雙饋風機綜合保護的低電壓穿越仿真研究

劉引弟LⅠU Yin-di

（內蒙古機電職業技術學院，呼和浩特 010070）

1 低電壓穿越技術

風電并網質量的一個非常重要的評判標準是低電壓穿越技術。根據我國電網實際運行情況，提出了對風電場低電壓穿越的基本要求是，當風電機組并網點的電壓跌落了額定值的五分之四時，風電機組還能繼續并網，連續運行625ms；風電場并網點電壓由于發生故障下降后，如果在二百毫秒內就能夠恢復到電網額定值的十分之九，那就要求風電機組可以連續運行而不脫網[1]。對于大型風電場，尤其是裝機容量超過百萬千瓦以上的，在低電壓穿越過程中還要有動態無功支撐的能力。

2 雙饋風力發電機

雙饋異步風力發電機是現在應用很廣的風力發電機，雙饋異步風機擁有調節無功功率的能力，能在一定范圍內實現功率因數的調節，不用單獨安裝無功補償設備。

雙饋風力發電系統的構成主要有風力機、葉片、雙饋發電機、變壓器以及背靠背式的變流器等。雙饋異步風機的定轉子都和電網相連，這是它與別的發電機組的主要區別，其中定子繞組直接連接到電網，而轉子繞組則是通過背靠背式變流器連到電網[2]，其結構圖如圖1 所示。

圖1 DFⅠG 系統結構圖

3 雙饋風機低電壓穿越策略

根據并網點電壓的減小幅度，在雙饋風機中實現低壓穿越，可以通過以下三種途徑：

3.1 調整控制策略

有資料研究求出了在傳統控制下風機定子側磁鏈狀態方程的特征根，發現定子電感和定子電阻決定了系統的穩定性，假設把系統控制的內環結構進行改變，就會對系統的穩定性產生影響，所以，有文獻從這個理論出發提出了“軟撬棒”控制，“軟撬棒”是根據電力系統電壓降落的程度來調整需要補償到風機轉子電流環中的電流，從而實現控制虛擬電阻投入的效果，這個辦法能夠很好地增大系統的阻尼系數，并且還可以減少風機無故障運行時的功率因數降低，在提高風電機組的低穿特性做出貢獻[3]。

本文中，雙饋風機的轉子側采用4 個PI 控制器組成控制系統，在傳統的矢量控制中，通過這些控制器，形成風機的PQ 解耦控制，能夠降低控制的難度。控制參數的整定實際就是優化PI 值，使風機在運行時有最好的控制效果。

3.2 加Crowbar 電路

Crowbar 電路在低壓穿越技術中有廣泛應用。當風機端的電壓因為電力系統波動或故障而大幅降低時，首先要保護勵磁變換器的安全、避免轉子被燒壞、同時穩定直流母線的電壓，所以要在雙饋風機的轉子側增一個保護電路，即Crowbar 電路。Crowbar 電路結構方便、原理簡單，而且當電網出現故障時，Crowbar 電路能夠減小故障電流和加快定子暫態磁鏈的衰減。剛開始時Crowbar 電路是利用二極管和電阻構成，電網發生故障時將轉子短路，從而保護轉子，不過需要用斷路器和接觸器來進行控制，投切時間較長，而且偶爾需要人為判斷故障解除與否，然后才能接著操作，這樣在對故障快速響應方面受到影響，不符合低壓穿越技術的要求，在工程中實用性差[4]，為解決上述問題，采用一種主動式Crowbar 電路，它是通過IGBT 構成的，如圖2 所示，它采用轉子電流和機端電壓構成邏輯觸發信號，來控制硬件電路。

圖2 主動式Crowbar 電路

3.3 加Chopper 電路

Chopper 電路還叫直流Crowbar 電路，Chopper 電路結構如圖3 所示，它由IGBT 和電阻串聯組成，其中IGBT并聯續流二極管。它在變流器的DC 這一側并聯直流卸荷回路，當電網有短路故障時，直流分量出現的高壓超過器件耐受電壓時，投入Chopper 回路，使用卸荷電阻，防止過電壓危害直流母線，使電壓幅值較為穩定，從而防止燒壞雙饋風機的變頻器。

圖3 Chopper 電路的DFⅠG

雙饋風機低壓穿越過程的控制步驟如下：

①風機的控制系統實時檢測變流器的各項數據，一旦發現數據異常，轉子側的Crowbar 保護電路立刻啟動，而轉子側的變流器閉鎖。

②這時變流器的另一側還在與電網連接，穩定直流母線電壓，當發現直流母線電壓過大或電網側變流器電流過大時，投入Chopper 卸荷電路，同時調整它與電網交換功率的控制目標。

③當檢測到風機運行的指標全部正常，退出Crowbar保護電路與Chopper 卸荷電路，風機恢復正常控制，變流器恢復正常運行。

4 雙饋風機在PSCAD 中建模仿真

雙饋感應電機結構類似于繞線式異步電機，只是它的轉子繞組要連接變流器[5]。雙饋風機發電時，定子與轉子的磁場相對靜止，工作原理類似于同步發電機。要研究雙饋電機的工作原理首先需要進行數學建模，風機定、轉子分別采用發電機慣例和電動機慣例，在PSCAD 電磁暫態仿真平臺中對雙饋式風電場進行建模，建模方式為等值建模[6]。

雙饋機端電壓0.69kV，經過0.69kV/0.69kV/35kV 的升壓變壓器接入35kV 線路，線路長度3km，然后通過35/110kV 升壓變壓器并入系統。雙饋電機額定輸出功率5MW，額定風速設置為11m/s，在PSCAD 軟件中建模如圖4 所示。

圖4 雙饋風機在PSCAD 中結構

在PSCAD 軟件中設置風速為額定風速11m/s，設置故障為三相短路，在35kV 電纜線路中點，故障發生在仿真運行3s 時，故障持續時間0.625s，現在將系統不采取任何低電壓穿越措施和投入Crowbar 和Chopper 以及網側雙環低穿策略兩種情況下，雙饋機組并網模型電網側在故障發生前、故障發生時和故障產生后的電壓電流大小和直流母線上的電壓等參數進行對比分析。

4.1 系統不采取任何低電壓穿越措施

系統不采取任何低穿措施時風機并網點電壓、電流以及直流母線電壓的波形圖如圖5 所示。通過波形可以看出，如果不采取任何低穿措施，當系統發生三相短路故障，電網電壓會快速降低，對電力系統中電氣設備軸系機械動力產生很大的沖擊，直流母線會出現非常大的沖擊電壓，約為2000V，轉子短路電流瞬間增大，最大值可達額定電流的4 倍，由于雙饋發電機變流器額定容量一般比較小，所以，會對變流器造成很嚴重的影響，電網側有功和無功功率也都降低，故障后逐漸恢復正常。

圖5 無低穿保護措施時

4.2 系統投入Crowbar 和Chopper 以及網側雙環低穿策略后

投入Crowbar 和Chopper 以及網側雙環低穿策略綜合保護措施時風電模型系統直流母線電壓波形如圖6 所示，分析波形能看出，電網發生故障后主動式Crowbar 投入，同時，可以反復的投切Chopper 電路來消耗多余能量，避免通過變換器的短路電流過高，也防止電容器兩端電壓過高而燒毀。加上硬件電路后，直流母線電壓幅值大約為1700V，很明顯比不加低穿保護措施時的電壓峰值低。

圖6 綜合低穿保護措施時

5 結論

投入Crowbar 和Chopper 以及網側雙環低穿策略綜合保護措施，在電網發生故障，電壓突然降低時，主動式Crowbar 電路投入，把轉子短路，以此可以保護轉子測變流器，同時，可以通過Chopper 電路穩定電容器兩端的電壓，使雙饋風機可以正常運行，過多的能量會被Crowbar 和Chopper 電路中的卸荷電阻吸收掉，電網故障解決后可以馬上觸發信號，Crowbar 電路和Chopper 電路都退出，而機側變流器投入工作，雙饋風機能夠快速響應，正常對電網輸送功率，各參數滿足并網的要求。