三相對稱故障下雙饋風力發電機控制策略

徐明輝，李澤滔，陶 金

(貴州大學電氣工程學院，貴陽市550025)

0 引 言

風力發電技術作為目前最具開發前景的一種新型清潔能源技術，已經被人們深入研究和廣泛使用。目前，恒頻風力發電機，特別是雙饋風機在風力發電廠的應用比例逐漸增大，雙饋風機存在的各種問題也逐漸顯現出來。由于雙饋式風機的定子側直接與電網相連，而轉子側通過2個背靠背式的變流器與電網相連，導致雙饋電機對電網有較強的敏感性［1-3］。如果風力發電機組在電網故障期間不具備故障穿越能力而全部脫網，尤其是在三相對稱故障情況下，會導致雙饋風機的勵磁側過電流或過電壓［4］。為此，很多國家都制定了電網法規來規范風電場的并網，我國也制定了相應的規范。根據《國家電網公司風電場接入電網規定》:風電場并網點電壓在跌落至原電網電壓的20%及20%以上時，場內風電機必須保證不間斷運行，并且具有625 ms 的續航能力;風電場并網點電壓在發生跌落3 s 內，能夠恢復到額定電壓的90%，風電場內的發電機組保持并網運行;當并網點電壓在原電網電壓的20%以下時，場內風電機允許從電網切出［5-7］。目前很多風力發電場都在積極開展雙饋風力發電機組的改造工作，使雙饋風力發電機具有較強的低電壓穿越能力。

為了滿足在三相對稱故障下雙饋風機的低電壓穿越要求，很多國內外學者對其進行了深入的研究。迄今為止，在三相對稱故障下的低電壓穿越技術一般采用Crowbar 保護電路來對雙饋風機進行保護。目前已有很多文獻對Crowbar 保護電路進行了研究，但是大多數文獻只局限于應用仿真軟件以圖解的方式對雙饋電機進行仿真分析，沒有給出Crowbar 保護電路的具體設計方法，不具有現實的指導作用，同時也忽略了變頻器本身與雙饋電機間的影響。本文不僅對在三相對稱故障的條件下的雙饋風機進行建模，而且搭建實驗電路，給出Crowbar 保護以及其驅動電路，進一步驗證Crowbar 保護電路在三相對稱故障條件下進行低電壓穿越的可行性。

1 三相對稱故障下雙饋電機的數學模型

在電力系統可能出現的各種故障中，三相對地短路故障是最嚴重的一種［8］，當三相對地短路故障發生時，雙饋風力發電機的定子端電壓會迅速跌落直至跌落為0，根據楞次定律可知雙饋電機的定子繞組中會感生出直流分量，而磁鏈在空間內保持靜止，其幅值不變［9］。為進一步深入論證建立數學模型。

設雙饋電機轉子側正常運行與三相對稱故障發生時的表達式［10］如下:

式中:Um為定子電壓幅值;K 為電壓跌落系數。

設故障發生前風機處在穩定的運行狀態，此刻定、轉子磁鏈為

其中ψr為轉子側磁鏈幅值。

將變換后的定子電壓和定子電流表達式代入，由于雙饋式風力發電機的定子電阻較小，故可忽略，進而可簡化成:

解式(4)得:

通過式(5)可以看出轉子磁鏈的表達式由直流分量和穩態分量構成，從而可求得t0為短路時刻的幅值C，即

C 即為直流暫態分量，并將其代入式(5)可得:

其中:

將磁鏈表達式代入轉子電流表達式:

通過式(9)可以得出雙饋電機勵磁側電流由3個部分組成，而定轉子側感生的直流分量是引起勵磁側電流突增的主要原因［11］，忽略定子側的直流分量，可以得出勵磁側電流的最大值。式(9)中只剩下轉子側直流分量和1個穩態分量，如式(10)所示:

由式(10)可以得出隨著R' 的增大ir' 會減小。綜上所述，采用轉子側加Crowbar 的方法來加快轉子側直流分量的衰減是可行的。

2 實驗結果

Crowbar 保護電路的種類有很多，例如兩相交流開關型Crowbar 保護電路、二極管橋型Crowbar 保護電路、改進混合橋型Crowbar 保護電路等［12］，本文采用的是絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)型Crowbar 保護電路。IGBT 型的Crowbar 保護電路每個橋臂均由2個頭尾相連的二極管串聯而成，直流側是由IGBT 器件和Crowbar 保護電阻串聯而成。

Crowbar 保護電路的原理圖如圖1 所示。圖1 是IGBT 型Crowbar 保護電路，將Crowbar 電路的直流端接入1個IGBT 全控器件和1個陶瓷電阻構成Crowbar 保護電路的斬波器［12-13］。這種保護電路的特點是在電網發生三相對稱故障時使勵磁側變流器可以與轉子保持連接，當故障消除瞬間，通過切除保護電路，使雙饋電機快速恢復運行，因此具有更大的靈活性［14］。因為IGBT 型Crowbar 保護電路是一個可控的電路，而IGBT 的開通和關斷都需要驅動，本文采用EXB841 芯片作為IGBT 的驅動，驅動電路原理圖如圖2 所示。本文所搭建的Crowbar 保護電路的實物圖如圖3 所示。

圖1 Crowbar 保護電路原理圖Fig.1 Crowbar protection circuit schematic

圖2 Crowbar 驅動電路圖Fig.2 Crowbar drive circuit

圖3 Crowbar 保護電路實物圖Fig.3 Crowbar protection circuit

在三相電壓同時跌落的情況下，立即接入Crowbar 電路。實驗結果表明，Crowbar 有效地抑制了轉子側電流和電壓的上升，通過使用IGBT 全控器件來實現Crowbar 保護電路的瞬間切除，從而在系統暫態電流被抑制之后可以重新投入變流器，恢復對發電機組的有功、無功功率的解耦控制［15］。

3 仿真結果

為了進一步驗證實驗結果的正確性，隨后采用Matlab 軟件進行了仿真分析，仿真參數如下。雙饋風力發電機(double-fed wind generator，DFWG):參數額定功率為6 ×1.5/0.9 MW，線電壓為575 V，頻率為50 Hz，定子電阻為0.007 06 pu，定子電抗為0.171 pu，轉子電阻為0.005 pu，轉子電抗為0.156 pu，發電機的慣性參數為5.04 s，阻尼系數為0.013 pu。風機參數:額定功率為6 ×1.5 MW，跟蹤點風速為14 m/s，最大槳矩角為45°，槳矩角最大變化率2°/s。雙饋風機的Crowbar 保護電路仿真模型如圖4 所示。

圖4 雙饋風力發電機Crowbar 保護電路仿真模型圖Fig.4 Simulation model of Crowbar protection circuit for DFWG

在仿真過程中，電網電壓發生三相對稱故障，2 s時故障發生，2.625 s 時故障清除，持續0.625 s。發生時風速保持恒定，故障使得系統電壓跌落40%。定子線電壓如圖5 所示。接入Crowbar 前后的直流母線電壓如圖6 所示。風機轉子接入Crowbar 前后的波形如圖7 所示。除時間外，各量均為標幺值。

圖5 定子線電壓Fig.5 Stator voltage

由圖5 ～7 可見，雙饋風力發電系統未接入Crowbar 保護電路時，當三相對稱故障發生瞬間和故障清除瞬間的電壓恢復時刻，各量都出現了較大的震蕩和明顯的尖峰，而且電壓恢復時刻各量的尖峰比電壓跌落發生時刻還要大，在實際運行中，此時轉子側的過電流和過電壓會影響變流器的正常運行。接入Crowbar 電路后，通過圖6(b)和圖7(b)可以看出，在電網發生三相對稱故障期間Crowbar 保護電路可以有效防止直流母線電壓過高，而且抑制了風機勵磁側的過電流，同時有效抑制了風機定、轉子中產生的暫態電流。

圖6 直流母線電壓Fig.6 DC bus voltage

圖7 風機轉子直軸和交軸電流Fig.7 Direct axis and quadrature axis current of turbine rotor

4 結 論

通過對電網三相對稱故障下雙饋發電機的暫態分析，推導出了雙饋風力發電機在故障下的轉子電流的數學表達式，分析了Crowbar 保護電路的工作特性，搭建了Crowbar 保護電路并進行了實驗和仿真驗證，取得了良好的效果。

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