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 作者：張毅 

      雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)( doubly  fecl  induction generator，DFIG)因勵(lì)磁變頻器容量小、高性價(jià)比、適合變速恒頻發(fā)電等優(yōu)勢(shì)，成為風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行最廣泛的機(jī)組之一。但由于其定子側(cè)直接并網(wǎng)、勵(lì)磁變頻器容量有限，DFIG對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)十分敏感。電網(wǎng)故障導(dǎo)致定子磁鏈出現(xiàn)直流成分，不對(duì)稱故障時(shí)還會(huì)有負(fù)序成分，由此在轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)出過電壓和過電流。而DFIG的電力電子器件的過電壓、過電流能力有限，這就限制了雙饋機(jī)組的低電壓穿越的能力。

    為保護(hù)勵(lì)磁變頻器，常用的方法是在轉(zhuǎn)子側(cè)加裝Crowba。電路，即撬棒保護(hù)電路。撬棒保護(hù)電路中，撬棒的阻值選取和撬棒投切時(shí)刻的選擇一直是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。撬棒阻值過小，不能限制轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流，過大又會(huì)在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器上產(chǎn)生過電壓，導(dǎo)致直流母線泵升，起不到保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的作用。撬棒保護(hù)的投切時(shí)刻也同樣重要，選擇不當(dāng)一方面可能引起撬棒保護(hù)的多次動(dòng)作，另一方面又可能吸收大量的無功功率，不利于系統(tǒng)恢復(fù)。選擇合理的阻值和投切時(shí)刻與風(fēng)電機(jī)組的故障暫態(tài)特性密切相關(guān)。推導(dǎo)了機(jī)端發(fā)生三相短路后的轉(zhuǎn)子短路電流表達(dá)式并給出了Crowba，阻值的整定方法，并分析了Crowbar阻值和退出時(shí)間對(duì)DFIG低電壓穿越的影響。給出了裝有撬棒電阻的短路電流的解析表達(dá)式，分析了鉗位效應(yīng)，及其對(duì)短路電流的影響．并考慮定轉(zhuǎn)子磁鏈耦合作用，提出了一種阻抗電勢(shì)源模型。給出了適用于對(duì)稱／不對(duì)稱故障情況下短路電流的求解公式，并提出了新型的電阻串聯(lián)電容式撬棒結(jié)構(gòu)。推導(dǎo)了故障初始階段撬棒投入、一段時(shí)間后切除等情況下的短路電路特性，并進(jìn)行定量仿真驗(yàn)證了其有效性�；�于疊加法，提出了一種新的轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流計(jì)算方法，給出了撬棒取值的實(shí)用整定原則．提出了一套合理的LVRT控制方案。

    在電網(wǎng)不同的電壓跌落深度下，雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不同，系統(tǒng)的低電壓穿越控制策略也應(yīng)做出相應(yīng)的改變，然而上述問題鮮有文獻(xiàn)提及或研究。本文推導(dǎo)了三相對(duì)稱短路故障下的定轉(zhuǎn)子電流表達(dá)式，討論了Crowbar的取值范圍，通過建立仿真模型，對(duì)不同電壓跌落深度下采用不同控制策略的LVRT性能進(jìn)行了比較，得到了可提高DFIG的LVRT性能的有益結(jié)論。

1  DFIG故障暫態(tài)電流分析

    在空間同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，感應(yīng)電機(jī)電壓和磁鏈方程為

式中：Vs、Is、Ψs、Vr、Ir、Ψr分別為定子電壓、電流和磁鏈相量、轉(zhuǎn)子歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電壓、電流和磁鏈相量；ωw、ωr分別為定、轉(zhuǎn)子電角速度；Lm為勵(lì)磁電感；Rs、Ls分別為定子電阻和漏電感；Rr、Lr分別為轉(zhuǎn)子電阻和漏電感。

    由式(2)可得定、轉(zhuǎn)子磁鏈表示的定、轉(zhuǎn)子電流表達(dá)式為

    穩(wěn)定運(yùn)行情況下，定子電壓與電網(wǎng)電壓相同．

可表示為一個(gè)幅值為Vs，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速ωw的旋

轉(zhuǎn)相量：

式中：Vs為機(jī)端電壓幅值；a為電壓的初相角。

    由式(1)和式(2)可得定子電壓和轉(zhuǎn)子電流表示的定子磁鏈：

忽略定子電阻，可得定子磁鏈為式中：c為暫態(tài)項(xiàng)系數(shù)。

    DFIG的定轉(zhuǎn)子電流在機(jī)端發(fā)生i相短路時(shí)變化最為劇烈，故本文以j相對(duì)稱短路為研究對(duì)象。設(shè)t=to時(shí)刻故障發(fā)生，機(jī)端電壓跌落至kVs。由此，可得短路后的電壓為

根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣�律，電網(wǎng)短路瞬間定子磁鏈不變．即

態(tài)直流分量的初始值。Rs/Ls是以同步速旋轉(zhuǎn)的定子磁鏈分量，大小由故障后的定子電壓確定；jωto為衰減直流分量，初始大小與故障程度有關(guān)。

    利用定子輸出的額定有功和無功功率表達(dá)定子電流Is可得到：

    電壓跌落時(shí)，撬棒保護(hù)動(dòng)作，轉(zhuǎn)子電壓可近似認(rèn)為跌落為0．而此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)電阻由于加入了撬棒阻值不能忽略。式(1)中的第二行可表示為

將式(3)代人式(11)得

式中：R’r=Rr+Rcmw。

積分得到轉(zhuǎn)子磁鏈的表達(dá)式為

    故障后的轉(zhuǎn)子磁鏈由3部分組成：第一部分為穩(wěn)態(tài)分量．對(duì)應(yīng)于電壓跌落后轉(zhuǎn)子側(cè)變流器閉鎖、投入Crowbar的分量：第二部分為定子磁鏈的直流衰減分量在轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)分量：最后一部分是其轉(zhuǎn)子磁鏈本身的旋轉(zhuǎn)衰減分量，Ψro為衰減分量的初始值，而其系數(shù)較大，衰減也較快。故障期間定、轉(zhuǎn)子暫態(tài)磁鏈的表達(dá)式為

    相量A、B、C分別代表各項(xiàng)初始值。從物理意義分析，電網(wǎng)發(fā)生三相對(duì)稱短路故障時(shí)，定、轉(zhuǎn)子磁鏈從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)．穩(wěn)態(tài)磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡均為圓形，磁鏈圓半徑隨定子電壓的降低而減小。

    由式(3)和式(14)，可以得到定轉(zhuǎn)子電流的表達(dá)式見式(15)。

由式(15)可知，轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流分為3種頻率分量之和：第1項(xiàng)為轉(zhuǎn)差率分量，對(duì)應(yīng)于電壓跌落后閉鎖轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器、投入Crowbar及轉(zhuǎn)子電流后的穩(wěn)態(tài)分量：第2項(xiàng)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速頻率分量，短路瞬間轉(zhuǎn)速來不及改變，可認(rèn)為依然維持wr轉(zhuǎn)動(dòng)．定子中感應(yīng)出的直流分量在空間中產(chǎn)生靜止的磁場(chǎng)．此磁場(chǎng)將按照轉(zhuǎn)速頻率切割旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，并感應(yīng)出同等頻率的電流分量,此電流分量也將按照定子參數(shù)決定的衰減參數(shù)衰減：第3項(xiàng)為衰減直流分量．對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁鏈中的衰減直流分量在轉(zhuǎn)子繞組中的作用。

2撬棒阻值的優(yōu)化選擇

    為有效抑制短路電流，轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流的最大幅值必須小于所設(shè)定的電流安全閥值,即

從而可求出Rcnw的最小值：

    為防止轉(zhuǎn)子側(cè)和直流母線過電壓，要求Rcrow上的電壓必須小于轉(zhuǎn)子側(cè)電壓限值和直流母線可以承受的電壓值，即：

因此，Rcrow的最大值為

    由式(17)和(19)可算m Rcrow的合理取值范圍。

3基于撬棒的LVRT優(yōu)化控制策略分析

    目前,Crowbar的控制策略主要有2種：(1)以風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓為檢測(cè)信號(hào)，電網(wǎng)發(fā)生故障后機(jī)端電壓降低到設(shè)定下限值時(shí)，立即投入撬棒，故障清除后機(jī)端電壓恢復(fù)到設(shè)定限值時(shí)，切除撬棒。撬棒的長(zhǎng)時(shí)間投入運(yùn)行，使雙饋發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，吸收無功功率，進(jìn)一步增加了低電壓穿越的難度。(2)以風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子電流為檢測(cè)信號(hào)，達(dá)到上限值時(shí)投入撬棒，達(dá)到下限后切除撬棒。雖然撬棒的總投入時(shí)間縮短，但是撬棒很可能會(huì)頻繁投切，從而引發(fā)震蕩，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。并且撬棒電阻的發(fā)熱甚至損壞的情況也需要考慮。因此，合理的選擇撬棒投切的動(dòng)作值和返回值至關(guān)重要。

    為研究上述2種LVRT的撬棒控制策略的有效性．在PSCAD軟件中搭建含Crowbar控制電路的1.5 MW雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，具體參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)所采取的低電壓穿越保護(hù)電路如圖1所示。

    取撬棒保護(hù)的阻值Rcrow=2 Ω，穩(wěn)定運(yùn)行條件下．轉(zhuǎn)子電流Ir標(biāo)么值為0.2，直流電壓Vdc為800V。對(duì)于1.5 MW的機(jī)組，其電力電子器件的電流極限值一般為額定值的2~3倍，而其直流側(cè)耐壓能力一般不超過額定電壓的0.1～0.15。故設(shè)置控制策略2中的撬棒保護(hù)的動(dòng)作值標(biāo)么值為0.47，返回值為0.3．直流卸荷電路的動(dòng)作值標(biāo)么值為880 V，返回值為800 V。

3.1  機(jī)端電壓跌幅較小的Crowbar控制

    設(shè)置故障的跌落深度k=40%，持續(xù)時(shí)間為Is。仿真結(jié)果如圖2~4所示。

    從圖2可以看出，機(jī)端電壓跌幅較小時(shí)，采用控制策略1．機(jī)組吸收了大量的無功功率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速急劇增加，超過過速保護(hù)轉(zhuǎn)置的限值（標(biāo)么值一般為1.3）。機(jī)端電壓恢復(fù)、撬棒退出運(yùn)行后，機(jī)組釋放大量的無功，轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓急劇上升并越限，造成電力電子器件損壞．采取控制策略2時(shí)．如圖3所示，撬棒保護(hù)僅在故障發(fā)生時(shí)刻投入，在全時(shí)段內(nèi)，轉(zhuǎn)子電流，直流母線電壓并不越限且較為穩(wěn)定，在故障期間并未吸收無功功率，甚至釋放了少量的無功功率，提供了一定的電壓支撐。同時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化幅度也較�。�有功功率變化比較平緩，減少了轉(zhuǎn)矩沖擊。機(jī)端電壓小幅跌落時(shí)，也可通過加裝直流卸荷電路來實(shí)現(xiàn)電壓穿越。由圖4和圖3比較可以看到，通過加裝直流卸荷電路，機(jī)組同樣實(shí)現(xiàn)了故障穿越，并且直流母線電壓更穩(wěn)定．有功和無功功率的變化較為平滑。

    為定量研究各類策略的效果．提出一個(gè)評(píng)價(jià)指數(shù)：

    X1為某一個(gè)隨時(shí)間變化的量，而Xref為變量的基準(zhǔn)值．a(chǎn)為一個(gè)固定參數(shù)，可使最終結(jié)果固定在一個(gè)指定的數(shù)量級(jí)內(nèi)．這種評(píng)價(jià)方法可以非常有效地反映一段時(shí)間內(nèi)的能量積累效應(yīng)．并呈現(xiàn)變量在不同控制策略下的微小差別．為評(píng)價(jià)保護(hù)效果提供切實(shí)的依據(jù)。具體到本文．該評(píng)價(jià)指數(shù)中的X可為P、 Q、 Ecap，和Ir，分別反映故障期間機(jī)組有功功率、無功功率、直流母線電壓和轉(zhuǎn)子電流的變化，進(jìn)而可反映力矩沖擊的大小、母線電壓和轉(zhuǎn)子電流的變化。設(shè)置a=100,積分時(shí)間段為：2.5 s～5 s。南表2中可以看出，采用控制策略2或者直流卸荷電路來實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的效果明顯比控制策略1好．各項(xiàng)參數(shù)變化幅度小且均不越限：而采用直流卸荷電路與采用控制策略2的評(píng)價(jià)指數(shù)相差不大，甚至在抑制直流母線電壓和轉(zhuǎn)子電流的波動(dòng)方面要優(yōu)于后者。

3.2  機(jī)端電壓跌幅較大的Crowbar控制

    設(shè)置故障的跌落深度k=80%．持續(xù)時(shí)間為0.4 s。仿真結(jié)果如圖5~7所示。

    如圖5所示，僅采用控制策略1時(shí)．轉(zhuǎn)子電流得到了很好的遏制,但是直流母線電壓有劇烈震動(dòng)，超出了限值：機(jī)組發(fā)出的有功功率變化劇烈，并伴隨發(fā)出少量的無功功率。由圖6可知．加裝直流卸荷電路后．直流母線電壓穩(wěn)定在很小的范圍內(nèi)，有功功率和無功功率的跳動(dòng)也明顯減弱。

    機(jī)端電壓跌幅較大時(shí)，采用控制策略2的直流母線電壓同樣越限，故可采取加裝直流卸荷電路來實(shí)現(xiàn)穿越，仿真結(jié)果如圖7所示，與圖6比較可以看到，有功功率、無功功率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化要更小一些．而轉(zhuǎn)子電流也處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。通過以上仿真的分析發(fā)現(xiàn)，電壓跌落較深時(shí)，無論單獨(dú)采用哪一種撬棒控制策略，都很難保證變頻器中的功率器件不受損害。而加裝直流卸荷電路后，直流母線電壓和轉(zhuǎn)子電流得到了很好的穩(wěn)定，而有功功率和無功功率的跳變也明顯的削弱。

    通過表3可以看出，在大電壓跌落情況下，采用控制策略1除直流母線電壓越限外，其他參數(shù)較好，而加裝直流卸荷電路后（圖6），各參數(shù)都能較好的穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。而采用控制策略2并加裝直流卸荷電路（圖7）的機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)僅個(gè)別要好于前者，控制策略2的優(yōu)越性沒有體現(xiàn)．在大電壓跌落情況下，只要直流卸荷電路和撬棒保護(hù)共同實(shí)施，就可以實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

4結(jié)語

    本文針對(duì)含Crowbar保護(hù)電路的DFIG機(jī)組的LVRT優(yōu)化問題．分析了接入Crowbar后的DFIG的三相短路故障的暫態(tài)電流特性，討論了Crowbar的取值范圍。在PSCAD/EMTDC中建立含撬棒優(yōu)化控制電路的雙饋風(fēng)電機(jī)組模型，詳細(xì)分析了在不同電壓跌落深度時(shí)采用各種控制策略下機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。結(jié)果表明：電壓跌落較小時(shí)，撬棒在整個(gè)故障期間的長(zhǎng)時(shí)間投入，會(huì)造成超速，不能實(shí)現(xiàn)低電壓穿越．而僅以轉(zhuǎn)子電流為控制對(duì)象的撬棒保護(hù)策略或采用直流卸荷電路可實(shí)現(xiàn)低電壓穿越：電壓跌落較大時(shí)，在單純采用撬棒保護(hù)電路的低電壓穿越效果不明顯的情況下，附加直流卸荷電路可很好地提升低電壓穿越的效果。

5摘要：雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越通常采用在轉(zhuǎn)子側(cè)加撬棒保護(hù)電路( Crowbar)的方法。為有效評(píng)估雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障暫態(tài)行為，首先分析了電網(wǎng)故障期間撬棒投入后的機(jī)組定轉(zhuǎn)子電流特性，討論了撬棒阻值的取值范圍。在此基礎(chǔ)上，以PSCAD/EMTDC為平臺(tái)，建立包含撬棒保護(hù)電路的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型，分析了2種撬棒控制策略下的機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提出了一個(gè)評(píng)價(jià)機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)的指標(biāo)函數(shù)，對(duì)仿真結(jié)果比較分析，得出了雙饋風(fēng)電機(jī)組在不同電壓跌落情況下實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的撬棒優(yōu)化控制策略。