一種新型雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)研究

摘要：深入分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型并研究了新型低電壓穿越(LVRT)硬件設(shè)計(jì)原理和控制策略，并在不同控制模式下進(jìn)行仿真，對(duì)比分析了風(fēng)電機(jī)組發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落和恢復(fù)過(guò)程中相關(guān)暫態(tài)特性，同時(shí)在風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際的LVRT測(cè)試及相關(guān)策略驗(yàn)證測(cè)試。這種新型LVRT技術(shù)有利于減小風(fēng)電機(jī)組在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落和恢復(fù)過(guò)程中相關(guān)暫態(tài)特性對(duì)風(fēng)電機(jī)組的不良影響。
關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)電機(jī)組；低電壓穿越；控制策略

1 引言
    目前，為保證新能源快速發(fā)展，以及國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)行安全，要求風(fēng)電機(jī)組必須具有LVRT能力。國(guó)內(nèi)外對(duì)于雙饋風(fēng)電機(jī)組的LVRT方案已進(jìn)行了大量深入研究，對(duì)風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障下的各種運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電網(wǎng)的影響及各種暫態(tài)性能對(duì)風(fēng)電機(jī)組性能和使用壽命影響進(jìn)行了大量研究工作。研究表明，風(fēng)電機(jī)組在深度低電壓跌落及恢復(fù)過(guò)渡過(guò)程中，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和傳動(dòng)軸、齒輪箱等部件將受到?jīng)_擊而導(dǎo)致軸系出現(xiàn)扭振，甚至可能引起軸線(xiàn)共振。
    此處將闡述一種新型LVRT方案。深入分析了雙饋風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型及新型LVRT硬件設(shè)計(jì)原理和控制策略，并在不同控制模式下進(jìn)行仿真。同時(shí)討論了在此技術(shù)方案下，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓低于20％的跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組不停機(jī)而正常運(yùn)行，可避免發(fā)生電網(wǎng)跌落引起電網(wǎng)的不穩(wěn)定。

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈數(shù)學(xué)模型
    雙饋風(fēng)電機(jī)組一般由轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)鏈(分為剛性和柔性)及發(fā)電機(jī)組成，其中大功率風(fēng)電機(jī)組一般均被當(dāng)作柔性傳動(dòng)鏈模型進(jìn)行研究。此處將風(fēng)機(jī)葉片和輪轂等效為一個(gè)質(zhì)量塊，齒輪箱和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等效為一個(gè)質(zhì)量塊，如圖1所示。

    雙饋風(fēng)電機(jī)組兩個(gè)質(zhì)量塊傳動(dòng)鏈數(shù)學(xué)模型為：
   
    式中：K為傳動(dòng)軸系的剛度系數(shù)；Hm，Hg分別為風(fēng)電機(jī)組和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的總慣性時(shí)間常數(shù)；ωm，ωg分別為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)角速度；θs為軸系的扭轉(zhuǎn)角位移；Tm，Te分別為轉(zhuǎn)子上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；Dm，Ds，Dg分別為風(fēng)電機(jī)組與發(fā)電機(jī)之間阻力系數(shù)、風(fēng)電機(jī)組自身阻尼系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自身阻尼系統(tǒng)。

3 新型LVRT控制方案
3．1 新型LVRT硬件方案
    為適應(yīng)新電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)則要求，闡述一種新型雙饋風(fēng)電機(jī)組LVRT拓?fù)浞桨?，其硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出線(xiàn)端與直流母線(xiàn)兩端新增一個(gè)二極管整流橋并聯(lián)在母線(xiàn)上，同時(shí)在變流器直流母線(xiàn)兩端并聯(lián)DBR回路(DBR電阻與IGBT串聯(lián))，Crowbar拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)采用了二極管整流橋、晶閘管和電阻。

3．2 LVRT控制策略
    根據(jù)電網(wǎng)故障時(shí)電壓跌落程度不同，雙饋風(fēng)電機(jī)組的LVRT策略主要有兩種：改變變流器的勵(lì)磁控制和轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar保護(hù)電網(wǎng)。電網(wǎng)嚴(yán)重故障情況下，Crowbar電路觸發(fā)后和電網(wǎng)故障恢復(fù)時(shí)的暫態(tài)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電流、電磁轉(zhuǎn)矩和扭矩瞬態(tài)跳變，這些暫態(tài)特性會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性、風(fēng)電機(jī)組特性和使用壽命產(chǎn)生的不良影響。為減少此影響，采取新控制策略，如圖3所示。

    ①正常電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)的DBR控制(非0-Power模式)：即通過(guò)控制并聯(lián)在直流母線(xiàn)上的DBR回路中的DBR電阻釋放暫態(tài)能量，保證風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，并網(wǎng)斷路器Q2．6一直處于閉合狀態(tài)；②0-Power控制：即電網(wǎng)電壓極端跌落時(shí)(u／ur<20％，u為測(cè)試實(shí)際電壓，ur為額定電壓)，斷開(kāi)Q2．6，然后通過(guò)控制轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar或DBR回路實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)保護(hù)。采用上述控制策略，既滿(mǎn)足了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，又避免了電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組頻繁觸發(fā)使得Crowbar電路對(duì)風(fēng)電機(jī)組使用壽命和性能的產(chǎn)生影響。
    下面對(duì)LVRT控制策略進(jìn)行敘述。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓瞬間跌落時(shí)，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，從而會(huì)產(chǎn)生直流分量。由于積分量減小，定子磁鏈幾乎不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生較大滑差，從而引起轉(zhuǎn)子繞組過(guò)壓、過(guò)流，機(jī)側(cè)變流器(GSC)的IGBT橋臂閉鎖且Crowbar電路又不啟動(dòng)：轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的高暫態(tài)電流通過(guò)二極管整流橋不控整流后，交流變?yōu)橹绷?，疊加到直流母線(xiàn)電容上。當(dāng)直流母線(xiàn)電壓Udc>1 250 V，控制指令采用遲滯環(huán)控制原理控制DBR回路IGBI開(kāi)通或關(guān)閉，母線(xiàn)能量通過(guò)與IGBT串聯(lián)的DBR電阻泄放，從而維持Udc穩(wěn)定。
    (1)DBR控制(非0-Power模式)
    ①電網(wǎng)電壓輕度跌落(u／ur>50％，平衡和不平衡跌落)，DBR泄放能量+GSC持續(xù)可控，風(fēng)電機(jī)組處于全控狀態(tài)，Crowbar電路不觸發(fā)；②電網(wǎng)電壓重度跌落(20％≤u／ur≤50％)，閉鎖GSC，DBR泄放能量穿越故障，Crowbar電路不觸發(fā)。非0-Power模式下軟件控制流程如圖4所示。

    (2)0-Power模式
    電網(wǎng)電壓極端跌落(u／ur<20％)，GSC閉鎖，Q2．6斷開(kāi)，風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行。通過(guò)控制Crowbar電路或DBR回路釋放轉(zhuǎn)子側(cè)積累能量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組直流母線(xiàn)電壓Udc的穩(wěn)定控制，當(dāng)電網(wǎng)相關(guān)性能恢復(fù)后，Q2．6閉合，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組正常并網(wǎng)運(yùn)行，其控制流程如圖5所示。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)
4．1 仿真分析
    額定風(fēng)況時(shí)，電網(wǎng)電壓發(fā)生20％不平衡跌落，2 MW風(fēng)電機(jī)組在所述兩種控制策略下對(duì)其暫態(tài)特性進(jìn)行仿真。風(fēng)電機(jī)組在發(fā)生LVRT跌落和恢復(fù)過(guò)程時(shí)，其發(fā)電機(jī)和齒輪箱暫態(tài)軸扭矩載荷仿真結(jié)果如圖6所示，其中upha為風(fēng)機(jī)相電壓，it為風(fēng)機(jī)總電流，Tgen為風(fēng)機(jī)扭矩，Tgea為齒輪箱扭矩。

    綜上所述：①風(fēng)電機(jī)組在非0-Power控制模式下，發(fā)電機(jī)和齒輪箱軸承受額外的附加不良扭矩，影響機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的特性和使用壽命；LVRT發(fā)生或恢復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生大的暫態(tài)電流，可能觸發(fā)風(fēng)電機(jī)組變流器的保護(hù)定值；在外部電網(wǎng)恢復(fù)過(guò)程中無(wú)功的注入具有挑戰(zhàn)；②風(fēng)電機(jī)組在0-Power控制模式下，發(fā)電機(jī)和齒輪箱軸不承受額外的附加不良扭矩；在外部電網(wǎng)恢復(fù)過(guò)程中，電流的各種暫態(tài)無(wú)沖擊且平穩(wěn)過(guò)渡。
4．2 實(shí)驗(yàn)分析
    以對(duì)某公司2 MW雙饋風(fēng)力機(jī)組在國(guó)家實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行LVRT測(cè)試。風(fēng)電機(jī)組在新型LVRT方案下進(jìn)行LVRT測(cè)試并通過(guò)國(guó)家關(guān)于LVRT測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)以電網(wǎng)(機(jī)組運(yùn)行功率為2 MW，風(fēng)速大于額定風(fēng)速12 m／s)發(fā)生20％不平衡跌落為例，進(jìn)行非0-Power模式及0-Power模式實(shí)際測(cè)試，實(shí)驗(yàn)波形如圖7，8所示。

    由圖7，8可知：①風(fēng)電機(jī)組在非0-Power控制策略下通過(guò)國(guó)家關(guān)于LVRT的測(cè)試：②在非0-Power控制模式下，風(fēng)電機(jī)組的有功在LVRT發(fā)生過(guò)程和恢復(fù)過(guò)程存在暫態(tài)波動(dòng)或額外峰值；③風(fēng)電機(jī)組在0-Power控制模式下可實(shí)現(xiàn)LVRT，在LVRT發(fā)生和恢復(fù)過(guò)程不存在有功暫態(tài)波動(dòng)或峰值；④由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)未對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸和齒輪箱軸進(jìn)行扭矩監(jiān)測(cè)，因此沒(méi)有實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證不同控制模式下其暫態(tài)特性。

5 結(jié)論
    新型LVRT技術(shù)方案經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，從仿真和測(cè)試波形分析驗(yàn)證了此技術(shù)方案硬件和非0-Power控制模式的正確性。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)未對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸和齒輪箱軸的扭矩進(jìn)行監(jiān)測(cè)，后續(xù)進(jìn)行其他特性測(cè)試的同時(shí)，進(jìn)行了風(fēng)電機(jī)組機(jī)械特性測(cè)試驗(yàn)證。同時(shí)提出了一種0-Power控制模式，在風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)電壓跌落低于20％情況下實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組不停機(jī)穿越電網(wǎng)故障，而且在此控制策略下可減少風(fēng)電機(jī)組在LVRT發(fā)生和恢復(fù)過(guò)程中暫態(tài)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的不良影響。0-Power控制策略為研究風(fēng)電機(jī)組LVRT技術(shù)提供了一種研究思路來(lái)改善風(fēng)電機(jī)組在LVRT發(fā)生過(guò)程中所產(chǎn)生的機(jī)械載荷機(jī)組本身產(chǎn)生的不良影響，以達(dá)到提高風(fēng)電機(jī)組使用壽命的目的，然后再采取不同技術(shù)改善機(jī)組的LVRT性能。