双馈风电机组低电压穿越特性的试验研究

高电压技术　第36卷第3期2010年3月31日High Voltage Engineering ,Vol.36,No.3,Mar.31,2010双馈风电机组低电压穿越特性的试验研究胡书举1,2,赵栋利1,赵　斌1,许洪华1,2(1.中国科学院电工研究所,北京100190;2.中国科学院风能利用重点实验室,北京100190)摘　要:低电压穿越能力正逐渐成为大型并网风电机组的必备功能之一,要求风电机组在电网电压跌落发生时保持并网,故障消除后快速恢复正常运行。

在分析双馈机组电压跌落特性的基础上,采用了转子主动式Crowbar 电路和直流侧卸荷电路相结合的方法来实现双馈风电机组的低电压穿越功能,讨论了具体的低电压穿越控制策略,通过仿真验证了电路结构和控制策略的正确性。

在实验室10kW 双馈机组实验平台上,采用电压跌落发生器模拟电网电压跌落故障,进行了电网电压跌落至额定电压20%时不同持续时间的测试,证实了所采用的低电压穿越控制策略的有效性。

关键词:双馈风电机组;低电压穿越;背靠背变流器;电压跌落发生器;主动式Crowbar ;直流侧卸荷电路中图分类号:TM315文献标志码:A 文章编号:100326520(2010)0320789207基金资助项目:863探索导向项目(2007AA05Z421)。

Project Supported by “863”Exploration 2oriented Project (2007AA05Z421).Experimental R esearch on L VRT C apability of DFIG Wind TurbineHU Shu 2ju 1,2,ZHAO Dong 2li 1,ZHAO Bin 1,XU Hong 2hua 1,2(1.Instit ute of Elect rical Engineering ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100190,China ;2.Key Laboratory of Wind Energy Utilization ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100190,China )Abstract :Low voltage ride through (L VR T )capability is becoming an essential function for high 2power grid con 2nected wind turbines ,which requires wind turbine to keep connected with grid during voltage sags and recover fast after clearance of the faults.Based on analysis of voltage sag characteristics for DFIG wind turbine ,a method in 2tegrating rotor active crowbar and DC 2side damp circuit was adopted to implement the L VR T capability of DFIG wind turbine ,and the specific L VR T control strategy was discussed ,then the correctness of the protection circuit and control strategy was verified by simulation.The experiment test was carried out on 10kW DFIG wind turbine experimental test setup ,voltage sag generator was used to simulate grid voltage sag faults drop to 20%of rated voltage with different duration time ,and therefore the validity of the L VR T control strategy was confirmed.K ey w ords :DFIG wind turbine ;low voltage ride throuth (L VR T );back 2to 2back converter ;voltage sag generator ;active Crowbar ;DC damp circuit0　引言低电压穿越(L VR T )能力已经在很多国家的风力发电并网规则中得到了明确规定,我国也即将出台类似的标准。

目前,国外领先的风电产品公司如通用电气(GE )、ABB 和Alstom 等已经将低电压穿越功能集成到其产品中,但是由于技术保密性,其控制策略并未可知;国内的风电公司和研究机构也开始积极关注低电压穿越能力[126]。

文献[7]中,当检测到电压跌落时,在转子电压引入一个电压控制分量,通过推导时间常数,加快暂态过渡过程;文献[8]提出一种定子磁链的去磁控制,当检测到电压跌落后即采用去磁控制,电压恢复时延迟几百ms 重新正常给定,以避免恢复时的电流振荡;文献[9]通过在转子电压方程中加入补偿项实时修正模型中的动态量以达到补偿效果,提高电压波动时的动态响应;文献[10]针对电网电压跌落故障过程中双馈电机内部电磁变量的暂态特点,控制双馈电机的漏磁链以抵消定子磁链中的暂态直流分量和负序分量对转子侧的影响;文献[11]中电网侧变流器在电压跌落时d 轴电流给定量设定为转子侧变换器输出瞬时功率反馈量,这样电网侧变换器的d 轴电流给定量和输入瞬时功率都将及时跟随转子功率变化,从而将直流链电压的波动限制在一定范围内;文献[12]在直流侧采用储能元件(电容),通过boo st 变换器在电压跌落期间支撑电网电压。

本文通过分析双馈风电机组在电网电压跌落及恢复时的暂态特性,推导了定子磁链与定转子电流在暂态过程中的定量表达式,提出了双馈风电机组的低电压穿越控制策略,通过仿真进行了验证,并着重通过试验验证了低电压穿越功能的实现。

9871　双馈机组跌落特性分析及低电压穿越控制策略1.1　双馈机组控制原理及跌落特性分析图1为具备低电压穿越功能的双馈风电机组结构图。

采用DFIG 定子磁链定向控制,将定子磁链定向在d 轴上,且忽略定子绕组压降,得到定子磁链方程[13]为ψd s =ψs =L s i d s +L m i d r ]i d s =ψs -L m i d rL s ;ψq s =0=L s i q s +L m i q r ]i q s =-L m L si q r 。

(1) 将磁链方程代入电机的电压方程有u d s =0;u q s =ω1ψd s =U s ;u d r =R r i d r+(L r -L 2m L s )d i d r d t -(L r -L 2mL s)・ ωp iq r +L m L s d ψsd t;u q r =R r i q r+(L r -L 2m L s )d i q r d t +(L r -L 2mL s)・ ωp i d r +L m ψsL sωp 。

(2)式中,R s 、R r 分别为定、转子绕组等效电阻;L s 、L r 、L m 分别为定、转子绕组自感及互感;i d s 、i q s 、i d r 、i q r 分别为d 、q 轴定、转子电流;u d s 、u q s 、u d r ,u q r 分别为d 、q轴定、转子电压;ψd s 、ψq s 、ψd r 、ψq r 分别为d 、q 轴定、转子磁链;ω1,ωp 分别为同步转速和滑差角速度;U s 为定子电压。

忽略定子电阻,双馈异步电机的定子磁链在电压跌落发生前稳态情况下的矢量表达式如公式(3)所示,其大小由定子电压的模值和同步角频率共同决定,以同步角频率旋转。

定子磁链在跌落动态过程中的表达式如公式(4)所示,在稳态分量的基础上,还包含了一个呈指数衰减的直流分量,直流分量的大小和跌落的深度成正比,衰减的速度和电机的时间常数有关,即τs =L sR s(τs 为定子绕组时间常数)。

定子磁链在跌落发生一段时间后回到稳态;电网恢复的时候定子磁链变化经历同样的动态过程[14],回到稳态。

公式(3)、(4)如下:ψs1=U s1jω1e j ω1t;(3)ψs2=U s1j ω1e jω1t,t <t 0;U s2j ω1ej ω1t+U s1-U s2j ω1e -t R sL s ,t ≥t 0。

(4)图1　具备低电压穿越功能的双馈风电机组结构图Fig.1　DFIG wind turbine conf igurationwith L VRT capability式中,ψs1为电压跌落发生前的稳态定子磁链;ψs2为包含动态过程的定子磁链;U s1、U s2分别为电压跌落发生前和发生后的稳态定子电压模值;t 0为电压跌落发生时刻。

在定子参考坐标系下,考虑定子三相短路的极限情况,转子电流的变化主要由定子短路造成,转子电流可由公式(5)表示如下。

I r (p )=-U sZ ≈-j ωp ψs1Z e jωp t ,t <t 0;-j (1-p )ω1ψs1e-τsZej (1-p )ω1t,t >t 0。

(5)式中,I r (p )为转子电流对应定子绕组感应的分量;U s 为定子电压矢量;Z 为定子绕组等效阻抗;p 为滑差;E s 为定子绕组反电动势。

由式(5)可以看出,转子电流幅值在电压跌落前等于p E sZ;当电网电压短路时,其幅值变为(1-p )ω1ψs e-τs Z,其初始值正比于(1-p )E sZ,电流幅值突然变大;同时因为不同频率电流部分的叠加,会引起电流振荡。

电压恢复时由于转子电流的增大,以及转速的升高,动态过程将更剧烈,电机的稳定域度会更小。

通过对比可以发现电机运行在超同步速时要比在亚同步速时的动态响应过程更加剧烈,超调更大,恢复时间也更长。

这是因为超同步速时电机运行更加靠近不稳定域边界。

定子电流和转子电流的变化趋势相同[15]。

1.2　低电压穿越控制策略当发生电网电压跌落故障,双馈电机定子和转子出现过流,定子或转子电流一旦超过设定的电流097高电压技术2010,36(3)上限,即刻投入转子侧Crowbar电路、封锁转子侧变流器输出脉冲;当定子和转子电流同时低于设定的下限电流时,切出转子侧Crowbar电路、恢复转子侧变流器的工作。