徐明輝，李澤滔，陶 金

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴陽市550025)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為目前最具開發(fā)前景的一種新型清潔能源技術(shù)，已經(jīng)被人們深入研究和廣泛使用。目前，恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，特別是雙饋風(fēng)機(jī)在風(fēng)力發(fā)電廠的應(yīng)用比例逐漸增大，雙饋風(fēng)機(jī)存在的各種問題也逐漸顯現(xiàn)出來。由于雙饋式風(fēng)機(jī)的定子側(cè)直接與電網(wǎng)相連，而轉(zhuǎn)子側(cè)通過2個背靠背式的變流器與電網(wǎng)相連，導(dǎo)致雙饋電機(jī)對電網(wǎng)有較強(qiáng)的敏感性［1-3］。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)故障期間不具備故障穿越能力而全部脫網(wǎng)，尤其是在三相對稱故障情況下，會導(dǎo)致雙饋風(fēng)機(jī)的勵磁側(cè)過電流或過電壓［4］。為此，很多國家都制定了電網(wǎng)法規(guī)來規(guī)范風(fēng)電場的并網(wǎng)，我國也制定了相應(yīng)的規(guī)范。根據(jù)《國家電網(wǎng)公司風(fēng)電場接入電網(wǎng)規(guī)定》:風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在跌落至原電網(wǎng)電壓的20%及20%以上時，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)必須保證不間斷運(yùn)行，并且具有625 ms 的續(xù)航能力;風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落3 s 內(nèi)，能夠恢復(fù)到額定電壓的90%，風(fēng)電場內(nèi)的發(fā)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行;當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在原電網(wǎng)電壓的20%以下時，場內(nèi)風(fēng)電機(jī)允許從電網(wǎng)切出［5-7］。目前很多風(fēng)力發(fā)電場都在積極開展雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的改造工作，使雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有較強(qiáng)的低電壓穿越能力。

為了滿足在三相對稱故障下雙饋風(fēng)機(jī)的低電壓穿越要求，很多國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)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(shù)一般采用Crowbar 保護(hù)電路來對雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。目前已有很多文獻(xiàn)對Crowbar 保護(hù)電路進(jìn)行了研究，但是大多數(shù)文獻(xiàn)只局限于應(yīng)用仿真軟件以圖解的方式對雙饋電機(jī)進(jìn)行仿真分析，沒有給出Crowbar 保護(hù)電路的具體設(shè)計方法，不具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)作用，同時也忽略了變頻器本身與雙饋電機(jī)間的影響。本文不僅對在三相對稱故障的條件下的雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模，而且搭建實(shí)驗電路，給出Crowbar 保護(hù)以及其驅(qū)動電路，進(jìn)一步驗證Crowbar 保護(hù)電路在三相對稱故障條件下進(jìn)行低電壓穿越的可行性。

1 三相對稱故障下雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

在電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種故障中，三相對地短路故障是最嚴(yán)重的一種［8］，當(dāng)三相對地短路故障發(fā)生時，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子端電壓會迅速跌落直至跌落為0，根據(jù)楞次定律可知雙饋電機(jī)的定子繞組中會感生出直流分量，而磁鏈在空間內(nèi)保持靜止，其幅值不變［9］。為進(jìn)一步深入論證建立數(shù)學(xué)模型。

設(shè)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)正常運(yùn)行與三相對稱故障發(fā)生時的表達(dá)式［10］如下:

式中:Um為定子電壓幅值;K 為電壓跌落系數(shù)。

設(shè)故障發(fā)生前風(fēng)機(jī)處在穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，此刻定、轉(zhuǎn)子磁鏈為

其中ψr為轉(zhuǎn)子側(cè)磁鏈幅值。

將變換后的定子電壓和定子電流表達(dá)式代入，由于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電阻較小，故可忽略，進(jìn)而可簡化成:

解式(4)得:

通過式(5)可以看出轉(zhuǎn)子磁鏈的表達(dá)式由直流分量和穩(wěn)態(tài)分量構(gòu)成，從而可求得t0為短路時刻的幅值C，即

C 即為直流暫態(tài)分量，并將其代入式(5)可得:

其中:

將磁鏈表達(dá)式代入轉(zhuǎn)子電流表達(dá)式:

通過式(9)可以得出雙饋電機(jī)勵磁側(cè)電流由3個部分組成，而定轉(zhuǎn)子側(cè)感生的直流分量是引起勵磁側(cè)電流突增的主要原因［11］，忽略定子側(cè)的直流分量，可以得出勵磁側(cè)電流的最大值。式(9)中只剩下轉(zhuǎn)子側(cè)直流分量和1個穩(wěn)態(tài)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(zhuǎn)子側(cè)加Crowbar 的方法來加快轉(zhuǎn)子側(cè)直流分量的衰減是可行的。

2 實(shí)驗結(jié)果

Crowbar 保護(hù)電路的種類有很多，例如兩相交流開關(guān)型Crowbar 保護(hù)電路、二極管橋型Crowbar 保護(hù)電路、改進(jìn)混合橋型Crowbar 保護(hù)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(hù)電路。IGBT 型的Crowbar 保護(hù)電路每個橋臂均由2個頭尾相連的二極管串聯(lián)而成，直流側(cè)是由IGBT 器件和Crowbar 保護(hù)電阻串聯(lián)而成。

Crowbar 保護(hù)電路的原理圖如圖1 所示。圖1 是IGBT 型Crowbar 保護(hù)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(gòu)成Crowbar 保護(hù)電路的斬波器［12-13］。這種保護(hù)電路的特點(diǎn)是在電網(wǎng)發(fā)生三相對稱故障時使勵磁側(cè)變流器可以與轉(zhuǎn)子保持連接，當(dāng)故障消除瞬間，通過切除保護(hù)電路，使雙饋電機(jī)快速恢復(fù)運(yùn)行，因此具有更大的靈活性［14］。因為IGBT 型Crowbar 保護(hù)電路是一個可控的電路，而IGBT 的開通和關(guān)斷都需要驅(qū)動，本文采用EXB841 芯片作為IGBT 的驅(qū)動，驅(qū)動電路原理圖如圖2 所示。本文所搭建的Crowbar 保護(hù)電路的實(shí)物圖如圖3 所示。

圖1 Crowbar 保護(hù)電路原理圖Fig.1 Crowbar protection circuit schematic

圖2 Crowbar 驅(qū)動電路圖Fig.2 Crowbar drive circuit

圖3 Crowbar 保護(hù)電路實(shí)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(shí)驗結(jié)果表明，Crowbar 有效地抑制了轉(zhuǎn)子側(cè)電流和電壓的上升，通過使用IGBT 全控器件來實(shí)現(xiàn)Crowbar 保護(hù)電路的瞬間切除，從而在系統(tǒng)暫態(tài)電流被抑制之后可以重新投入變流器，恢復(fù)對發(fā)電機(jī)組的有功、無功功率的解耦控制［15］。

3 仿真結(jié)果

為了進(jìn)一步驗證實(shí)驗結(jié)果的正確性，隨后采用Matlab 軟件進(jìn)行了仿真分析，仿真參數(shù)如下。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(double-fed wind generator，DFWG):參數(shù)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(zhuǎn)子電阻為0.005 pu，轉(zhuǎn)子電抗為0.156 pu，發(fā)電機(jī)的慣性參數(shù)為5.04 s，阻尼系數(shù)為0.013 pu。風(fēng)機(jī)參數(shù):額定功率為6 ×1.5 MW，跟蹤點(diǎn)風(fēng)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(fēng)機(jī)的Crowbar 保護(hù)電路仿真模型如圖4 所示。

圖4 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)Crowbar 保護(hù)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(wǎng)電壓發(fā)生三相對稱故障，2 s時故障發(fā)生，2.625 s 時故障清除，持續(xù)0.625 s。發(fā)生時風(fēng)速保持恒定，故障使得系統(tǒng)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子接入Crowbar 前后的波形如圖7 所示。除時間外，各量均為標(biāo)幺值。

圖5 定子線電壓Fig.5 Stator voltage

由圖5 ～7 可見，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)未接入Crowbar 保護(hù)電路時，當(dāng)三相對稱故障發(fā)生瞬間和故障清除瞬間的電壓恢復(fù)時刻，各量都出現(xiàn)了較大的震蕩和明顯的尖峰，而且電壓恢復(fù)時刻各量的尖峰比電壓跌落發(fā)生時刻還要大，在實(shí)際運(yùn)行中，此時轉(zhuǎn)子側(cè)的過電流和過電壓會影響變流器的正常運(yùn)行。接入Crowbar 電路后，通過圖6(b)和圖7(b)可以看出，在電網(wǎng)發(fā)生三相對稱故障期間Crowbar 保護(hù)電路可以有效防止直流母線電壓過高，而且抑制了風(fēng)機(jī)勵磁側(cè)的過電流，同時有效抑制了風(fēng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的暫態(tài)電流。

圖6 直流母線電壓Fig.6 DC bus voltage

圖7 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子直軸和交軸電流Fig.7 Direct axis and quadrature axis current of turbine rotor

4 結(jié) 論

通過對電網(wǎng)三相對稱故障下雙饋發(fā)電機(jī)的暫態(tài)分析，推導(dǎo)出了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在故障下的轉(zhuǎn)子電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式，分析了Crowbar 保護(hù)電路的工作特性，搭建了Crowbar 保護(hù)電路并進(jìn)行了實(shí)驗和仿真驗證，取得了良好的效果。

［1］趙群，王永泉，李輝．世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］．機(jī)電工程，2006，23(12):16-18．

［2］關(guān)宏亮，趙海翔，遲永寧，等，電力系統(tǒng)對并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組承受低電壓能力的要求［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(7):79-82．

［3］梁亮，李建林，許洪華．電網(wǎng)故障下雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的無功功率控制策略［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(11):70-73．

［4］Daniel J T，Andrew G，Jawad M K． Fixed-speed wind-generator and wind-park modeling for transient stability studies ［J］． IEEE Transactions on Power Systems，2004，19(4):1911-1917．

［5］閆廣新，李江，張鋒，等． 變速雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越功能仿真［J］． 電網(wǎng)與清潔能源，2009，25(6):49-52．

［6］胡家兵，孫丹，賀益康．電網(wǎng)電壓驟降故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模與控制［J］．電力系統(tǒng)自動化，2006，30(8):21-26．

［7］杜強(qiáng)，張惠娟，張同慶．雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組撬棒電路保護(hù)技術(shù)的研究［J］．電力電子技術(shù)，2011，45(8):48-51．

［8］葉杭冶．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)［M］． 2 版．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［9］李光琦．電力系統(tǒng)暫態(tài)分析［M］． 3 版． 北京:中國電力出版社.2012．

［10］Mohsen Rahimi，Mostafa Parniani． Grid fault ride-through analysis and control of wind turbines with doubly fed induction generators［J］．Electric Power Systems Research，2010(80):184-195．

［11］蔚藍(lán)．分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越問題的若干技術(shù)研究［D］． 上海:上海大學(xué)，2011．

［12］馬文龍．Crowbar 保護(hù)在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)故障穿越中的應(yīng)用［J］．電力自動化設(shè)備，2011，31(7):127-130．

［13］趙靜．重要理論雙饋異與實(shí)踐步風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越時的Crowbar 保護(hù)技術(shù)［D］．杭州:浙江大學(xué)，2011．

［14］黃強(qiáng)．含大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)有功平衡問題研究綜述［J］． 電力建設(shè)，2013，34(4):27-31．

［15］姚駿，廖勇，唐建平． 電網(wǎng)短路故障時交流勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行的勵磁控制策略［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27(30):64-71．