双馈风电系统低电压故障保护方法的研究

研究与开发双馈风电系统低电压故障保护方法的研究张梅李先允2吉同舟王书征21南京师范大学电气与自动化学院，南京210042；2南京工程学院电力工程学院，南京211167摘要提出一种基于串联动态制动电阻SDBR的低电压主动保护方法，在电网故障时吸收由于电网电压跌落引起的不平衡功率，保证故障期间双馈风电机组不脱网运行。分析SDBR对DFIG的暂态影响，提出SDBR的投切控制策略。根据低电压穿越LVRT规范对无功功率的要求，研究转子侧变流器无功补偿控制方式。利用PSCADEMTDC仿真平台，建立基于SDBR的双馈风电系统仿真模型，对三相对称故障时DFIG的低电压穿越能力进行仿真研究。仿真结果表明，串联动态制动电阻能够有效的抑制定、转子过电流，限制直流母线过电压，从而提高DFIG的低电压穿越能力，保证风电系统的不脱网运行。关键词双馈风电系统；低电压穿越；串联动态制动电阻SDBR；控制策略；无功补偿STUDYONTHEPROTECTIONMETHODOFWINDTURBINEBASEDONDOUBLEFEDINDUCTIONGENERATORINLOWVOLTAGESZHANGMEILLIXIANYUN23ITONGZHOUIWANGSHUZHENG21SCHOOLOFELECTRICALAUTOMATIONENGINEERING，NANJINGNORMALUNIVERSITY,NANJING210042；2COLLEGEOFELECTRICALENGINEERING，NANJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY,NANJING211167ABSTRACTANEWPROTECTIONOFINSERTSSERIESDYNAMICBRAKINGRESISTORSDBRISPROPOSEDTHESDBRDISSIPATESTHEOVERACTIVEPOWERCAUSEDBYTHEVOLTAGEDROPTOENSUREUNINTERRUPTEDOPERATIONOFDFIGTHETRANSIENTEFFECTOFDFIGWASANALYZEDTHESWITCHINGCONTROLSTRATEGYOFSDBRVIABUSVOLTAGESTABILITYDOMAINWASPROPOSEDACCORDINGTOTHELOWVOLTAGEFAULTTHROUGHLVRTREQUIREMENTFORREACTIVEPOWER,THECONTROLOFREACTIVEPOWERWASRESEARCHEDTHESIMULATIONRESULTINPOWERSYSTEMCOMPUTERAIDEDDESIGNANDELECTROMAGNETICTRANSIENTINCLUDINGPSCADEMTDCSHOWTHATSDBRCANEFFECTIVELYHELPTOIMPROVETHETERMINALVOLTAGEOFDFIGANDLIMITTHEOVERCURRENTOFSTATORROTORANDTHEOVERVOLTAGEOFDCBUS，WHICHCANIMPROVETHETRANSIENTSTABILITYOFDFIGINTHREEPHASEFAULTITALSOPROVEDTHATTHESDBRGUARANTEESTHESTABLEOPERATIONOFWINDPOWERSYSTEMKEYWORDSDOUBLEFEDINDUCTIONGENERATIONDFIG；LOWVOLTAGERIDETHROUGHLVRT；SERIESDYNAMICBRAKINGRESISTORSDBR；CONTROLSTRATEGY；REACTIVEPOWERCOMPENSATION随着风力发电装机容量在电网中所占比例不断提高，电网发生故障时大规模风电机组脱网将会严重影响电力系统的稳定性【1】。DFIG的定子直接与电网相连，转子通过双PWM变流器与电网相连。转子侧变流器实现对有功功率和无功功率的控制，为发电机提供励磁。另外，转子变流器可以把风速波动或阵风产生的功率波动转化成风轮的动能，再平滑地转换为电能注入电网，降低了对齿轮箱的冲击和注入电网的闪变，提高风电机组的出力效应。由江苏省产学研前瞻性联合创新资助项目BY2014009003南京工程学院校级科研基金项目CKJ2009003于自身结构的特点，DFIG对电网故障尤其敏感电网发生故障时，定子电压的突变引起定子磁链振荡，定子电流随之增大。由于定子与转子的耦合关系，会引起转子电流的增大。过大的转子电流流过直流母线会导致直流母线电压升高。因此，电网故障时对DFIG保护方法的研究是十分有必要的，以保证风电机组在电压跌落时能够保持不脱网运行LL。】。对于DFIG低电压故障穿越的解决方法主要从控制策略和增加硬件辅助设备两个方面来实现。硬2O16年第6期QTLTTL51研究与开发件电路主要是在定子侧、转子侧以及直流母线侧加装保护电路。CROWBAR电路是目前普遍采用的有效措施，但CROWBAR电路的缺点是在故障时转子侧变流器被切断，DFIG处于失控状态，并且CROWBAR电路吸收无功功率会导致电网电压恶化4】。文献56提出了一种在转子侧串联动态电阻的方法以抑制电网故障时转子侧过电压，从而限制转子过电流。同时可以减少流过直流母线电容的电流，避免直流母线过电压。但是在电网电压跌落较深时需要协调其他控制方法抑制直流母线过电压。文献7提出在定子侧串联动态电阻的方法以提高定子电压，减少定子磁链的振荡。此方法需要结合转子侧电流控制以及直流母线过电压控制，控制结构繁琐。文献8在电网故障时通过计算转子电流与定子直流磁链之间的空间关系对转子电流进行补偿以消除定子暂态直流磁链，进而抑制定子直流磁链。但直流母线电压需要配合其他保护装置得以稳定。电网故障时DFIG机端电压的下降是造成定、转子过电流、直流母线过电压的主要原因。因此，电网故障时对DFIG机端电压的提高是实现低电压穿越的主要途径。本文从提高DFIG机端电压的角度，提出采用串联动态制动电阻SDBR提高DFIG的低电压主动保护能力。同时，网侧变流器切换为故障模式向电网注入无功功率，支撑电网恢复。1SDBR对DFIG的影响图1为含SDBR的双馈风电系统结构图，其中SDBR由电阻器、旁路开关以及控制器组成。图1含SDBR的DFIG结构框图串联动态制动电阻及旁路开关等效模型如图2所示，其工作原理电网电压正常时，旁路开关闭合，动态制动电阻被短路，电网电流流经路径1，系统正常运行。当电网发生故障时，控制器根据母线电压控制旁路开关断开，动态制动电阻接入系统。此时，电网电流流经路径2。故障时串联动态制动电阻的直接作用是提升DFIG的机端电压。电网故52L嚼|L纛球2OL6G6障切除时，旁路开关恢复到原来的闭合状态。路径1路径2图2串联制动电阻模型基于电网电压矢量控制，DFIG定子侧有功功率、转子侧有功功率以及网侧变流器瞬时有功功率PG分别为3A。盖DRFDRUGDFGD。式中，甜DS、UDR、UD、U分别为定子电压D轴分量、转子电压D轴分量、电网电压D轴分量、电网电压。IDS、ID、LGD分别为定子电流D轴分量、转子电流D轴分量、网侧变流器电流D轴分量。电网电压跌落期间，定子电压减小。由于定子与转子存在耦合关系，DFIG转子会感应出高电压。根据式1可知，电网电压跌落期间，定子有功功率减少，转子侧有功功率增大，大部分的有功功率流进转子侧变流器。直流母线储存的能量表示为1R，；二C1一22C【F式中，PDC1表示转子侧变流器输出功率，PDC2表示为直流母线向网侧变流器输入功率。若忽略功率器件损耗，则PDC1_PR，PDC2，因此在故障期间直流母线两侧的不平衡功率会导致直流母线电压上升9】。电网电压跌落时，电磁转矩与机械转矩之间产生不平衡转矩会使转子加速。为了解决这一系列问题，电网故障时迅速接入动态制动电阻提高输出线路阻抗，提高DFIG机端电压，在一定程度上减少电磁转矩的下降，避免转子加速。图1所示结构图中，电网发生三相对称故障时旁路开关断开，接入制动电阻后DFIG并网点电压由J升高到，表示为1一PLPCCRSDBR3式中，P为电压跌落深度，P。为并网点电流，为电网正常时并网点母线电压，为新的并网点母线电压，SDBR为串联制动电阻阻值。其向量图如图3所示。图3SDBR对DFIG机端电压影响电网故障时利用短路电流在制动电阻上产生的压降来提升DFIG机端电压，进而提高电磁功率抑制转子加速。定子电压的提高减小定子磁链振荡，避免转子过电压，并且使定子侧有功功率、转子侧有功功率、及网侧输出有功功率以及直流母线电压维持在稳定值。由图3可以看出当系统功率因数较小时，SDBR对DFIG机端电压补偿不够明显。SDBR只是通过电阻来改变系统电压分布，并不能发出无功功率。因此，负荷功率因数较差时，串联制动电阻不能有效的提高机端电压1们，本文提出了利用DFIG自身的无功调节能力向电网提供无功功率补偿，提高系统的功率因素，满足在低功率因数情况下SDBR同样能够补偿DFIG的机端电压。2SDBR的LVRT控韦0文献11研究了恒速异步风电机组FSWT中利用母线电压和转速以及两者兼具的控制信号实现SDBR的投切，具有很好的控制效果。SDBR的投入是为了抑制因电网电压跌落引起的转子加速、直流母线过电压以及转子过电流。基于动态稳定域给出了LVRT投切策略在电网电压发生故障时，如果转子转速、转子电流、直流母线电压脱离了动态稳定范围内，则投入LVRT控制，使其工作与稳定范围内。电网电压恢复至故障前的正常运行状态时，LVRT控制SDBR切除。SDBR的LVRT控制可以表示为F1WGW0U一UFRFIXDB一0WGFF后，控制器输出开关接通信号，旁路动态制动电阻。其中，延时1的作用是避免暂态过程中的电压振荡，延时2则是模拟断路器的操作延时。3SDBR的取值电网故障时，串入制动电阻后新的并网点电压要接近电网正常时并网点电压，避免SDBR选取过大，会因为并网点电压过高而影响发电机转速及功率的变化。即串联制动电阻电压上限值由并网点电压控制，可以表示为1一P呻RVL5如果SDBR选取过小，对并网点电压提升不够明显，会约束最严重故障三相对称故障下低电压穿越能力。因此，新的机端电压越接近电网稳定运行时的额定电压，DFIG低电压穿越能力越好。故本文DBR的大小通过电网电压跌落深度选取，以并网点额定电流为控制目标，从而获得动态制动电阻的取值大小，使接入电阻后的机端电压接近电网正常时额定电压。VI1一PINRSDBR6即DBR7JN式中，取正常运行时并网点额定电流。4DFIG低电压期间无功功率控制由于SDBR只是通过阻值大小改变电压分布情况，不能发出无功。DFIG在故障期间以及电网恢复时刻会从电网吸收无功，不利于电网电压的恢复。本文充分利用DFIG的无功调节能力，当电网电压2016年第6期TT,LITL53研究与开发发生电压跌落，导致DFIG转子电流、直流母线电压超过限制时，LVRT控制信号投入SDBR补偿DFIG机端电压，抑制转子电流，直流母线电压的升高，起到保护转子侧变流器和直流母线的作用。此时无功功率控制策略由稳态控制方式切换到故障控制方式，向电网注入无功功率，提高功率因数，支撑电网电压的快速恢复。电网电压恢复至故障前的正常运行状态时，LVRT控制SDBR切除，同时无功功率控制恢复为稳态控制方式，停止向电网注入无功功率。由于转子侧变流器以及网侧变流器均可对无功功率进行控制，而在电网故障期间定子侧向电网提供的无功功率远大于网侧变流器向电网提供的无功功率1。因此，本文主要从转子侧变流器控制的角度对电网提供无功功率补偿以支撑电网恢复。其控制原理如图5所示。WSC_每LQ图5转子侧变流器矢量控制框图根据风电场低电压穿越技术对无功支持能力的要求风电场向电网注入的无功电流按式7给定IREF1509一02US098式中，为DFIG并网点电压；，N为DFIG并网点额定电流。将式7转换成无功功率参考量为QROF15O9一UNUN02UN099在LVRT期间，优先考虑对转子侧无功功率控制以实现定子侧向电网提供无功功率输出，提高对电网电压的支撑。功率外环控制首先根据式8求出电压跌落至20的额定电压时，定子侧无功功率54L嘲1I纛贰2016年第6期参考值计算为为021PU，再与无功实测值的偏差通过PI控制器得到无功电流的参考值F，以此向电网提供无功支持。5仿真分析本文利用PSCADEMTDC建立了DFIG及SDBR的仿真模型。串联制动电阻被安装在风电系统并网点与升压变压器之间。本文选取最严重的三相对称短路故障对DFIG的动态特性进行分析。机组参数为有功功率15KW；额定电压069KV定子电阻RS0005875PU；定子漏感S00976PU；转子电阻R0006613PU；转子漏感01634PU_；互感L50136PU；RSDBR0386Q；变压器高压侧母线在8S时发生三相对称电压跌落，跌落深度为80，在83S时故障切除，故障时间持续03S。图6为电网发生故障时，DFIG含SDBR的各变量波形。图6A中可以看出在电网故障期间制动电阻的接入，使得DFIG的机端电压得到明显的提高。图6B图6C波形可以看出在故障期间DFIG定子侧电流、转子侧电流能够维持在稳定运行时的正常值，SDBR的接入能够有效的抑制定、转子过电流。在电网故障发生和电网故障恢复时，其过电流幅值被限制在2倍的额定值之内，在一定的安全裕量范围之内。图6D中蓝色曲线可以看出在电网故障时，直流母线电压最大值可达到6倍的额定值。这是由于暂态过程中不平衡功率引起的。红色曲线表明在电网故障时SDBR的接入能够有助于直流母线电压的稳定。因此电网故障时SDBR的接入能够帮助DFIG的变流器恢复正常运行状态。图6E是DFIG的电磁转矩，蓝色曲线说明电网电压跌落会导致发电机电磁转矩下降。并且在电网电压恢复时出现明显的振荡。而红色曲线表明在SDBR的作用下，电磁转矩的下降被迅速抑制。图6F中蓝色曲线说明在电网电压跌落时，由于DFIG的机端电压跌落引起系统的有功功率减小，并且在电网故障恢复时刻有功功率出现振荡且持续时间较长，这是因为此时电网电流不能够发生突变。而红色曲线说明SDBR可以使新的并网点有功功率恢复到稳定值，同时电网电压恢复时有功功率振荡减小。图6G中蓝色曲线所示无功功率在80S电网发生故障时刻出现一个正向的尖峰，说明在电网跌落时的暂态过程中发电机向电网输送无功。而在83S电网恢复时无功曲线出现一个负向尖峰，说明在电网恢复暂态过程中DFIG从电网吸收无功功率。红色曲线表明电网故障时，DFIG定子向电网提供021PU的无功，同时在电网恢复时DFIG定子无功功率没有出现负值并很快恢复稳定，说明此暂态过程中DFIG向电网发出无功功率。40出A接入制动电阻后并网点电压一一”F”一一一78798081828384858石8L788TSB定子电流2O151O05OO51O152OLI_誓二878798O8182838485868，788TSD直流母线电压788O8284868890929496TSE电磁转矩6至4。0至LO研究与开发87980818283848586878TSFPCC点有功功率Q一SDBR定子侧无功补催一SDBR厂17879808182838485868788TSGPCC点无功功率图6电网故障时含SDBR仿真结果6结论本文采用SDBR在电网故障时提高风电机组端电压，吸收过不平衡功率来提高DFIG的低电压主动保护能力。文中所提出的基于母线电压稳定域的SDBR投切控制策略可实现故障时DFIG的稳定运行。低电压期间网侧变流器能够向电网提供无功功率，支撑电网恢复。本文所提出的串联动态制动电阻的低电压主动保护方法能够有效的提高双馈风电系统的低电压穿越能力。参考文献1】贺益康，周鹏变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述J电工技术学报，2009，2491401462】TSILIM，PAPATHANASSIOUSAREVIEWOFGRIDCODETECHNICALREQUIREMENTSFORWINDFARMSJIETRENEWABLEPOWERGENERATION，2009，333083323】何世恩，董新洲大规模风电机组脱网原因分析及对策J电力系统保护与控制，2012，401131137，144【4】马文龙CROWBAR保护在双馈异步风力发电系统电网故障穿越中的应用J电力自动化设备，2011，3171271305凌禹，蔡旭基于转子串电阻的双馈风电机组故障穿越技术J】电力自动化设备，2014，3482530下转第61页2016年第6期曝|II纛，IJ55如0如如11OO11一一一出VI烬寄睾DDODDDDDD2苫Z辱聿耀总体评分低于B系统。经分析可知，A紧急控制系统规模较大，且接入站点中风电站较多，系统较为复杂，所以其评估结果稍低于B紧急控制系统。为将指标的评估结果进行量化分析，可根据评分结果判定系统是否通过测试。经对多个紧急控制系统进行评估，并参考领域专家的意见，确定90分为测试通过线，系统评分高于90即通过测试。由表4可知，系统A测试不合格，在数据完整性及可靠性方面对其进行改进后，再次对其进行系统的评估，测试通过。5结论根据本文所建立的大电网紧急控制系统实验验证评估指标体系，能对大电网紧急控制系统进行全局性和整体性测试及评价，并根据评价结果改进其体系建设，确保其投入使用后能可靠稳定运行。随着紧急控制系统的深入研究及发展，可在本评估系统的基础上进行扩展并细化，进一步改进评价指标标准，并对紧急控制系统进行年度全面可靠的测试评估，这对推进大电网紧急控制系统的体系建设，提高紧急控制系统的可靠性，保障电网的安全稳定性具有重要意义。参考文献【1】宋锦海，李雪明，姬长安，等安全稳定控制装置的发展现状及展望J电力系统自动化，2005，29239196研究与开发2姚光华，赵武智，刘启胜，等暂态稳定控制装置的测试与仿真浅析J继电器，2002，30123841，443】吴勇，周良松，张力晨，等安全稳定控制装置测试技术的研究J继电器，2005，33104952，564王亮，王新宝，高亮，等基于故障场景的区域电网安全稳定控制系统测试方法J电力系统自动化，2007，31183942，955】郭琦，韩伟强，曾勇刚，等电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台一架构与特征J】电力系统自动化，2012，3620156李兴建，夏彦辉，陈松林，等分布式稳定控制仿真测试系统的研制及应用J电力自动化设备，2014，34511631687张健，蒲天骄，王伟，等智能电网示范工程综合评价指标体系J电网技术，2011，356598张心洁，葛少云，刘洪，等智能配电网综合评估体系与方法J电网技术，2014，38136423648【9韩震焘，黄志伟，葛少云，等城市配电网综合评价体系J电网技术，2012，368959910张海瑞，韩冬，刘玉娇，等基于反熵权法的智能电网评价J电力系统保护与控制，2012，4011242911王彬，何光宇，梅生伟，等智能电网评估指标体系的构建方法J电力系统自动化，2011，352