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双馈系统在电网故障下不间断运行的研究
来源:电子技术应用2012年第8期
杜韦辰1,曹 正2
1.兰州石化职业技术学院 电子电气工程系,甘肃 兰州730060; 2.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院,甘肃 兰州730050
摘要: 为更好地研究风力发电机在一定的电网电压跌落故障下的动态响应,以单台1.5 MW 双馈风力发电机(DFIG)为研究对象,设计了Crowbar电路,通过构建电网电压跌落仿真模型,分别对机端电压、电流、转子电流、输出的有功功率和无功功率、直流侧电压、电磁转矩在故障期间的动态响应进行了仿真。探讨了相应的控制策略,为进一步研究低电压穿越标准下的控制策略提供了依据,同时也为研制兆瓦级变频器打下基础。测量结果表明这种控制方式能使DFIG在电压跌落故障下实现不间断运行,有效提高了DFIG风电机组运行的可靠性。
中图分类号: TM711;TM614
文献标识码: A
文章编号: 0258-7998(2012)08-0063-03
Study on uninterruptable operation of doubly fed induction generators during a voltage dip in the grid
Du Weichen1,Cao Zheng2
1.College of Electrical and Electronic Engineering,Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology, Lanzhou 730060,China; 2.College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050,China
Abstract: To research the dynamic response of wind power generation unit under certain grid voltage sag in depth, taking single doubly-fed induction generator (DFIG) with capacity of 1.5 MW, and design Crowbar circuit by means of building simulation models of grid voltage sag, the dynamic responses of terminal voltage, stator current, rotor current, active power output and reactive power output, voltage at DC side and electromagnetic torque during the fault are simulated respectively. Through the simulation results, corresponding control strategies, which are available for reference to further research on control strategy based on the standard of LVRT, are investigated,as well as researching foundation of inverter in MW level.
Key words : doubly-fed induction generator;voltage sag;Crowbar circuit;low-voltage ride through

    随着当今世界风电产业的迅猛发展,风电场装机容量逐年上升,风力发电所占电网供电比例也升高。因此,必须考虑电网故障时风机的各种运行状态对电网稳定性的影响[1]。在电网电压跌落的情况下,风电机组中的双馈感应发电机会导致转子侧过流和过压[2-3],同时转子侧电流的迅速增加会导致转子励磁变频器直流侧电压升高,发电机励磁变频器的过电流以及有功和无功都会产生振荡[4-5]。随着风电并网规模的不断增加, 越来越多的国家对风电并网电网制定了规则,要求风力发电系统具有较强的低电压穿越(LVRT)能力[5-6]。

    近年来,对发电机系统在电网电压跌落时的动态响应特性及相应控制策略的研究已取得了一些成果。参考文献[6]考虑了故障下系统的动态响应,针对不同程度的电压跌落情况进行了仿真,参考文献[7]仿真并比较了3 种不同程度电网电压跌落故障下系统的动态响应,但所选的这3种情况并没有依据一定的LVRT 标准曲线。参考文献[8]主要从Crowbar阻值的选取对保护控制的影响来研究。参考文献[9]提出一种Crowbar电路并且进行仿真验证。基于能源的需求,容量逐渐在增大,理论已经变为现实,但大多数技术都是由国外掌握。为了开发兆瓦级变频器,本文对DFIG系统的双PWM变流器控制策略进行设计,同时提出一种Crowbar装置设计方案,并进行了仿真,然后装机进行测量,实现了兆瓦级变频器的真正国产化。
1 DFIG系统的结构
    图1为带有Crowbar电路的DFIG系统的结构。DFIG的定子与电网直接相连,转子侧变频器由双PWM变流器构成,连在转子端的变换器称为机侧变换器,电网端的变换器称为网侧变换器。该电路的作用是在电网电压跌落的瞬间投入运行,对转子中产生的过电流提供一条旁路通道,防止过电流损坏变流器,然后Crowbar电路配合双PWM变流器在故障期间运行。

 

4.2 仿真结果分析
    从图3所示的仿真波形可以看出,当定子电压在0.07 s发生跌落时,定子电流先增大后减小,并稳定在一个值,这主要由所产生的直流分量引起。由于定转子磁链之间的耦合作用,定子的过电流同时造成了转子的过电流。而电磁转矩也有波动。直流侧电压在电压跌落和电压恢复时都因功率波动而产生振荡。但定、转子侧电流除在电压跌落时有振荡外,其他时间都保持稳定,并且在跌落时响应的时间也非常快。转矩和转子端无功电流有关,转矩和转子端无功电流具有一致性。有功功率和无功功率仅在故障发生和恢复时发生振荡,发电机在故障发生时向电网发出少量无功功率,在故障恢复时向电网吸收少量无功功率,而直流侧电压比较稳定,在电压跌落时波动也很小,并且能使直流侧电压快速的稳定在1 200 V上。
5 电网LVRT故障不脱网运行的测量
    测量的变频器功率是1.5 mV,正常电压为690 V,正常电流为1 255 A,直流侧额定电压为1 200 V,频率为50 Hz,额定转速为1 755 r/min, 电压跌落到60%,跌落时间180 ms,t=920 ms时电网电压才完全恢复,瞬间短路电流小于2.5 iN。电压瞬降同步时间小于280 ms;电压恢复同步时间小于230 ms;出错电流响应时间小于30 ms。测量得到的线电压、线电流波形如图4所示。

 

 

    图4的电压波形是电压跌落到保留电压的60%时的线电压波形。跌落时,输出电压从600 V跌到360 V,跌落至原来电压的60%左右。从这两个波形可以看出,电压跌落发生及恢复时,电压在过零点衔接得很好,没有出现电压中断、电压尖峰等,跌落时间为130 ms。图4所示的电流波形是电压突降到保留电压的60%的线电流波形。从两图可以看出,跌落发生时电流变大(这主要是为了维持功率平衡),但仍然基本维持和电压同相,电压恢复后,电流恢复正常,整个过程显示双闭环控制对系统有较好的控制效果。
    以欧洲的风电场LVRT 标准曲线为参考来研制兆瓦级双馈系统。首先通过构建双馈风力发电机仿真模型进行仿真,从仿真波形来分析理论的可行性。然后通过测量1.5 mW的变频器,从测量结果可以看出,在电网电压故障时能实现较好的低电压穿越。本文的研究为研制更大一级变频器提供了理论基础和现实依据。
参考文献
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