基于能量流动机理的DFIG低电压穿越改进策略研究

2013-10-30 12:05 编辑:admin 来源:发表论文 浏览:
 
  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性。 
  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网切出。 
  转子绕组的Crowbar保护装置是采用最为广泛的低电压穿越装置[2]。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Crowbar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。 
  Crowbar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[3]。Crowbar保护的退出过早或过晚都会带来新的问题,目前,控制Crowbar保护退出时间的两种控制策略都没有考虑DFIG在机端故障时的响应特性,而是凭经验控制Crowbar保护的退出时间,难以达到较好的效果[4]。 
  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Crowbar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(DFIG)的基本结构如图1所示。DFIG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[5]。 
  其中,DFIG的控制系统包括桨距角控制系统、最大功率跟踪(MPPT)模块以及转子侧变流器(RSC)和电网侧变流器(GSC)的双闭环控制系统。DFIG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)、Crowbar保护等。 
  DFIG各组件的工作原理都较为复杂,在DFIG的低电压穿越研究中,主要关心DFIG在故障期间的暂态,该暂态所涉及的时间常数通常在几十毫秒到几百毫秒之间。在低电压穿越研究中,DFIG关键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DFIG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。 
  1.2 传动链模型 
  DFIG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DFIG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 
  DFIG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Crowbar保护之间的能量流动关系,是研究DFIG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Crowbar保护控制策略 
  DFIG的Crowbar保护装置由一个二极管整流电路,一个全控开关(通常为IGBT)和一个Crowbar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,Crowbar保护的控制系统发出控制信号,令IGBT导通。此时,转子绕组通过Crowbar电阻短路。与此同时,转子侧变流器停止工作,被Crowbar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,DFIG的机端电压急剧下降,故障严重时机端残余电压可能不足0.2pu。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。 
  上述转子绕组的有功电流和无功电流若直接通过转子侧变流器,将导致电力电子开关烧毁。因此,需要投入Crowbar保护,通过Crowbar电阻将传动链和发电机气隙磁场在故障时释放的能量消耗掉。这两部分能量均为一次性迅速释放,因此,本文认为只要转子电流回落到一定的限值以内,即可让Crowbar保护退出运行。机端电压的跌落程度和Crowbar电阻的大小均会对Crowbar保护的实际投入时间造成影响,这一时间通常为10-30ms。 
  采用这一策略既能够有效防止DFIG在故障时的瞬间能量流动造成电力电子变频器损坏,又能够将Crowbar保护的投入时间降到最小,从而有利于电网电压恢复和维持电网稳定性。 
  3 结束语 
  采用Crowbar保护装置是实现DFIG低电压穿越的一种有效方式。Crowbar保护的投入时间长短对于转子侧变流器的保护以及电网电压的恢复都有很大的影响。本文根据DFIG在机端故障的情况下,传动链、发电机、电力电子变频器以及电网之间等能量流动关系,提出了一种基于能量流动机理的Crowbar保护控制策略。该策略能够在有效保护转子侧变流器的前提下,实现Crowbar保护投入时间最短,从而对电网电压的恢复和保持电网电压稳定提供了有力支持。 

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