

由于在電網(wǎng)故障前切除Crowbar電路，則可能會在電網(wǎng)電壓恢復(fù)過程中造成轉(zhuǎn)子側(cè)變流器再次電流過高，引起硬件保護；若在電網(wǎng)故障完全清除之后再切除Crowbar電路，會因轉(zhuǎn)子被長時間短接，使DFIG類似于一臺大功率運行的并網(wǎng)籠型異步發(fā)電機，其將從電網(wǎng)中吸收大量的無功功率而使電網(wǎng)電壓難以快速恢復(fù)正常狀態(tài)，對于Crowbar電路的投入應(yīng)選擇在0.8倍轉(zhuǎn)子過電流值時或直流母線電壓超過設(shè)置值時，切出選擇在故障結(jié)束時。由此可見，合理的選取Crowbar的阻值和切除時刻，可以有效的防止電網(wǎng)電壓跌落瞬間對轉(zhuǎn)子變流器的沖擊,同時又可有效的防止直流母線電壓過高和電網(wǎng)故障狀態(tài)恢復(fù)過慢。

4 總結(jié)

本文根據(jù)Crowbar和Chopper電路在DFIG電網(wǎng)電壓跌落故障時的保護作用，分析了故障時加入Crowbar電路對DFIG的影響，直流母線上加入Chopper電路對抑制直流母線電壓過高的作用，以及不同Crowbar阻值對DFIG低電壓穿越時的影響。仿真結(jié)果表明，在電網(wǎng)電壓跌落20%深度時，合理的選取Crowbar的阻值，以及與Chopper電路的合理投切共同作用，可以有效防止雙饋風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子側(cè)硬件和直流母線上硬件的過電壓及過電流損壞。