《電子技術(shù)應(yīng)用》
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雙饋系統(tǒng)在電網(wǎng)故障下不間斷運(yùn)行的研究
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第8期
杜韋辰1，曹 正2
1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程系，甘肅 蘭州730060； 2.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050
摘要： 為更好地研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)在一定的電網(wǎng)電壓跌落故障下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以單臺(tái)1.5 MW 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了Crowbar電路，通過構(gòu)建電網(wǎng)電壓跌落仿真模型，分別對(duì)機(jī)端電壓、電流、轉(zhuǎn)子電流、輸出的有功功率和無功功率、直流側(cè)電壓、電磁轉(zhuǎn)矩在故障期間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了仿真。探討了相應(yīng)的控制策略，為進(jìn)一步研究低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)下的控制策略提供了依據(jù)，同時(shí)也為研制兆瓦級(jí)變頻器打下基礎(chǔ)。測(cè)量結(jié)果表明這種控制方式能使DFIG在電壓跌落故障下實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)行，有效提高了DFIG風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性。
中圖分類號(hào)： TM711；TM614
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)08-0063-03
Study on uninterruptable operation of doubly fed induction generators during a voltage dip in the grid
Du Weichen1，Cao Zheng2
1.College of Electrical and Electronic Engineering，Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology, Lanzhou 730060，China； 2.College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050，China
Abstract： To research the dynamic response of wind power generation unit under certain grid voltage sag in depth, taking single doubly-fed induction generator (DFIG) with capacity of 1.5 MW, and design Crowbar circuit by means of building simulation models of grid voltage sag, the dynamic responses of terminal voltage, stator current, rotor current, active power output and reactive power output, voltage at DC side and electromagnetic torque during the fault are simulated respectively. Through the simulation results, corresponding control strategies, which are available for reference to further research on control strategy based on the standard of LVRT, are investigated，as well as researching foundation of inverter in MW level.
Key words : doubly-fed induction generator；voltage sag；Crowbar circuit；low-voltage ride through

    隨著當(dāng)今世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量逐年上升,風(fēng)力發(fā)電所占電網(wǎng)供電比例也升高。因此,必須考慮電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響[1]。在電網(wǎng)電壓跌落的情況下,風(fēng)電機(jī)組中的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子側(cè)過流和過壓[2-3]，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變頻器直流側(cè)電壓升高,發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變頻器的過電流以及有功和無功都會(huì)產(chǎn)生振蕩[4-5]。隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的不斷增加, 越來越多的國(guó)家對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)電網(wǎng)制定了規(guī)則，要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有較強(qiáng)的低電壓穿越（LVRT）能力[5-6]。

    近年來，對(duì)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及相應(yīng)控制策略的研究已取得了一些成果。參考文獻(xiàn)[6]考慮了故障下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，針對(duì)不同程度的電壓跌落情況進(jìn)行了仿真，參考文獻(xiàn)[7]仿真并比較了3 種不同程度電網(wǎng)電壓跌落故障下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但所選的這3種情況并沒有依據(jù)一定的LVRT 標(biāo)準(zhǔn)曲線。參考文獻(xiàn)[8]主要從Crowbar阻值的選取對(duì)保護(hù)控制的影響來研究。參考文獻(xiàn)[9]提出一種Crowbar電路并且進(jìn)行仿真驗(yàn)證?；谀茉吹男枨螅萘恐饾u在增大，理論已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，但大多數(shù)技術(shù)都是由國(guó)外掌握。為了開發(fā)兆瓦級(jí)變頻器，本文對(duì)DFIG系統(tǒng)的雙PWM變流器控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)提出一種Crowbar裝置設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了仿真，然后裝機(jī)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了兆瓦級(jí)變頻器的真正國(guó)產(chǎn)化。
1 DFIG系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    圖1為帶有Crowbar電路的DFIG系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。DFIG的定子與電網(wǎng)直接相連，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器由雙PWM變流器構(gòu)成，連在轉(zhuǎn)子端的變換器稱為機(jī)側(cè)變換器，電網(wǎng)端的變換器稱為網(wǎng)側(cè)變換器。該電路的作用是在電網(wǎng)電壓跌落的瞬間投入運(yùn)行，對(duì)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的過電流提供一條旁路通道，防止過電流損壞變流器，然后Crowbar電路配合雙PWM變流器在故障期間運(yùn)行。

 

4.2 仿真結(jié)果分析
    從圖3所示的仿真波形可以看出，當(dāng)定子電壓在0.07 s發(fā)生跌落時(shí)，定子電流先增大后減小，并穩(wěn)定在一個(gè)值，這主要由所產(chǎn)生的直流分量引起。由于定轉(zhuǎn)子磁鏈之間的耦合作用，定子的過電流同時(shí)造成了轉(zhuǎn)子的過電流。而電磁轉(zhuǎn)矩也有波動(dòng)。直流側(cè)電壓在電壓跌落和電壓恢復(fù)時(shí)都因功率波動(dòng)而產(chǎn)生振蕩。但定、轉(zhuǎn)子側(cè)電流除在電壓跌落時(shí)有振蕩外，其他時(shí)間都保持穩(wěn)定，并且在跌落時(shí)響應(yīng)的時(shí)間也非?？?。轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子端無功電流有關(guān)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子端無功電流具有一致性。有功功率和無功功率僅在故障發(fā)生和恢復(fù)時(shí)發(fā)生振蕩，發(fā)電機(jī)在故障發(fā)生時(shí)向電網(wǎng)發(fā)出少量無功功率，在故障恢復(fù)時(shí)向電網(wǎng)吸收少量無功功率，而直流側(cè)電壓比較穩(wěn)定，在電壓跌落時(shí)波動(dòng)也很小，并且能使直流側(cè)電壓快速的穩(wěn)定在1 200 V上。
5 電網(wǎng)LVRT故障不脫網(wǎng)運(yùn)行的測(cè)量
    測(cè)量的變頻器功率是1.5 mV，正常電壓為690 V，正常電流為1 255 A，直流側(cè)額定電壓為1 200 V，頻率為50 Hz，額定轉(zhuǎn)速為1 755 r/min, 電壓跌落到60%，跌落時(shí)間180 ms，t=920 ms時(shí)電網(wǎng)電壓才完全恢復(fù)，瞬間短路電流小于2.5 iN。電壓瞬降同步時(shí)間小于280 ms；電壓恢復(fù)同步時(shí)間小于230 ms；出錯(cuò)電流響應(yīng)時(shí)間小于30 ms。測(cè)量得到的線電壓、線電流波形如圖4所示。

 

 

    圖4的電壓波形是電壓跌落到保留電壓的60%時(shí)的線電壓波形。跌落時(shí)，輸出電壓從600 V跌到360 V，跌落至原來電壓的60%左右。從這兩個(gè)波形可以看出，電壓跌落發(fā)生及恢復(fù)時(shí)，電壓在過零點(diǎn)銜接得很好，沒有出現(xiàn)電壓中斷、電壓尖峰等，跌落時(shí)間為130 ms。圖4所示的電流波形是電壓突降到保留電壓的60%的線電流波形。從兩圖可以看出，跌落發(fā)生時(shí)電流變大（這主要是為了維持功率平衡），但仍然基本維持和電壓同相，電壓恢復(fù)后，電流恢復(fù)正常，整個(gè)過程顯示雙閉環(huán)控制對(duì)系統(tǒng)有較好的控制效果。
    以歐洲的風(fēng)電場(chǎng)LVRT 標(biāo)準(zhǔn)曲線為參考來研制兆瓦級(jí)雙饋系統(tǒng)。首先通過構(gòu)建雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型進(jìn)行仿真,從仿真波形來分析理論的可行性。然后通過測(cè)量1.5 mW的變頻器，從測(cè)量結(jié)果可以看出，在電網(wǎng)電壓故障時(shí)能實(shí)現(xiàn)較好的低電壓穿越。本文的研究為研制更大一級(jí)變頻器提供了理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。
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