劉引弟LⅠU Yin-di

（內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特 010070）

1 低電壓穿越技術(shù)

風(fēng)電并網(wǎng)質(zhì)量的一個(gè)非常重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是低電壓穿越技術(shù)。根據(jù)我國電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，提出了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的基本要求是，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落了額定值的五分之四時(shí)，風(fēng)電機(jī)組還能繼續(xù)并網(wǎng)，連續(xù)運(yùn)行625ms；風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓由于發(fā)生故障下降后，如果在二百毫秒內(nèi)就能夠恢復(fù)到電網(wǎng)額定值的十分之九，那就要求風(fēng)電機(jī)組可以連續(xù)運(yùn)行而不脫網(wǎng)[1]。對(duì)于大型風(fēng)電場(chǎng)，尤其是裝機(jī)容量超過百萬千瓦以上的，在低電壓穿越過程中還要有動(dòng)態(tài)無功支撐的能力。

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是現(xiàn)在應(yīng)用很廣的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，雙饋異步風(fēng)機(jī)擁有調(diào)節(jié)無功功率的能力，能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，不用單獨(dú)安裝無功補(bǔ)償設(shè)備。

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成主要有風(fēng)力機(jī)、葉片、雙饋發(fā)電機(jī)、變壓器以及背靠背式的變流器等。雙饋異步風(fēng)機(jī)的定轉(zhuǎn)子都和電網(wǎng)相連，這是它與別的發(fā)電機(jī)組的主要區(qū)別，其中定子繞組直接連接到電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子繞組則是通過背靠背式變流器連到電網(wǎng)[2]，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 DFⅠG 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越策略

根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的減小幅度，在雙饋風(fēng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)低壓穿越，可以通過以下三種途徑：

3.1 調(diào)整控制策略

有資料研究求出了在傳統(tǒng)控制下風(fēng)機(jī)定子側(cè)磁鏈狀態(tài)方程的特征根，發(fā)現(xiàn)定子電感和定子電阻決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，假設(shè)把系統(tǒng)控制的內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，所以，有文獻(xiàn)從這個(gè)理論出發(fā)提出了“軟撬棒”控制，“軟撬棒”是根據(jù)電力系統(tǒng)電壓降落的程度來調(diào)整需要補(bǔ)償?shù)斤L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流環(huán)中的電流，從而實(shí)現(xiàn)控制虛擬電阻投入的效果，這個(gè)辦法能夠很好地增大系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，并且還可以減少風(fēng)機(jī)無故障運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)降低，在提高風(fēng)電機(jī)組的低穿特性做出貢獻(xiàn)[3]。

本文中，雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)采用4 個(gè)PI 控制器組成控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的矢量控制中，通過這些控制器，形成風(fēng)機(jī)的PQ 解耦控制，能夠降低控制的難度。控制參數(shù)的整定實(shí)際就是優(yōu)化PI 值，使風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)有最好的控制效果。

3.2 加Crowbar 電路

Crowbar 電路在低壓穿越技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。當(dāng)風(fēng)機(jī)端的電壓因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)波動(dòng)或故障而大幅降低時(shí)，首先要保護(hù)勵(lì)磁變換器的安全、避免轉(zhuǎn)子被燒壞、同時(shí)穩(wěn)定直流母線的電壓，所以要在雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)增一個(gè)保護(hù)電路，即Crowbar 電路。Crowbar 電路結(jié)構(gòu)方便、原理簡(jiǎn)單，而且當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，Crowbar 電路能夠減小故障電流和加快定子暫態(tài)磁鏈的衰減。剛開始時(shí)Crowbar 電路是利用二極管和電阻構(gòu)成，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)將轉(zhuǎn)子短路，從而保護(hù)轉(zhuǎn)子，不過需要用斷路器和接觸器來進(jìn)行控制，投切時(shí)間較長(zhǎng)，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(duì)故障快速響應(yīng)方面受到影響，不符合低壓穿越技術(shù)的要求，在工程中實(shí)用性差[4]，為解決上述問題，采用一種主動(dòng)式Crowbar 電路，它是通過IGBT 構(gòu)成的，如圖2 所示，它采用轉(zhuǎn)子電流和機(jī)端電壓構(gòu)成邏輯觸發(fā)信號(hào)，來控制硬件電路。

圖2 主動(dòng)式Crowbar 電路

3.3 加Chopper 電路

Chopper 電路還叫直流Crowbar 電路，Chopper 電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示，它由IGBT 和電阻串聯(lián)組成，其中IGBT并聯(lián)續(xù)流二極管。它在變流器的DC 這一側(cè)并聯(lián)直流卸荷回路，當(dāng)電網(wǎng)有短路故障時(shí)，直流分量出現(xiàn)的高壓超過器件耐受電壓時(shí)，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(wěn)定，從而防止燒壞雙饋風(fēng)機(jī)的變頻器。

圖3 Chopper 電路的DFⅠG

雙饋風(fēng)機(jī)低壓穿越過程的控制步驟如下：

①風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)變流器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，轉(zhuǎn)子側(cè)的Crowbar 保護(hù)電路立刻啟動(dòng)，而轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器閉鎖。

②這時(shí)變流器的另一側(cè)還在與電網(wǎng)連接，穩(wěn)定直流母線電壓，當(dāng)發(fā)現(xiàn)直流母線電壓過大或電網(wǎng)側(cè)變流器電流過大時(shí)，投入Chopper 卸荷電路，同時(shí)調(diào)整它與電網(wǎng)交換功率的控制目標(biāo)。

③當(dāng)檢測(cè)到風(fēng)機(jī)運(yùn)行的指標(biāo)全部正常，退出Crowbar保護(hù)電路與Chopper 卸荷電路，風(fēng)機(jī)恢復(fù)正?？刂?，變流器恢復(fù)正常運(yùn)行。

4 雙饋風(fēng)機(jī)在PSCAD 中建模仿真

雙饋感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)類似于繞線式異步電機(jī)，只是它的轉(zhuǎn)子繞組要連接變流器[5]。雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相對(duì)靜止，工作原理類似于同步發(fā)電機(jī)。要研究雙饋電機(jī)的工作原理首先需要進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，風(fēng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子分別采用發(fā)電機(jī)慣例和電動(dòng)機(jī)慣例，在PSCAD 電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)中對(duì)雙饋式風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行建模，建模方式為等值建模[6]。

雙饋機(jī)端電壓0.69kV，經(jīng)過0.69kV/0.69kV/35kV 的升壓變壓器接入35kV 線路，線路長(zhǎng)度3km，然后通過35/110kV 升壓變壓器并入系統(tǒng)。雙饋電機(jī)額定輸出功率5MW，額定風(fēng)速設(shè)置為11m/s，在PSCAD 軟件中建模如圖4 所示。

圖4 雙饋風(fēng)機(jī)在PSCAD 中結(jié)構(gòu)

在PSCAD 軟件中設(shè)置風(fēng)速為額定風(fēng)速11m/s，設(shè)置故障為三相短路，在35kV 電纜線路中點(diǎn)，故障發(fā)生在仿真運(yùn)行3s 時(shí)，故障持續(xù)時(shí)間0.625s，現(xiàn)在將系統(tǒng)不采取任何低電壓穿越措施和投入Crowbar 和Chopper 以及網(wǎng)側(cè)雙環(huán)低穿策略兩種情況下，雙饋機(jī)組并網(wǎng)模型電網(wǎng)側(cè)在故障發(fā)生前、故障發(fā)生時(shí)和故障產(chǎn)生后的電壓電流大小和直流母線上的電壓等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 系統(tǒng)不采取任何低電壓穿越措施

系統(tǒng)不采取任何低穿措施時(shí)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障，電網(wǎng)電壓會(huì)快速降低，對(duì)電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備軸系機(jī)械動(dòng)力產(chǎn)生很大的沖擊，直流母線會(huì)出現(xiàn)非常大的沖擊電壓，約為2000V，轉(zhuǎn)子短路電流瞬間增大，最大值可達(dá)額定電流的4 倍，由于雙饋發(fā)電機(jī)變流器額定容量一般比較小，所以，會(huì)對(duì)變流器造成很嚴(yán)重的影響，電網(wǎng)側(cè)有功和無功功率也都降低，故障后逐漸恢復(fù)正常。

圖5 無低穿保護(hù)措施時(shí)

4.2 系統(tǒng)投入Crowbar 和Chopper 以及網(wǎng)側(cè)雙環(huán)低穿策略后

投入Crowbar 和Chopper 以及網(wǎng)側(cè)雙環(huán)低穿策略綜合保護(hù)措施時(shí)風(fēng)電模型系統(tǒng)直流母線電壓波形如圖6 所示，分析波形能看出，電網(wǎng)發(fā)生故障后主動(dòng)式Crowbar 投入，同時(shí)，可以反復(fù)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(hù)措施時(shí)的電壓峰值低。

圖6 綜合低穿保護(hù)措施時(shí)

5 結(jié)論

投入Crowbar 和Chopper 以及網(wǎng)側(cè)雙環(huán)低穿策略綜合保護(hù)措施，在電網(wǎng)發(fā)生故障，電壓突然降低時(shí)，主動(dòng)式Crowbar 電路投入，把轉(zhuǎn)子短路，以此可以保護(hù)轉(zhuǎn)子測(cè)變流器，同時(shí)，可以通過Chopper 電路穩(wěn)定電容器兩端的電壓，使雙饋風(fēng)機(jī)可以正常運(yùn)行，過多的能量會(huì)被Crowbar 和Chopper 電路中的卸荷電阻吸收掉，電網(wǎng)故障解決后可以馬上觸發(fā)信號(hào)，Crowbar 電路和Chopper 電路都退出，而機(jī)側(cè)變流器投入工作，雙饋風(fēng)機(jī)能夠快速響應(yīng)，正常對(duì)電網(wǎng)輸送功率，各參數(shù)滿足并網(wǎng)的要求。