方澤欽， 楊俊華， 陳思哲， 吳 捷

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

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基于可變頻變壓器的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越控制

方澤欽1， 楊俊華1， 陳思哲1， 吳 捷2

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

在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落故障期間，基于Crowbar電路的雙饋風(fēng)力發(fā)電(DFIG)系統(tǒng)需吸收大量無功功率。為提高DFIG風(fēng)電機組并網(wǎng)運行穩(wěn)定性，提出增設(shè)可變頻變壓器(VFT)新方案。VFT由雙饋電機、直流電機及驅(qū)動器構(gòu)成。Crowbar電路動作后，通過控制低電壓穿越(LVRT)期間的VFT轉(zhuǎn)速來抑制系統(tǒng)轉(zhuǎn)差率，減小系統(tǒng)無功功率吸收量，基于MATLAB/Simulink平臺，進行了暫態(tài)仿真研究。結(jié)果表明，故障期間在Crowbar電路起動后，所提控制策略能避免系統(tǒng)從電網(wǎng)中吸收過量無功功率，避免發(fā)電機轉(zhuǎn)差率越限，有助于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，DFIG風(fēng)電機組的LVRT性能提高。

雙饋電機； Crowbar； 可變頻變壓器； 低電壓穿越

0 引 言

交流勵磁變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(Doubly- Fed Induction Generator, DFIG)以其調(diào)速范圍寬、發(fā)電效率高、有功和無功功率可獨立調(diào)節(jié)以及所需勵磁變頻器容量較小等優(yōu)點[1-3]，成為現(xiàn)代大容量風(fēng)電機組的主流形式。DFIG系統(tǒng)的發(fā)電機定子繞組直接連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過雙PWM變換器控制轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值和相位，輸出量分別對應(yīng)頻率、無功功率和有功功率。由于DFIG風(fēng)電機組的定子繞組直接并網(wǎng)，其對電網(wǎng)擾動，尤其是電壓跌落故障非常敏感，因其勵磁變換器容量較小，對DFIG的控制能力有限。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生嚴重故障跌落時，會導(dǎo)致DFIG定子繞組中有較大的沖擊電流產(chǎn)生，加上定、轉(zhuǎn)子間的電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組和變換器中的電流也較大[4-5]，為避免變換器損壞，保護設(shè)備動作，機組需跳閘脫離電網(wǎng)[6]。然而，隨著DFIG風(fēng)電系統(tǒng)穿透率的提高，電網(wǎng)電壓跌落期間風(fēng)電機組大規(guī)模脫網(wǎng)將會直接危害電網(wǎng)安全運行，嚴重時可導(dǎo)致電網(wǎng)解列崩潰[7-9]。為此，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在電網(wǎng)故障電壓跌落一定范圍和時間內(nèi)，風(fēng)電機組應(yīng)具備不間斷并網(wǎng)運行能力，且能向電網(wǎng)提供一定的無功功率支撐電網(wǎng)恢復(fù)，從而使機組具備低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)能力[10]。

為解決DFIG風(fēng)電機組的LVRT問題，現(xiàn)今通用的方法是在DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)短接Crowbar保護電路。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，通過激活Crowbar電路，短接轉(zhuǎn)子側(cè)繞組[11]，保護轉(zhuǎn)子勵磁變換器的安全，并使DFIG系統(tǒng)作為籠型異步發(fā)電機繼續(xù)運行；文獻[12-13]通過仿真平臺試驗結(jié)果，同樣驗證了增設(shè)Crowbar保護電路能有效提高雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力；文獻[14-15]分析Crowbar電路中串聯(lián)電阻阻值選擇的合理性，指出通過適當(dāng)增大串聯(lián)電阻可快速消耗過剩的故障能量，有助于電網(wǎng)電壓恢復(fù)，但阻值過大亦會導(dǎo)致直流母線過電壓，縮短儲能電容器使用壽命；文獻[16]分析了Crowbar電路的投切時刻對DFIG系統(tǒng)的影響，退出過早不能有效抑制轉(zhuǎn)子側(cè)的暫態(tài)電流，同時會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流暫態(tài)擾動過大，退出過晚則可能導(dǎo)致短路故障切除后Crowbar仍在運行，不利于電網(wǎng)電壓恢復(fù)。盡管增加Crowbar電路可保證機組在故障狀態(tài)下繼續(xù)并網(wǎng)運行，但機組運行方式由雙饋發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惒桨l(fā)電狀態(tài)，需從電網(wǎng)吸收大量無功功率，嚴重阻礙故障下的電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

針對故障狀態(tài)下含Crowbar電路的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需從電網(wǎng)吸收無功功率問題[17]，提出電網(wǎng)電壓故障跌落工況下增設(shè)VFT的新型拓撲結(jié)構(gòu)，通過加裝VFT裝置改善系統(tǒng)穩(wěn)定性能，同時通過調(diào)節(jié)VFT的轉(zhuǎn)速抑制故障下系統(tǒng)轉(zhuǎn)差率增大，減小系統(tǒng)從電網(wǎng)中吸收無功功率。此外，故障期間調(diào)節(jié)VFT的轉(zhuǎn)速還能為系統(tǒng)提供無功功率支撐，協(xié)助電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)，實現(xiàn)LVRT；應(yīng)用MATLAB/Simulink軟件仿真驗證了所提出拓撲結(jié)構(gòu)及LVRT控制方法的有效性。

1 雙饋發(fā)電系統(tǒng)短路故障時運行特性

1.1 含Crowbar保護電路的DFIG系統(tǒng)

含Crowbar保護電路的DFIG系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，機組的定子側(cè)繞組直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)繞組經(jīng)過雙PWM變換器連接電網(wǎng)。

圖1 含Crowbar保護電路的DFIG系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)電壓驟降時，轉(zhuǎn)子繞組耦合感生出5～10倍額定電流值的暫態(tài)電流[18]，遠遠超出了變換器的最大耐受沖擊電流。當(dāng)Crowbar控制器檢測到轉(zhuǎn)子側(cè)電流增大到預(yù)定閾值時，Crowbar電路被激活投入，短接轉(zhuǎn)子繞組并封鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，保護變換器免遭過電流損害，此時發(fā)電機進入籠型異步發(fā)電機運行，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器也同時失去了對電機原有的控制作用，但網(wǎng)側(cè)變換器仍然保持并網(wǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流衰減至低于晶閘管的維持電流時，Crowbar電路自動切除，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器重新投入工作。

1.2 Crowbar電路動作后機組無功特性

根據(jù)電機基本理論，Crowbar電路動作后的等效電路如圖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感：

(1)

式中:r1、r2、Rcw——定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻和Crowbar電路上串聯(lián)的電阻；

x1σ、x2σ、xm——定、轉(zhuǎn)子漏電感和勵磁電感；

s——轉(zhuǎn)差率。

發(fā)電機系統(tǒng)輸出的有功功率和無功功率為

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)，可獲得不同電壓等級下DFIG的無功功率-轉(zhuǎn)差率曲線如圖3所示。由圖3可見，在某一端電壓下，隨著轉(zhuǎn)差率絕對值的增大，DFIG從電網(wǎng)吸收的無功功率將急劇增加。因此，在LVRT期間，需控制DFIG的轉(zhuǎn)差率在允許范圍內(nèi)，進而有效抑制無功功率的吸收量。

圖3 不同電壓下DFIG的無功功率-轉(zhuǎn)差率關(guān)系(Rcw=1.2Ω)

2 VFT控制原理和模型

2.1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及機理

圖4為基于VFT的DFIG風(fēng)電機組LVRT拓撲結(jié)構(gòu)，針對含Crowbar電路的雙饋風(fēng)電機組主流拓撲結(jié)構(gòu)，新增一套由雙饋電機、直流電機、直流電機驅(qū)動器構(gòu)成的VFT裝置，VFT為虛線框內(nèi)部分。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲

圖4所示系統(tǒng)中，在電網(wǎng)電壓跌落故障期間接入Crowbar電路，同時主控系統(tǒng)通過直流電機驅(qū)動器控制直流電機和雙饋電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對VFT轉(zhuǎn)速的控制，使DFIG定子繞組的頻率和電壓幅值跟隨DFIG轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化，獲得有助于實現(xiàn)LVRT的控制效果： (1) Crowbar裝置和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制方案，可有效防止轉(zhuǎn)子側(cè)變流器因過電壓、過電流而損壞，維持機組繼續(xù)并網(wǎng)運行；(2) DFIG定子繞組電壓升高，可增大電磁轉(zhuǎn)矩，延緩轉(zhuǎn)速上升，更好地控制和改善DFIG系統(tǒng)運行穩(wěn)定性；(3) 隨轉(zhuǎn)速調(diào)整DFIG同步轉(zhuǎn)速，避免轉(zhuǎn)差率過大導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩過度衰減和無功消耗劇增，避免轉(zhuǎn)速和端電壓失穩(wěn)。

2.2 VFT數(shù)學(xué)模型

通過VFT可實現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)，實質(zhì)是在一側(cè)系統(tǒng)的頻率上疊加一個由雙饋電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電氣頻率分量，合成頻率等于另一側(cè)系統(tǒng)頻率。定子磁場轉(zhuǎn)速由定子電流頻率決定，而轉(zhuǎn)子繞組電流形成的磁場轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)子電流頻率與轉(zhuǎn)子(電氣)轉(zhuǎn)速的合成[19]。穩(wěn)態(tài)時有

fr=f1-f2

(3)

式中：fr——雙饋電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率(折算為電氣頻率)；

f1、f2——定子、轉(zhuǎn)子側(cè)電網(wǎng)頻率。

此拓撲結(jié)構(gòu)下的VFT，功能上相當(dāng)于一臺具有移相功能的變壓器，需滿足磁動勢方程

N1i1=-N2i2

(4)

式中:N1、N2——定子、轉(zhuǎn)子繞組有效匝數(shù)；

i1、i2——流出定子、轉(zhuǎn)子繞組的電流。

電壓方程

U1=4.44f1N1φ

(5)

U2=4.44f2N2φ

(6)

故式(6)可化為

(7)

式中:Φ——氣隙磁通。

通過調(diào)節(jié)VFT轉(zhuǎn)速可同時改變其轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓幅值和頻率。

VFT的電壓相量關(guān)系如圖5所示。

圖5 VFT電壓相量關(guān)系

圖5中，U1、U2分別為定、轉(zhuǎn)子電壓相量，旋轉(zhuǎn)角速度為ω1和ω2，相角為θ1和θ2，θr為轉(zhuǎn)子相對于定子的相角。傳遞功率為

(8)

式中:X——定、轉(zhuǎn)子繞組間的電抗。

當(dāng)θnet=θ1-(θ2+θr)時，VFT傳輸?shù)墓β始礊?。通過VFT中雙饋電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，改變定子電流磁場與轉(zhuǎn)子繞組電流磁場的相對位置，改變θr、θnet，可以改變VFT的傳輸功率。

VFT轉(zhuǎn)子運動方程

(9)

(10)

式中:J——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；

Td——施加于轉(zhuǎn)子上的機械轉(zhuǎn)矩；

T2、T1——轉(zhuǎn)子、定子繞組施加于轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩。

2.3 VFT轉(zhuǎn)速控制及直流驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

VFT中，采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制直流電機進而控制DFIG轉(zhuǎn)速，直流驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計如圖6所示。

圖6 VFT轉(zhuǎn)速控制策略

為獲得良好的動、靜態(tài)特性，系統(tǒng)采用PI轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器[20]。當(dāng)電網(wǎng)正常運行時，控制開關(guān)設(shè)定在狀態(tài)1，以額定值(這里設(shè)定值為0)作為外環(huán)轉(zhuǎn)速控制量，使得VFT的轉(zhuǎn)速接近于0，DFIG運行于電網(wǎng)頻率；當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，控制開關(guān)切換到狀態(tài)2，根據(jù)DFIG的轉(zhuǎn)速偏差產(chǎn)生外環(huán)轉(zhuǎn)速控制量，控制直流電機轉(zhuǎn)矩，進而調(diào)節(jié)DFIG轉(zhuǎn)速，改變DFIG定子頻率，維持額定轉(zhuǎn)差率，使其在電網(wǎng)故障清除后能迅速恢復(fù)電磁轉(zhuǎn)矩并減少無功功率消耗，避免轉(zhuǎn)速和端電壓失穩(wěn)，實現(xiàn)LVRT。

3 仿真分析

為驗證含Crowbar電路的DFIG系統(tǒng)加裝VFT裝置控制方案后提高低電壓穿越能力的有效性，基于MATLAB/Simulink仿真平臺，建立了DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。

DFIG參數(shù)為： 額定功率1.5MW，額定電壓575V，額定頻率50Hz，直流母線電壓800V，定子電阻0.023p.u.，轉(zhuǎn)子電阻0.016p.u.，定子漏感0.18p.u.，轉(zhuǎn)子漏感0.16 p.u.，定轉(zhuǎn)子互感2.9 p.u.，慣性時間常數(shù)0.685，摩擦因數(shù)0.01，極對數(shù)3。

VFT中雙饋電機參數(shù)： 額定功率1.5MW，額定電壓575V，額定頻率50Hz，定子電阻0.012p.u.，轉(zhuǎn)子電阻0.007p.u.，定子漏感0.012p.u.，轉(zhuǎn)子漏感0.09p.u.，定轉(zhuǎn)子互感5.6p.u.，慣量時間常數(shù)(含直流電機)0.658，摩擦因數(shù)0.05479，極對數(shù)3。

VFT中直流電機參數(shù)： 電樞電阻0.0487Ω，電樞電感0.00096H，勵磁電阻38.7160Ω，勵磁電壓560V，電樞繞組和勵磁繞組互感1.3537H。

LVRT仿真分析針對兩種模型進行： 模型1為含Crowbar電路的DFIG風(fēng)電機組；模型2在模型1基礎(chǔ)上增加VFT控制。設(shè)定電網(wǎng)電壓在t=2s時發(fā)生短路故障，電壓跌落至額定電壓的10%，故障在2.6s時刻被清除，并在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后的t=2.7s時刻切除轉(zhuǎn)子側(cè)交流Crowbar電路。對比研究VFT裝置控制方案加裝前后的系統(tǒng)低電壓穿越能力。

模型1的仿真結(jié)果如圖7所示。在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落期間，由于DFIG的電磁轉(zhuǎn)矩大幅降低，風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速迅速上升。在2.7s后，雖然電網(wǎng)電壓已恢復(fù)到額定值，但轉(zhuǎn)差率已超過臨界值，電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法恢復(fù)，且DFIG還從電網(wǎng)吸收大量無功功率，轉(zhuǎn)子繞組電流仍不斷增大，到3.8s后，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器電流幅值超過Crowbar保護臨界值，使Crowbar電路重新投入工作，而轉(zhuǎn)子側(cè)變換器則停止運行，導(dǎo)致定子端電壓再次跌落，直流環(huán)節(jié)電壓失穩(wěn)?？梢?，在電網(wǎng)電壓跌落故障下，DFIG轉(zhuǎn)差率一旦超過臨界值，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速和端電壓失穩(wěn)，無法實現(xiàn)LVRT。

圖7 模型1仿真結(jié)果

模型2的仿真結(jié)果如圖8所示，電網(wǎng)電壓跌落期間DFIG電磁轉(zhuǎn)矩大幅降低，機組轉(zhuǎn)速迅速上升，此時VFT轉(zhuǎn)速控制切換為LVRT模式，控制轉(zhuǎn)差率不超標(biāo)。電網(wǎng)電壓恢復(fù)后DFIG的電磁轉(zhuǎn)矩即可恢復(fù)正常，無功功率和定子端電壓也迅速恢復(fù)。可見，在電網(wǎng)電壓跌落期間，通過調(diào)節(jié)VFT，可實現(xiàn)DFIG的LVRT。與模型1相比，DFIG風(fēng)電機組的電磁轉(zhuǎn)矩波動、機組轉(zhuǎn)速升幅、轉(zhuǎn)子繞組電流最大幅值、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器電流最大幅值、直流環(huán)節(jié)電壓波動均明顯減小。有助于電網(wǎng)電壓恢復(fù)后風(fēng)電系統(tǒng)快速恢復(fù)正常工作狀態(tài)，使系統(tǒng)更好地實現(xiàn)LVRT。

圖8 模型2仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

電網(wǎng)發(fā)生嚴重電壓跌落故障時，基于Crowbar電路的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通常起動Crowbar電路以提高系統(tǒng)的LVRT能力，但此時DFIG系統(tǒng)進入了類似于并網(wǎng)籠型異步發(fā)電機運行狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)速急劇上升，可能導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)差率越限進而失去控制，還需從電網(wǎng)中吸收大量無功功率，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓恢復(fù)困難。通過增加VFT控制裝置，調(diào)節(jié)VFT轉(zhuǎn)速，使雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子繞組頻率主動匹配電機轉(zhuǎn)速，減少無功功率吸收，避免電機轉(zhuǎn)差率超過臨界值而引發(fā)的電網(wǎng)電壓二次跌落，提高了DFIG的低電壓穿越性能。

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Low Voltage Ride Through Control of Doubly-Fed Induction Generator Based on Variable Frequency Transformer

FANGZeqin1,YANGJunhua1,CHENSizhe1,WUJie2

(1. College of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;2. School of Electric Power South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

The vast grid reactive power would be absorbed by the crowbar-based doubly-fed induction generator (DFIG) wind turbine when grid voltage dip fault. To improve the stability of power grid with DFIG wind turbines, a new low voltage ride-through (LVRT) control strategy was proposed for DFIG wind turbine by adding a variable frequency transformer (VFT) between DFIG and grid. The VFT was composed of a doubly-fed induction machine, a DC motor and its drive system. During the crowbar circuit active, the slip of DFIG could be restrained with controlling the rotary speed of VFT during LVRT to reduce the amount of reactive power consumption. With MATLAB/Simulink simulation platform, the dynamic process of DFIG system was simulated during the voltage sag. The simulation results showed that the amount of reactive power absorbed by DFIG system from grid could be decreased and the slip ratio of DFIG could be limit below the critical value with the proposed control strategy during voltage sag, which contributes to the recovery of the grid voltage and improves the LVRT performance of DFIG wind turbine.

doubly-fed induction generator(DFIG)； crowbar； variable frequency transformer； low voltage ride through(LVRT)

國家自然科學(xué)基金資助項目(51307025, 513770265, 5177050); 廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研合作專項資金項目(2013B090500089)；廣東省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項目(2013KJCX0059)

方澤欽(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越。

楊俊華(1965—)，男，博士研究生，教授，研究方向為電機電器及其控制，風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計與控制。

TM 614；TP 273

A

1673-6540(2016)10- 0089- 07

2016-02-29

陳思哲(1981—)，男，博士研究生，副教授，研究方向為風(fēng)力發(fā)電機組控制、交流傳動控制。

吳 捷(1937—)，男，教授，研究方向為新能源發(fā)電中的控制與電力電子技術(shù)。