變槳距雙饋風力發電系統低電壓穿越控制

變槳距雙饋風力發電系統低電壓穿越控制*

張隆1，楊俊華1，陳凱陽1，陳思哲1，吳捷2

(1. 廣東工業大學 自動化學院,廣東 廣州510006;2. 華南理工大學 電力學院,廣東 廣州510641)

摘要：基于Crowbar電路的并網運行雙饋風力發電系統(DFIG)，在電網電壓發生跌落期間，發電機定、轉子繞組需要吸收大量無功功率并產生沖擊電流。基于低電壓故障期間DFIG系統的運行分析，建立了變槳距角控制模型，通過調節槳距角，抑制發電機轉差率增大，降低系統無功吸收量。建立了Crowbar電路中串聯電阻整定規則，合理選定電阻值可有效抑制發電機暫態電流幅值。PSCAD/EMTDC暫態仿真結果表明，在低電壓故障期間，變槳距控制和Crowbar保護電路的協同作用，可有效降低系統無功功率吸收并抑制轉子暫態電流幅值，從而提高了DFIG系統的低電壓穿越能力。

關鍵詞：雙饋感應發電機； 變槳距控制； Crowbar電路； 低電壓穿越

基金項目:* 國家自然科學基金資助項目(51307025,5177050,51407035);廣東省高等學校科技創新項目(2013KJCX0059);廣東高校優秀青年創新人才培養計劃項目資助(2012LYM_0052;2013LYM_0019)

通訊作者：張隆

中圖分類號：TM 614; TP273文獻標志碼： 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

目前的變速恒頻風力發電系統有兩個主流分支: 永磁直驅同步發電系統和交流勵磁雙饋感應發電系統(Doubly-Fed Induction Generator, DFIG)。雙饋系統的發電機定子繞組直接接入電網，轉子繞組通過功率可雙向流動的雙PWM變換器連接電網，具有成本低、風能轉換效率高、可實現變速恒頻及有功功率和無功功率解耦控制等優點[1-2]。但當電網發生短路故障時，定、轉子繞組將會產生很大的暫態沖擊電流，危及系統安全運行。初期風電穿透率較小，在電網電壓驟降期間風電機組可直接從電網中解列；但隨著風電并網容量的增加，大規模風電機組脫網將會對電力系統造成二次沖擊，嚴重時可能導致電網崩潰[3-5]。因此，從電網安全考慮，風電機組必須具備低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)能力。

為實現電網故障期間，DFIG系統繼續保持并網運行，國內外學者進行了一系列的研究。定子側通過與雙向交流開關并聯的電阻矩陣并網，可提高低電壓故障下機組的并網能力，但正常運行時損耗大、硬件成本較高[6-7]。通過增設直流母線網側串聯變換器，低電壓故障時，可將積累在直流母線上的電能輸送到電網，避免直流母線電壓抬升，維持雙PWM變換器正常工作，雙饋系統LVRT能力得以提高，但該方法控制復雜、硬件成本增加[8-9]。直流Crowbar電路可吸收直流母線上的剩余能量，避免直流母線電壓驟升，但不能應對電網故障引起的直流母線電壓降低[10-11]。在直流母線側增設不間斷電源可維持電網低電壓故障期間的母線電壓，但加大了機組維護工作量[12-13]。在轉子側增加Crowbar電路，雖可保證機組在故障狀態下并網運行，但DFIG轉變為普通異步發電機運行模式，需從電網吸取大量無功功率，嚴重阻礙電網電壓恢復[14-15]。

針對電網短路故障狀態下，基于Crowbar電路的雙饋風力發電機定、轉子繞組需吸收大量無功功率并產生沖擊電流問題，提出槳距控制策略，給出轉子側Crowbar電路串聯電阻阻值整定規則。研究表明，低電壓故障期間，變槳距控制和Crowbar保護電路的協同作用，可有效降低系統無功功率吸收并抑制轉子暫態電流幅值，從而提高了DFIG系統的LVRT能力。

1雙饋發電系統短路故障時運行特性

基于Crowbar電路的DFIG系統拓撲結構如圖1所示。通過雙PWM功率變換器控制轉子勵磁電流的幅值、相位和頻率，實現系統無功功率、有功功率和轉子轉速的調節。電網電壓驟降時，起動轉子側Crowbar電路，變換器旁路，不再控制電機。

圖1　基于Crowbar電路的DFIG系統示意圖

電網電壓驟降時，通過電磁耦合，轉子繞組中可感應出5～10倍額定電流值的暫態電流[15]，遠遠超出變換器中的電力電子器件最大耐受沖擊電流。起動轉子側Crowbar電路后，可避免器件損壞，但同時機組的工作狀態由雙饋發電模式轉變為異步發電運行模式，需從電網吸收大量無功功率勵磁，等效電路如圖2所示。

圖2　Crowbar電路動作后的等效電路

圖2中Req、Xeq分別為機組的等效電阻和電抗:

(1)

式中：Rs、Rr、Rcw——定子電阻、轉子電阻、Crowbar電路上串聯的電阻；

Xσs、Xσr、Xm——定、轉子漏電抗、勵磁電抗；

s——轉差率。

發電機系統輸出的有功功率和無功功率為

(2)

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

圖3　無功功率Q、轉差率s、機端電壓U間關系

2變槳距控制模型

電壓跌落故障下，基于Crowbar電路的雙饋風力發電系統的電磁轉矩、機械轉矩和轉速為

(3)

式中:Te——電磁轉矩；

U——DFIG系統端電壓；

Req、Xeq——電機等效電阻、電抗；

Tm——機械轉矩；

ρ——空氣密度；

R——風葉輪半徑；

υ——風速；

J——系統轉動慣量；

Cp——風能利用系數。

Cp是葉尖速比λ和槳距角α的函數[16]:

0.00184(λ-3)α

(4)

根據式(4)，可得到不同α時的Cp-λ的特性曲線簇，如圖4所示。

電網發生三相短路故障時，可通過增大槳距角減小機械轉矩，抑制轉差率s增大，降低系統無功吸收量，既可提高機組的暫態穩定裕度及機組的低電壓穿越能力，也可為電網電壓恢復創造條件。

圖4　C p-λ特性曲線

電網電壓驟降，Crowbar電路短接，系統轉變為異步發電狀態，變槳距系統需切換到故障狀態控制模式，以轉子實際轉速與故障下的基準轉速之差為控制系統輸入信號，槳距角控制框圖如圖5所示。

圖5　變槳距控制框圖

3轉子側Crowbar阻值整定

轉子側Crowbar電阻整定，受網側變流器耐受電壓和轉子側變流器耐受電流的約束。當電網發生低電壓故障時,Crowbar阻值整定過小，不能有效抑制轉子繞組上的暫態電流；整定過大,又可能會導致直流母線側出現過電壓。

DFIG系統發生低電壓故障時，為避免損壞變流器，通常會起動Crowbar電路，將轉子側繞組短接，此時的等效電路如圖6示。

圖6　短路后的定、轉子側等效電路

(5)

短路后轉子繞組上的電流主要由交、直流暫態分量疊加而成。

在轉子定向坐標系下，短路后的暫態感應電流表達式為[13]

(6)

ir(1)、ir(2)——由定、轉子磁鏈感應的交流暫態分量；

Lσs、Lσr——定、轉子漏磁電感；

Lm——勵磁電感；

udr、uqr——轉子電壓的d、q軸分量；

ωs、ωr——同步、轉子角速度。

其中：Ls=Lσs+Lm；Lr=Lσr+Lm。

Crowbar的開起將改變轉子側電阻值，短路后的定、轉子磁鏈和電流衰減時間常數也會相應發生變化，可由式(7)計算:

(7)

電網故障期間，轉子最大電壓為

Ur.max=Ir.maxRcw

(8)

為避免網側變流器因直流側電壓過高而損壞，Crowbar電阻整定值需滿足:

(9)

式中:Ur.lim——網側變流器直流側耐受極限電壓。

Crowbar阻值Rcw.max需滿足:

(10)

為確定Crowbar阻值整定的合理性，結合式(6)和式(7)，通過代入不同的整定值Rcw，得到相應最大短路電流Ir.max；聯立式(8)，可得最大轉子側相電壓Ur.max，根據式(9)判定Rcw是否符合要求。在符合約束條件下，Rcw應盡可能接近極值Rr.max，有利于抑制轉子暫態電流，減小衰減時間常數，縮短暫態電流的衰減周期。

4系統仿真試驗

仿真采用DFIG系統，經額定容量為SN=2MVA、變比為N=10/0.69kV的升壓變壓器接入10kV主電網，雙饋電機的額定值:PN=1.5MW，f=50Hz，UN=690V，極對數p=2，定、轉子電阻及漏抗:Rs=3.283Ω、Ls=0.0324H、Rr=2.845Ω、Lr=0.317H，勵磁電抗Lm=0.284H，變換器容量S=0.4MVA，風機轉動慣量J=6.1×106kg·m2、風輪半徑R=45m，額定風速13m/s。主電網在2s時發生三相短路故障，公共連接點電壓跌落至額定電壓的15%，故障持續200ms后切除，其電壓波形如圖7所示。

圖7　公共連接點電壓波形

圖8表明，在電網發生三相短路時，起動變槳距控制系統可以抑制轉子轉速上升。

圖8　轉子轉速

圖9在故障期間轉子側Crowbar電路動作后，變槳距控制能夠有效抑制轉子轉速上升，減少DFIG系統從電網吸收無功功率量。

圖9　DFIG輸出無功功率

圖10　轉子暫態電流有效值

5結語

電網電壓發生跌落故障期間，基于Crowbar電路的雙饋風力發電系統需吸收大量無功功率并產生沖擊電流問題。通過變槳距系統可有效抑制系統轉差率增大，降低機組無功功率消耗。給出Crowbar電路串聯電阻阻值整定規則，電阻值的合理選定，可抑制定、轉子上的暫態電流的幅值。仿真結果表明，通過變槳距控制和轉子側Crowbar保護電路的協同作用可減少系統無功功率吸收、抑制轉子暫態電流，提高了DFIG系統的LVRT能力。

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