双馈系统在电网故障下不间断运行的研究

摘  要： 关键词： 双馈感应发电机；电压跌落；Crowbar电路；低电压穿越
       随着当今世界风电产业的迅猛发展,风电场装机容量逐年上升,风力发电所占电网供电比例也升高。因此,必须考虑电网故障时风机的各种运行状态对电网稳定性的影响[1]。在电网电压跌落的情况下,风电机组中的双馈感应发电机会导致转子侧过流和过压[2-3]，同时转子侧电流的迅速增加会导致转子励磁变频器直流侧电压升高,发电机励磁变频器的过电流以及有功和无功都会产生振荡[4-5]。随着风电并网规模的不断增加, 越来越多的国家对风电并网电网制定了规则，要求风力发电系统具有较强的低电压穿越（LVRT）能力[5-6]。
     近年来，对发电机系统在电网电压跌落时的动态响应特性及相应控制策略的研究已取得了一些成果。参考文献[6]考虑了故障下系统的动态响应，针对不同程度的电压跌落情况进行了仿真，参考文献[7]仿真并比较了3 种不同程度电网电压跌落故障下系统的动态响应，但所选的这3种情况并没有依据一定的LVRT 标准曲线。参考文献[8]主要从Crowbar阻值的选取对保护控制的影响来研究。参考文献[9]提出一种Crowbar电路并且进行仿真验证。基于能源的需求，容量逐渐在增大，理论已经变为现实，但大多数技术都是由国外掌握。为了开发兆瓦级变频器，本文对DFIG系统的双PWM变流器控制策略进行设计，同时提出一种Crowbar装置设计方案，并进行了仿真，然后装机进行测量，实现了兆瓦级变频器的真正国产化。
1 DFIG系统的结构
     图1为带有Crowbar电路的DFIG系统的结构。DFIG的定子与电网直接相连，转子侧变频器由双PWM变流器构成，连在转子端的变换器称为机侧变换器，电网端的变换器称为网侧变换器。该电路的作用是在电网电压跌落的瞬间投入运行，对转子中产生的过电流提供一条旁路通道，防止过电流损坏变流器，然后Crowbar电路配合双PWM变流器在故障期间运行。
   
   

4.2 仿真结果分析
     从图3所示的仿真波形可以看出，当定子电压在0.07 s发生跌落时，定子电流先增大后减小，并稳定在一个值，这主要由所产生的直流分量引起。由于定转子磁链之间的耦合作用，定子的过电流同时造成了转子的过电流。而电磁转矩也有波动。直流侧电压在电压跌落和电压恢复时都因功率波动而产生振荡。但定、转子侧电流除在电压跌落时有振荡外，其他时间都保持稳定，并且在跌落时响应的时间也非常快。转矩和转子端无功电流有关，转矩和转子端无功电流具有一致性。有功功率和无功功率仅在故障发生和恢复时发生振荡，发电机在故障发生时向电网发出少量无功功率，在故障恢复时向电网吸收少量无功功率，而直流侧电压比较稳定，在电压跌落时波动也很小，并且能使直流侧电压快速的稳定在1 200 V上。
5 电网LVRT故障不脱网运行的测量
     测量的变频器功率是1.5 mV，正常电压为690 V，正常电流为1 255 A，直流侧额定电压为1 200 V，频率为50 Hz，额定转速为1 755 r/min, 电压跌落到60%，跌落时间180 ms，t=920 ms时电网电压才完全恢复，瞬间短路电流小于2.5 iN。电压瞬降同步时间小于280 ms；电压恢复同步时间小于230 ms；出错电流响应时间小于30 ms。测量得到的线电压、线电流波形如图4所示。
   
   


       图4的电压波形是电压跌落到保留电压的60%时的线电压波形。跌落时，输出电压从600 V跌到360 V，跌落至原来电压的60%左右。从这两个波形可以看出，电压跌落发生及恢复时，电压在过零点衔接得很好，没有出现电压中断、电压尖峰等，跌落时间为130 ms。图4所示的电流波形是电压突降到保留电压的60%的线电流波形。从两图可以看出，跌落发生时电流变大（这主要是为了维持功率平衡），但仍然基本维持和电压同相，电压恢复后，电流恢复正常，整个过程显示双闭环控制对系统有较好的控制效果。
     以欧洲的风电场LVRT 标准曲线为参考来研制兆瓦级双馈系统。首先通过构建双馈风力发电机仿真模型进行仿真,从仿真波形来分析理论的可行性。然后通过测量1.5 mW的变频器，从测量结果可以看出，在电网电压故障时能实现较好的低电压穿越。本文的研究为研制更大一级变频器提供了理论基础和现实依据。
参考文献
[1] CHOMPOOINWAI C，LEEWEIJEN，FUANGFOO P.System impact study for the interconnection of wind generation and utility system[J].IEEE Trans on Industry Applications，2005，41(1)：163-168.
[2] 姚骏，廖勇，唐建平．电网短路故障时交流励磁风力发电机不脱网运行的励磁控制策略[J]．中国电机工程学报，2007，27(30)：64-71．
[3] 王伟，孙明冬，朱晓东.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J].电力系统自动化，2007，(23)：84-89．
[4] 向大为，杨顺昌，冉立.电网对称故障时双馈感应发电机不脱网运行的系统仿真研究[J].中国电机工程学报，2006，26(10)：30-35.
[5] SCHLABBACH J.Low voltage fault ride through criteria for grid connection of wind turbine generators[C].The 5th International Conference on the European Electricity Market. Lisbon，Portugal：IEEE，2008：18-21.
[6] 王晓兰，孙万义.双馈.风力发电机在不同电网故障下的动态响应仿真研究[J].电网技术.2010(8)：170-175.
[7] 李梅，李建林，赵斌，等．不同电网故障情况下DFI运行特性比较[J]．高电压技术，2008，34(4)：777-782．
[8] 李建林，许鸿雁，梁亮，等.VSCF2DFIG在电压瞬间跌落情况下的应对策略[J].电力系统自动化，2006，30(19)：65-68.
[9] 蒋雪冬，赵舫.应对电网电压骤降的双馈感应风力发电机Crowbar控制策略[J].电网技术.2008(6)：84-89.