毕业论文-基于Crowbar电路的双馈风力发电机组低电压穿越仿真研究.doc

. . 山东农业大学毕 业 论 文 基于Crowbar电路的双馈风力发电机组低电压穿越仿真研究 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化2班 届 次 2015 届 学生姓名 学 号 指导教师 宋成宝 二一五年五月二十六日装订线. . . 2目 录摘要IAbstractII1绪论11.1我国的风能资源及利用状况11.2 世界风电技术的发展及待解决问题11.3本文的主要工作22双馈风力发电机系统32.1 双馈异步风力发电机概述32.2 双馈异步发电机工作原理32.3 交流励磁电源工作原理42.4本节小结53低电压穿越技术研究现状及标准63.1低电压穿越技术概述63.2低电压穿越技术的国内外研究现状63.3低电压穿越技术的不同国家标准73.4 基于MATLAB的双馈感应风力发电机低电压穿越仿真93.4.1 基于MATLAB的双馈感应发电机（DFIG）模型93.4.2 电网故障对风力发电系统的影响分析123.5本节小结154 Crowbar电路在双馈感应风力发电机中的应用154.1 Crowbar电路保护原理154.2 Crowbar电路分类164.2.1被动式电路164.2.2主动式电路174.3 Crowbar电路在风电并网中应用的仿真分析184.4 电阻阻值对故障下发电系统参数的影响214.4.1阻值对转子电流的影响214.4.2阻值对电磁转矩的影响234.4.3 阻值对直流侧母线电压的影响254.5 Crowbar电路的切除时间对系统参数的影响274.6 本节小结315总结与展望325.1总结325.2展望33参考文献34致谢36ContentsAbstractI1 Introduction11.1 Our wind resource and its utilization state11.2 The development and unresolved issues of wind power technology 11.3 The main works of this paper22 Double Fed Wind Generators system22.1 Double-fed asynchronous generator outline22.2 Double-fed asynchronous generator principle32.3 AC excitation power supply principle42.4 Section summary53 The latest studies and standards of LVRT Technology53.1 LVRT Technology outline53.2 The latest studies of LVRT technology63.3 Some national standards of LVRT technology73.4 DFIG model simulation based MATLAB93.4.1 Double-fed induction generator model based MATLAB93.4.2 Effect of grid failure on the wind power generation system123.5 Section summary154 The usage of Crowbar Circuit in wind power generation system154.1 Crowbar circuit principle154.2 Crowbar circuit classification164.2.1 Passive circuit164.2.2 Active circuit174.3 Crowbar circuit simulation in wind power184.4 Effects of resistor for wind power system under fault conditions214.4.1 Effects of resistance for the rotor current214.4.2 Effects of resistance for the electromagnetic torque234.4.3 Effects of resistance for the DC bus voltage 254.5 Effects of clearing time of Crowbar circuit for power system274.6 Section summary325 Summary and Outlook325.1 Summary325.2 Outlook32References34Thanks36基于Crowbar电路的双馈风力发电机组低电压穿越仿真研究杨啸天（山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要：随着风力发电技术推广，风电场容量逐步增大，低电压穿越技术得到特别重视。风力发电系统实际应用的一种发电机双馈异步感应发电机，本文选取该发电机为研究对象。在电网电压出现跌落后，风电机转子侧的电流变大，定子的电流变大，电磁转矩大幅波动，转速升高，极有可能出现脱网事故，甚至引发更大的连环事故。为在电网故障切除后，及时恢复电网电压、提高电网稳定性，这就要实现在故障发生后一段时间内风电机组不能脱网。提高低电压穿越能力的方法有很多，主要集中在两个方面，一是硬件电路的改造，二是控制策略的改进。利用MATLAB建立了风电并网系统模型，在有/无电网故障情况下，分别进行仿真。本文从低电压穿越技术中选取一项较为成熟的技术Crowbar电路，对其进行分类，选取了主动式电路中的整流桥式，并分析该电路的控制策略。在搭建的风电并网模型中应用，验证该电路能减小电磁场中的直流分量，使在故障期间减弱对电机的冲击。因Crowbar电路中的电阻对系统影响较大，着重分析电阻值对发电机转子侧电流、电磁转矩和变换器直流侧电压的影响，发现电阻阻值的选取不能过大也能过小。此外，还分析Crowbar电路切除时间对系统的影响。关键字：双馈风力发电机，低电压穿越，Crowbar电路，MATLAB仿真Simulation Study of LVRT for the DFIG-based Plants with Crowbar CircuitXiaotian Yang(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, 271018)Abstract: As the wind power generation technology popularization, wind farm capacity increases gradually, and the LVRT technology has been made special attention. This paper selects the doubly-fed asynchronous induction generator as the research object, because it is a typical generator in the wind power generation system. The voltage drop of the power grid causes the increased current on wind generator rotor side, the increased stator current, the sharp fluctuations of the electromagnetic torque, the increased rotating speed , very likely to take off the net accident, even to greater pile-up. In order that the voltage of power grid recovers after removal of fault and is improved the stability of it, it makes sure that wind turbines will not exit the power grid after fault for a period of time. There are many ways to improve the capacity of LVRT, mainly concentrated in two aspects: one is the changes of the hardware circuit, and the second is the improvement of the control strategy. The model of the wind power system was established based on MATLAB. With/without power grid fault, it was simulated respectively. This paper selected the more mature technology from the LVRT technologies-Crowbar circuit. Then it was classified. This paper selected the active rectifier bridge circuit, and analyzed the control strategy of the circuit. The application of Crowbar circuit model on wind power grid model verified it can reduce DC component in the electromagnetic field to weaken the impact of the motor. Due to the greater impact of the resistance of crowbar circuit on the system, it analyzed the impact of resistance for the current of the generator rotor side , electromagnetic torque and the DC voltage of the converter. The value of resistance cannot be big or small. Furthermore, the influence of clearing time of Crowbar circuit on the system was analyzed.Keywords: DFIG, LVRT, Crowbar circuit, MATLAB simulation1绪论1.1我国的风能资源及利用现状我国陆地面积广阔，海岸线长，现有的风能资源非常丰富。2004-2005年，中国气象局组织了第三次全国风能资源普查，根据普查的结果，我国技术可开发（风能功率密度大于150W/m2）的陆地面积约为2105km2。考虑风电场中风电机的间距，按照5 MW/km2计算，可以在陆地上开发的量为1106MW。根据全国海岸带和海涂资源综合调查报告可知，我国大陆沿岸浅海020m等深线的海域面积为1.57105km2。2002年，全国海洋功能区划对港口航运、渔业开发、旅游以及工程用海区等做了详细规划。去掉这些区域，考虑其总量10%20%的海面可用于发电，风力发电机组的实际功率按照5 MW/km2计算，则近海风电装机容量为2.5105MW。总的说，风能资源储量巨大，陆上加海上可装机总容量达1.25106MW，风电具有可大规模开发的资源基础。2013年，国家能源局出台了一系列政策措施，加强风电产业监测和评价体系建设，有针对性地解决弃风限电问题，强化规划的引领作用，实施风电年度发展计划，有序推进风电基地建设，使风电产业发展更加理性。与上一年相比，风电场建设有所加快，风电市场出现了平稳回升的势头1。我国2008年-2013年装机容量汇总表如图1-1所示，可以看出每年都有大量新增装机容量，增长速度非常快，虽然中间有2011年与2012年增长的数量有所下降，但是总体来看，增长非常平稳。预计最近几年，风电总装机量都会按照线性规律不断增加，容量不断扩大。图1-1 我国2008-2013年风电装机容量1.2 世界风电技术的发展及待解决问题在当代，快速发展的工业和住房的扩建，需要使用大量的电力。考虑到地球资源逐渐枯竭、温室气体排放造成的环境问题，可再生能源需要被开发、利用，例如，太阳能、风能、地热能、潮汐能等等，可再生能源可以替代传统产能方式，成为一个绝佳的战略选择。利用可再生能源产生清洁能源，就可以减少其他资源的使用，缓解化石能源对环境的污染。截止到2013年底，大约24个国家的风电装机容量超过1GW。六年以来，从每年新增装机容量来看，亚洲国家在全球各大区排名都是第一，中国和印度是亚洲风电发展迅速的国家。风能已经不单单是一种辅助式的能源形势，风力发电变成了最具有商业化发展价值的新产业，已经成为解决能源问题的重要力量之一。随着风力发电应用越来越广，风电并网给原有电网带来许多压力。首先，调峰、调频难度变大了。风电具有反调峰特性，这明显使电网调峰的难度增加；同时，风电还具有间歇性、随机性，这又增加了调频的难度。其次，电网电压更难控制。因为电网无功要补偿风电场，风电依赖于电网，这电网运行的灵活性受到限制。另外，风电场很多位于电网末梢，随着接入电网的规模越来越大，一旦遇到风电大量上网，电网输送能量突然增多，热稳定问题突出出来了，局部电网不能完全消纳。最后，增加了电网稳定的风险。因为风电的间歇性与随机性，增加了局部电网稳定运行的风险，控制变得复杂，甚至造成局部电网失电压。因此，风电并网需要严格的技术要求，包括无功功率控制能力、低电压穿越能力(Low Voltage Ride Through, LVRT)、频率控制和有功功率变化率控制等。其中，很多该领域的人认为，风电机组设计、制造与控制技术上，最大的挑战就是LVRT，它决定了风电能否被大规模利用。1.3本文的主要工作在实际电网中，电压跌落是难免的，在风电并网系统中也肯定存在。随着风电机组容量的增加，电网故障发生后一段时间内不允许风机脱网运行，以保证快速恢复电网电压，维持电网的稳定性。本文以双馈风力发电机为研究对象，针对该问题进行仿真研究。本文选取低电压穿越技术中的Crowbar电路作为仿真对象，对基于 crowbar电路的双馈风电机组低电压穿越特性进行仿真试验，通过仿真来说明Crowbar电路对低电压穿越的作用，为双馈电机的进一步深入研究和大型风电场的并网问题提供依据。 本文主要工作包括以下几个方面：（1）对双馈风力发电系统主要部分的工作原理进行描述；总结近几年内低电压穿越技术的发展，汇总了一些国家对LVRT提出的标准。（2）利用MATLAB例程构建风机并网模型，并分析故障有无时的波形变化。（3）分析Crowbar电路不同类型并选择，构建Crowbar电路模型，在并网模型基础上应用，仿真分析其作用。（4）分析Crowbar电路电阻对系统某些参数的影响；分析Crowbar电路切除时间对系统的影响。2双馈风力发电机系统2.1 双馈异步风力发电机概述双馈异步风力发电机（DFIG，Double-Fed Induction Generator）是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件，风力发电中的一种典型发电机。双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变流器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了柔性连接，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。根据原理及实际，做出示意图（图2-1）图2-1 双馈感应发电机的结构示意图2.2 双馈异步发电机工作原理在电机学中，同步发电机稳态运行时，输出端电压的频率与发电机转速有密切的关系： (2-1)式中，：发电机输出电压频率；：发电机的极对数；：发电机旋转速度2。三相对称交流电通入转子三相对称绕组中，旋转磁场就会在电机气隙内产生，旋转磁场的转速与交流电频率的关系： (2-2)式中，：转子三相绕组中的交流电频率；：电机的极对数；：转子三相绕组通入频率为的三相对称电流后所产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度。由上式可知，频率与是线性关系。当转子中三相电流的相序改变时，还可以改变转子旋转磁场的方向。因此，若设为对应于电网频率为50Hz时的发电机的同步转速，而为电机转子旋转速度，则只要能保证，异步电机定子绕组感应电动势的频率就和相同3。双馈异步发电机的滑差率为。转子三相绕组通入的电流频率为： (2-3)通过以上分析可知，在双馈异步电机转子的转速不断变化时，只要把滑差频率为（即）的电流通入转子的三相对称绕组，定子绕组中就能产生恒定频率的电能，实现了变速恒频。双馈异步电机转子在不同转速下，具有以下三种运行状态：（1） 亚同步运行状态：。（2） 超同步状态：。（3） 同步运行状态：。2.3 交流励磁电源工作原理双馈异步发电机有三种工作状态，即亚同步运行、同步运行和超同步运行，因此交流励磁电源需要幅值、频率和相位可调的转子励磁电流。交流励磁电源由两部分组成，即网侧PWM变换器和转子侧PWM变换器。背靠背PWM变换器(Back-to-Back PWM)技术已经发展成熟，被广泛地应用，很多生产商专门为这种结构设计了功率模块。因为变换器传输的是滑差功率，变换器功率一般占发电机功率的25-40。图1-2 Back-to-Back PWM变换器背靠背PWM变换器原理图如图1-2所示。图中uga、ugb、ugc为电网侧三相电压，包括扼流线圈的电感和交流电源内部的电感，为包括扼流线圈中的电阻和交流电源内部的电阻。背靠背PWM变换器由两个完全相同的电压型三相桥式PWM变换器构成，直流母线用来连接两侧。背靠背PWM变换器是一种交一直一交变流结构，可以独立控制两个变换器。背靠背PWM变换器不仅输出性能良好，还可用来改善输入性能。它可获得任意功率因数的正弦输入电流，并且能够实现能量双向流动。上述特点使它满足于变速恒频风电机中的交流励磁变换器所要求的条件，所以应用广泛。由于双馈异步发电机常在不同状态下运行，两个PWM变换器的工作状态也不断变化，所以不以处于整流或逆变的状态来命名它们，而是根据它们所处的位置命名，分别是网侧PWM变换器和转子侧PWM变换器。（1）网侧PWM变换器网侧PWM变换器需要保证交流励磁电源良好的输入特性，即输入电流的波形接近正弦。理论上网侧PWM变换器可获得任意功率因数。当双PWM变换器进入稳定工作状态时，母线上的直流电压恒定，网侧PWM变换器的三相桥臂被正弦脉宽调制技术驱动。当开关频率很高时，由PWM原理可变换器的交流侧电压含有正弦基波电压和一些频率很高的谐波电压。由于电感的滤波作用，频率很高的谐波电压产生的电流非常小。当调制正弦信号与电网频率一致时，输入电流近似于正弦。采用正弦脉宽调制方式对G1、 G2、G3、G4、G5、G6进行触发控制，由PWM原理可知，在ab、be、ca端将产生SPWM波。Uab、Ubc、Uca中含有和正弦信号波同频率且幅值成正比的基波分量，以及一些频率很高的谐波。由于电感的滤波作用，频率很高的谐波电压可以忽略。当调制正弦信号的频率和电网频率相同时，iga、igb、igc也为与电源频率相同的正弦波。电网电压和频率一般是恒定的，ia, ib, ic幅值和相位仅由uab、ubc、uca中基波分量的幅值和相位决定。网侧PWM变换器工作在整流状态时，IGBT和二极管组成多组boost升压斩波电路。这使直流母线电压比输入的线电压高，并能保持直流母线电压稳定。（2）转子侧PWM变换器变速恒频风力发电机组运行的目标主要有两个：一是实现最大风能获取；二是对发电机的无功功率进行控制。对于双馈异步发电机，这两个目标都是控制DFIG的转子电流实现。而转子电流受控于转子侧PWM变换器。三相静止坐标系下的DFIG数学模型是一个强耦合的系统，对有功功率和无功功率的解耦控制是很难的。而利用矢量技术便可解决这个问题。转子电流通过坐标变换实现有功分量与无功分量的解耦。控制DFIG转子电流有功分量就可以控制DFIG的转速或者定子侧输出的有功功率。控制DFIG转子电流无功分量就可以控制DFIG定子侧输出的无功功率。转子电流都是由转子侧PWM变换器提供。采用电压空间矢量调制(SVPWM)方式对变换器中的开关器件进行控制。SVPWM源于交流调速中为获得圆形旋转磁场的磁链追踪，所以SVPWM又称磁链追踪新PWM法。它是以三相对称正弦波电压供电下三相对称电动机定子理想圆为基准，由三相桥不同开关模式下所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，在追踪的过程中，桥臂的开关模式作适当的变换，从而形成PWM波。相比于传统的SPWM方式，SVPWM方式具有直流母线电压利用率高，电流波形畸变小和更易于数字化实现等优点。2.4本节小结本节中，先对双馈风力发电系统的物理结构进行介绍，方便后面对工作原理的延伸，以及后续建模的需要。之后，对系统的两个主要部分原理进行叙述，一是双馈异步感应发电机，分析得出恒频输出的原理；二是交流励磁电源，分析其两个变换器的工作原理。本节以叙述性为主，为下面的仿真分析做出铺垫。3低电压穿越技术研究现状及标准3.1低电压穿越技术概述低电压跌落是指，电网中某个点的电压发生突然跌落，电压为原来电压的10%-90%，跌落时间长达0.5个周期至1 分钟。因为输电线路长度较长，造成电网的稳定性不强，电网故障时有发生，造成低电压跌落的状况经常发生。电网故障容易造成机端电压突降，发电机定子电流随之上升。由于定转子间的强耦合关系，转子电流也快速变化，其幅值可上升至额定电流值的2-5倍。若该电流不被抑制，转子侧的变频器承受不了过电流而退出运行。一旦转子侧不受控制，也就无法控制励磁电流，也即无法控制电磁转矩。当电机无法控制的时候，转速将快速上升。因风力发电机的转速有一个极限，达到极限后会触发刹车系统，引起电机退出电网。在过去的时候，当电网故障发生时，都会让风机脱网，以保证风机和电网双方的安全。但随着风电场规模、容量越来越大，若仍按照过去的办法，让风电机组退出电网，将失去对电网电压的支撑能力，甚至会引起“多米诺骨牌效应”，造成事故扩大，严重影响电网运行的稳定性，使恢复时间变长。因此，许多电网公司及许多国家标准都规定，电网故障发生后的一段时间内，要保证风电场继续向电网送电，不脱离电网，甚至要向电网输送一定的无功功率，来帮助快速恢复电网电压以供给用户。这种在故障发生后一段时间内，可以保持继续运行的能力，即是低电压穿越能力。对于直驱风力发电机，由于全功率的变频器使电机能与电网相连，电网电压的变化不会对发电机侧的变频器以及电机产生太大的影响，也就是说，直驱风力发电机的低电压穿越能力较强。但双馈风力发电机的定子直接连接电网，转子的变频器容量较小，只能对发电机提供部分控制，对电网电压的变化比较敏感，所以低电压穿越能力较弱。而变速恒频双馈风力发电机是目前主流使用的风力发电机型。故风力发电中需要处理的主要问题是双馈风力发电机的低电压穿越能力的提高。因此,低电压穿越要达到的目标为：（1）电网故障发生后一段时间内不脱网运行。（2）向电网提供必要的无功功率，以快速恢复电压。（3）抑制故障电流，保护变频器和直流母线电容。（4）使电磁转矩维持在要求的安全范围内。（5）使机械转速增大不能过快。3.2低电压穿越技术的国内外研究现状目前，国内外研究者和风力发电机生产商基本掌握了风力发电机组故障运行时的特点。最近，对双馈风力发电机组的低电压穿越能力的研究主要在于三个方面：一是撬棒(Crowbar)保护技术的应用；二是新型拓扑结构的搭建；三是新型控制策略的研究4。文献5中提出了一种在定子侧加装串联变流器，用来减弱短路对风力发电机的影响。因为每个开关单独控制，所以可以减弱不对称短路故障对风机的影响。当电压跌落时，变流器通过串联变压器采样，来补偿下降的电压。此外，变流器还可作为有源滤波器，起到补偿电压的作用。文献6在定子侧加装了一个桥式故障电流限制器，有效提高了风力发电机组的低电压穿越能力。文献7中提出了一种基于磁链跟踪的低电压穿越策略，用来控制转子侧变流器故障电流。当电压跌落被检测到后，通过控制转子侧变流器，来立刻控制转子磁链。采用这种方式，可以有效减小转子侧电流，并且和其它方式相比，这种方法实施起来非常简便。文献8提出了一种调整低电压条件的线性控制器，用来应对严重系统故障引起的不稳定性。使用平均值和Cauchy 余项把非线性系统转化为线性的，这就增加了整个系统的稳健性。上述两文献都是对控制策略的改进，并验证了方法的有效性。文献9提出在风电场加入STATCOM，和撬棒电路配合，在电压跌落严重时，向系统发出无功功率，补偿系统无功，以提高电网的稳定性。但在电压下降轻微时，STATCOM不能投入系统，否则会加重系统振荡。文献10也提到了STATCOM，但利用方式和上者不同，该文中偏重于补偿系统无功，前者侧重于利用STATCOM对不对称故障进行补偿，增加了故障期间的可控性。文献11探讨了在电网中投切串联制动电阻，以提高风电机组低电压穿越能力。分别讨论了在风力发电机极端位置和在变压器高压位置的不同效果，最后得到结论：在变压器高压侧放置制动电阻投切装置更有效。为了提高风电机组的低电压穿越能力，Crowbar电路是应用最广的一种有效方式，很多研究人员对此研究的内容也非常广泛。文献12-17从不同角度分析了Crowbar电路的特性，充分分析了各种物理数据，以方便Crowbar电路在应用中的分析与合理利用。3.3低电压穿越技术的标准为保证电网的稳定性，必须对低电压穿越提出具体的要求和标准。不同国家和电网公司制定的标准有所不同1819，下面以德国、美国和中国的标准为例（图3-1）德国标准（图3-1(a)）要求：（1）当电网故障在阴影上方时，机组不能退出运行。（2）当电网故障在阴影中时，机组不能退出，还要向电网输出一定的无功以加快电压的恢复。（3）当电网故障在阴影下方时，机组可以退出运行。（4）在电压跌落到额定电压的0.15倍时，能够保证并网运行625ms，且能继续提供无功补偿；在发生电压跌落后3s内，电网电压能够恢复到额定电压的90%。美国标准20（图3-1(b)）要求：（1）当电网故障在实线上方时，风电机组不能脱网。（2）当电网故障在实线下方时，风电机组允许脱网运行。（3）当电网电压降至额定值的0.15倍时，要保证风电机组并网运行0.625s；且在故障发生后的3s内，电网电压恢复至额定值的0.9倍以上。中国标准21（图3-1(c)）要求：（a）德国LVRT标准图（b）美国LVRT标准图（c）中国LVRT标准图图3-1 不同国家的LVRT标准图（1）当电网故障造成电压在图中实线以上时，风电机组应不间断并网运行。（2）当并网电压在图中实线以下时，风电机组允许退出电网。（3）当并网电压下降至额定值的20%时，风电机组能够继续并网运行0.625s。（4）风电场并网侧电压降低后 2s 内，风电机组能输送给电网无功功率，使电网电压恢复至额定值的 90%。3.4 基于MATLAB 的双馈感应风力发电机低电压穿越仿真3.4.1 基于MATLAB的双馈感应发电机（DFIG）模型由2.1节可知：风力机把风速转化为机械转矩提供给发电机，发电机定子侧直接连接电网，转子侧通过背靠背PWM变流器连接电网，以获取可变频率的励磁电压电流，变流器是通过专门的控制部分进行控制的。因风力发电模型不是本文重点分析内容，直接利用了MATLAB例程中的双馈风力发电机模型搭建系统。对其控制系统专门查阅了相关文献22-25，对控制系统的原理有初步了解。在本文中，选择了图3-3所示的风力发电机。对风力发电机内部结构及控制系统的控制策略，请参考MATLAB中与风力发电机相关的帮助文档，详细原理请查看模型内部。因笔者精力有限，对此不再详述。图3-3 风力发电机封装模型为了仿真低电压穿越技术，需建立风电并网仿真模型。在内陆的风力发电应用中，通常把风电场安排在人烟稀少的地区，电能经过升压变压器用输电线路送给电网，因此采用图3-4所示的系统。风电场是由6台1.5MW风力发电机组成，输出额定电压为575V，为减少线路上的损耗，需要把电压提高，使电流减小。发出的电能经过升压变压器，变比为35KV/575V，输送给线路，线路长度为50km。线路另一端接有负载，此处负载设为10MW。同时无穷大电网和负载并联，防止风力发电系统解列，无法供给负载电能，当风力发电系统脱网后，电网可以为负载提供电能，提高了负载侧的电压稳定性。风电并网系统见图3-5。电力系统子模块见图3-6，其中B25为测量元件，用来获取负载侧电压。系统的详细参数见表3-1、表3-2。参数设定完毕后，通过模型窗口菜单中的“SimulationConfiguration Parameters”命令打开设置仿真参数的对话框，选择离散算法，仿真起始时间设为0s，仿真终止时间设为0.4s，利用Powergui模块设置采样时间为0.00005s，其他参数采用默认设置。设置完图3-4 实际风电并网示意图图3-5 风电并网系统模型图图3-6 电力系统模型图参数之后，进行系统仿真，得到相关参数数据。绘出波形的程序清单：figure (1);plot (ScopeData_none1.time,ScopeData_none1.signals(1,1).values);title (stator voltage);grid on;figure (2);plot (ScopeData_none1.time,ScopeData_none1.signals(1,2).values);title (stator current);grid on;figure (3);plot (ScopeData_none1.time,ScopeData_none1.signals(1,3).values);title (P(MW);表3-1电力系统参数参数数值参数数值系统频率50Hz线路长度50km无穷大系统电压220kv线路正序电阻0.1153/km降压变压器变比220kv/35kv线路正序电感1.05e-3H/km降压变压器高低压绕组电阻（标幺制）0.08/30线路正序电容11.33e-9F/km降压变压器高低压绕组电感（标幺制）0.08升压变压器变比35kv/575v故障类型三相短路接地升压变压器高低压绕组电阻（标幺制）0.025/30负载接地类型Y型接地升压变压器高低压绕组电感（标幺制）0.025负载额定电压35kv升压变压器额定功率1.75*6MVA负载额定功率10MW升压变压器一次侧接线Delta(D11)表3-2 风力发电机系统参数参数数值参数数值风力机额定风速11m/s扼流线圈阻感（标幺制）0.003+0.3j(p.u.)风力机额定机械输出功率1.5*6Mw变流器直流侧额定电压1150v发电机额定功率1.5/0.9*6Mw变流器直流侧电容0.01F发电机定子阻感（标幺制）0.023+0.18j(p.u.)电网侧变流器PWM频率2700Hz发电机转子阻感（标幺制）0.016+0.16j(p.u.)转子侧变流器PWM频率1620Hzgrid on;figure (4);plot (ScopeData_none1.time,ScopeData_none1.signals(1,4).values);title (Q(Mvar);grid on;figure (5);plot (ScopeData_none1.time,ScopeData_none1.signals(1,6).values);title (IG speed);grid on;figure (6);plot (ScopeData_none1.time,ScopeData_none1.signals(1,9).values);title (electromagnetic torque);grid on;运行以上程序，得到发电机定子电压、定子电流、输出有功功率、输出无功功率、转子电流和转子电磁转矩的波形（图3-7）。整个系统在开始运行的0.1s内是不稳定的，电压处于上升阶段；电流因为刚启动而比较大，大概为稳定时的2倍；有功无功功率都是慢慢达到稳定状态的输出值；电磁转矩也是出现了振荡的情况，随着系统的运行，逐渐趋于一个稳定的范围。因此，初步确定0.2 s达到稳定状态。3.4.2 电网故障对风力发电系统的影响分析电网故障起始时刻设为0.2s，结束时刻设为0.3s，短路点位置设为负载端，短路类型设为为三相对称接地短路，接地电阻为0.001。进行模型仿真，得到定子电压、定子电流、输出有功功率、输出无功功率、转子电流、电磁转矩和变流器直流侧电容两端电压的波形（图3-8）。从图3-8分析得出：（1）故障发生后，电压发生明显下降，接近于额定电压的20%，电流比原来增大，会引起系统的热效应。按照国家标准，应该在625ms内保证风力发电机不脱网。（2）故障发生后一段时间，有功功率下降至接近0，无功功率由负值上升为正值，之后又出现下降，稳定于一个正数26。（3）故障发生后，转子电流发生大的跃动，幅值最大处为原峰值的3倍，电流的阶跃对变频器有很大的影响，严重时可致损坏。（4）电磁转矩发生剧烈的振荡，由原来的负值变为正值，并出现上下波动，最后稳定在0附近。（5）变流器直流侧电容两端电压发生轻微振荡，幅值有所变化。当故障结束时，再次发生振荡。由此可以看出，变频器受到故障的冲击。（a）定子电压(b) 定子电流（c）输出有功功率（d） 输出无功功率（e）转子电流（f）电磁转矩图3-7 正常系统有关参数的波形（a）定子电压（b）定子电流36(c) 输出有功功率（d）输出无功功率（e）转子电流（f）电磁转矩（g）直流侧母线电压图3-8 电网故障发生后有关参数波形原理分析：当电网故障导致DFIG定子电压跌落时，首先将引起定子电流增大。又由于故障瞬间磁链不能突变，定子磁链中将感生出直流分量（不对称跌落时会存在负序分量），其切割转子绕组会产生很大的感应电动势，导致转子电流增大。同时，定、转子电流的大幅度波动会造成DFIG电磁转矩的剧烈变化，对风电机组机械系统产生很大的应力冲击。另一方面，从能量的角度考虑，电网电压骤降会使DFIG产生的电能不能全部从定子送出，而风力机吸收的风能又不会明显变化，这将首先导致机组转速的升高，进而使得流经转子侧变流器的转差能量增加，从而导致了转子电流的增大。能量流经转子侧变流器后，一部分被网侧变流器传递到电网，剩下的给直流电容充电导致直流母线电压的快速升高。如果不及时采取保护措施，仅靠定、转子绕组自身漏抗不足以来抑制浪涌电流，过大的电流和电压将导致转子侧变流器，定、转子绕组绝缘以及直流母线电容的损坏。同时，转矩的振荡会冲击传动链，影响齿轮箱的寿命。当电网发生故障时，发电机的出口电压会降低，如果机械转矩保持不变，发电机电磁转矩减小会造成转子加速。电网故障消失后，系统电压恢复时发电机会从电网中吸收大量无功电流来重建发电机内部电磁场，就会导致了电网中出现较大的冲击电流，并在风力发电机和线路上产生很大电压降，进一步降低了风力发电机出口电压。3.5本节小结本节中，首先介绍了低电压穿越技术，对其整体原理进行概述。之后，列举了关于该技术的最新的文献，分析了最新进展，作为本文的参考。然后，列举了低电压穿越要达到的要求，对三个国家的标准进行分析，总结出了每个国家标准包含的详细信息。依据实际的情况，为本文的仿真搭建了风电并网的MATLAB模型，并分别在无/有故障下仿真该模型，对故障下的波形进行分析，并对整体的原理进行了表述，为后面解决有关问题提供基础。4 Crowbar电路在双馈感应风力发电机中的应用4.1 Crowbar电路保护原理由上一部分的最近研究现状可以看出，低电压技术主要是两种应对措施，一是从硬件上考虑，外界电路或者改变电网结构；二是从控制策略角度考虑，通过改变网侧变换器和转子侧变换器的控制策略，来降低转子侧电流。其中，硬件改进中以Crowbar电路为主。对于电压的轻微下降，改变策略是可以起到效果的，但在本文中，电压下降幅度达到接近80%，需要利用硬件改变来提高低电压穿越能力。在现在的双馈风力发电机系统中，低电压穿越技术以Crowbar电路为最多、最广泛，因此下面以Crowbar电路为对象进行仿真和分析。在电网故障后，因定子电流突然增大，磁场发生剧烈变化，引起转子感应电流增大，电磁转矩等参数发生比较大的变化。Crowbar电路的作用就是吸收转子电流中的直流分量，使转子电流幅值下降，减小电磁转矩的波动，减小对变频器、定转子绕组的大电流冲击。Crowbar电路安装于发电机的转子侧（图4-1），在检测到电网发生故障时，及时触发该电路。它使转子短路，避免大电流流进变频器，保护变频器直流侧电容。图4-1 Crowbar电路安装位置4.2 Crowbar电路分类不同时期，因为硬件的条件以及风力发电的发展程度不同，采取的技术有所不同。早期的时候多采用被动式电路，随着各方面的发展，该类型电路不能满足当前各国家及其电网公司的标准、要求。后来主动式拓扑结构提出，因其优良的应用效果，现在被广泛采用。下面对这两种电路形式分别讨论。4.2.1被动式电路早期时候，全控器件还没出现，晶闸管出现比较早，所以之前都是用晶闸管。因为当时风电机容量不大，为保护发电机组，让转子侧直接短路。(a) 反并联式（b）整流桥式图4-2 被动式Crowbar电路形式（1）反并联式：在故障发生后，触发晶闸管，使转子电路短路，起到保护转子变流器的作用。但其缺陷很明显，转子侧会产生直流分量，影响晶闸管的关断。（2）整流桥式：当故障发生后，与反并联相同，晶闸管触发，转子回路短接，能保护变频器，但仍有很大的缺点。因晶闸管不能自己关断，只能等定子侧断开电网，把剩余的电荷泄掉，不能自己重新连接电网，需要重新执行并网的操作。4.2.2主动式电路随着电力电子器件的发展，风力发电的容量也突飞猛进的增大，不可避免地提出更加有利于电网稳定性的要求，随之也就有了主动式的拓扑结构。（a）反并联式（b）整流桥式（c）混合式图4-3 主动式Crowbar电路形式（1）反并联式：图4-3（a）中反并联的器件通常为晶闸管，故障后，触发相应的晶闸管导通，抑制电流幅值，还可以在故障切除后继续连接电网，很快就可以恢复供电。（2）整流桥式：图4-3（b）中用二极管搭建了一个整流桥，其中的交流开关可以从IGBT、GTO、MOSFET等全控型器件中选择其一。当转子电流上升时，给器件导通信号，转子电流通过电阻消耗掉，一旦检测到故障切除后，可以适时给予关断信号，保证系统快速恢复稳定供电状态。（3）混合式：图4-3（c）中由二极管和交流开关构成桥臂，适时触发电力电子器件就可以起到降低转子电流的目的。4.3Crowbar电路在风电并网中应用的仿真分析本文选择主动式中的整流桥式，原因有二：一是主动式符合现在的风电机组；二是整流桥式中全控型器件只有一个，方