变阻值Crowbar电路及其在提高双馈式风电机组低电压穿越能力中的应用

第33卷第2期2O12年4月电力与能源159变阻值CROWBAR电路及其在提高双馈式风电机组低电压穿越能力中的应用侯树文，胡娅珂华北水利水电学院，郑州450011摘要双馈风力发电机的低电压穿越能力较差，CROWBAR技术是提高双馈风力发电机低电压穿越能力的有效手段。分析了DFIG机端短路时CROWBAR阻值对转子电流和暂态过程的影响，指出传统CROWBAR电路采用固定的阻值，无法兼顾低电压穿越过程中各阶段对该阻值的不同要求。为此提出了一种变阻值CROWBAR的电路，采用这种电路只要控制脉宽就可以改变CROWBAR电路的等效电阻，在电网发生地电压故障后，可以根据保护过程不同阶段的特点及时调整CROWBAR电路电阻，提高双馈风力发电机的低电压穿越能力。为了验证调整效果对新设计的CROWBAR电路的调整效果进行了仿真。仿真结果表明，变阻值CROWBAR能够通过控制脉宽实现对CROWBAR等效电阻的有效控制。关键词双馈风力发电机；低电压穿越；变阻值CROWBAR；脉宽控制中图分类号TM614文献标志码A文章编号209512562O1202015904VARIABLERESISTANCECROWBARCIRCUITANDITSAPPLICATIONINIMPROVINGDOUBLYFEDTYPEWINDGENERATOROFTHROUGHLOWVOLTAGEABILITYHORSHUTDDEH，HUYAKENORTHCHINAINSTITUTEOFWATERCONSERVANCYANDHYDROELECTRICPOWER，ZHENGZHOU450011，CHINAABSTRACTDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORDFIGISTHEFIRSTCHOICEOFMODELINWINDPOWERAREAWHENGRIDVOLTAGESAGGED，THEWINDGENERATIONINTOELECTRICNETWORKMUSTHAVELOWVOLTAGERIDETHROUGHLVRTABILITY，CROWBARTECHNOLOGYISIMPROVINGIVRTABILITYOFDFIGEFFECTIVEMEANSTHISPAPERANALYZESWHENDFIGMACHINESHORTEDTHECROWBARRESISTANCETOTHEINFLUENCEOFTRANSIENTPROCESSINGANDROTORCURRENT，ANDPOINTSOUTTHATTHEROTORMAXIMUMSHORTCIRCUITCURRENTWITHTHESQUAREOFRESISTANCEAREINVERSELYPROPORTIONAL；TRANSIENTPROCESSLASTINGTIMEWITHTHESIZEOFCROWBARRESISTANCEAREINVERSELYPROPORTIONA1BASEDONCOMPREHENSIVECONSIDERINGTHEROTORSIDECONVERTERPROTECTION、TRANSIENTPROCESSDURATIONANDTHENETWORKVOLTAGESUPPORTWHENCUTTINGSHORTCIRCUIT，THENIMPROVINGTHEEXISTINGCROWBARCIRCUITFORMANDPUTTINGFORWARDTHESTRUCTUREOFVARIABLECROWBARRESISTANCECIRCUIT，RESEARCHINGTHECURRENTCHARACTERISTICSANDPULSEWIDTHCONTROLLINGMETHODANDSIMULATION。THESIMULATIONRESULTSSHOWEDTHATTHEVARIABLECROWBARRESISTANCETHROUGHPULSEWIDTHCONTROLLINGCANREALIZEEFFECTIVECONTROLLINGOFTHECROWBAREQUIVALENTRESISTANCEKEYWORDSDFIG；LVRT；VARIABLERESISTANCECROWBAR；PULSECONTROL双馈风力发电机DFIG能够实现有功功率、无功功率的独立调节和可变速运行，并且变流器容量相对较小L1J，因此已经成为风力发电的首选机型。双馈风力发电机在并网运行时发电机的定子侧与电网相连转子侧与变流器相连，当电网电压因故障跌落时，定子侧机端电压同时跌落，导致转子侧将产生较大的感应电流，使得转子绕组产生过电流和过电压，直接威胁转子绕组和变流器的安全运行，因此采用双馈风力发电机的发电机组的低电压穿越能力相对较低_4。CROWBAR保护技术是提高DFIG低电压穿越能力的有效方法之一，当电网电压发生故障跌落时，风电机组的控制系统立即投入CROWBAR电路，让转子侧的变流器被旁路，并利用CROWBAR电阻限制转子电流的增大，可以确保电动机的安全。但是，目前的CROWBAR电路的电阻值是固定的，取值无法兼顾转子电流、转子电压、暂态过程持续时间和对电网电压支撑等的要求。160侯树文，等变阻值CROWBAR电路及其在提高双馈式风电机组低电压穿越能力中的应用本文将对CROWBAR阻值对转子电流和暂态过程的影响进行分析，在这个基础上对现有CROWBAR电路形式进行改进，设计一个变阻值CROWBAR电路及其控制方法，并通过仿真对新方法提高双馈风力发电机的低电压穿越能力的效果进行验证。1机端短路时CROWBAR阻值对转子电流和暂态过程影响电网电压因故障跌落时，双馈风力发电机的转子电流特性受转子侧电阻影响，通过对双馈风力发电机电压方程的分析可以得到这种影响的作用。当双馈风力发电机三相对称时，定子的电压方程为“A一R导LL一甜LL“一R导LLJU6USL。LL一L1L式中和“。为定子电压的D轴和Q轴分量为定子绕组电阻；ID和I。为定子电流的D轴、Q轴分量；L为定子漏感；L为励磁电感；为同步角速度。转子的电压方程为UDR一2D4DLDRL如一L。LI。“QR一2DLL。AJ一09LID4LIDL一L24L式中，“为转子电压的D轴、Q轴分量；IDI为转子电流的D轴、Q轴分量；L。为转子漏感；R为转子绕组电路的电阻；CU为转子角速度。对于兆瓦级的双馈风力发电机，定子漏感L和转子漏感L远远小于励磁电感L；根据电压方程可以得到一惫IQR一下十一孥一IQSR11R十“S一“一R1【1LR2DTLL。十1酉S一R十12。L1L2L1L2IQRDIQR一一11L172RLI7L7S十R式中S为转差率。设转差率S很小，机端发生短路时转子电流为E一SINL1L2R；“生；。OF一。式中为相位角。当电网发生低电压故障转子绕组接入CROWBAR电路时，转子绕组的电阻R2一R2ORF式中R2。为转子绕组电阻RC为CROWBAR电阻。当不计直流分量时，可以得到转子最大电流幅值“L14L2MX一可见，转子电流最大幅值与CROWBAR阻值的平方成反比。转子侧接入CROWBAR电阻后，转子电流暂态过程的衰减因子为、R2O一R一瓦可见，转子电流暂态过程持续时间与CROWBAR阻值成反比。当电网电压因发生故障跌落时，双馈风力发电机的转子电流特性受转子侧电阻影响，对于带CROWBAR保护电路的机组，故障后CROWBAR电阻值越大转子侧电流幅值越小，而且转子电流的衰减也越快，因此从暂态过程持续时间和短路故障切除后电网电压恢复出发，希望CROWBAR阻值越大越好。但是从故障时保护转子侧变流器出发，CROWBAR阻值越小变流器受到的冲击也越小，因此又要求CROWBAR阻值尽可能小些。所以CROWBAR电阻取固定值很难同时满足各方面的要求。侯树文，等变阻值CROWBAR电路及其在提高双馈式风电机组低电压穿越能力中的应用1612变阻值CROWBAR电路变阻值CROWBAR电路由两个可关断电力电子器件G。和G以及电阻器尺和R。组成，其中R决定了CROWBAR电路的下限阻值，R决定上限阻值，见图1。图1变阻值CROWBAR电路结构通过电力电子器件G和G。的导通脉宽的控制，可以调节变阻值CROWBAR电路的等效电阻值。双馈风力发电机采用变阻值CROWBAR电路，在电网电压跌落的瞬间减少CROWBAR电路的电阻，满足保护变流器的要求，在电网电压恢复过程中增加CROWBAR电路的电阻值，减少故障带来的暂态过程持续时间，加快电网的电压恢复，低电压穿越能力可以得到提高。设G的工作脉宽为T，G的工作脉宽为T，CROWBAR的运行周期T为TT1T2流过CROWBAR电阻的平均电流JDAV为I一1UETU，AT。或者一1UDUDRW1警由此推出CROWBAR的等效电阻值R为一【，DI一RIT击一1T当CROWBAR的运行周期T确定后，改变G的控制脉宽T就可改变CROWBAR的等效电阻RDAV。3变阻值CROWBAR的脉宽控制调节电力电子器件的脉宽T和可以改变CROWBAR等效电阻RDAV，变阻值CROWBAR脉宽控制电路由转子电流、定子电流检测，电流整形，三角波发生器，脉宽控制与分配五部分组成，见图2。在实际运行中，电流检测及整形提供一个反映定子电流、转子电流大小的控制量，该控制量与一个较高频率1KHZ的三角波相交，从而获得丁和T2，见图3。篓鎏H堕卜脉冲宽度控制图2变阻值CROWBAR脉宽控制电路1TW2O10203040TMSA控制量与三角波010203040TFMSB控制脉宽010203040TMSC控制脉宽图3控制脉宽生成过程当定子电流、转子电流较大时，增大脉宽T减小丁，可以减小CROWBARR的等效电阻R；当定子、转子电流较小时，减小脉宽T增大T，可以增加R。为了验证控制脉宽对CROWBARR阻值的影响，采用MATLAB下的SIMULINK环境对CROWBAR电路进行仿真，T取1MS；仿真中每隔010S改变一次丁W的取值，仿真结果表明当T分别取09MS，05MS和01MS时，通过变阻值CROWBAR的电流标幺值分别为243，15O和071，见图4。20151005、。F|；F10005010015020O25O_3OTS图4不同脉宽控制下的变阻值CROWBAR电流下转第173页范兵，等分布式电源接人崇明电网的谐波分析173置。大容量的风电场投运，需要安装一定容量的无功补偿装置，如仅安装普通的电容器组，则对风电场提供电网的谐波起到了放大效应，而SVG能起到补偿作用，又能起到抑制谐波的功效。5结论光伏场和风电场接入崇明电网后，会产生一定的谐波分量。在电流中谐波分量主要是3，5，7，11，13次谐波，其中最大的谐波电流是5次谐波。测试结果表明，目前谐波分量符合国家规定的限值。分布式电源并网发电时，并网点的各等级母线发生了一定的电压畸变，但畸变率在国家规定的允许范围内。另外，通过在风电场35KV母线连接点处加装SVG，在抑制谐波的同时也有效地降低了风电场对电网的谐波注入量。参考文献R1刘振亚智能电网技术M北京中国电力出版社，2010E2李超，王正仕，陈辉明，等可抑制5次谐波的分布式发电系统并网设计J电网技术，2007，311566683韩肖清，张健，等风电场谐波分析与计算J太原理工大学学报，2009，4O55414程浩忠，艾芊，等电能质量M北京清华大学出版社，20065戴晓洪史洪寅，等电力谐波对电能计量的影响分析J电力学报，2006，261989963杨靖，许国东，等并网风电机组输出电能闪变和谐波指标的比较与分析J新能源及工艺，2010，6407粟时平，刘桂英基于DQ矢量控制技术的新型静止全能补偿器J长沙电力学院学报自然科学版，2000，15244468陈恺，王如玫电力系统谐波治理与有源滤波器J华东电力，2008，36857收稿日期2O120118作者简介范兵1973，男，高级工程师，在读硕士研究生，从事分布式电源对电网影响的研究。编辑杜建军上接第161页通过技术可以得到三组参数下的等效阻值分别为041Q，067Q和141Q，可见随着控制脉宽T的减小等效电阻值RAV不断增加。4结语CROWBAR电路的是提高双馈风力发电机并网运行低电压穿越能力的重要技术。采用变阻值CROWBAR，在电网电压跌落的瞬间适当调节电力电子器件的脉宽可以把电路减少等效电阻值有利于保护变流器免受过电流冲击；在电网电压恢复过程中适当调节电力电子器件的脉宽增加CROWBAR的等效电阻值，有利于减少故障带来的暂态过程持续时间，加快电网的电压恢复。利用电力电子器件的脉宽调节阻值可以实现连续变化，还可以减小CROWBAR在投切过程中对电网和双馈风力发电机的冲击。与采用固定电阻的传统CROWBAR相比，采用新电路后双馈风力发电机并网运行低电压穿越能力将大大提高。仿真结果表明，变阻值CROWBAR能够通过控制脉宽实现对CROWBAR等效电阻的有效控制。采用新电路提高双馈风力发电机并网运行低电压穿越能力，理论上是可行的。参考文献1MORRENJ，SJOERDWHRIDETHROUGHOFWINDTURBINESWITHDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORDURINGAVOLTAGEDIPJIEEETRANSACITONSONENERGYCONVERSION，2005，2024354412李建林，朱颖，胡书举，等风力发电系统中大功率变流器的应用J高电压技术，2009，351169175E3刘其辉，贺益康，张建华并网型交流励磁变速恒频风力发电系统控制研究J中国电机工程学报，2006，26231091144LIYU，GUANHONGLIANG，ZHAOHAIFENG，ETA1LVRTCAPABILITYOFWINDTURBINEGENERATORANDITSAPPLICATIONTOREGIONALPOWERGRIDCTHE