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【摘要】双馈感应式(DFIG)风力发电机组以其变流器容量小、有功和无功功率可独立解耦控制的特点,已成为目前变速恒频(VSCF)风力发电机组的主流机型。正因为DFIG系统的小容量变流器,DFIG系统对电网电压扰动的抵御能力较弱。为了防止电网故障的扩大,目前电力系统要求风力发电系统具备低电压穿越能力(LVRT)。本文对基于Crowbar电路的双馈感应式发电系统低电压穿越特性进行了研究。首先给出了目前几种得到普遍应用Crowbar电路的结构。分析各种Crowbar电路对于提高DFIG系统的低电压穿越能力的优劣。最后搭建了一个22kW的实验平台。实验结果证明了主动Crowbar电路可以抑制电机定、转子电路中的暂态电流,对提高DFIG系统LVRT能力具有重要作用。
【关键词】风力发电 变速恒频 双馈感应发电机 电压跌落 Crowbar电路
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)11(a)-0148-02
1 前言
随着我国风力发电市场的不断扩大,风电场数量以及风电场容量快速增加。风力发电在电力系统中所占份额逐年快速增大,风力发电系统对于电网的影响越来越大。因此,世界各国纷纷制定了针对大型风力发电机的并网运行标准。其中影响最大的是欧洲的E.ON标准。这些电网运行标准都要求风力发电机组能够在电力系统有较大波动时保持在线连接,并在故障清除之后向电网提供无功支持。在电网需要时,能快速向电网提供无功功率,调节电网电压和稳定电网。随着我国逐步规范发展风力市场的需要,可以预见,在不久的将来我国也将推出相应的风力发电并网运行标准。
目前得到大规模应用的双馈感应式(DFIG)风力发电系统由于变流器容量仅占系统容量的1/3左右,更加容易受到系统电压波动的影响。研究双馈感应式风力发电机在电网故障情况下的低电压穿越能力成为了目前的一个主要热点[1]-[3]。本文分析了低电压穿越(LVRT)系统的工作原理,介绍了低电压穿越系统中转子侧变流器控制器的电路结构。针对风力发电低电压穿越系统中的Crowbar电路进行了研究,针对不同种类的Crowbar电路进行了分析。在22kW实验平台上针对DFIG系统进行了有无Crowbar电路的对比实验。实验结果说明Crowbar电路对于DFIG系统的低电压穿越能力具有重要影响。Crowbar电路可以有效抑制发电机定转子暂态电流的交流分量,使DFIG系统具基本具备了低电压穿越能力并能向电网提供无功功率支持。
2 DFIG低电压穿越系统
当发电机连接的电力系统发生三相对地短路故障时,电机的定、转子中会出现暂态浪涌电流,幅值可以达到额定电流值的2至3倍。如果不能有效抑制这种暂态电流,和电机转子相连接的变流器就会因为过电流而退出运行。此时电机会由于无法控制励磁电流而失去对电磁转矩的控制。之后发电机的转速会在短时间内快速上升,当达到风力发电机的转速极限时就会引发刹车系统工作导致电机退出运行。无法满足日益严苛的电网规则对发电系统的要求。因此需要在原有的变流器中增加一个故障处理设备——Crowbar电路,它在转子侧变流器被封锁期间能够抑制电机定、转子中的暂态浪涌电流,从而达到在故障期间仍然持风力发电机组的并网运行,防止风力发电机组和电网分离。系统的结构如图1所示:
已有文献[1]-[4]表明图1中的Crowbar电路结构主要有如图2所示的三种。其中图2(a)、(b)的Crowbar电路在电网发生故障,变流器因为过电流而退出运行时触发导通图2(a)、(b)中的晶闸管将Crowbar电路投入运行。Crowbar电路可以实现将双馈发电机转子短
路的目的,防止因为变流器的直流电压上升而损坏变流器。但是这种Crowbar电路有一个重大缺点:图(a)中的晶闸管被触发导通之后会由于晶闸管的半控特性无法关断导通电流退出运行,因此发电机组会因为需要大量吸收系统的无功功率而退出运行。图(b)中的两对反并联晶闸管不能够做到同时关断,会使系统不平衡运行。不平衡运行会造成发电机有功无功电流解耦控制器性能严重下降,甚至造成发电系统电子转矩和发电机转速震荡。可能会导致发电机被切除出电网,无法满足现代电力系统的并网运行要求。因此这种Crowbar电路对于系统故障是一种被动的防御,可以称为被动式Crowbar。近年来图2(c)所示的Crowbar电路得到了人们的关注,以不控整流桥配合一个IGBT全控器件来组成一个新型的Crowbar电路。通过控制IGBT的触发信号可以对发电机转子的电流进行调整,实现抑制发电机转子过电流并且能够在电网电压恢复时重新投入变流器对机组实现控制,由此可以看出这种Crowbar电路对于系统故障是一种主动的控制,因此将这种Crowbar电路称为主动式Crowbar。相比前两种Crowbar电路,它可以使DFIG系统具备LVRT能力,满足电网安全稳定的要求。
图3-图5中的波形显示Crowbar电路还可以有效减小DFIG系统在电网电压恢复时受到的冲击,在电网电压恢复时Crowbar电路同样可以对发电机定子的交流暂态电流分量起到抑制作用。具备Crowbar电路的DFIG系统可以更加迅速地恢复到正常运行状态,实现向系统输出无功功率,满足目前电力系统对于无功功率快速补偿的要求。
3 结论
通过对目前得到应用的几种Crowbar电路进行分析研究,得到了不同Crowbar电路的运行特点。说明主动式Crowbar电路与被动式Crowbar相比具有电网电压恢复时可以切除的优点,为DFIG系统具备低电压穿越能力打下了基础。同时主动式Crowbar电路可以保留对直流母线电容进行过电压保护的功能。以此为基础在22kw实验平台上对Crowbar电路对于DFIG系统LVRT特性的影响进行了实验研究。实验结果说明Crowbar电路能够有效抑制电网电压瞬间跌落情况下电机定转子中的暂态电流的交流分量。进而减小电机侧变流器受到的电流冲击,使DFIG系统在电网故障发生之后迅速恢复对电机有功、无功电流的解耦控制能力,使DFIG系统具备了快速向电网发送无功功率的能力。Crowbar电路是使DFIG系统具备LVRT能力的一个关键子系统。对DFIG系统在风力发电领域中的大规模工业应用具有实际意义。
参考文献
[1] J. Morren and S. W. H. de Haan, Ridethrough of wind turbines withdoubly-fed induction generator during a voltage dip[C], IEEE Trans. EnergyConvers., vol. 20, no. 2, pp. 435-441,Jun.2005.
[2] He Yikang, Hu Jiabing, Zhao Rende.Modeling and Control of Wind-Turbine Used DFIG under Network Fault Conditions[C]. Electrical Machines and Systems, 2005,2:986-991
[3] 梁亮,李建林,赵斌,许洪华.适合于风力发电系统的电压跌落发生器[J].可再生能源.2007,25(3):64-66.
【关键词】风力发电 变速恒频 双馈感应发电机 电压跌落 Crowbar电路
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)11(a)-0148-02
1 前言
随着我国风力发电市场的不断扩大,风电场数量以及风电场容量快速增加。风力发电在电力系统中所占份额逐年快速增大,风力发电系统对于电网的影响越来越大。因此,世界各国纷纷制定了针对大型风力发电机的并网运行标准。其中影响最大的是欧洲的E.ON标准。这些电网运行标准都要求风力发电机组能够在电力系统有较大波动时保持在线连接,并在故障清除之后向电网提供无功支持。在电网需要时,能快速向电网提供无功功率,调节电网电压和稳定电网。随着我国逐步规范发展风力市场的需要,可以预见,在不久的将来我国也将推出相应的风力发电并网运行标准。
目前得到大规模应用的双馈感应式(DFIG)风力发电系统由于变流器容量仅占系统容量的1/3左右,更加容易受到系统电压波动的影响。研究双馈感应式风力发电机在电网故障情况下的低电压穿越能力成为了目前的一个主要热点[1]-[3]。本文分析了低电压穿越(LVRT)系统的工作原理,介绍了低电压穿越系统中转子侧变流器控制器的电路结构。针对风力发电低电压穿越系统中的Crowbar电路进行了研究,针对不同种类的Crowbar电路进行了分析。在22kW实验平台上针对DFIG系统进行了有无Crowbar电路的对比实验。实验结果说明Crowbar电路对于DFIG系统的低电压穿越能力具有重要影响。Crowbar电路可以有效抑制发电机定转子暂态电流的交流分量,使DFIG系统具基本具备了低电压穿越能力并能向电网提供无功功率支持。
2 DFIG低电压穿越系统
当发电机连接的电力系统发生三相对地短路故障时,电机的定、转子中会出现暂态浪涌电流,幅值可以达到额定电流值的2至3倍。如果不能有效抑制这种暂态电流,和电机转子相连接的变流器就会因为过电流而退出运行。此时电机会由于无法控制励磁电流而失去对电磁转矩的控制。之后发电机的转速会在短时间内快速上升,当达到风力发电机的转速极限时就会引发刹车系统工作导致电机退出运行。无法满足日益严苛的电网规则对发电系统的要求。因此需要在原有的变流器中增加一个故障处理设备——Crowbar电路,它在转子侧变流器被封锁期间能够抑制电机定、转子中的暂态浪涌电流,从而达到在故障期间仍然持风力发电机组的并网运行,防止风力发电机组和电网分离。系统的结构如图1所示:
已有文献[1]-[4]表明图1中的Crowbar电路结构主要有如图2所示的三种。其中图2(a)、(b)的Crowbar电路在电网发生故障,变流器因为过电流而退出运行时触发导通图2(a)、(b)中的晶闸管将Crowbar电路投入运行。Crowbar电路可以实现将双馈发电机转子短
路的目的,防止因为变流器的直流电压上升而损坏变流器。但是这种Crowbar电路有一个重大缺点:图(a)中的晶闸管被触发导通之后会由于晶闸管的半控特性无法关断导通电流退出运行,因此发电机组会因为需要大量吸收系统的无功功率而退出运行。图(b)中的两对反并联晶闸管不能够做到同时关断,会使系统不平衡运行。不平衡运行会造成发电机有功无功电流解耦控制器性能严重下降,甚至造成发电系统电子转矩和发电机转速震荡。可能会导致发电机被切除出电网,无法满足现代电力系统的并网运行要求。因此这种Crowbar电路对于系统故障是一种被动的防御,可以称为被动式Crowbar。近年来图2(c)所示的Crowbar电路得到了人们的关注,以不控整流桥配合一个IGBT全控器件来组成一个新型的Crowbar电路。通过控制IGBT的触发信号可以对发电机转子的电流进行调整,实现抑制发电机转子过电流并且能够在电网电压恢复时重新投入变流器对机组实现控制,由此可以看出这种Crowbar电路对于系统故障是一种主动的控制,因此将这种Crowbar电路称为主动式Crowbar。相比前两种Crowbar电路,它可以使DFIG系统具备LVRT能力,满足电网安全稳定的要求。
图3-图5中的波形显示Crowbar电路还可以有效减小DFIG系统在电网电压恢复时受到的冲击,在电网电压恢复时Crowbar电路同样可以对发电机定子的交流暂态电流分量起到抑制作用。具备Crowbar电路的DFIG系统可以更加迅速地恢复到正常运行状态,实现向系统输出无功功率,满足目前电力系统对于无功功率快速补偿的要求。
3 结论
通过对目前得到应用的几种Crowbar电路进行分析研究,得到了不同Crowbar电路的运行特点。说明主动式Crowbar电路与被动式Crowbar相比具有电网电压恢复时可以切除的优点,为DFIG系统具备低电压穿越能力打下了基础。同时主动式Crowbar电路可以保留对直流母线电容进行过电压保护的功能。以此为基础在22kw实验平台上对Crowbar电路对于DFIG系统LVRT特性的影响进行了实验研究。实验结果说明Crowbar电路能够有效抑制电网电压瞬间跌落情况下电机定转子中的暂态电流的交流分量。进而减小电机侧变流器受到的电流冲击,使DFIG系统在电网故障发生之后迅速恢复对电机有功、无功电流的解耦控制能力,使DFIG系统具备了快速向电网发送无功功率的能力。Crowbar电路是使DFIG系统具备LVRT能力的一个关键子系统。对DFIG系统在风力发电领域中的大规模工业应用具有实际意义。
参考文献
[1] J. Morren and S. W. H. de Haan, Ridethrough of wind turbines withdoubly-fed induction generator during a voltage dip[C], IEEE Trans. EnergyConvers., vol. 20, no. 2, pp. 435-441,Jun.2005.
[2] He Yikang, Hu Jiabing, Zhao Rende.Modeling and Control of Wind-Turbine Used DFIG under Network Fault Conditions[C]. Electrical Machines and Systems, 2005,2:986-991
[3] 梁亮,李建林,赵斌,许洪华.适合于风力发电系统的电压跌落发生器[J].可再生能源.2007,25(3):64-66.