基于Crowbar保护控制的交流励磁风电系统运行分析

基于Crowbar保护控制的交流励磁风电系统运行分析浏览次数：486日期：2011年2月24日10:32摘要：随着越来越多的交流励磁风力发电机接入电网运行，新的电网运行规则要求发电机在电网电压跌落时仍能保持不间断运行。为保护转子励磁电源和发电机，常采用Crowbar保护电路来限制电压跌落时转子回路的最大电流。文中通过仿真详细研究了电网故障时交流励磁风电系统的运行行为，就电压跌落程度及旁路电阻取值对Crowbar保护控制的影响以及采用Crowbar电路的系统运行特点进行了讨论分析。仿真结果验证了Crowbar电路的有效性，该方法可实现故障时交流励磁风力发电机不间断运行。关键字：Crowbar保护控制交流励磁风电系统运行分析0引言交流励磁变速恒频风力发电技术是目前最具应用前景的风力发电技术之一，已成为国内外的研究热点。随着交流励磁风电机组单机容量和风电场规模的增大，发电机与电网之间的相互影响作用显得日益重要。新的系统运行导则要求在电网电压跌落时交流励磁风电机组仍具有不间断运行能力。在故障期间，发电机和电网仍继续保持连接，故障切除后，发电机迅速恢复正常运行，为系统提供必要的有功和无功功率支持，减少电压崩溃的危险，提高系统的稳定性。目前主要采用Crowbar电路来实现电压跌落时交流励磁发电机不问断运行。该技术在电压跌落时切除发电机励磁电源，投入转子旁路保护电阻来限制转子回路的最大电流，达到保护转子励磁电源和发电机的目的。本文分析了电网电压跌落时发电机的暂态运行行为和Crowbar电路的保护控制原理。对一台基于Crowbar保护控制的交流励磁风力发电机系统进行了仿真计算，分析了电网故障时发电机系统的运行行为，以及电压跌落程度和旁路电阻取值对Crowbar保护控制的影响，最后就电压跌落时采用Crowbar电路的系统运行特点进行了讨论。1电网电压跌落时发电机系统的控制1.1电压跌落时发电机的Crowbar保护控制电网电压正常时的发电机定子电压方程可表示为空间矢量形式：①式中：us、is和Ψs分别为静止坐标系下定子电压空间矢量、定子电流空问矢量和定子磁链空间矢量；Rs为定子绕组电阻。若电网发生非对称短路故障，由磁链守恒原理可知，尽管定子电压在故障时发生突变，但在故障瞬间发电机定子磁链仍将保持恒定不变。在忽略发电机定子电阻的前提下，由式①可知发电机的定子磁链近似等于定子电压的积分，当定子电压中出现正序和负序分量后，发电机定子磁链中显然也将出现相应的稳态正序和负序分量。然而，为维持故障瞬间发电机定子磁链保持不变，定子磁链中还将出现暂态直流分量。根据式①可导出故障后发电机定子磁链各分量与定子电压各分量之间的关系为：②式中：Ψs’为故障后发电机定子磁链空间矢量；ΨsDC’为故障后发电机定子磁链暂态直流分量的空间矢量；ΨsP’和ΨsN’分别为故障后发电机定子磁链正、负序分量的空间矢量；Us为故障前瞬间发电机定子电压空间矢量；UsP’和UsN’分别为故障后瞬间发电机定子电压正、负序分量的空间矢量；ω为定子电角频率弧为发电机定子磁链暂态直流分量的衰减时间常数；usP’和usN’分别为故障后发电机定子电压正、负序分量的空间矢量。为简要说明电压跌落时发电机的Crowbar保护控制原理，本文以发电机机端发生三相对称短路故障为例进行分析。当发电机机端对称短路时，由式①可知，在忽略定子电阻的前提下，当定子电压降至0时，定子磁链矢量的变化率也为0，这意味着定子磁链空间矢量将停止旋转并在空间保持不变。由于定子电阻的耗能作用，定子磁链直流分量将会逐渐衰减，其衰减的速度取决于发电机的定、转子漏感和电阻。由于电压跌落瞬间发电机转子仍以高速旋转，则定子磁场直流分量将以转速角频率叫，相对于转子绕组旋转，此时定子电压空间矢量的正、负序分量均为0，根据式②可得故障时定子磁链暂态直流分量的最大值ΨsDCmax’和转子电压的最大值Urmax’分别为：③④式中：Us为电网故障前发电机定子相电压的幅值。典型的MW级交流励磁风力发电机的转差运行范围一般为[-0.3,0.3]，转子漏阻抗（本文除特别说明外，所有变量均为标幺值）约为0.1~0.2，若故障前发电机以最大转速1.3运行，则由式④可知机端短路故障时发电机转子最大故障电流将达到约6倍~12倍额定电流。若不采取限流措施，则必将出现转子过电流，严重时极易损坏转子侧变换器功率器件和直流电容。另一方面，当故障切除后，发电机定子电压恢复正常，这时发电机的暂态运行行为与电压跌落时类似，其定子磁链中仍将出现暂态直流分量，该分量同样可能造成转子过压、过流。对于电网发生不对称短路故障，除了会引起定子磁链直流分量以外，定子磁链中还将出现负序分量，该分量将以-(ω+ωr)相对于转子绕组旋转，其同样可能造成转子过压和过流。为限制电压跌落时转子的最大电流，通常的方法就是在检测到定子电压骤降时立即将转子侧变换器与转子回路断开，将转子旁路保护电阻串入转子回路，这相当于增加了转子的阻抗，因而会有效地降低在电压跌落和恢复过程中转子回路的最大电流。电压恢复时，保护电阻仍继续连接转子绕组，限制故障切除瞬问转子的最大电流，当定子磁链直流分量衰减完毕后，切除保护电阻，重新将转子侧变换器连接转子绕组，采用电压正常时的励磁控制策略恢复发电机正常运行。为有效实现发电机的保护控制，应合理选取保护电阻的阻值，保护电阻的阻值太小将无法有效限制最大电流，阻值太大则可能引起转子过电压，损坏转子绕组。本文中旁路电阻的取值范围选为0.6~1.5。以额定容量2MW、定子额定电压690V的发电机为例，旁路电阻取值为1.05即0.25Ω左右时，即可有效降低故障时转子过电流的程度。1.2电压跌落时网侧变换器的控制电压跌落时转子侧变换器已被切除，这时可封锁网侧变换器的脉宽调制（PWM）驱动脉冲，由于网侧变换器输入电压减小且这时直流侧电压较高，则网侧变换器的电流将减小为0，这将有助于保护网侧变换器。当故障切除后，网侧变换器输入电压恢复正常，这时即可重新控制网侧变换器以稳定直流侧电压，为切除保护电阻时恢复正常励磁控制做好准备。2仿真研究为全面深入研究电网故障时交流励磁发电机及其励磁电源的运行行为，本文建立了一台2MW交流励磁风力发电机系统仿真模型，对电网短路故障时采用Crowbar保护控制的发电机系统进行了仿真计算。交流励磁发电机系统结构如图1所示，发电机定子侧经升压变压器与风电场母线相连接，转子侧在电压正常时与双PWM变换器相连，在故障过程中则与旁路保护电阻相连，控制双向可控硅可实现保护电阻的投切。发电机系统参数如下：⑴2MW交流励磁发电机（经绕组折算后）参数：额定容量2MW，定子额定电压690V/50Hz，定、转子绕组Y、y连接，极对数2，定转子匝比0.45，定子电阻0.00488，定子漏感0.1386，转子电阻0.00549，转子漏感0.1493，定、转子互感3.9527，转动惯量时间常数3.5s。⑵升压变压器参数：额定容量2.5MW，额定频率50Hz，原方绕组（△）20kV，副方绕组（Yg）690V，短路阻抗ZT=0.0098+j0.09241。⑶电网侧变换器参数：进线电抗器电阻6mΩ，电感0.6mH，直流侧电容38000μF，直流链设定电压1200V。⑷旁路保护电阻取为0.25Ω。系统的仿真步骤简述如下：故障前利用控制算法实现发电机定子有功和无功功率的解耦控制以及网侧变换器的控制，发电机系统处于稳定运行状态。假设故障过程中发电机转速基本保持不变，故障前发电机以最高转速1950r/min（假设最大运行范围为s=±0.3）按功率因数1满载稳定运行。设定风电场母线电压三相短路故障在t=3.5s时发生，短路发生后发电机定子电压跌落至约0.65。检测到电压跌落时，立即将转子侧变换器从转子回路切除，同时接入转子旁路保护电阻并封锁网侧变换器和转子侧变换器的驱动脉冲，发电机转入异步发电方式继续运行。故障持续时间为110ms，在t=3.61s时切除，电压恢复时立即重新控制网侧变换器以稳定直流侧电压，这时旁路保护电阻仍与发电机转子保持连接。当t=4s时，切除转子旁路保护电阻，并将转子侧变换器接入转子回路，重新控制发电机使其恢复正常运行。以下图和表中有功为正表示定子输出有功，无功为负表示定子吸收滞后无功，电磁转矩为负表示为制动转矩。图2给出了电压跌落情况下采用Crowbar保护控制方案的发电机系统仿真结果波形。从图中可得出以下一些结论：⑴由图2(a)、图2(b)可知，在电压跌落和恢复时，定子电流中均含有衰减的直流分量，因此，发电机输出的有功和无功功率波动，其中含有逐步衰减的工频交流分量，其衰减的速度取决于定子磁链直流分量衰减的速度。当重新进行正常励磁控制后，发电机可立即输出要求的有功和无功功率，为电网提供及时支持。⑵电压跌落和恢复时接人转子保护电阻的转子电压波形如图2(b)所示，故障前转子额定励磁电压峰值约为400V，故障过程中其峰值约为580V，在转子耐压裕量范围内（按1.5倍耐压考虑）。在旁路电阻的作用下，转子峰值电流得到有效限制。电压恢复后定子电流直流分量迅速衰减，电机输出较大的定子工频电流，因此转子电流中将主要包含较大的转差频率分量。在t=4s后，转子侧变换器将重新输出三相励磁电压，以恢复正常励磁控制。⑶由图2(c)可知，由于定子电流直流分量的作用，发电机电磁转矩中也将含有衰减的工频交流分量且其波动较大。⑷由图2(d)可知，故障前网侧变换器处于稳定运行状态，直流侧电压稳定在给定值1200V。电压跌落时封锁网侧变换器的PWM驱动脉冲，由于输入电压降低，网侧变换器的输入电流将变为0，直流电容电压将维持不变直到输入电压恢复。由于电压恢复时不需要转子侧变换器提供三相励磁电压，双PWM变换器输出励磁功率为0，因此只需输入较小的网侧电流，即可稳定控制直流电容电压，且直流电压仅有少许波动。当旁路电阻切除，转子侧变换器重新接人转子回路时，网侧变换器输入电流增大，从电网吸收能量以满足转子侧变换器输出恰当的励磁功率。但从图2(d)可看出，网侧变换器输入电流响应较为缓慢，这造成了直流侧电压大幅度波动。(a)发电机定子有功Ps和无功Qs(b)发电机转子电压Ur、转予电流Ir和定子电流Is(c)发电机电磁转矩Tem和转速n(d)网侧变换器输入电网电压Ug、电流Ig和直流电压Vdc图2三相对称故障时Crowbar保护控制下发电机仿真结果Crowbar保护控制的效果与定子电压跌落的程度以及旁路电阻的大小密切相关。表1给出了保护电阻取0.25Ω时，不同定子电压跌落情况下的仿真结果。表2给出了定子电压跌落至0.65时，不同保护电阻取值情况下的仿真结果。为了比较各种不同情况下发电机系统的运行状况，表中给出了系统中各关键量在故障过程中所出现的峰值。表1不同定子电压跌落时的仿真结果Us’有功峰值无功峰值转子电压峰值（V）转子电流峰值电磁转矩峰值直流电压峰值（V）0.652.05-1.935842.19-2.2713420.502.49-2.447002.62-2.9013430.402.78-2.777762.90-3.3513430.303.07-3.118533.19-3.8213440.203.37-3.459283.47-4.331345注：Us’表示定子电压跌落后的最小值。表2不同保护电阻值的仿真结果R（Ω）有功峰值无功峰值转子电压峰值（V）转子电流峰值电磁转矩峰值直流电压峰值（V）0.152.24-2.464182.61-2.2913540.202.16-2.155062.36-2.2913430.252.05-1.935842.19-2.2713420.301.94-1.776512.03-2.2213420.351.83-1.657101.90-2.161343从表1可以看出，当保护电阻一定时，随着定子电压跌落越多，Crowbar保护控制的效果就越差。定子电压严重骤降时，转子电压和电流的最大值均已超过转子耐压极限和电流的安全范围，同时，发电机从系统中吸收大量无功。从表2可以看出，当电压跌落一定时，保护电阻越大，转子电流峰值