計(jì)及Crowbar投入時(shí)間影響的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電暫態(tài)全過程研究

1、    計(jì)及crowbar投入時(shí)間影響的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電暫態(tài)全過程研究    孫麗玲尹思杰摘 要：針對(duì)撬棒（crowbar）保護(hù)的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（dfig）暫態(tài)特性分析，常規(guī)研究為簡(jiǎn)化求解過程，均認(rèn)為故障發(fā)生時(shí)crowbar保護(hù)瞬間投入，忽略了不同程度的crowbar動(dòng)作延時(shí)，對(duì)dfig暫態(tài)過程的精確分析造成一定影響。為此，對(duì)計(jì)及撬棒保護(hù)投入時(shí)間影響的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)暫態(tài)全過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，依據(jù)故障特征及crowbar保護(hù)動(dòng)作情況將電網(wǎng)電壓故障全過程分為三個(gè)階段進(jìn)行研究：第一階段為故障發(fā)生，定子電壓跌落，但crowbar保護(hù)尚未投入;第二階段為經(jīng)

2、過短暫的延時(shí)，crowbar保護(hù)投入，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器封鎖;將電網(wǎng)電壓恢復(fù)后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)作為第三個(gè)階段。仿真結(jié)果表明，隨著crowbar保護(hù)投入延時(shí)的增加，dfig的瞬態(tài)性能將惡化;在設(shè)置crowbar電阻時(shí)，應(yīng)考慮故障全過程中轉(zhuǎn)子電流的最大值并計(jì)及crowbar保護(hù)投入延時(shí)的影響。關(guān)鍵詞：雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī);crowbar保護(hù);暫態(tài)特性;動(dòng)作延時(shí);故障電流;動(dòng)態(tài)過程doi：10.15938/j.emc.2020.06.002中圖分類號(hào)：tm 614文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1007-449x（2020）06-0009-07research on transient full process o

3、f doubly-fed induction generator considering crowbar protection insertionsun li-ling， yin si-jie（school of electrical and electronic，north china electric power university，baoding 071003，china）abstract：aiming at crowbar protection transient characteristics analysis of doubly-fed induction generator （

4、dfig）， in order to simplify the solving process， the conventional research considers that crowbar protection is instantaneous input when the fault occurs， ignoring the crowbar action delay with different degrees， which has a certain effect on the precise analysis of dfig transient process. consequen

5、tly， the transient whole process of doubly-fed induction wind turbine， which takes into account the input time of crowbar protection， is analyzed in detail. the whole process of grid voltage fault was divided into three stages according to the fault characteristics and crowbar protection action. in

6、the first stage， the fault occurred and the stator voltage dropped， but the crowbar protection was not put into operation; in the second stage， after a short delay， the crowbar protection was put into operation and the converter at the rotor side was blocked; the dynamic response after the power gri

7、d voltage recovery was taken as the third stage.the simulation results show that， with the increase of crowbar protection input delay， the transient performance of dfig deteriorates. when setting the crowbar resistance value， the maximum value of the rotor current in the whole process of the fault i

8、s considered and the effect of the crowbar input delay is also taken into consideration.keywords：doubly fed induction generator; crowbar protection; transient characteristics; action delay; fault current;dynamic process0 引 言風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔、無(wú)污染且極具商業(yè)化開發(fā)前景的發(fā)電方式，其需求在世界范圍內(nèi)顯著增長(zhǎng)1-2。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（doubly fed inductio

9、n generator，dfig）以其良好的運(yùn)行及調(diào)節(jié)性能成為風(fēng)電市場(chǎng)的主流機(jī)型，但由于其特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，造成dfig對(duì)電網(wǎng)電壓故障尤為敏感3-4。隨著并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，提高dfig的低電壓穿越（low voltage ride through，lvrt）能力一直是研究的熱點(diǎn)。目前，已有較多文獻(xiàn)對(duì)基于撬棒（crowbar）保護(hù)的dfig短路電流特性進(jìn)行了相關(guān)研究，但為了簡(jiǎn)化分析，均假設(shè)故障發(fā)生時(shí)撬棒保護(hù)瞬間投入，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器封鎖，但實(shí)際過程中，受crowbar投切控制策略及裝置本身的動(dòng)作延時(shí)，故障發(fā)生時(shí)crowbar保護(hù)不可能瞬間投入;此外，對(duì)dfig短路電流的研究也往往直接忽略

10、掉定、轉(zhuǎn)子電阻的影響，或類比于傳統(tǒng)異步電機(jī)的短路電流特性進(jìn)行分析，使所得電流表達(dá)式存在較大的誤差。文獻(xiàn)5對(duì)dfig的短路電流特性進(jìn)行了研究，給出定子電流最大值的近似表達(dá)式，但求解過程中忽略了定、轉(zhuǎn)子電阻的影響，且僅限于dfig工作在同步速狀態(tài);文獻(xiàn)6-7類比于傳統(tǒng)的異步電機(jī)，對(duì)dfig理想空載情況下的定子短路電流表達(dá)式進(jìn)行了推導(dǎo)，但存在較多的近似及簡(jiǎn)化過程;文獻(xiàn)8雖在不進(jìn)行省略及近似的條件下對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)的暫態(tài)特性進(jìn)行了精確分析，但計(jì)算過程較為復(fù)雜;文獻(xiàn)9提出一種計(jì)及精確性和簡(jiǎn)易性的定子磁鏈計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)廣義電網(wǎng)電壓故障下dfig的短路電流特性進(jìn)行了分析，但忽略了撬棒電阻對(duì)故障分量振蕩頻率

11、的影響;此外，上述文獻(xiàn)均未考慮crowbar保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)。因此，有必要對(duì)計(jì)及crowbar保護(hù)延時(shí)影響的dfig暫態(tài)特性進(jìn)行精確研究。對(duì)于dfig低電壓穿越問題，常規(guī)研究也大多集中于故障期間的dfig暫態(tài)特性分析，忽略了故障切除后的dfig動(dòng)態(tài)過程，這可能導(dǎo)致故障電流最大值計(jì)算不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響故障穿越控制策略的制定10-11。文獻(xiàn)12雖給出了電網(wǎng)電壓跌落期間及故障恢復(fù)時(shí)的定子磁鏈暫態(tài)特性，且基于轉(zhuǎn)子側(cè)等效電路推導(dǎo)了故障切除時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流表達(dá)式，但求解過程涉及較多的坐標(biāo)變換，且未對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流進(jìn)行理論分析，dfig的暫態(tài)特性分析不全面。針對(duì)以上不足，本文對(duì)計(jì)及crowbar保護(hù)投入

12、時(shí)間影響的雙饋風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)全過程進(jìn)行了詳細(xì)研究。依據(jù)故障特征及crowbar保護(hù)動(dòng)作情況將電網(wǎng)電壓故障全過程分為3個(gè)階段進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明：隨crowbar保護(hù)投入延時(shí)的增長(zhǎng)，定、轉(zhuǎn)子電流及直流母線電壓的沖擊越大，dfig的瞬態(tài)性能惡化;在對(duì)crowbar阻值進(jìn)行整定時(shí)需綜合考慮故障全過程中轉(zhuǎn)子電流的最大值并計(jì)及crowbar保護(hù)投入延時(shí)的影響。本文的研究進(jìn)一步完善了dfig的暫態(tài)特性，對(duì)繼電保護(hù)的整定提供了理論依據(jù)。1 dfig數(shù)學(xué)模型dfig的定、轉(zhuǎn)子側(cè)均采用電動(dòng)機(jī)慣例，忽略磁飽和現(xiàn)象后在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：式中：us、ur、is、ir、s、r分別為定、轉(zhuǎn)子電壓、電流、磁鏈?zhǔn)?/p>

13、量;rs、rr、ls、lr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻和電感;lm為定轉(zhuǎn)子間互感;1、r、sl分別為同步旋轉(zhuǎn)角速度、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度、轉(zhuǎn)差角速度，且sl=1-r;p為微分算子。dfig等效電路如圖1所示。由式（2）可得定、轉(zhuǎn)子電流方程為：系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)（t0），us=usej1t，us為電網(wǎng)電壓幅值。由式（1）可得定子磁鏈初值為根據(jù)功率表達(dá)式可知定子電流初值為將式（4）、式（5）代入式（1）和式（2）可得轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子電壓初值為：2 計(jì)及crowbar投入時(shí)間的暫態(tài)全程分析依據(jù)故障特征及crowbar保護(hù)動(dòng)作情況將電網(wǎng)電壓故障全過程分為3個(gè)階段對(duì)dfig的暫態(tài)特性進(jìn)行分析。電網(wǎng)電壓故障發(fā)生到crowbar

14、保護(hù)投入、轉(zhuǎn)子側(cè)換流器封鎖存在一定的延時(shí)，將此過程分為2個(gè)階段來(lái)考慮：第一階段為故障發(fā)生，定子電壓跌落，但crowbar保護(hù)尚未投入;第二階段為經(jīng)過短暫的延時(shí)，crowbar保護(hù)投入，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器封鎖;將電網(wǎng)電壓恢復(fù)后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)作為第三個(gè)階段。2.1 第一階段暫態(tài)特性分析假設(shè)t=0時(shí)，電網(wǎng)故障發(fā)生，電壓跌落至dus，忽略定子電阻，由式（1）得定子磁鏈方程為求解上述微分方程，且考慮定子磁鏈衰減時(shí)間常數(shù)ts的影響，可得第一階段的定子磁鏈sl為由于此階段crowbar保護(hù)尚未投入，且持續(xù)時(shí)間較短，因此可認(rèn)為轉(zhuǎn)子電壓近似不變，仍為ur（0）13，將式（3）中的轉(zhuǎn)子電流方程代入式（1），可得轉(zhuǎn)子磁鏈

15、方程為求解上述微分方程，可得第一階段的轉(zhuǎn)子磁鏈為式中tr=l/lsrr，cr1的具體表達(dá)式為2.2 第二階段暫態(tài)特性分析經(jīng)過短暫的延時(shí)tc，dfig進(jìn)入第二階段，該過程中定子磁鏈方程與第一階段相同，因此有由于此階段crowbar保護(hù)已經(jīng)投入，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器封鎖，因此ur=0，rr變?yōu)閞r=rr+rcb，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈方程變?yōu)楦鶕?jù)磁鏈?zhǔn)睾阍瓌t可知，轉(zhuǎn)子磁鏈第一階段的末狀態(tài)值為第二階段的初始值，即求解式（13）的微分方程，可得第二階段的轉(zhuǎn)子磁鏈為式中tr=l/lsrr，cr2的具體表達(dá)式為2.3 故障切除時(shí)暫態(tài)特性假設(shè)t=t1時(shí)，電網(wǎng)電壓恢復(fù)至us，該階段定子磁鏈的暫態(tài)特性分析與電網(wǎng)電壓跌落過程類

16、似，由此可得第三階段的定子磁鏈為同理，轉(zhuǎn)子磁鏈的動(dòng)態(tài)分析與電網(wǎng)電壓跌落時(shí)類似，若r（t1+）=r（t1-）=n，則第三階段的轉(zhuǎn)子磁鏈為式中cr3的具體表達(dá)式為3 定轉(zhuǎn)子電流特性據(jù)上一節(jié)中計(jì)及crowbar保護(hù)投入時(shí)間影響的dfig定、轉(zhuǎn)子磁鏈暫態(tài)全過程的分析，將各階段中的定、轉(zhuǎn)子磁鏈表達(dá)式分別代入式（3），且將其轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電流為：若tc趨近于0，則為故障后撬棒保護(hù)立即投入下的短路電流計(jì)算式。由式（21）可以看出，3個(gè)階段下的定子電流均由三部分組成，即頻率為工頻的穩(wěn)態(tài)分量、頻率為r且以指數(shù)規(guī)律衰減的交流分量、以定子暫態(tài)時(shí)間常數(shù)ts衰減的直流分量。若電網(wǎng)電壓完全跌落，則故障過程中

17、（第一階段和第二階段），a1=a2=0，定子電流只由頻率為r且以指數(shù)規(guī)律衰減的交流分量和以定子暫態(tài)時(shí)間常數(shù)ts衰減的直流分量組成。上述定子電流的求解過程計(jì)及了撬棒crowbar保護(hù)投入延時(shí)，且考慮了轉(zhuǎn)子電阻的影響，較直接忽略掉定、轉(zhuǎn)子電阻，或類比于傳統(tǒng)異步電機(jī)短路電流特性的分析更為精確。此外，由定子電流表達(dá)式還可以看出，故障切除后的定子電流較故障過程中的定子電流要大得多。因此，傳統(tǒng)分析中以故障發(fā)生后的半同步周期時(shí)刻來(lái)估算定轉(zhuǎn)子電流峰值14-18，在某些特殊情況下并不適用，忽略故障切除后的動(dòng)態(tài)變化將導(dǎo)致dfig暫態(tài)特性分析不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響故障穿越控制策略的制定。需要注意的是，本文第三階段中的定子

18、電流表達(dá)式適用條件與文獻(xiàn)12類似，但求解過程更加簡(jiǎn)單，且利用此方法能夠同時(shí)得出故障后定子電流的變化情況。轉(zhuǎn)子電流的特性分析與定子電流類似，此處不再贅述。4 仿真分析為驗(yàn)證本文理論分析的正確性，在matlab/simulink仿真平臺(tái)搭建如圖2所示的仿真模型，其中dfig參數(shù)：額定功率為1.5 mw，額定頻率為50 hz，極對(duì)數(shù)為3，定子額定線電壓為690 v，直流母線額定電壓為1 200 v，定子電阻為0.007 06 pu，轉(zhuǎn)子電阻為0.005 pu，定子漏感為0.171 pu，轉(zhuǎn)子漏感為0.156 pu，定轉(zhuǎn)子間的互感為2.9 pu，crowbar電阻阻值取40倍的轉(zhuǎn)子繞組阻值。故障前df

19、ig運(yùn)行轉(zhuǎn)速為1.2 pu，由于dfig的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大且暫態(tài)過程較短，在故障過程中認(rèn)為風(fēng)速恒定。4.1 定子電流有效性驗(yàn)證為驗(yàn)證本文所推導(dǎo)的計(jì)及crowbar投入時(shí)間影響的dfig定子電流表達(dá)式的正確性，表1給出了電網(wǎng)電壓完全跌落時(shí)，crowbar保護(hù)在不同延時(shí)時(shí)間投入下的定子三相電流最大值的仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析。可以看出，定子三相電流最大值的仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果間的誤差均小于5%。采用本文所推導(dǎo)的定子電流表達(dá)式可以比較準(zhǔn)確地描述計(jì)及crowbar投入時(shí)間影響的dfig定子電流變化情況。4.2 crowbar投入時(shí)間對(duì)dfig暫態(tài)特性影響圖3給出了電網(wǎng)電壓在t=1.5 s時(shí)對(duì)稱跌落至0.2

20、 pu，crowbar保護(hù)分別延時(shí)0、2、5、10 ms投入下的dfig瞬態(tài)響應(yīng)波形。由圖3（a）中轉(zhuǎn)子電流波形可以看出，crowbar保護(hù)立即投入和延時(shí)2 ms投入的情況下，現(xiàn)有的rcb電阻能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子電流幅值抑制在安全限值2 pu以內(nèi)20;但crowbar保護(hù)延時(shí)5 ms和10 ms投入的情況下，轉(zhuǎn)子電流的沖擊幅值達(dá)到2.5 pu和3.5 pu，超過了所允許的安全限值，對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的安全造成一定影響。crowbar保護(hù)投入延時(shí)越長(zhǎng)，對(duì)轉(zhuǎn)子電流的沖擊越大，若仍采用之前整定的rcb電阻值，可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過電流;因此，在對(duì)rcb阻值整定時(shí)需同時(shí)考慮crowbar保護(hù)投入延時(shí)的影響，防止crowb

21、ar延時(shí)過長(zhǎng)造成轉(zhuǎn)子過電流現(xiàn)象。由圖3（b）和圖3（c）可知，故障過程中定子a相電流的最大值和直流母線電壓的最大值也隨crowbar保護(hù)投入延時(shí)的增加而增大;由圖3（d）中的無(wú)功功率波形可以看出，隨crowbar投入延時(shí)的增加，dfig在故障中發(fā)出的無(wú)功功率和故障切除后吸收的無(wú)功功率都有所增加。4.3 故障切除時(shí)dfig暫態(tài)特性圖4和圖5分別給出了電網(wǎng)電壓在t=1.5 s時(shí)對(duì)稱跌落至0.2 pu，在故障持續(xù)奇數(shù)倍工頻半周期（t=1.61 s）后故障切除時(shí)的定子三相電流波形和轉(zhuǎn)子電流波形。故障過程中，由于crowbar保護(hù)的作用，未出現(xiàn)過電流現(xiàn)象;但故障切除時(shí)，定、轉(zhuǎn)子電流最大值明顯大于故障發(fā)生

22、時(shí)刻，現(xiàn)有的crowbar電阻無(wú)法抑制較大的轉(zhuǎn)子過電流。因此，在某些特殊情況下，需綜合考慮故障全過程中轉(zhuǎn)子電流的最大值，以此對(duì)crowbar電阻進(jìn)行整定，防止crowbar阻值整定過小而無(wú)法抑制故障切除后的轉(zhuǎn)子過電流。5 結(jié) 論本文對(duì)計(jì)及crowbar保護(hù)投入時(shí)間影響的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)暫態(tài)全過程進(jìn)行了詳細(xì)研究，依據(jù)故障特征及crowbar保護(hù)動(dòng)作情況將電網(wǎng)電壓故障全過程分為3個(gè)階段進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：1）本文所推導(dǎo)的定轉(zhuǎn)子電流表達(dá)式不僅計(jì)及了crowbar保護(hù)投入的時(shí)間，且考慮了轉(zhuǎn)子電阻的影響，較直接忽略掉定、轉(zhuǎn)子電阻或類比于傳統(tǒng)異步電機(jī)短路電流特性的分析更為精確;2）隨crowbar保

23、護(hù)投入延時(shí)的增長(zhǎng)，定、轉(zhuǎn)子電流及直流母線電壓的沖擊越大，dfig的瞬態(tài)響應(yīng)性能惡化;3）對(duì)crowbar阻值的整定需綜合考慮故障全過程中轉(zhuǎn)子電流的最大值并計(jì)及crowbar保護(hù)投入延時(shí)的影響。本文的研究進(jìn)一步完善了dfig的暫態(tài)特性，對(duì)繼電保護(hù)的整定提供了理論依據(jù)。參 考 文 獻(xiàn)：1 賀益康，胡家兵.雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行中的幾個(gè)熱點(diǎn)問題j.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（27）：1.he yikang， hu jiabing. several hot-spot issues associated with the grid-connected operations of wind-tu

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33、義賀，等.電網(wǎng)短路故障下dfig的電磁特性研究j.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（10）：13.li ran， li zenghui， wang yihe， et al. studies on electromagnetic characteristics of dfig under short-circuit faults of the gridj. power system protection and control， 2013， 41（10）： 13.13 徐玉琴，曹璐璐.雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)暫態(tài)特性分析及crowbar阻值優(yōu)化j.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32（4）：93.xu yu

34、qin， cao lulu. transient characteristics analysis of doubly fed induction generator and resistance optimization of crowbar circuitj. transactions of china electrotechnical society， 2017， 32（4）： 93.14 王增平，李菁，鄭濤，等.不同撬棒保護(hù)投入時(shí)刻下雙饋風(fēng)電機(jī)組短路電流計(jì)算分析j.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017，45（5）：109.wang zengping， li jing， zheng tao， e

35、t al. calculation and analysis of three-phase short-circuit current of doubly fed wind turbine considering different crowbar protection insertion time j. power system protection and control， 2017， 45（5）：109.15 趙宏博，湯海雁，張文亮，等.雙饋風(fēng)電機(jī)組零電壓穿越暫態(tài)特性分析及綜合控制策略j.電網(wǎng)技術(shù)，2016，40（5）：1422.zhao hongbo， tang haiyan， zhang wenliang， et al. transient characteristi