基于能量流动机理的DFIG低电压穿越改进策略研究
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
性。
组 件 的模 型有 风 轮模 型 、 传 动链 模 型 和发 电机 模 型 。 １ ． １风轮 模 型 由于风轮 的惯性较 大， 故风轮暂态 的时间常数也较长 ， 通常为 秒 级 。 因此 ，在 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的低 电压 穿越 研究 中采用 风 轮 的静 态 模 型 即 可。典型的风能转换效率曲线族如图 ２ 所示。
网切 出 。
转子 绕组 的 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保 护装 置 是采 用 最 为广 泛 的低 电压 穿 越装 置目 。其原理是在转子 电流或直流电压超 出给定 的保护限值时通过 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 电阻将转子绕组短路， 保护转子侧变流器不受破坏 ， 从而确 保 双 馈 风机 能 够在 故 障 时保持 并 网 运行 。 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保 护 的退 出时 间对 双 馈 机组 及 电网 的安 全稳 定 均 有 很 大的影响＿ 引 。Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护的退出过早或过晚都会带来新 的问题 ， 目 前 ，控制 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护退 出时间的两种控制策略都 没有考虑 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 在机端故障时的响应特性 ，而是凭经验控制 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护的退 出时 间， 难 以达 到 较好 的效 果 ［ ４ １ 。 本文首先简要介绍了双馈风机的基本结构和暂态仿真模型 ， 接 着分 析 了机端 故 障 时 ，双馈 风 机 各 组成 模 块 之 间 的能 量 流动 机 理 ， 尤其着重讨论 了风机定 子绕组 、 转子绕组 、 电力 电子变频器 以及 电 网之 间 的功率 变 化 ，最后 在 此基 础 上 给 出了 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保 护 装置 的控 制策略。 １双馈 风 机 的基 本结 构 与仿 真 模 型 双馈 型风 力 发 电机 组 （ Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ） 的基本 结 构 如 图 １ 所 示 。Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ主 要 由以下六大模块组成 ： 风轮 、 传动链（ 包括低速轴 、 齿轮箱和高速 轴） 、 发 电机 、 电力 电子变 频 器 、 控制 系统 和 保 护 系统目 。 其中 ， Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的控制系统包括桨距 角控 制系统 、最大功率跟踪 （ Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ ） 模块以及转子侧变流器（ Ｒ Ｓ Ｃ ） 和 电 网侧 变 流 器 （ Ｇ Ｓ Ｃ ） 的双 闭环控制系统。Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的保护包括速度保护（ 过速保护和低速保护 ） 、 电压保护 （ 过压保护和低压保护） 、 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护等。
摘 要： 双馈 型风力发 电机组（ Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ） 是在我国应用最为广泛的风机类型 ， 为保证 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ在电网故障时不脱网 ， 就需要其具备低 电 压 穿越 能 力 。文章 研 究 了 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ在 机 端故 障 时 的暂 态响 应 特性 ， 尤其 是 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ定子 绕 组 、 转 子 绕组 和 电力 电子 变频 器之 间的 能 量 流动关系。通过着重分析 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ在故障暂态中与电网之 间的无功交换， 文章在 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护的基础上， 提 出了一种基 于能量流动 机理的 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ低 电压穿越改进策略 ， 并通过仿真验证 了该策略的有效性。 关键 词 ： 双馈 风机 ； 低 电压 穿越 ； 能 量 流动
１ ． ２ 传 动链 模型
目前 ， 我 国大 型 风 电基 地 采用 的风 力 发 电机 组 大 多属 于 双馈 机 组。 导 致双 馈 机组 在 故 障时 脱 网 的根本 原 因是 构 成双 馈 机组 的 电力 电子变频器在故障时容易 因为过流或过压而损坏。因此 ， 一旦转子 电流 或直 流 电压 超 出 给定 的保 护 限 值 ， 保 护装 置 就 将 双馈 风 机从 电
引言
全球范围内常规化石燃料 正在逐步枯竭 ， 且其使用也带来严重 的环 境污 染 。因此 ， 开发 绿 色 的可替 代 能 源 ， 从能 源 战 略发 展来 看 已 迫在眉睫。 风能与传统能源相 比， 分布广 、 永续、 清洁 ， 因此风能利用 逐渐 成 为许 多 国家 可 持续 发 展 战 略 的重 要 组成 部 分 ， 是 目前 可 再 生 新能 源 利用 中技术 最 成熟 、 最 具 开发 条件 的可 再生 能 源利 用方 式 ＿ １ ］ 。 今年 ２ 月份至 ５月份前 ， 我 国甘肃酒 泉大规模 风电场 、 张家 口 大规 模 风 电场 等 重要 风 电基 地 相 继 发生 多 起 大 型风 电事 故 ， 每次 事 故均造成上百台甚至上千台风机脱 网， 严重影响了电网的稳定性和 供电可靠性， 专家学者更进一步意识到风机低 电压穿越能力的重要
Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的传动链由低速轴、 高速轴和齿轮箱组成。其中低速轴是 指风轮及其转轴 ， 高速轴是指发电机转子。 由于 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的传动链柔性 较大， 因此不能将其视为一个刚体， 应采用两质块模型 。 １ ． ３发 电机 模 型 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的低 电压穿越研究属于机电暂态研究范畴，因此定子绕 组 的 暂 态可 以忽 略 。 另外 ， 考 虑到 转 子 绕 组 、 电力 电子 变 流 器 以及 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护之 间的能量流动关系， 是研究 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ低电压穿越策略的 关键 ， 故有必要考虑转子绕组暂态。综述 ， 发电机应采用 ３阶模型。 ２ 基 于能 量 流动 机 理 的 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保 护控 制 策略 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保 护装 置 由一 个 二 极管 整流 电路 ， 一 个 全 控 开 关（ 通常为 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ ） 和 一个 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 电阻组 成 ， 如 图 ３所示 。 当检测到发 电机转 子绕组 电流幅值或电力电子变频 器直流链 结 电压 超 过 给 定 的保 护 限值 时 ， Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保 护 的 控 制 系 统 发 出 控 制 信号 ， 令Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ导通。 此时， 转子绕组通过 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 电阻短路 。 与此同 时， 转子侧变流器停止工作 ， 被Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护 电路旁路 ， 故没有 电流 通过 转 子侧 变 流器 ， 确 保其 不 受破 坏 。 当电网发生故障时 ， Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的机端电压急剧下 降， 故障严重时机 端残余电压可能不足 ０ ． ２ ｐ ｕ 。 此时 ， 作用于传动链 的电磁转矩忽然降 低， 原先 由于传动链 的柔性扭转而存储在其中的机械能迅速释放 出 来， 转化为电能 ， 并通过定子绕组和转子绕组输 出。因此 ， 定转子绕 组在故障发生后的一小段时间内均会产生一个较大的有功电流 。 另一方面 ， 在机端电压跌落时， 发电机气 隙磁场迅速衰减 。 原先 存储 在 发 电机 气 隙 中的 磁场 能 迅 速通 过 定 转 子绕 组 释 放 ， 在定 转 子 绕组中产生一个瞬时的无功 电流 。
科技创 新 与应 用 Ｉ ２ ０ １ ３ 年 第ｌ ７ 期
科 技 创 新
基于能量流动机理 的 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ低 电压 穿越 改进策 略研究
方 方 司信 息 系统 集 成 分 公 司 ， 江 苏 南京 ２ １ ０ ０ ０ ０ ２ 、 张 家 口供 电 公 司 ， 河北 张 家口 ０ ７ ５ ０ ０ ０ ）
组 件 的模 型有 风 轮模 型 、 传 动链 模 型 和发 电机 模 型 。 １ ． １风轮 模 型 由于风轮 的惯性较 大， 故风轮暂态 的时间常数也较长 ， 通常为 秒 级 。 因此 ，在 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的低 电压 穿越 研究 中采用 风 轮 的静 态 模 型 即 可。典型的风能转换效率曲线族如图 ２ 所示。
网切 出 。
转子 绕组 的 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保 护装 置 是采 用 最 为广 泛 的低 电压 穿 越装 置目 。其原理是在转子 电流或直流电压超 出给定 的保护限值时通过 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 电阻将转子绕组短路， 保护转子侧变流器不受破坏 ， 从而确 保 双 馈 风机 能 够在 故 障 时保持 并 网 运行 。 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保 护 的退 出时 间对 双 馈 机组 及 电网 的安 全稳 定 均 有 很 大的影响＿ 引 。Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护的退出过早或过晚都会带来新 的问题 ， 目 前 ，控制 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护退 出时间的两种控制策略都 没有考虑 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ 在机端故障时的响应特性 ，而是凭经验控制 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护的退 出时 间， 难 以达 到 较好 的效 果 ［ ４ １ 。 本文首先简要介绍了双馈风机的基本结构和暂态仿真模型 ， 接 着分 析 了机端 故 障 时 ，双馈 风 机 各 组成 模 块 之 间 的能 量 流动 机 理 ， 尤其着重讨论 了风机定 子绕组 、 转子绕组 、 电力 电子变频器 以及 电 网之 间 的功率 变 化 ，最后 在 此基 础 上 给 出了 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保 护 装置 的控 制策略。 １双馈 风 机 的基 本结 构 与仿 真 模 型 双馈 型风 力 发 电机 组 （ Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ） 的基本 结 构 如 图 １ 所 示 。Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ主 要 由以下六大模块组成 ： 风轮 、 传动链（ 包括低速轴 、 齿轮箱和高速 轴） 、 发 电机 、 电力 电子变 频 器 、 控制 系统 和 保 护 系统目 。 其中 ， Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的控制系统包括桨距 角控 制系统 、最大功率跟踪 （ Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ ） 模块以及转子侧变流器（ Ｒ Ｓ Ｃ ） 和 电 网侧 变 流 器 （ Ｇ Ｓ Ｃ ） 的双 闭环控制系统。Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的保护包括速度保护（ 过速保护和低速保护 ） 、 电压保护 （ 过压保护和低压保护） 、 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护等。
摘 要： 双馈 型风力发 电机组（ Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ） 是在我国应用最为广泛的风机类型 ， 为保证 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ在电网故障时不脱网 ， 就需要其具备低 电 压 穿越 能 力 。文章 研 究 了 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ在 机 端故 障 时 的暂 态响 应 特性 ， 尤其 是 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ定子 绕 组 、 转 子 绕组 和 电力 电子 变频 器之 间的 能 量 流动关系。通过着重分析 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ在故障暂态中与电网之 间的无功交换， 文章在 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护的基础上， 提 出了一种基 于能量流动 机理的 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ低 电压穿越改进策略 ， 并通过仿真验证 了该策略的有效性。 关键 词 ： 双馈 风机 ； 低 电压 穿越 ； 能 量 流动
１ ． ２ 传 动链 模型
目前 ， 我 国大 型 风 电基 地 采用 的风 力 发 电机 组 大 多属 于 双馈 机 组。 导 致双 馈 机组 在 故 障时 脱 网 的根本 原 因是 构 成双 馈 机组 的 电力 电子变频器在故障时容易 因为过流或过压而损坏。因此 ， 一旦转子 电流 或直 流 电压 超 出 给定 的保 护 限 值 ， 保 护装 置 就 将 双馈 风 机从 电
引言
全球范围内常规化石燃料 正在逐步枯竭 ， 且其使用也带来严重 的环 境污 染 。因此 ， 开发 绿 色 的可替 代 能 源 ， 从能 源 战 略发 展来 看 已 迫在眉睫。 风能与传统能源相 比， 分布广 、 永续、 清洁 ， 因此风能利用 逐渐 成 为许 多 国家 可 持续 发 展 战 略 的重 要 组成 部 分 ， 是 目前 可 再 生 新能 源 利用 中技术 最 成熟 、 最 具 开发 条件 的可 再生 能 源利 用方 式 ＿ １ ］ 。 今年 ２ 月份至 ５月份前 ， 我 国甘肃酒 泉大规模 风电场 、 张家 口 大规 模 风 电场 等 重要 风 电基 地 相 继 发生 多 起 大 型风 电事 故 ， 每次 事 故均造成上百台甚至上千台风机脱 网， 严重影响了电网的稳定性和 供电可靠性， 专家学者更进一步意识到风机低 电压穿越能力的重要
Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的传动链由低速轴、 高速轴和齿轮箱组成。其中低速轴是 指风轮及其转轴 ， 高速轴是指发电机转子。 由于 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的传动链柔性 较大， 因此不能将其视为一个刚体， 应采用两质块模型 。 １ ． ３发 电机 模 型 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的低 电压穿越研究属于机电暂态研究范畴，因此定子绕 组 的 暂 态可 以忽 略 。 另外 ， 考 虑到 转 子 绕 组 、 电力 电子 变 流 器 以及 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护之 间的能量流动关系， 是研究 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ低电压穿越策略的 关键 ， 故有必要考虑转子绕组暂态。综述 ， 发电机应采用 ３阶模型。 ２ 基 于能 量 流动 机 理 的 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保 护控 制 策略 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保 护装 置 由一 个 二 极管 整流 电路 ， 一 个 全 控 开 关（ 通常为 Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ ） 和 一个 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 电阻组 成 ， 如 图 ３所示 。 当检测到发 电机转 子绕组 电流幅值或电力电子变频 器直流链 结 电压 超 过 给 定 的保 护 限值 时 ， Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保 护 的 控 制 系 统 发 出 控 制 信号 ， 令Ｉ Ｇ Ｂ Ｔ导通。 此时， 转子绕组通过 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 电阻短路 。 与此同 时， 转子侧变流器停止工作 ， 被Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 保护 电路旁路 ， 故没有 电流 通过 转 子侧 变 流器 ， 确 保其 不 受破 坏 。 当电网发生故障时 ， Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ的机端电压急剧下 降， 故障严重时机 端残余电压可能不足 ０ ． ２ ｐ ｕ 。 此时 ， 作用于传动链 的电磁转矩忽然降 低， 原先 由于传动链 的柔性扭转而存储在其中的机械能迅速释放 出 来， 转化为电能 ， 并通过定子绕组和转子绕组输 出。因此 ， 定转子绕 组在故障发生后的一小段时间内均会产生一个较大的有功电流 。 另一方面 ， 在机端电压跌落时， 发电机气 隙磁场迅速衰减 。 原先 存储 在 发 电机 气 隙 中的 磁场 能 迅 速通 过 定 转 子绕 组 释 放 ， 在定 转 子 绕组中产生一个瞬时的无功 电流 。
科技创 新 与应 用 Ｉ ２ ０ １ ３ 年 第ｌ ７ 期
科 技 创 新
基于能量流动机理 的 Ｄ Ｆ Ｉ Ｇ低 电压 穿越 改进策 略研究
方 方 司信 息 系统 集 成 分 公 司 ， 江 苏 南京 ２ １ ０ ０ ０ ０ ２ 、 张 家 口供 电 公 司 ， 河北 张 家口 ０ ７ ５ ０ ０ ０ ）