双馈风电机组故障穿越技术实验研究

第47卷第L0期2013年1O月电力电子技术POWERELECTRONICSVO147，NO100CTOBER2013双馈风电机组故障穿越技术实验研究凌禹一，高强，蔡旭1上海交通大学，风力发电研究中心，上海200240；2山西大同大学，电气工程系，山西大同037003摘要随着风电机组大规模接入电网，给电网安全带来了极大挑战。新的电网导则要求接入电网的风电机组必须具有故障穿越能力。撬棒CROWBAR保护是目前受到广泛关注的故障穿越技术之一。因此，这里先后分析了CROWBAR保护实现双馈机组故障穿越的原理、控制及其旁路电阻的确定。最后，通过实验平台验证了CROWBAR保护在不同电压跌落故障情况下实现双馈机组故障穿越的有效性。关键词风电机组；双馈电机；故障穿越中图分类号TM3文献标识码A文章编号1000100X201310002502EXPERIMENTALSTUDYONFAULTRIDETHROUGHOFWINDTURBINEWITHDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORLINGYU一，GA0QIANG，CAIXU1WINDPOWERRESEARCHCENTER，SHANGHAIJIOOE，SHANGHAI200240，CHINAABSTRACTWITHTHELARGEPENETRATIONOFWINDENERGYINPOWERSYSTEM，THEINFLUENCEONTHESYSTEMSTABILITYHASRECEIVEDMUCHATTENTIONASARESULT，NEWREQUIREMENTSTHATTHETURBINEISALLOWEDTODISCONNECTDURINGVOLTAGEDIPSHAVEBEENSET，ILEANALYSISOFCROWBARCIRCUITEONTROLFORFAULTRIDETHROUGHOFWINDTURBINEWITHDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORISPRESENTED，ANDFINALLYSTUDYCASESAREINVESTIGATEDBASEDONTHEEXPERIMENTALPLATFORMKEYWORDSWINDTURBINE；DOUBLYFEDINDUCTIONGENERATOR；FAULTRIDETHROUGHFOUNDATIONPROJECTSUPPOSEDBYSHANGHAISCIENCEFOUNDIONNO1LDZ1200204；NATIONALHIGHTECHNOLOGYRESEARCHANDDEVELOPMENTPROGRAMNO2012AA0502031引言按照新电网导则。当大规模风电接入电网时，风电机组必须具有故障穿越能力11。由于双馈机组对电网扰动，尤其是电压跌落最敏感，所以其存在故障穿越的问题越严重。双馈风电机组因其自身的优点【2已成为目前主流机型之一。当发电机连接的电力系统发生三相短路故障时，会引起双馈机组机端电压跌落。这将会导致电机转子过电流，若该电流太大则可能损坏变换器。若试图控制转子电流则需一个大的转子电压。同样可能造成变换器损坏【。因此，为减小故障时转子过电流需在转子回路并入电阻来旁路该电流4】。即CROWBAR电路。这样就能确保风力发电机组不脱网运行，实现其故障穿越的目的。2CROWBAR控制及其分析按照图1所示，双馈风电机组的控制通常由基金项目上海市科学基金1LDZ1200204；国家高技术研究发展计划863计划2012AA050203定稿日期20130630作者简介凌禹1975一，男，山西阳高人，博士研究生，讲师，研究方向为风力发电。两种不同的控制模式组成，正常模式和故障模式。当电压跌落较小时机组正常控制模式下的控制策略就能保证转子故障电流在允许的范围内而当电压跌落较大时就必须启动故障控制模式才能为转子侧故障电路提供旁路，达到限制过电流、保护变流器的目的。IC黜H控溪通常转子电流和直流侧电压均可作为CROWBAR电路的启动退出信号。一旦满足上述条件中的任何一个，就可封锁转子侧变换器同时启动CROWBAR电路以提供故障电流通路从而抑制过电流和直流侧过电压。CROWBAR电路退出运行可根据一个固定时问值，也可采用其他的标准，例如出口电压幅值或转子电流和直流侧电压恢复正常的时刻。25第47卷第L0期2013年L0月电力电子技术POWERELECTRONICSVO147，NO100CTOBER20133CROWBAR电路电阻值的确定4实验研究常用的CROWBAR电路多采用如图2虚线框内所示的拓扑。因此，如何确定该电路的旁路电阻成为采用CROWBAR电路实现双馈机组故障穿越的关键问题之一。理论上，该电阻越大，转子故障电流衰减就越快，但事实上，若电阻选择很大的话在转子故障电流衰减过程中，电阻上的压降就会很大，从而对变换器造成损坏。因此，合适的阻值必须满足旁路电阻要足够大以限制双馈发电机的转子电流在规定范围之内旁路电阻不能过大以避免双馈发电机的转子绕组电压过高。双馈电机图2CROWBAR电路拓扑FIG2CROWBARCIRCUITTOPOLOGY双馈风电机组实验平台由直流电机模拟的风轮、绕线式异步电机、变换器柜、直流调速柜及主控和虚拟风场、DSPACE单元及故障穿越单元组成，其中，电压跌落发生器的结构见文献6】。相关参数双馈电机额定功率75KW。定子额定电压380V，额定电流19A，转子额定电压200V，额定电流27A，两对极，额定转速1450RMIN。41实验1实验条件定子电压跌落至90，持续时间为200MS，有功功功率为13KW，转速为980RMIN。双馈风电机组此时正常运行，未采取任何保护。由图3可知，直流侧电压略有升高。转子电流I和定子电流I在电压跌落和恢复时有个小的尖峰脉冲。因此，在电压跌落至90时，双馈风电机组自身的励磁控制足以保证，I和I。在规定范围，而无需采用其他的保护措施。为简单起见转子变量全部转换到定子侧假设磁路是线性的，采用电动机惯例，双馈电机的空间矢量模型的数学表述为FUSRJSDDT，URRJRDQRDTJTO，式中LF，I，分别为电压、电流和磁链空间矢量；下标S和42R分别为定、转子变量；为转子电角速度。由式1中第2，4式可得器，IT器211设定、转子漏感为，则L，考虑到L，L，故式2可被简化并可得F一F。按照文献5的分析，当旁路电阻接入转子绕组，且忽略定、转子绕组电阻时，双馈发电机在机端短路时的最大定子电流可近似表示为，墨R3、。X27RO一、式中R为转子旁路电阻；为双馈电机定子瞬时电抗；为双馈电机定子电压有效值。利用IS一IR可求出最大转子电流，舢。而11,需满足、ZRCB，R一。根据式3，和、R一，即可求出T40NLS格图3实验波形1FIG3EXPERIMENTALWAVEFORMS1实验2实验条件定子电压跌落至75故障持续时间为360MS投入CROWBAR时故障持续时间为625MS。其他条件同实验一。在电压跌落时，投入CROWBAR，阻值为1Q，同时封锁转子侧触发脉冲。CROWBAR投入02S后退出运行。同时释放转子侧触发脉冲。由图4可知，在电网电压跌落75时，CROWBAR电路能有效抑制定、转子过电流和直流侧过电压，实现机组不间断并网运行。蓬季垂霍喜旦出誉T10MS格1C系统电压与系统电流图3实验波形FIG3EXPERIMENTALWAVEFORMS这里分析了传统无差拍电流预测模型，然后通过对预测模型的实现过程进行改进，力求减小控制延时影响。通过对比不考虑控制延时和考虑控制延时的实验结果，发现改进的预测控制算法减小了控制延时影响，从而提高了APF性能。参考文献【1】HAKAGI，YKANAZAWA，ANABAEINSTANTANEOUSREACTIVEPOWERCOMPENSATORSCOMPRISINGSWITCHINGDEVICESWITHOUTENERGYSTORAGECOMPONENTS【J1IEEETRANSONINDUSTAPPLICATIONS，1984，2036256302戴瑜兴，张义兵，陈际达检测单相系统谐波电流和无功电流的一种新方法【J】电工技术学报，2004，1929497【3解大，张延迟，吴飞，等并联型电力有源滤波器的直流侧电压控制和补偿电流反馈控制IJ电网技术，20O6，30318314HABURUB，JGUZINSKI，ZKRZEMINSKI，ETA1PREDICTIVECURRENTCONTROLOFVOLTAGESOURCEINVERTERSJIEEETRANSONINDUSTRIALELECTRONICS，2004，5135855935】RODRIGUEZJ，CORTESP，KENNELR，ETA1MODELPREDICTIVECONTMLASIMPLEANDPOWERFULMETHODTOCONTROLPOWERCONVERTERSAIEEE6THINTERNATIONALPOWERELECTRONICSANDMOTIONCONTROLCONFERENCEC200941496唐鑫鑫，惠晶基于模型算法预测控制策略的APF研究【J电力电子技术，2013，4729293上接第26页故障持续时问为360MS。其他条件同实验一。由图5可知，在电网电压跌落50的情况下CROWBAR电路的投入同样能有效地控制定、转子侧故障电流和直流侧过电压在规定范围内，保证风电机组的不间断并网运行。图5实验波形3FIG5EXPERIMENTALWAVEFORMS35结论此处基于双馈风力发电的实验平台，验证了CROWBAR电路提高双馈风电机组的故障穿越能力的有效性。由实验结果可知，在电网电压跌落较小时风电机组自身的励磁控制策略足以控制直流侧电压。转子电流和定子电流在规定范围内，而不启动CROWBAR电路机组运行在正常控制模式。在电网发生三相对称电压跌落故障较深时，系统启54动CROWBAR电路后，能有效地抑制发电机定、转子过电流的情况，从而保护了转子侧变流器，使发电机在电网故障时能不脱网运行，此时系统运行在故障控制模式下。参考文献1蔚兰，陈国呈，宋小亮，等一种双馈感应风力发电机低电压穿越的控制策略电工技术学报，2010，259170175【2】SMULLER，MDEICKE，RWDEDONCKERDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORSYSTEMSFORWINDTURBINESJIEEETRANSONINDUSTRYAPPLICATION，2002，8326333】JMORREN，SWHDEHAANRIDETHROUGHOFWINDTURBINESWITHDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORDURINGAVOLTAGEDIPJIEEETRANSOILENERGYCONVERSION，2005，2O24354414梁亮，李建林