齊桓若，劉其輝

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

隨著能源問題的不斷突出，世界范圍內(nèi)、尤其是我國(guó)，風(fēng)力發(fā)電蓬勃發(fā)展[1-4]。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其具有獨(dú)立的有功、無功調(diào)節(jié)能力[5-6]，易于實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，機(jī)側(cè)變換器所需容量小等優(yōu)點(diǎn)受到了業(yè)界的青睞，但正因?yàn)樗鼨C(jī)側(cè)變換器容量小，也造成其對(duì)電網(wǎng)故障敏感、脆弱的特性[7]。當(dāng)電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)，定子側(cè)電壓跌落，而根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣啥ㄗ哟沛湶粫?huì)突變，定子磁鏈不僅包含周期分量還有暫態(tài)直流分量，此暫態(tài)分量以定子時(shí)間常數(shù)衰減，其最大值與電網(wǎng)電壓降落的大小和電壓降落發(fā)生的時(shí)間有關(guān)。定子磁鏈暫態(tài)直流分量感生出反電動(dòng)勢(shì)暫態(tài)直流分量，它除了與電網(wǎng)電壓降落的大小和電壓降落發(fā)生的時(shí)間有關(guān)外，還與滑差率s成正比。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）運(yùn)行時(shí)滑差率一般較小，故反電動(dòng)勢(shì)周期分量一般比較小。與此同時(shí)，由定子磁鏈周期分量感生出的反電動(dòng)勢(shì)暫態(tài)直流分量的幅值與（s-1）成正比，其大小遠(yuǎn)超過反電動(dòng)勢(shì)周期分量。反電動(dòng)勢(shì)暫態(tài)與周期分量又分別作用于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流暫態(tài)和周期分量。由以上分析可知，轉(zhuǎn)子電流中的暫態(tài)分量往往可以很大[8]。DFIG的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器是由電力電子器件組成的，過流對(duì)他們?cè)斐傻膿p害是毀滅性的，因此低電壓穿越一直是雙饋風(fēng)力發(fā)電重點(diǎn)研究課題之一。電網(wǎng)電壓跌落對(duì)DFIG的影響不僅僅是轉(zhuǎn)子電流升高。由于電網(wǎng)電壓較低網(wǎng)側(cè)變流器功率輸送不出去，會(huì)引起直流母線過電壓，進(jìn)而可能引起直流環(huán)節(jié)電容被損毀。除了以上2點(diǎn)，風(fēng)力機(jī)俘獲的能量與發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率不平衡還可能會(huì)引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高引發(fā)飛車危險(xiǎn)。故成功的低電壓穿越，需要滿足轉(zhuǎn)子側(cè)變流器不過流，直流母線不過壓以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不過限，只有這3方面都滿足要求才稱為實(shí)現(xiàn)了成功的低電壓穿越[9-10]。

目前轉(zhuǎn)子corwbar技術(shù)[11-12]是低穿的主流解決方案，即在檢測(cè)到電網(wǎng)故障引起轉(zhuǎn)子電流過高時(shí)，用電阻短接DFIG的轉(zhuǎn)子并將機(jī)側(cè)變流器旁路，為轉(zhuǎn)子側(cè)的浪涌電流提供一條大阻尼通道，這樣可以有效地控制流過機(jī)側(cè)變流器的電流不過限，避免燒毀機(jī)側(cè)變流器的電力電子器件。也有研究提出chopper[13]解決方案，即在背靠背變流器的直流母線電容旁并聯(lián)一個(gè)電阻，此電阻的通斷由與其串聯(lián)的IGBT控制，當(dāng)直流母線電壓過高，投入chopper來卸荷。

本文在PSCAD仿真平臺(tái)上將crowbar與chopper共同納入主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過理論分析與仿真發(fā)現(xiàn)chopper的加入不僅減小了電網(wǎng)電壓波動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子電流的振蕩；另一方面chopper的加入大大提高了crowbar電阻阻值整定上限，可以有效減小定子無功功率振蕩以及恢復(fù)過程的過渡時(shí)間。在crowbar與chopper配合的硬件電路基礎(chǔ)之上，本文還提出低電壓穿越過程中機(jī)側(cè)變流器的無擾切換控制方法，最后通過仿真驗(yàn)證了這種方法可以大大減少crowbar投切次數(shù)與低穿過渡時(shí)間，并且控制實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單可行。

1 Crowbar與chopper配合的改進(jìn)方式

Crowbar與chopper共同配合的DFIG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[14-15]。

圖1 crowbar與chopper共同配合的DFIG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 The main structure of the DFIG main circuit combined with crowbar and chopper

Crowbar的投切控制信號(hào)由采集到的轉(zhuǎn)子電流信號(hào)決定，crowbar投切判據(jù)采用：當(dāng)三相轉(zhuǎn)子電流任意一相超過轉(zhuǎn)子電流上限Irlimt+時(shí)，crowbar投入；當(dāng)三相轉(zhuǎn)子電流都不大于轉(zhuǎn)子電流下限Irlimit-時(shí)，crowbar切出。Chopper的投切控制信號(hào)由采集到的直流母線電壓決定，chopper投切判據(jù)為：當(dāng)直流母線電壓超過直流母線電壓上限Ulimit+時(shí)投入；當(dāng)直流母線電壓不超過直流母線電壓下限Ulimit-時(shí)切出。Irlimt+、Irlimit-與Ulimit+、Ulimit-分別為轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓的閾值，之所以大小不同是為了實(shí)現(xiàn)一定的延時(shí)，減少不必要的投切。通過控制crowbar與chopper的投切確保流過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流與直流母線電壓不過限，兩者分開控制，可以有效確保機(jī)側(cè)變流器與直流側(cè)電容的安全。

值得注意的是，轉(zhuǎn)子電流的閾值與機(jī)側(cè)變流器的額定電流有密切關(guān)系，若機(jī)側(cè)變流器采用的IGBT容量大，則Irlimit可以相對(duì)大一些，這對(duì)減少crowbar的投切次數(shù)和過渡時(shí)間很有幫助，但會(huì)造成IGBT的資金投入較大。直流側(cè)電壓一般不允許超過額定電壓Un的10%[16]，在仿真中將閾值設(shè)置為1.1Un。

仿真中雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)Tab. 1 Parameters of the DFIG system

電壓跌落后引發(fā)的一系列不良后果究其本質(zhì)是由于能量不平衡引起的，單一crowbar只能提供一條能量泄流通道，而crowbar與chopper配合可以提供兩條能量泄流通道，這必然會(huì)起到更好的效果[17]。Crowbar單獨(dú)作用與crowbar、chopper配合作用的低電壓穿越仿真結(jié)果如圖2所示。圖2中左、右曲線分別為crowbar單獨(dú)作用與crowbar、chopper配合作用的仿真曲線。電網(wǎng)電壓在8～8.625 s跌落80%，兩種方案crowbar阻值相同都為0.3 Ω。從圖中可以看到，crowbar單獨(dú)作用與crowbar、chopper配合作用仿真結(jié)果的主要區(qū)別體現(xiàn)在直流母線電壓上：crowbar、chopper配合作用的直流母線電壓增量被可靠限制在額定電壓的10%（即1.1 kV×1.1=1.21 kV）。其他結(jié)果基本相似。

chopper的加入，還可以大大減小電網(wǎng)電壓恢復(fù)后的過渡時(shí)間與電網(wǎng)電壓突變時(shí)的無功功率振蕩。具體分析如下。

圖2 crowbar單獨(dú)作用與crowbar、chopper配合作用的低電壓穿越仿真結(jié)果Fig. 2 Simulation results of LVRT under the use of the single crowbar and the crowbar cooperated with chopper

許多文獻(xiàn)致力于研究crowbar阻值R整定問題，如文獻(xiàn)[18-19]，研究普遍認(rèn)為若R值太小，對(duì)轉(zhuǎn)子電流的阻尼作用不夠明顯，將大大延長(zhǎng)crowbar的投入時(shí)間。因此R值越大越有利于快速有效的低穿。但是，若R值過大，電壓突變時(shí)較大的轉(zhuǎn)子電流流過crowbar將產(chǎn)生很大的電壓降落，這部分電壓同時(shí)加在了變流器與直流環(huán)節(jié)上，過大的電壓可能會(huì)引起網(wǎng)側(cè)變流器與直流母線電容的損毀。Crowbar與chopper配合的低穿方式可以大大提高crowbar阻值整定上限，當(dāng)直流母線電壓超過了設(shè)定值后，chopper投入卸荷，可以有效保護(hù)網(wǎng)側(cè)變流器與直流母線電容不過壓。

在Crowbar投入期間機(jī)側(cè)變流器被電阻短接，DFIG相當(dāng)于一個(gè)異步電機(jī)，crowbar阻值較大等效于轉(zhuǎn)子電阻大，提高了轉(zhuǎn)子側(cè)的功率因數(shù)，減少了定子無功需求，這對(duì)減弱定子無功的震蕩也有積極作用。

crowbar與chopper配合作用下不同crowbar阻值（左側(cè)曲線為0.3 Ω、右側(cè)1 Ω）的低穿仿真結(jié)果如圖3所示。電網(wǎng)電壓在8.000～8.625 s跌落80%。參考文獻(xiàn)[5]中crowbar阻值整定方程與仿真用雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)，單獨(dú)crowbar作用時(shí)R值上限為0.3 Ω，而圖3仿真結(jié)果表明，加入chopper后crowbar阻值增大，并且隨著crowbar阻值的增大，故障時(shí)crowbar投入時(shí)間減短、投切次數(shù)減少、轉(zhuǎn)子電流波動(dòng)減小、電網(wǎng)電壓突變時(shí)定子無功沖擊也減小，直流母線電壓并沒有隨crowbar阻值增大而升高。

有了chopper的配合，crowbar的阻值理論上可以無限增大，且阻值越大效果越好。但實(shí)際仿真中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)crowbar阻值增大到一定程度后，投切次數(shù)不減反增，這是由于每一次crowbar的投切，相當(dāng)于單刀雙擲開關(guān)在電阻與變流器之間切換，必然會(huì)引起過渡過程，當(dāng)電阻過大時(shí)，切換的擾動(dòng)過大，反而會(huì)引起過渡過程加劇、過度時(shí)間增長(zhǎng)不利于低電壓穿越。故即使有了chopper的配合，crowbar阻值也不能無限增大。

圖3 Crowbar與chopper配合作用下不同crowbar阻值的低穿仿真結(jié)果Fig. 3 Simulation results of the LVRT under different resistances under the use of the crowbar together with chopper

2 電網(wǎng)電壓跌落時(shí)機(jī)側(cè)變流器無擾切換控制策略

低電壓穿越過程中，crowbar投入時(shí)機(jī)側(cè)變流器被短接，故有觀點(diǎn)認(rèn)為此時(shí)機(jī)側(cè)變流器的控制策略不會(huì)影響低穿過程也不用做改變（簡(jiǎn)稱為方案1）。還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，電網(wǎng)電壓跌落導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率無法輸送到電網(wǎng)，此時(shí)令發(fā)電機(jī)有功指令為0（簡(jiǎn)稱為方案2）可以減弱因功率不平衡引起的振蕩。方案1忽略了在機(jī)側(cè)變流器被短路時(shí)，其功率環(huán)中PI控制器仍在運(yùn)算，實(shí)際功率與功率指令的較大差值可能引起PI控制器的飽和，導(dǎo)致crowbar切除、機(jī)側(cè)變流器重新投入電路后短時(shí)間內(nèi)變流器不能對(duì)功率進(jìn)行有效的控制。方案2忽略了有功指令突變?yōu)?引起的變動(dòng)又成為一個(gè)潛在擾動(dòng)增強(qiáng)了過渡過程、增加了過渡時(shí)間?；谝陨戏治觯疚奶岢鲭娋W(wǎng)電壓跌落時(shí)機(jī)側(cè)變流器無擾切換控制策略（簡(jiǎn)稱為方案3），即在檢測(cè)到電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，令機(jī)側(cè)變流器的有功指令和無功指令分別取其有功功率、無功功率實(shí)際值，這樣避免了功率指令值與實(shí)際值懸殊引起的PI控制器的飽和，在故障切除后可以快速有效地對(duì)功率實(shí)現(xiàn)再控制[20-21]。電網(wǎng)電壓跌落時(shí)機(jī)側(cè)變流器無擾切換控制框圖如圖4所示。電網(wǎng)電壓在8.000～8.625 s跌落80%并且采用crowbar與chopper配合的硬件措施，3種方案的低穿仿真結(jié)果如圖5所示。圖5中曲線從上而下依次為方案1、2、3的仿真結(jié)果，Ⅰ為電壓跌落時(shí)刻、Ⅱ?yàn)殡妷夯謴?fù)時(shí)刻、Ⅲ為方案1過渡過程結(jié)束（即crowbar與chopper均不再投入）時(shí)刻、Ⅳ為方案2過渡過程結(jié)束時(shí)刻、Ⅴ為方案3過渡過程結(jié)束時(shí)刻。從圖中可以看出，方案3在機(jī)側(cè)變流器不過流、直流母線電壓不過壓、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不過限的基礎(chǔ)上大大減少了crowbar的投切次數(shù)和過渡時(shí)間，減小了轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，這有利于風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)快速有效的低電壓穿越，仿真結(jié)果證明了機(jī)側(cè)變流器無擾切換的改進(jìn)控制方法的有效性與優(yōu)越性。

圖4 低電壓穿越無擾切換DFIG控制框圖Fig. 4 The control block diagram of the non-disturbing LVRT switching of DFIGs

圖5 3種方案的低穿仿真結(jié)果Fig. 5 Simulation g results of the three LVRT strategies

3 結(jié)論

本文通過理論分析與仿真驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)crowbar與chopper 配合的低電壓穿越方法可以大大提高crowbar阻值整定的上限，進(jìn)而減小轉(zhuǎn)子電流與定子無功功率的波動(dòng)，減少電壓恢復(fù)后的過渡時(shí)間。在crowbar與chopper共同作用的硬件電路基礎(chǔ)之上，配合本文提出的無擾切換的控制策略，可以快速、有效地實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

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