基于Crowbar保護控制的交流勵磁風電系統運行分析
時間:2011-07-31 點擊:3553 次

 

 

基于Crowbar保護控制的交流勵磁風電系統運行分析

 

 

0 引言

  交流勵磁變速恒頻風力發電技術是目前最具應用前景的風力發電技術之一,已成為國內外的研究熱點。隨著交流勵磁風電機組單機容量和風電場規模的增大,發電機與電網之間的相互影響作用顯得日益重要。新的系統運行導則要求在電網電壓跌落時交流勵磁風電機組仍具有不間斷運行能力。在故障期間,發電機和電網仍繼續保持連接,故障切除后,發電機迅速恢復正常運行,為系統提供必要的有功和無功功率支持,減少電壓崩潰的危險,提高系統的穩定性。

目前主要采用Crowbar電路來實現電壓跌落時交流勵磁發電機不問斷運行。該技術在電

壓跌落時切除發電機勵磁電源,投入轉子旁路保護電阻來限制轉子回路的最大電流,達到保護轉子勵磁電源和發電機的目的。

本文分析了電網電壓跌落時發電機的暫態運行行為和Crowbar電路的保護控制原理。對一臺基于Crowbar保護控制的交流勵磁風力發電機系統進行了仿真計算,分析了電網故障時發電機系統的運行行為,以及電壓跌落程度和旁路電阻取值對Crowbar保護控制的影響,最后就電壓跌落時采用Crowbar電路的系統運行特點進行了討論。

 1 電網電壓跌落時發電機系統的控制
  
1.1 電壓跌落時發電機的Crowbar保護控制

電網電壓正常時的發電機定子電壓方程可表示為空間矢量形式:



式中:us、isΨs分別為靜止坐標系下定子電壓空間矢量、定子電流空問矢量和定子磁鏈空間矢量;Rs為定子繞組電阻。

若電網發生非對稱短路故障,由磁鏈守恒原理可知,盡管定子電壓在故障時發生突變,但在故障瞬間發電機定子磁鏈仍將保持恒定不變。在忽略發電機定子電阻的前提下,由式①可知發電機的定子磁鏈近似等于定子電壓的積分,當定子電壓中出現正序和負序分量后,發電機定子磁鏈中顯然也將出現相應的穩態正序和負序分量。然而,為維持故障瞬間發電機定子磁鏈保持不變,定子磁鏈中還將出現暫態直流分量。根據式①可導出故障后發電機定子磁鏈各分量與定子電壓各分量之間的關系為:



式中:Ψs為故障后發電機定子磁鏈空間矢量;ΨsDC為故障后發電機定子磁鏈暫態直流分量的空間矢量;ΨsPΨsN分別為故障后發電機定子磁鏈正、負序分量的空間矢量;Us為故障前瞬間發電機定子電壓空間矢量;UsPUsN分別為故障后瞬間發電機定子電壓正、負序分量的空間矢量;ω為定子電角頻率弧為發電機定子磁鏈暫態直流分量的衰減時間常數;usPusN分別為故障后發電機定子電壓正、負序分量的空間矢量。

為簡要說明電壓跌落時發電機的Crowbar保護控制原理,本文以發電機機端發生三相對稱短路故障為例進行分析。當發電機機端對稱短路時,由式①可知,在忽略定子電阻的前提下,當定子電壓降至0時,定子磁鏈矢量的變化率也為0,這意味著定子磁鏈空間矢量將停止旋轉并在空間保持不變。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電機的定、轉子漏感和電阻。由于電壓跌落瞬間發電機轉子仍以高速

旋轉,則定子磁場直流分量將以轉速角頻率叫,相對于轉子繞組旋轉,此時定子電壓空間矢量的正、負序分量均為0,根據式②可得故障時定子磁鏈暫態直流分量的最大值ΨsDCmax和轉子電壓的最大值Urmax分別為:





式中:Us為電網故障前發電機定子相電壓的幅值。

典型的MW級交流勵磁風力發電機的轉差運行范圍一般為[-0.3,0.3],轉子漏阻抗(本文除特別說明外,所有變量均為標幺值)約為0.1~0.2,若故障前發電機以最大轉速1.3運行,則由式④可知機端短路故障時發電機轉子最大故障電流將達到約6倍~12倍額定電流。若不采取限流措施,則必將出現轉子過電流,嚴重時極易損壞轉子側變換器功率器件和直流電容。另一方面,當故障切除后,發電機定子電壓恢復正常,這時發電機的暫態運行行為與電壓跌落時類似,其定子磁鏈中仍將出現暫態直流分量,該分量同樣可能造成轉子過壓、過流。對于電網發生不對稱短路故障,除了會引起定子磁鏈直流分量以外,定子磁鏈中還將出現負序分量,該分量將以-(ω+ωr)相對于轉子繞組旋轉,其同樣可能造成轉子過壓和過流。

為限制電壓跌落時轉子的最大電流,通常的方法就是在檢測到定子電壓驟降時立即將轉子側變換器與轉子回路斷開,將轉子旁路保護電阻串入轉子回路,這相當于增加了轉子的阻抗,因而會有效地降低在電壓跌落和恢復過程中轉子回路的最大電流。電壓恢復時,保護電阻仍繼續連接轉子繞組,限制故障切除瞬問轉子的最大電流,當定子磁鏈直流分量衰減完畢后,切除保護電阻,重新將轉子側變換器連接轉子繞組,采用電壓正常時的勵磁控制策略恢復發電機正常運行。

為有效實現發電機的保護控制,應合理選取保護電阻的阻值,保護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子過電壓,損壞轉子繞組。本文中旁路電阻的取值范圍選為0.6~1.5。以額定容量2MW、定子額定電壓690V的發電機為例,旁路電阻取值為1.05即0.25Ω左右時,即可有效降低故障時轉子過電流的程度。

1.2 電壓跌落時網側變換器的控制

電壓跌落時轉子側變換器已被切除,這時可封鎖網側變換器的脈寬調制(PWM)驅動脈沖,由于網側變換器輸入電壓減小且這時直流側電壓較高,則網側變換器的電流將減小為0,這將有助于保護網側變換器。當故障切除后,網側變換器輸入電壓恢復正常,這時即可重新控制網側變換器以穩定直流側電壓,為切除保護電阻時恢復正常勵磁控制做好準備。

2 仿真研究
  
為全面深入研究電網故障時交流勵磁發電機及其勵磁電源的運行行為,本文建立了一臺2MW交流勵磁風力發電機系統仿真模型,對電網短路故障時采用Crowbar保護控制的發電機系統進行了仿真計算。

交流勵磁發電機系統結構如圖1所示,發電機定子側經升壓變壓器與風電場母線相連接,轉子側在電壓正常時與雙PWM變換器相連,在故障過程中則與旁路保護電阻相連,控制雙向可控硅可實現保護電阻的投切。



發電機系統參數如下:
⑴2MW交流勵磁發電機(經繞組折算后)參數:額定容量2MW,定子額定電壓690V/50Hz,定、轉子繞組Y、y連接,極對數2,定轉子匝比0.45,定子電阻0.00488,定子漏感0.1386,轉子電阻0.00549,轉子漏感0.1493,定、轉子互感3.9527,轉動慣量時間常數3.5s。

⑵升壓變壓器參數: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。

⑶電網側變換器參數:進線電抗器電阻6mΩ,電感0.6mH,直流側電容38000μF,直流鏈設定電壓1200V。

⑷旁路保護電阻取為0.25Ω。

系統的仿真步驟簡述如下:故障前利用控制算法實現發電機定子有功和無功功率的解耦控制以及網側變換器的控制,發電機系統處于穩定運行狀態。假設故障過程中發電機轉速基本保持不變,故障前發電機以最高轉速1950r/min(假設最大運行范圍為s=±0.3)按功率因數1滿載穩定運行。設定風電場母線電壓三相短路故障在t=3.5s時發生,短路發生后發電機定子電壓跌落至約0.65。檢測到電壓跌落時,立即將轉子側變換器從轉子回路切除,同時接入轉子旁路保護電阻并封鎖網側變換器和轉子側變換器的驅動脈沖,發電機轉入異步發電方式繼續運行。故障持續時間為110ms,在t=3.61s時切除,電壓恢復時立即重新控制網側變換器以穩定直流側電壓,這時旁路保護電阻仍與發電機轉子保持連接。當t=4s時,切除轉子旁路保護電阻,并將轉子側變換器接入轉子回路,重新控制發電機使其恢復正常運行。以下圖和表中有功為正表示定子輸出有功,無功為負表示定子吸收滯后無功,電磁轉矩為負表示為制動轉矩。

圖2給出了電壓跌落情況下采用Crowbar保護控制方案的發電機系統仿真結果波形。從圖中可得出以下一些結論:

⑴由圖2(a)、圖2(b)可知,在電壓跌落和恢復時,定子電流中均含有衰減的直流分量,因此,發電機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。當重新進行正常勵磁控制后,發電機可立即輸出要求的有功和無功功率,為電網提供及時支持。

⑵電壓跌落和恢復時接人轉子保護電阻的轉子電壓波形如圖2(b)所示,故障前轉子額定勵磁電壓峰值約為400V,故障過程中其峰值約為580V,在轉子耐壓裕量范圍內(按1.5倍耐壓考慮)。在旁路電阻的作用下,轉子峰值電流得到有效限制。電壓恢復后定子電流直流分量迅速衰減,電機輸出較大的定子工頻電流,因此轉子電流中將主要包含較大的轉差頻率分量。在t=4s后,轉子側變換器將重新輸出三相勵磁電壓,以恢復正常勵磁控制。

⑶由圖2(c)可知,由于定子電流直流分量的作用,發電機電磁轉矩中也將含有衰減的工頻交流分量且其波動較大。

⑷由圖2(d)可知,故障前網側變換器處于穩定運行狀態,直流側電壓穩定在給定值1200V。電壓跌落時封鎖網側變換器的PWM驅動脈沖,由于輸入電壓降低,網側變換器的輸入電流將變為0,直流電容電壓將維持不變直到輸入電壓恢復。由于電壓恢復時不需要轉子側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側電流,即可穩定控制直流電容電壓,且直流電壓僅有少許波動。當旁路電阻切除,轉子側變換器重新接人轉子回路時,網側變換器輸入電流增大,從電網吸收能量以滿足轉子側變換器輸出恰當的勵磁功率。但從圖2(d)可看出,網側變換器輸入電流響應較為緩慢,這造成了直流側電壓大幅度波動。

 



(a)發電機定子有功Ps和無功Qs

 

  
(b)發電機轉子電壓Ur、轉予電流Ir和定子電流Is



(c)發電機電磁轉矩Tem和轉速n



(d)網側變換器輸入電網電壓Ug、電流Ig和直流電壓Vdc  
 圖2 三相對稱故障時Crowbar保護控制下發電機仿真結果
  
Crowbar保護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。表1給出了保護電阻取0.25Ω時,不同定子電壓跌落情況下的仿真結果。表2給出了定子電壓跌落至0.65時,不同保護電阻取值情況下的仿真結果。為了比較各種不同情況下發電機系統的運行狀況,表中給出了系統中各關鍵量在故障過程中所出現的峰值。

表1 不同定子電壓跌落時的仿真結果

 

Us

有功峰值

無功峰值

轉子電壓峰值(V

轉子電流峰值

電磁轉矩峰值

直流電壓峰值(V

0.65

2.05

-1.93

584

2.19

-2.27

1342

0.50

2.49

-2.44

700

2.62

-2.90

1343

0.40

2.78

-2.77

776

2.90

-3.35

1343

0.30

3.07

-3.11

853

3.19

-3.82

1344

0.20

3.37

-3.45

928

3.47

-4.33

1345

注:Us表示定子電壓跌落后的最小值。

 



 表2 不同保護電阻值的仿真結果

  
從表1可以看出,當保護電阻一定時,隨著定子電壓跌落越多,Crowbar保護控制的效果就越差。定子電壓嚴重驟降時,轉子電壓和電流的最大值均已超過轉子耐壓極限和電流的安全范圍,同時,發電機從系統中吸收大量無功。從表2可以看出,當電壓跌落一定時,保護電阻越大,轉子電流峰值就越小,但轉子電壓峰值增大;而電阻越小時,盡管轉子電壓在安全范圍以內,但Crowbar保護控制的效果變差。因此,保護電阻的取值應首先確保轉子電流在安全范圍以內,然后應考慮限制故障過程中的轉子電壓,從而避免轉子過電壓和過電流。

從上述分析可知,盡管采用Crowbar電路可有效限制電網故障過程中轉子過電流,保護轉子側變換器功率器件,但也存在一些缺點限制了其應用:①采用Crowbar電路必將增加硬件電路,因此增加了系統成本,在故障過程中應嚴格安排好保護電阻及功率變換器的投切順序,增大了系統控制難度;②電網故障過程中發電機作感應電機運行,發電機從電網吸收大量的無功功率勵磁,這對故障時電網電壓的穩定性更為不利;③故障過程中發電機電磁轉矩波動較大,會對風力機造成一定的機械沖擊。

3 結語
  
本文著重介紹和分析了Crowbar電路的保護控制原理及交流勵磁風電系統的暫態運行行為。通過仿真全面深入地研究了電壓跌落時采用Crowbar電路的系統運行行為,分析表明保護電阻的合理選取是有效實現Crowbar保護控制的關鍵。仿真結果驗證了Crowbar保護電路的有效性,該方法可實現電網故障時交流勵磁風電機組不間斷運行

R(Ω)

有功峰值

無功峰值

轉子電壓峰值(V

轉子電流峰值

電磁轉矩峰值

直流電壓峰值(V

0.15

2.24

-2.46

418

2.61

-2.29

1354

0.20

2.16

-2.15

506

2.36

-2.29

1343

0.25

2.05

-1.93

584

2.19

-2.27

1342

0.30

1.94

-1.77

651

2.03

-2.22

1342

0.35

1.83

-1.65

710

1.90

-2.16

1343


 
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