基于Crowbar保護(hù)控制的交流勵磁風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行分析

1、基于Crowbar保護(hù)控制的交流勵磁風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行分析瀏覽次數(shù)：486 日期：2011年2月24日 10:32摘要：隨著越來越多的交流勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)運(yùn)行，新的電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)則要求發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)電壓跌落時仍能保持不間斷運(yùn)行。為保護(hù)轉(zhuǎn)子勵磁電源和發(fā)電機(jī)，常采用Crowbar保護(hù)電路來限制電壓跌落時轉(zhuǎn)子回路的最大電流。文中通過仿真詳細(xì)研究了電網(wǎng)故障時交流勵磁風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行行為，就電壓跌落程度及旁路電阻取值對Crowbar保護(hù)控制的影響以及采用Crowbar電路的系統(tǒng)運(yùn)行特點進(jìn)行了討論分析。仿真結(jié)果驗證了Crowbar電路的有效性，該方法可實現(xiàn)故障時交流勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)不間斷運(yùn)行。關(guān)鍵字：Cr

2、owbar保護(hù)控制 交流勵磁風(fēng)電系統(tǒng) 運(yùn)行 分析0 引言交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前最具應(yīng)用前景的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)之一，已成為國內(nèi)外的研究熱點。隨著交流勵磁風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量和風(fēng)電場規(guī)模的增大，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的相互影響作用顯得日益重要。新的系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)則要求在電網(wǎng)電壓跌落時交流勵磁風(fēng)電機(jī)組仍具有不間斷運(yùn)行能力。在故障期間，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)仍繼續(xù)保持連接，故障切除后，發(fā)電機(jī)迅速恢復(fù)正常運(yùn)行，為系統(tǒng)提供必要的有功和無功功率支持，減少電壓崩潰的危險，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前主要采用Crowbar電路來實現(xiàn)電壓跌落時交流勵磁發(fā)電機(jī)不問斷運(yùn)行。該技術(shù)在電壓跌落時切除發(fā)電機(jī)勵磁電源，投入轉(zhuǎn)子旁路保護(hù)電阻來限制轉(zhuǎn)

3、子回路的最大電流，達(dá)到保護(hù)轉(zhuǎn)子勵磁電源和發(fā)電機(jī)的目的。 本文分析了電網(wǎng)電壓跌落時發(fā)電機(jī)的暫態(tài)運(yùn)行行為和Crowbar電路的保護(hù)控制原理。對一臺基于Crowbar保護(hù)控制的交流勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計算，分析了電網(wǎng)故障時發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行行為，以及電壓跌落程度和旁路電阻取值對Crowbar保護(hù)控制的影響，最后就電壓跌落時采用Crowbar電路的系統(tǒng)運(yùn)行特點進(jìn)行了討論。1 電網(wǎng)電壓跌落時發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制1.1 電壓跌落時發(fā)電機(jī)的Crowbar保護(hù)控制電網(wǎng)電壓正常時的發(fā)電機(jī)定子電壓方程可表示為空間矢量形式：式中：us、is和s分別為靜止坐標(biāo)系下定子電壓空間矢量、定子電流空問矢量和定子磁

4、鏈空間矢量；Rs為定子繞組電阻。若電網(wǎng)發(fā)生非對稱短路故障，由磁鏈?zhǔn)睾阍砜芍?，盡管定子電壓在故障時發(fā)生突變，但在故障瞬間發(fā)電機(jī)定子磁鏈仍將保持恒定不變。在忽略發(fā)電機(jī)定子電阻的前提下，由式可知發(fā)電機(jī)的定子磁鏈近似等于定子電壓的積分，當(dāng)定子電壓中出現(xiàn)正序和負(fù)序分量后，發(fā)電機(jī)定子磁鏈中顯然也將出現(xiàn)相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)正序和負(fù)序分量。然而，為維持故障瞬間發(fā)電機(jī)定子磁鏈保持不變，定子磁鏈中還將出現(xiàn)暫態(tài)直流分量。根據(jù)式可導(dǎo)出故障后發(fā)電機(jī)定子磁鏈各分量與定子電壓各分量之間的關(guān)系為：式中：s為故障后發(fā)電機(jī)定子磁鏈空間矢量；sDC為故障后發(fā)電機(jī)定子磁鏈暫態(tài)直流分量的空間矢量；sP和sN分別為故障后發(fā)電機(jī)定子磁鏈正、負(fù)序分

5、量的空間矢量；Us為故障前瞬間發(fā)電機(jī)定子電壓空間矢量；UsP和UsN分別為故障后瞬間發(fā)電機(jī)定子電壓正、負(fù)序分量的空間矢量；為定子電角頻率弧為發(fā)電機(jī)定子磁鏈暫態(tài)直流分量的衰減時間常數(shù)；usP和usN分別為故障后發(fā)電機(jī)定子電壓正、負(fù)序分量的空間矢量。為簡要說明電壓跌落時發(fā)電機(jī)的Crowbar保護(hù)控制原理，本文以發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生三相對稱短路故障為例進(jìn)行分析。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端對稱短路時，由式可知，在忽略定子電阻的前提下，當(dāng)定子電壓降至0時，定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓室矠?，這意味著定子磁鏈空間矢量將停止旋轉(zhuǎn)并在空間保持不變。由于定子電阻的耗能作用，定子磁鏈直流分量將會逐漸衰減，其衰減的速度取決于發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子漏

6、感和電阻。由于電壓跌落瞬間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子仍以高速旋轉(zhuǎn)，則定子磁場直流分量將以轉(zhuǎn)速角頻率叫，相對于轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)，此時定子電壓空間矢量的正、負(fù)序分量均為0，根據(jù)式可得故障時定子磁鏈暫態(tài)直流分量的最大值sDCmax和轉(zhuǎn)子電壓的最大值Urmax分別為： 式中：Us為電網(wǎng)故障前發(fā)電機(jī)定子相電壓的幅值。典型的MW級交流勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差運(yùn)行范圍一般為-0.3,0.3，轉(zhuǎn)子漏阻抗（本文除特別說明外，所有變量均為標(biāo)幺值）約為0.10.2，若故障前發(fā)電機(jī)以最大轉(zhuǎn)速1.3運(yùn)行，則由式可知機(jī)端短路故障時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子最大故障電流將達(dá)到約6倍12倍額定電流。若不采取限流措施，則必將出現(xiàn)轉(zhuǎn)子過電流，嚴(yán)重時極易損壞轉(zhuǎn)

7、子側(cè)變換器功率器件和直流電容。另一方面，當(dāng)故障切除后，發(fā)電機(jī)定子電壓恢復(fù)正常，這時發(fā)電機(jī)的暫態(tài)運(yùn)行行為與電壓跌落時類似，其定子磁鏈中仍將出現(xiàn)暫態(tài)直流分量，該分量同樣可能造成轉(zhuǎn)子過壓、過流。對于電網(wǎng)發(fā)生不對稱短路故障，除了會引起定子磁鏈直流分量以外，定子磁鏈中還將出現(xiàn)負(fù)序分量，該分量將以-(+r)相對于轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)，其同樣可能造成轉(zhuǎn)子過壓和過流。為限制電壓跌落時轉(zhuǎn)子的最大電流，通常的方法就是在檢測到定子電壓驟降時立即將轉(zhuǎn)子側(cè)變換器與轉(zhuǎn)子回路斷開，將轉(zhuǎn)子旁路保護(hù)電阻串入轉(zhuǎn)子回路，這相當(dāng)于增加了轉(zhuǎn)子的阻抗，因而會有效地降低在電壓跌落和恢復(fù)過程中轉(zhuǎn)子回路的最大電流。電壓恢復(fù)時，保護(hù)電阻仍繼續(xù)連接轉(zhuǎn)子繞

8、組，限制故障切除瞬問轉(zhuǎn)子的最大電流，當(dāng)定子磁鏈直流分量衰減完畢后，切除保護(hù)電阻，重新將轉(zhuǎn)子側(cè)變換器連接轉(zhuǎn)子繞組，采用電壓正常時的勵磁控制策略恢復(fù)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行。為有效實現(xiàn)發(fā)電機(jī)的保護(hù)控制，應(yīng)合理選取保護(hù)電阻的阻值，保護(hù)電阻的阻值太小將無法有效限制最大電流，阻值太大則可能引起轉(zhuǎn)子過電壓，損壞轉(zhuǎn)子繞組。本文中旁路電阻的取值范圍選為0.61.5。以額定容量2MW、定子額定電壓690V的發(fā)電機(jī)為例，旁路電阻取值為1.05即0.25左右時，即可有效降低故障時轉(zhuǎn)子過電流的程度。1.2 電壓跌落時網(wǎng)側(cè)變換器的控制電壓跌落時轉(zhuǎn)子側(cè)變換器已被切除，這時可封鎖網(wǎng)側(cè)變換器的脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動脈沖，由于

9、網(wǎng)側(cè)變換器輸入電壓減小且這時直流側(cè)電壓較高，則網(wǎng)側(cè)變換器的電流將減小為0，這將有助于保護(hù)網(wǎng)側(cè)變換器。當(dāng)故障切除后，網(wǎng)側(cè)變換器輸入電壓恢復(fù)正常，這時即可重新控制網(wǎng)側(cè)變換器以穩(wěn)定直流側(cè)電壓，為切除保護(hù)電阻時恢復(fù)正常勵磁控制做好準(zhǔn)備。2 仿真研究為全面深入研究電網(wǎng)故障時交流勵磁發(fā)電機(jī)及其勵磁電源的運(yùn)行行為，本文建立了一臺2MW交流勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真模型，對電網(wǎng)短路故障時采用Crowbar保護(hù)控制的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計算。交流勵磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)電機(jī)定子側(cè)經(jīng)升壓變壓器與風(fēng)電場母線相連接，轉(zhuǎn)子側(cè)在電壓正常時與雙PWM變換器相連，在故障過程中則與旁路保護(hù)電阻相連，控制雙向可控硅

10、可實現(xiàn)保護(hù)電阻的投切。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)如下：2MW交流勵磁發(fā)電機(jī)（經(jīng)繞組折算后）參數(shù)：額定容量2MW，定子額定電壓690V/50Hz，定、轉(zhuǎn)子繞組Y、y連接，極對數(shù)2，定轉(zhuǎn)子匝比0.45，定子電阻0.00488，定子漏感0.1386，轉(zhuǎn)子電阻0.00549，轉(zhuǎn)子漏感0.1493，定、轉(zhuǎn)子互感3.9527，轉(zhuǎn)動慣量時間常數(shù)3.5s。升壓變壓器參數(shù)：額定容量2.5MW，額定頻率50Hz，原方繞組（）20kV，副方繞組（Yg）690V，短路阻抗ZT=0.0098+j0.09241。電網(wǎng)側(cè)變換器參數(shù)：進(jìn)線電抗器電阻6m，電感0.6mH，直流側(cè)電容38000F，直流鏈設(shè)定電壓1200V。旁路保護(hù)電阻取為0

11、.25。系統(tǒng)的仿真步驟簡述如下：故障前利用控制算法實現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子有功和無功功率的解耦控制以及網(wǎng)側(cè)變換器的控制，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。假設(shè)故障過程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本保持不變，故障前發(fā)電機(jī)以最高轉(zhuǎn)速1950r/min（假設(shè)最大運(yùn)行范圍為s=±0.3）按功率因數(shù)1滿載穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)定風(fēng)電場母線電壓三相短路故障在t=3.5s時發(fā)生，短路發(fā)生后發(fā)電機(jī)定子電壓跌落至約0.65。檢測到電壓跌落時，立即將轉(zhuǎn)子側(cè)變換器從轉(zhuǎn)子回路切除，同時接入轉(zhuǎn)子旁路保護(hù)電阻并封鎖網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的驅(qū)動脈沖，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入異步發(fā)電方式繼續(xù)運(yùn)行。故障持續(xù)時間為110ms，在t=3.61s時切除，電壓恢復(fù)時立即重新控

12、制網(wǎng)側(cè)變換器以穩(wěn)定直流側(cè)電壓，這時旁路保護(hù)電阻仍與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子保持連接。當(dāng)t=4s時，切除轉(zhuǎn)子旁路保護(hù)電阻，并將轉(zhuǎn)子側(cè)變換器接入轉(zhuǎn)子回路，重新控制發(fā)電機(jī)使其恢復(fù)正常運(yùn)行。以下圖和表中有功為正表示定子輸出有功，無功為負(fù)表示定子吸收滯后無功，電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)表示為制動轉(zhuǎn)矩。 圖2給出了電壓跌落情況下采用Crowbar保護(hù)控制方案的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真結(jié)果波形。從圖中可得出以下一些結(jié)論：由圖2(a)、圖2(b)可知，在電壓跌落和恢復(fù)時，定子電流中均含有衰減的直流分量，因此，發(fā)電機(jī)輸出的有功和無功功率波動，其中含有逐步衰減的工頻交流分量，其衰減的速度取決于定子磁鏈直流分量衰減的速度。當(dāng)重新進(jìn)行正常勵磁控

13、制后，發(fā)電機(jī)可立即輸出要求的有功和無功功率，為電網(wǎng)提供及時支持。 電壓跌落和恢復(fù)時接人轉(zhuǎn)子保護(hù)電阻的轉(zhuǎn)子電壓波形如圖2(b)所示，故障前轉(zhuǎn)子額定勵磁電壓峰值約為400V，故障過程中其峰值約為580V，在轉(zhuǎn)子耐壓裕量范圍內(nèi)（按1.5倍耐壓考慮）。在旁路電阻的作用下，轉(zhuǎn)子峰值電流得到有效限制。電壓恢復(fù)后定子電流直流分量迅速衰減，電機(jī)輸出較大的定子工頻電流，因此轉(zhuǎn)子電流中將主要包含較大的轉(zhuǎn)差頻率分量。在t=4s后，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器將重新輸出三相勵磁電壓，以恢復(fù)正常勵磁控制。 由圖2(c)可知，由于定子電流直流分量的作用，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中也將含有衰減的工頻交流分量且其波動較大。

14、0;由圖2(d)可知，故障前網(wǎng)側(cè)變換器處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在給定值1200V。電壓跌落時封鎖網(wǎng)側(cè)變換器的PWM驅(qū)動脈沖，由于輸入電壓降低，網(wǎng)側(cè)變換器的輸入電流將變?yōu)?，直流電容電壓將維持不變直到輸入電壓恢復(fù)。由于電壓恢復(fù)時不需要轉(zhuǎn)子側(cè)變換器提供三相勵磁電壓，雙PWM變換器輸出勵磁功率為0，因此只需輸入較小的網(wǎng)側(cè)電流，即可穩(wěn)定控制直流電容電壓，且直流電壓僅有少許波動。當(dāng)旁路電阻切除，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器重新接人轉(zhuǎn)子回路時，網(wǎng)側(cè)變換器輸入電流增大，從電網(wǎng)吸收能量以滿足轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出恰當(dāng)?shù)膭畲殴β?。但從圖2(d)可看出，網(wǎng)側(cè)變換器輸入電流響應(yīng)較為緩慢，這造成了直流側(cè)電壓大幅度波動。 

15、                            (a)發(fā)電機(jī)定子有功Ps和無功Qs               (b)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓Ur、轉(zhuǎn)予電流Ir和定子電流I

16、s              (c)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Tem和轉(zhuǎn)速n(d)網(wǎng)側(cè)變換器輸入電網(wǎng)電壓Ug、電流Ig和直流電壓Vdc圖2 三相對稱故障時Crowbar保護(hù)控制下發(fā)電機(jī)仿真結(jié)果 Crowbar保護(hù)控制的效果與定子電壓跌落的程度以及旁路電阻的大小密切相關(guān)。表1給出了保護(hù)電阻取 0.25時，不同定子電壓跌落情況下的仿真結(jié)果。表2給出了定子電壓跌落至0.65時，不同保護(hù)電阻取值情況下的仿真結(jié)果。為了比較各種不同情況下發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，表中給出了

17、系統(tǒng)中各關(guān)鍵量在故障過程中所出現(xiàn)的峰值。 表1 不同定子電壓跌落時的仿真結(jié)果               Us有功峰值無功峰值 轉(zhuǎn)子電壓峰值（V） 轉(zhuǎn)子電流峰值 電磁轉(zhuǎn)矩峰值直流電壓峰值（V）0.652.05 -1.93584 2.19 -2.27 1342 0.50 2.49 -2.44 7002.62-2.901343 0.

18、40  2.78 -2.77 776 2.90 -3.35 1343 0.30 3.07-3.118533.19-3.82 1344 0.203.37 -3.45 928 3.47-4.331345 注：Us表示定子電壓跌落后的最小值。表2 不同保護(hù)電阻值的仿真結(jié)果R（） 有功峰值無功峰值  轉(zhuǎn)子電壓峰值（V）  轉(zhuǎn)子電流峰值 電磁轉(zhuǎn)矩峰值直流電壓峰值（V） 0.15  2.2

19、4  -2.46 418  2.61 -2.2913540.20  2.16  -2.15 506 2.36  -2.29 13430.25  2.05    -1.93 5842.19 -2.27 1342 0.30   1.94   -1.77  6512.03-2.221342  0.35 1.83   -1.65  7101.90-2.161343從表1可以看出，當(dāng)保護(hù)電阻一定時，隨著定子電壓跌落越多，Crowbar保護(hù)控制的效果就越差。定子電壓嚴(yán)重 驟降時，轉(zhuǎn)子電壓和電流的最大值均已超過轉(zhuǎn)子耐壓極限和電流的安全范圍，