1、第 38卷 第 23期 電 力 系 統 保 護 與 控 制 Vol.38 No.23 2010年 12月 1日 Power System Protection and Control Dec. 1, 2010 基于主動式 IGBT 型 Crowbar 的雙饋風力發電系統 LVRT 仿真研究蘇 平 1, 張靠社 2(1.西北電網有限公司西安輸變電運行公司,陜西 西安 710075; 2.西安理工大學水利水電學院,陜西 西安 710048摘要:討論了電網電壓驟降下雙饋感應風電(DFIG系統的低壓穿越控制策略和保護方案。在分析主動式 IGBT 型 Crowbar 電路的拓撲結構以及電網電壓跌落時 C

2、rowbar 電路作用的基礎上, 采用計及電網電壓變化的 DFIG 數學模型, 建立了 LVRT 控 制模型。通過仿真詳細研究了 Crowbar 投切策略,仿真結果驗證了 Crowbar 電路以及控制策略的有效性,表明 Crowbar 電路 能有效抑制轉子過電流、直流母線過電壓以及電磁轉矩的振蕩,并可在故障時向電網注入無功電流以幫助電網電壓的恢復, 使 DFIG 實現低電壓穿越。關鍵詞:雙饋感應電機;電壓跌落;風力發電;Crowbar;低電壓穿越Simulation research for LVRT of DFIG with active IGBT CrowbarSU Ping1, ZHAN

3、G Kao-she2(1. Xian Transmission and Transformation Operation Company, Northwest China Grid Company Limited, Xian 710075, China; 2. Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering, Xian University of Technology, Xian 710048, China Abstract :The LVRT control strategy and protection schemes

4、 of DFIG are discussed in condition of large external voltage dipOn the . basis of analyzing active IGBT Crowbar circuit topology as well as the effect of the Crowbar circuit to the fault during grid voltage dip the DFIG mathematical model with con, sidering the changed grid voltage is adopted and t

5、he control model of LVRT is established The switching strategy of Crowbar is researched in detail during simulationThe simulation results verify that Crowbar . .circuit and the control strategy are active and prove that Crowbar control strategy could limit the over current in the rotor and the over

6、voltage of the DC bus as well as the transient oscillation of the electromagnetic torque efficiently. Moreover , a reactive current is injected into the grid to assist the recovery of the grid voltagewhich is in favor of achieving the LVRT of DFIG, .Key words:doubly fed induction generator(DFIG ; vo

7、ltage dip; wind power ; Crowbar ; low voltage ride through(LVRT 中圖分類號: TM614 文獻標識碼:A 文章編號: 1674-3415(201023-0164-080 引言目前大型變速恒頻風力發電系統中雙饋電機占 了很大比重,隨著雙饋感應風力發電機組單機容量 和裝機容量的不斷增大,發電機與電網的相互影響 變得越來越重要 1。根據電網規程的新要求,在電 網發生故障如電壓跌落(處于一定范圍內時,風 力發電機裝置必須保持和電網相連。因此雙饋感應 發電機組低電壓穿越(LVRT 已成為國內外學者 的研究熱點之一。風力發電技術領先的國家已經

8、相 繼發布了故障穿越的定量標準 2-4。當電網發生短路等電壓跌落故障時,雙饋感應 發電機機端電壓驟降,這導致定、轉子繞組出現暫 態電流,控制轉子電流則需要增加轉子電壓,當所 需的轉子電壓超過變頻器的電壓限制, 就會使得定、 轉子電流上升,如果轉子電流超過變流器承受的電 流限額,會損壞變流器。此外,由于暫態過程中機 械、電氣功率的不平衡會導致 DC-Link 上出現過、 欠電壓,電磁轉矩的衰減以及傳動軸柔性等因素還 會導致轉速上升以及轉矩、轉速等的振蕩 5-7。 當外部故障不嚴重時 , 可以通過改進控制策略 使雙饋機組實現低電壓穿越。文獻 8-11 對雙饋機 傳統數學模型進行了改進 , 計及定子

9、磁鏈的暫態過 程,并以此得出新的控制策略。與傳統控制策略相 比 , 此法實現了故障過程中對轉子電流較好地控制, 但故障過程中轉子電壓波動會比傳統方法稍大。蘇 平, 等 基于主動式 IGBT 型 Crowbar 的雙饋風力發電系統 LVRT 仿真研究 - 165 -對于嚴重的電網故障 , 僅僅改進控制策略難以 控 制 轉 子 的 過 電 流 和 過 電 壓 。 目 前 主 要 采 用 Crowbar 電路來實現電壓跌落時 DFIG 不間斷運行。 文獻 13對比了多種適合變速恒頻 DGIG 的 Crowbar 電路各自的優缺點,最后介紹了變速恒頻雙饋發電 機相關保護控制策略和新型旁路系統,但未給出

10、具 體控制方式及效果。文獻 14介紹了三相交流開關 加旁路電阻構成 Crowbar 保護電路的方案,故障時, 觸發雙向開關,將旁路電阻接入雙饋感應發電機轉 子回路中,保護轉子側變頻器。文獻 15介紹和分 析了三相交流開關加旁路電阻構成 Crowbar 保護電 路的保護控制原理及交流勵磁風電系統的暫態運行 行為,分析表明保護電阻的合理選取是有效實現 Crowbar 保護控制的關鍵。文獻 16研究了以 Active Crowbar 為保護措施的電網對稱故障下雙饋風力發 電機控制策略。文獻 17研究了轉子快速短接 IGBT 型 Crowbar 保護電路在電網暫態過程中可以有效防 止過電流對轉子變頻器

11、的危害 , 其切除時刻對故障 電網恢復和變頻器保護有較大影響,但并沒有給出 具體的投切策略。本文首先介紹了國外最新風電標準對低電壓穿 越能力的要求。接著介紹了主動式 IGBT 型 Crowbar 電路的拓撲結構,分析了電網電壓突然跌落時 Crowbar 電路對故障的影響。 然后研究建立了考慮電 網電壓變化的 DFIG 數學模型和電網對稱故障下 DFIG 的控制策略。最后在 PSCAD /EMTDC仿真環 境下建立了一臺 DFIG 風電系統的模型, 對電網三相 對稱短路故障下 IGBT 型 Crowbar 的投切策略進行了 仿真研究。1 風電標準對低電壓穿越能力的要求各國電網公司依據自身實際情況

12、,針對低電壓 穿越能力,提出了各自的標準。圖 1為美國電網 LVRT 標準,從圖中可以看出:曲線以上的區域是 圖 1 美國風電場低電壓穿越能力標準Fig.1 LVRT requirement in United State grid code 風電場需要保持同電力系統鏈接的部分,只有在曲 線以下的區域才允許脫離電網。風電場必須具有在 電網電壓跌落至額定電壓 15%能夠維持并網運行 625 ms的低電壓穿越能力; 風電場并網點電壓在發 生跌落故障后 3 s內能夠恢復到額定電壓的 90%時, 風電場必須保持并網運行。2 DFIG數學模型與控制策略圖 2為變速恒頻 DFIG 風力發電系統原理圖,其

13、中轉子側帶有 IGBT 型 Crowbar 電路。如圖 2所示, IGBT 型 Crowbar 電路的每個橋臂有兩個串聯二極 管,直流側由一個 IGBT 和一個吸收電阻串聯組成。 這種保護電路使轉子側變頻器在電網故障時可以與 轉子保持連接,當故障消除后通過切除保護電路, 使風電系統快速恢復正常運行,因而具有更大的靈 活性。 Crowbar圖2變速恒頻DFIG風力發電系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of VSCF-DFIG wind energy generation systemCrowbar 電路在電網電壓突降之后將雙饋發電 機轉子短路,可以防止發電機轉子回路的浪涌

14、電流 流入變頻器,實現對變頻器的保護,同時可以阻止 能量從發電機轉子傳遞到直流母線中,因而可以抑 制直流母線電壓的升高。 不僅如此, Crowbar 還可以 迅速衰減發電機轉子中故障電流的瞬態直流分量, 減小故障對發電機的沖擊, 迅速恢復對 DFIG 系統有 功、無功功率的控制能力,實現對電網的無功功率 支撐。轉子回路電阻對定子側的過電流有著明顯的 抑制作用,在降低轉子側過電流的同時可以有效地 降低定子側過電流, 從而有效地對變頻器進行保護, 并且同時還能抑制轉速上升。首先建立考慮電網電壓變化的 DFIG 數學模 型 7-9。同步旋轉坐標系下 DFIG 的電壓方程為: m mos s s 1s

15、2m mor rr r r s rsdjdddjd dL IV R ItL IL IV R It L t=+=+GG G GGGG G G(1- 166 - 電力系統保護與控制磁鏈方程:s s s m r m mo2m mor r r s L I L I L I L I L I L =+=+G G G GG G G (2 式中:s s mo m r L I I L L =+GG ; 2mr s1L L L =; s V G 、 r V G 分別為定、轉子電壓矢量; s I G 、 r I G分別為定、轉子電流矢量; s G 、 r G分別為定、 轉子磁鏈矢量; s R 、 rR 分別為定、 轉

16、子電阻; s s m L L L =+ , r r m L L L =+分 別為定、轉子繞組全自感,其中 m L 、 s L 和 r L 分 別是定、轉子間的互感、定子漏感和轉子漏感;以 上轉子各量均為折算后的值; 1為同步角速度; r 為轉子角速度; s 1r =為轉差角速度。 考慮 s V G 和 s G的動態過程,由式(1的第 1個 方程可得:mo s s s 1s m d 1(j d I V R I tL =GGG G (3 將式(3代入式(1的第 2個方程可得:r r r r r s r d j d L I V R I t =+G G G Gm s s s 1s(j s L V R

17、I L G G G(4 式中,ms s s 1s s(j L V R I L 為考慮定子勵磁電 流變化的補償量。本文采用定子磁鏈定向,有 ds s =G , qs 0=, s ds j0=+G,于是式(1可改寫為:r dr r dr s qr m ds s ds s r qr qr r qr s drm qs s qs s dr s d d ( d d (dr L I V R I t L V R I L L I V R I t L V R I L =+=+(5 根據貝茲理論 18, 葉尖速比 是風輪葉尖速度與風速之比,即W WW W30R R n =(6 式中:W 為風力機葉片旋轉角速度; W

18、 n 為葉片的轉速; W R 為風輪葉片的半徑; 為風速。 根據雙饋風電機組最大風能追蹤原理 19,由式 (6和 m w N =可以推出某一風速下發電機的 最優轉速:opt *g-out W Wv N n R =(7于是根據上述的數學模型可以得到電網故障 下的 DFIG 控制框圖如圖 3,裝設鎖相環(Phase Locked Loop, PLL 可消除電網電壓突變和電網諧 波對電壓相角檢測的影響。 圖3 變速恒頻DFIG控制系統框圖Fig.3 Block diagram of VSCF-DFIG control system蘇 平, 等 基于主動式 IGBT 型 Crowbar 的雙饋風力發電

19、系統 LVRT 仿真研究 - 167 -采用速度控制模式,通過速度反饋增加了一個 速度外環,將發電機模型的動力部分包含在閉環控 制系統中,系統有功功率和轉矩的平衡過程以及轉 速的調節過程是可控的。顯然,整個系統的動態響 應速度就比采用傳統的電流控制模式 5時的動態響 應速度要快得多。 速度控制模式包含了狀態變量 qr i 和r, 反映了系統控制對象的全部狀態信息, 將兩 個狀態變量作為反饋量構成電流閉環和轉速閉環, 能控制包括電磁量和機械量的全部物理量的響應過 程。因此,速度控制模式的動態性能要優于電流控 制模式下的動態性能。3 LVRT仿真研究為全面深入研究 IGBT 型 Active Cr

20、owbar在電網 電壓跌落時的運行特性, 本文在 PSCA D/EMTDC中 建立了一臺 DFIG 風力發電機系統仿真模型, 對電網 對稱短路故障時采用 Crowbar 保護控制的發電機系 統進行了仿真。具體的仿真參數設置如下:雙饋發電機(DFIG 參數:額定功率為 300 kVA ,定子額定電壓為 13.8 kV;額定頻率為 50 Hz; 額定轉速為 380 rad/s;定子電阻為 0.005 4 p.u;定子 漏感為 0.102 p.u;轉子電阻為 0.006 07 p.u;轉子漏 感為 0.11 p.u;轉動慣量為 0.726 7 s,機械阻尼為 0.001 p.u。選取 Crowbar

21、 電路的限流電阻值 20crowR = 0.8pu 。系統取電網側母線發生三相短路故障 , 在 3 s時故障發生, 3.25 s時故障清除,持續 0.25 s。故障 發生時風速保持恒定,故障使得系統電壓跌落至 0.25 pu。設置 Crowbar 不同的投切方案,對比系統 各物理量的變化。 Crowbar 的投切方案分別設定為: 故障發生時不投入 Crowbar ; 故障發生時投入, 故障清除后繼續運行一段 時間再切除。 故障發生時投入,故障清除后立即切除; 故障發生時投入,故障清除前切除。 3.1 方案時,系統的工作情況圖 4中依次給出的是 Crowbar 電流、電網電壓、 轉子電流、轉子轉

22、速、發電機勵磁轉矩、直流側電 壓、定子側有功功率和定子側無功功率(以下各方 案相同 。 由圖 4可以看出, 故障發生之前, 電網電 壓保持恒定, DFIG 工作在額定情況下, 發電機在額 定轉速下運行,發出額定功率,變流器直流母線上 的電壓保持恒定, Crowbar 電路未投入運行。 I dc_Crow/A80604020-20-40-60-80-1002.002.503.003.504.004.505.00 t /s V s /kV15.010.05.00.0-5.0-10.0-15.02.002.503.003.504.004.505.00 t /s604020-20-40-602.002

23、.503.00 3.504.004.505.00 I rb /AI rc /At /sI ra /A1.2401.0802.002.503.003.504.004.505.00 W pu /put /s0.20-1.602.002.503.003.504.004.505.00 TE/N.mt /s4.000.02.002.503.003.504.004.505.00 E cap /p.ut /s4.000.02.002.503.003.504.004.505.00 P g /kVAt /s圖4 無Crowbar保護的DFIG動態響應Fig.4 Dynamic response of DFIG

24、without Crowbar- 168 - 電力系統保護與控制由圖 4可見,在電網電壓大幅跌落的情況下, 若不投入 Crowbar ,在電壓跌落時,由于控制系統 中給定值與實際值的差別變大, 導致大部分 PI 調節 器輸出深度飽和,難以恢復到有效調節狀態,使電 壓下降和恢復之后的一段時間內機組實際上處于失 控狀態,有功、無功都無法穩定,對電網產生非常 不利的影響,不利于電網電壓的恢復。 DFIG 定、 轉子電流迅速變大,這將對定、轉子繞組特別是變 流器產生極大的損害。而且,轉子轉速急速上升, 電磁轉矩劇烈振蕩, 其幅值達到額定值的 2倍以上, 這對風電機組轉軸系統產生很大的機械應力沖擊。 這

25、是因為電壓減小,磁鏈減小,因而電磁轉矩也減 小,而風力機在額定風速下輸入的機械轉矩不變, 所以發電機的轉速會增大,故障切除后,由于慣性 的原因發電機轉速將繼續增加,但是此時發電機的 輸入機械功率小于輸出電磁功率, 發電機開始減速, 經短暫的控制調節后發電機轉速再次穩定。 3.2 方案時,系統的工作情況方案是在 3 s時投入 Crowbar ,故障清除后 Crowbar 繼續運行 0.55 s, 即在 3.8 s時切除。 如圖 5。0.400-0.1002.603.003.403.804.20I dc_Crow/A0.3500.3000.2500.2000.150-0.0500.1000.050

26、0.000t /s-15.02.003.003.504.004.50V s /kV10.05.00.0-10.0-5.05.002.5015.0t /s-602.003.003.504.004.50I rb /A40200-40-205.002.5060I rc /AI ra /At /s1.002.003.003.504.004.50W pu /p.u1.501.401.301.101.205.002.501.605.506.00t /s-1.002.003.003.504.004.50TE/ N.m0.00-0.20-0.40-0.80-0.605.002.500.20t /s0.02.0

27、03.003.504.004.50E cap /p.u5.002.5022.55.506.00t /s-502.003.003.504.004.50P g /kVA5.002.504005.506.00t /s-602.003.003.504.004.50Q g /kvar5.002.500-50-40-30-20-10t /s圖 5 故障清除后繼續運行 0.55 s切除 Crowbar 的DFIG 動態響應Fig.5 Dynamic response of DFIG when removing Crowbarafter clearing fault 0.55 s由圖 5可見,在電壓跌落時投入

28、 Crowbar ,轉子 側變流器被短路,直流側電壓幅值明顯下降并且沒 有出現二次上升,故障期間發電機輸出無功功率, 可幫助電網恢復。 可見 Crowbar 保護電路可以起到保 護風電機組的作用。但是由于 Crowbar 保護電路在故障恢復過程中 仍然保持工作,發電機長時間處于機械、電氣功率 的不平衡狀態,加上傳動軸系柔性因素的影響,使 得故障切除后發電機轉速出現較大的振蕩,從而導 致故障后電磁轉矩、轉子電流、發電機輸出有功功 率的較大振蕩。3.3 方案時,系統的工作情況方案是在 3 s時投入 Crowbar , 3.3 s時切除。 如圖 6。-0.1002.903.103.203.303.4

29、0Idc_Crow/A3.000.2500.0000.0500.1000.1500.200-0.0500.3000.3500.400t /s蘇 平， 等 Vs/kV 15.0 10.0 5.0 0.0 -5.0 -10.0 -15.0 2.00 2.50 基于主動式 IGBT 型 Crowbar 的雙饋風力發電系統 LVRT 仿真研究 - 169 - 3.00 3.50 t/s 4.00 4.50 5.00 Irb/A 60 40 20 0 -20 -40 -60 2.00 2.50 Irc/A Ira/A 由圖 6 可見，故障切除后，電網電壓、轉子電 流、轉子轉速、發電機勵磁轉矩、直流側電壓

30、、定 子側有功功率和定子側無功功率的振蕩相比方案 時的情況時要小得多。系統的恢復時間相比方案 時的 5.25 s 縮短為現在的 4.0 s， 恢復時間明顯變短。 3.4 方案時，系統的工作情況 方案是在 3 s 時投入 Crowbar， s 時切除， 3.24 如圖 7。 0.350 0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 0.000 -0.050 -0.100 2.90 Idc_Crow/A 3.00 3.50 t/s 4.00 4.50 5.00 Wpu/p.u 1.300 1.250 1.200 1.150 1.100 1.050 2.00 3.00 3.

31、10 t/s 3.20 3.30 3.40 2.50 3.00 3.50 t/s 4.00 4.50 5.00 0.20 0.00 -0.20 -0.40 -0.60 -0.80 -1.00 TE/N.m 15.0 10.0 5.0 0.0 -5.0 -10.0 -15.0 2.00 Vs/kV 2.50 3.00 3.50 t/s 4.00 4.50 5.00 2.00 2.50 3.00 3.50 t/s 4.00 4.50 5.00 20.0 Ecap/p.u 60 40 20 0 -20 -40 -60 2.00 Irb/A Ir c/A Ir a/A 2.50 3.00 3.50 t

32、/s 4.00 4.50 5.00 1.325 0.0 2.00 3.00 3.50 t/s 4.00 4.50 5.00 Wpu/pu 2.50 400 Pg/kVA 1.075 2.00 2.50 3.00 3.50 t/s 4.00 4.50 5.00 0.20 TE/N.m -50 2.00 2.50 3.00 3.50 t/s 4.00 4.50 5.00 -1.80 2.00 20 Qg/kvar 2.50 3.00 3.50 t/s 4.00 4.50 5.00 20.0 E cap/p.u -120 2.00 2.50 3.00 3.50 t/s 4.00 4.50 5.00

33、0.0 2.00 圖 6 故障清除后立即切除 Crowbar 的 DFIG 動態響應 Fig.6 Dynamic response of DFIG when removing Crowbar after clearing fault immediately 2.50 3.00 3.50 t/s 4.00 4.50 5.00 - 170 400 Pg/kVA 電力系統保護與控制 fault ride through enhancementJ. IEEE Transactions on Power Systems，2005，20（4）：1929-1937. 操瑞發，朱武，涂祥存，等. 雙饋式風力發

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41、rowbar before clearing fault 由圖 7 可見，方案相比于方案和方案， 在故障切除后，電網電壓、轉子電流、轉子轉速、 發電機勵磁轉矩、直流側電壓、定子側有功功率和 定子側無功功率的振蕩最小，恢復時間最短（3.8 s 時即可恢復）。因此方案為 Crowbar 的最佳投切 方案。 6 4 結論 7 本文在PSCAD/EMTDC仿真環境下建立了一 臺計及電網電壓變化DFIG風電系統的模型以及其 LVRT控制模型，對電網三相對稱短路故障下IGBT 型Crowbar的投切策略進行了仿真研究。仿真結果 表明： （1）在電網電壓大幅跌落時，投入 Crowbar 電路能有效抑制轉子過

42、電流、直流母線過電壓、轉 子轉速上升以及電磁轉矩的振蕩，保護定、轉子側 變流器，并可在故障時向電網注入無功以幫助電網 電壓的恢復。 （2）Crowbar 電路一旦投入，應在電網故障清 除前切除 Crowbar，而且 Crowbar 的切除時間離故 障清除時間越短，系統的響應越理想。這樣可以使 得電網電壓、轉子電流、轉子轉速、發電機勵磁轉 矩、直流側電壓、定子側有功功率和定子側無功功 率的振蕩最小，系統恢復時間最短。 參考文獻 1 Carrasco J M， Bialasiewicz J T，Portillo Guisado R C， et al. Power-electronic system

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