2023双馈风机低电压穿越的改进技术

!"#$%$'$) +,@.随着能源问题的不断突出，世界范围内、尤其是我国，风力发电蓬勃发展。双馈风力发电系统因其具有独立的有功、无功调节能力5，易于实现变速恒频发电，机侧变换器所需容量小等优点受到——————————

了业界的青睐，但正因为它机侧变换器容量小，也造成其对电网故障敏感、脆弱的特性。当电网电压律定子磁链不会突变，定子磁链不仅包含周期分量还有暂态直流分量，此暂态分量以定子时间常数衰减，其最大值与电网电压降落的大小和电压降落发动势暂态直流分量，它除了与电网电压降落的大小和电压降落发生的时间有关外，还与滑差率!成正比。由于双馈风力发电机（DFI）运行时滑差率一较小，故反电动势周期分量一般比较小。与此同时，由定子磁链周期分量感生出的反电动势暂态直流分量的幅值与（!–）成正比，其大小远超过反电动知，转子电流中的暂态分量往往可以很大。DFIG的机侧和网侧变流器是由电力电子器件组成的，过流对他们造成的损害是毁灭性的，因此低电压穿越一落对DFIG电压较低网侧变流器功率输送不出去，会引起直流母线过电压，进而可能引起直流环节电容被损毁。除了以上2点，风力机俘获的能量与发电机发出的功率不平衡还可能会引起转子转速的升高引发飞车危险。故成功的低电压穿越，需要满足转子侧变流器不过流，直流母线不过压以及转子转速不过限，只有这3方面都满足要求才称为实现了成功的低电压穿越[9–10]。目前转子corwbar技术是低穿的主流解决方电阻短接DFIG的转子并将机侧变流器旁路，为转子侧的浪涌电流提供一条大阻尼通道，这样可以有效地控制流过机侧变流器的电流不过限，避免烧毁机侧变流器的电力电子器件。也有研究提出解决方案，即在背靠背变流器的直流母线电容旁并联一个电阻，此电阻的通断由与其串联的IGBT控制，当直流母线电压过高，投入ckopper来卸荷。本文在PSCAD仿真平台上将crowbar与ckopper共同纳入主电路拓扑结构中，通过理论分析与仿真发现ckopper的加入不仅减小了电网电压波动过程中转子电流的振荡；另一方面ckopper的加入大大提高了crowbar电阻阻值整定上限，可以有效减小定子无功功率振荡以及恢复过程的过渡时间。在与ckopper配合的硬件电路基础之上，本文还提出低电压穿越过程中机侧变流器的无扰切换控制方法，最后通过仿真验证了这种方法可以大大减少crowbar投切次数与低穿过渡时间，并且控制实现较简单可行。CrowbarchopperCrowbar与ckopper共同配合的DFIG主电路拓扑结构如图1所示[14–15]。lcrowbarchopperDFIGchopperCrowbar的投切控制信号由采集到的转子电流信号决定，crowbar投切判据采用：当三相转子电流任意一相超过转子电流上限t+时，crowbar投Ckopper母线电压决定，ckopper投切判据为：当直流母线、

阈值，之所以大小不同是为了实现一定的延时，减少不必要的投切。通过控制crowbar与ckopper的投切确保流过转子侧变流器的电流与直流母线电压不过限，两者分开控制，可以有效确保机侧变流器与直流侧电容的安全。值得注意的是，转子电流的阈值与机侧变流器的额定电流有密切关系，若机侧变流器采用的IGBT容量大，则可以相对大一些，这对减少crowbar的投切次数和过渡时间很有帮助，但会造成IGBT的资金投入较大。直流侧电压一般不允许超过额定电压U的10，在仿真中将阈值设置为1.1。仿真中双馈风力发电系统参数如表1所示。表l双馈风力发电系统参数&'()&'()15MM*+,-35m!"#$%DFIG7%I3$L%$3XY$Z8640µF.½011225hg/m345233m/z&'()15MA&'2312m/z462325m/z8Ç'Ç:25;<%2=½?%1.14z@Ç$BR1=0.00698▲@ÇCDX1a=0.05618▲8ÇCDX2a=0.036818▲@8Ç$FAHD8Ç$BR2=0.008252▲Xm=1.485432▲$3NO$¾fi1100VRST)2hHzUVWO$H3mHUVWO$B0.0003▲电压跌落后引发的一系列不良后果究其本质是由于能量不平衡引起的，单一crowbar只能提供一条能量泄流通道，而crowbar与ckopper配合可以提供两条能量泄流通道，这必然会起到更好的效果。Crowbar单独作用与crowbar、ckopper配合作用的低22crowbar单独作用与crowbar、ckopper仿真曲线。电网电压在8~8.625z跌落80%，两种方案crowbar阻值相同都为0.3▲。从图中可以看到，crowbar单独作用与crowbar、ckopper配合作用仿真结果的主要区别体现在直流母线电压上：crowbarckopper额定电压的10（即1.1hVx1.1=1.21h）。其他结果基本相似。ckopper的加入，还可以大大减小电网电压恢复后的过渡时间与电网电压突变时的无功功率振荡。图2crowbar单独作用与crowbar、chopper配合作用的低电压穿越仿真结果Fig.2simulationresultsofLVRTundertheuseofthesinglecrowbarandthecrowbarcooperatedwithchopper具体分析如下。crowbar阻值R整定问题，如文献[18–19]，研究普遍认为若R值太小，对转子电crowbar时间。因此R值越大越有利于快速有效的低穿。但是，若Rcrowbar将产生很大的电压降落，这部分电压同时加在了变流器与直流环节上，过大的电压可能会引起网侧变流器与直流母线电容的损毁。Crowbar与ckopper配合的低穿方式可以大大提高crowbar阻值整定上限，当直流母线电压超过了设定值后，ckopper在Crowbar投入期间机侧变流器被电阻短接，DFIG相当于一个异步电机，crowbar阻值较大等效于转子电阻大，提高了转子侧的功率因数，减少了

定子无功需求，这对减弱定子无功的震荡也有积极作用。crowbar与ckopper配合作用下不同crowbar阻值（0.3▲13[5]中crowbar阻值整定方程与仿真用双馈风力发电系crowbarR0.3▲3ckoppercrowbarcrowbarcrowbar突变时定子无功冲击也减小，直流母线电压并没有随crowbar阻值增大而升高。有了ckopper的配合，crowbar的阻值理论上可以无限增大，且阻值越大效果越好。但实际仿真中发现，当crowbar阻值增大到一定程度后，投切次数不减反增，这是由于每一次crowbar的投切，相当于单图3Crowbar与chopper配合作用下不同crowbar阻值的低穿仿真结果Fig.3simulationresultsoftheLVRTunderdifferentresistancesundertheuseofthecrowbartogetherwithchopper刀双掷开关在电阻与变流器之间切换，必然会引起引起过渡过程加剧、过度时间增长不利于低电压穿越。故即使有了ckopper的配合，crowbar阻值也不能无限增大。电网电压跌落时机侧变流器无扰切换控制策略低电压穿越过程中，crowbar投入时机侧变流器被短接，故有观点认为此时机侧变流器的控制策略不会影响低穿过程也不用做改变（简称为方案）。为（简称为方案）可以减弱因功率不平衡引起1

率环中PI较大差值可能引起PI控制器的饱和，导致crowbar切除、机侧变流器重新投入电路后短时间内变流器不能对功率进行有效的控制。方案2忽略了有功指令突变为0引起的变动又成为一个潜在扰动增强了过电网电压跌落时机侧变流器无扰切换控制策略（简称为方案），即在检测到电网电压跌落时，令机侧PI速有效地对功率实现再控制[20–21]。电网电压跌落时机侧变流器无扰切换控制框图如图4所示。电网8.000~8.625z80crowbar与ckopper配合的硬件措施，3种方案的低穿仿真结果551、2、3图4低电压穿越无扰切换DFIG控制框图Fig.4Thecontrolblockdiagramofthenon–disturbingLVRTswitchi