双馈风机低电压穿越.docx
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双馈风机低电压穿越.docx
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双馈风机低电压穿越
几种双馈式变速恒频风电机组
低电压穿越技术对照分析
2020/7/23/11:
24来源:
《变频器世界》臧晓笛
1引言
并网风力发电是近十年来国际上进展速度最快的可再生能源技术。
并网风力发电机与传统的并网发电设备最大的区别在于,其在电网故障期间并非能维持电网的电压和频率,这对电力系统的稳固性超级不利。
电网故障是电网的一种非正常运行形式,要紧有输电线路短路或断路,如三相对地,单相对地和线间短路或断路等,它们会引发电网电压幅值的猛烈转变。
双馈式变速恒频风电机组是目前国内外风电机组的主流机型,其发电设备为双馈感应发电机,当显现电网故障时,现有的爱惜原那么是将双馈感应发电机当即从电网中脱网以确保机组的平安。
随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大,风电机组与电网间的彼此阻碍已日趋严峻。
人们愈来愈担忧,一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身爱惜而脱网的话,将严峻阻碍电力系统的运行稳固性。
因此,随着接入电网的双馈感应发电机容量的不断增加,电网对其要求愈来愈高,通常情形下要求发电机组在电网故障显现电压跌落的情形下不脱网运行(faultride-through),并在故障切除后能尽快帮忙电力系统恢复稳固运行,也确实是说,要求风电机组具有必然低电压穿越(lowvoltageride-through)能力。
为此,国际上已有一些新的电网运行规那么被提出。
例如:
德国北部的电力公司公司)要求风电场能够在图1所示的电压范围内(即图中阴影区)不脱网运行[1][33],电网电压跌落到15%以后风电机组不脱网运行时刻须持续达300ms,当电网电压跌落低于曲线后才许诺风电机组脱网。
那个地址电压指的是风电场连接点的电压。
而为英国部份地域供电的nationalgrid电力公司那么要求当高于200kv的输电线路发生故障时,所有并网运行的电站或风电场必需在140ms内维持不脱网运行[2]。
另外苏格兰电力公司(scottishhydro-electric公司)对电网故障时电站或风电场不脱网运行也有类似的要求[3]。
图公司对电网故障时风电场不脱网运行的电压范围要求[33]
为了提高风电机组的低电压穿越能力,必需针对当前主流风电机组中的双馈感应发电机的运行特点进行研究,研究它们在电网故障与故障恢复进程中的暂态行为,排除或减轻在不离网操纵情形下可能引发的机组损害。
许多文献[4-7]报导了在电网电压跌落情形下,风电机组中的双馈感应发电机遇致使转子侧过流,同时转子侧电流的迅速增加会致使转子励磁变流器直流侧电压升高,发电机励磁变流器的电流和有功和无功都会产生振荡。
这是因为双馈感应发电机在电网电压刹时跌落的情形下,定子磁链不能跟从定子端电压突变,从而会产生直流分量,由于积分量的减小,定子磁链几乎不发生转变,而转子继续旋转,会产生较大的滑差,如此便会引发转子绕组的过压、过流。
若是电网显现的是不对称故障的话,会使转子过压与过流的现象加倍严峻,因为在定子电压中含有负序分量,而负序分量能够产生很高的滑差。
过流会损坏转子励磁变流器,而过压会使发电机的转子绕组绝缘击穿。
为了爱惜发电机励磁变流器,采纳过压、过流爱惜方法势在必行。
为了保证电网故障时双馈感应发电机及其励磁变流器能平安不脱网运行,适应新电网运行规那么的要求,国内外学术界和工程界对电网故障时双馈感应发电机的爱惜原理与操纵策略进行了大量研究。
据文献的报导,当前的低电压穿越技术一样有三种方案:
一种是采纳了转子短路爱惜技术(crowbarprotection),二种是引入新型拓扑结构,三是采纳合理的励磁操纵算法。
下面一一分析介绍。
2转子短路爱惜技术
这是目前一些风电制造商采纳得较多的方式,其在发电机转子侧装有crowbar电路,为转子侧电路提供旁路,在检测到电网系统故障显现电压跌落时,闭锁双馈感应发电机励磁变流器,同时投入转子回路的旁路(释能电阻)爱惜装置,达到限制通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用,以此来维持发电机不脱网运行(现在双馈感应发电机按感应电动机方式运行)。
目前比较典型的crowbar电路有如下几种:
(1)混合桥型crowbar电路[9],如图2所示,每一个桥臂由操纵器件和二极管串联而成。
图2混合桥型crowbar
(2)igbt型crowbar电路[9],如图3所示,每一个桥臂由两个二极管串联,直流侧串入一个igbt器件和一个吸收电阻。
图3igbt型crowbar
(3)带有旁路电阻的crowbar电路[10],如图4所示,显现电网电压跌落时,通过功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中,这就为电网故障期间所产生的大电流提供了一个旁路,从而达到限制大电流,爱惜励磁变流器的作用.
图4旁路电阻型crowbar
励磁变流器在电网故障期间,与电网和转子绕组一直维持连接,因此在故障期间和故障切除期间,双馈感应发电机都能与电网一路同步运行。
当电网故障排除时,关断功率开关,即可将旁路电阻切除,双馈感应发电机转入正常运行。
采纳crowbar电路的转子短路爱惜技术存在如此一些缺点:
一、第一,需要增加新的爱惜装置从而增加了系统本钱;
二、另外,电网故障时,尽管励磁变流器和转子绕组取得了爱惜,但现在按感应电动机方式运行的机组将从系统中吸收大量的无功功率,这将致使电网电压稳固性的进一步恶化;
3、而且传统的crowbar爱惜电路的投切操作会对系统产生暂态冲击。
文献[1]提出了改良方案,该方案与传统方案的区别在于:
在转子短路爱惜电阻切除后,将转子电流操纵指令设定为该时刻转子电流的实际值,从而避免由于转子电流操纵器指令电流与实际电流不等而引发的暂态冲击。
然后通过慢慢改变转子电流指令,实现转子电流操纵器的软起动。
在转子电流操纵器的作用下发电机将慢慢恢复到正常运行。
这减缓了crowbar爱惜电路的投切操作对系统产生的暂态冲击,在必然程度上缩短了发电机低电压穿越的过渡时刻。
但该文献仅限于研究对称故障发电机不脱网运行,未讨论电网故障运行初始条件对不脱网运行成效的阻碍。
3引入新型拓扑结构
除上述典型crowbar技术的应用外,一些文献还提出了一些新型旁路系统,如图五、图6所示。
图5新型旁路系统
图6a)并联连接网侧变流器
图6b)串联连接网侧变流器
新型旁路系统[11-13]
如图5所示,这种结构与传统的软启动装置类似,在双馈感应发电机定子侧与电网间串联反并电路。
在正常运行时,这些可控硅全数导通,在电网电压跌落与恢复期间,转子侧可能显现的最大电流随电压跌落的幅度的增大而增大,为了经受电网故障电压大跌落所引发的的转子侧大电流冲击,转子侧励磁变流器选用电流品级较高的大功率igbt器件,如此来保证变流器在电网故障时不与转子绕组断开时的平安。
电网电压跌落再恢复时,转子侧最大电流可能会达到电压跌落前的几倍。
因此,当电网电压跌落严峻时,为了幸免电压上升时系统在转子侧所产生的大电流,在电压上升以前,将双馈感应发电机通过反并可控硅电路与电网脱网。
脱网以后,转子励磁变流重视新励磁双馈感应发电机,电压一旦上升到许诺的范围之内,双馈感应发电机便能迅速地与电网达到同步。
再通过开通反并可控硅电路使定子与电网连接。
如此能够减小对igbt耐压、耐流的要求。
关于短时刻内能够同意大电流的igbt模块,能够减少双馈感应发电机的脱网运行时刻。
转子侧大功率馈入直流侧会致使直流侧电容电压的升高,而直流侧的耐压品级依托于直流侧电容的大小,因此直流侧设计crowbar电路,在直流侧安装电阻来作吸收电路,将直流侧电压限制在许诺范围内。
这种方式的不足的地方是:
该方案需要增加系统的本钱和操纵的复杂性。
考虑到定子故障电流中的直流分量,需要可控硅器件能通过门极关断,这要求专门大的门极负驱动电流,驱动电路太复杂。
那个地址的可控硅串联电路若是采纳穿透型igbt的话,igbt必需串联二极管。
而采纳非穿透型igbt的话,通态损耗会专门大。
理论上,若是利用接触器来代替可控硅开关的话,虽通态时无损耗,但断开动作时刻太长。
而且由于该方案在输电系统故障时发电机脱网运行,因此对电网恢复正常运行起不到踊跃的支持作用。
串联连接变流器
通常双馈感应发电机的背靠背式励磁变流器采纳如图6a)所示的与电网并联方式[13-16],这意味着励磁变流器能向电网注入或吸收电流。
为了提高系统的低电压穿越能力,文献[17]提到了一种新的连接方式,即将变流器与电网进行串联连接,比如,变流器通过发电机定子端的串联变压器实现与电网串联连接,那么双馈感应发电机定子端的电压为网侧电压和变流器输出的电压之和。
如此即能够通过操纵变流器的电压来操纵定子磁链,有效的抑制由于电网电压跌落所造成的磁链振荡,从而阻止转子侧大电流的产生,减小系统受电网扰动的阻碍,达到强化电网的目的。
但这种方式将增加系统许多本钱,操纵也比较复杂。
4采纳新的励磁操纵策略
从制造本钱的角度动身,最正确的方法是不改变系统硬件结构,而是通过修改操纵策略来达到相同的低电压穿越成效:
在电网故障时,使发电性能平安度越故障,同时变流器继续维持在平安工作状态。
文献[18]利用数值仿真的方式对电网三相对称故障时发电机不脱网运行的励磁操纵进行了研究。
研究结果说明,通过适当提高现有双馈感应发电机励磁操纵器中pi调剂器的比例和积分系数,能够在必然范围内维持电网故障时发电机不脱网运行。
但是该文献未对故障时发电机不脱网运行的范围进行详细地研究计算。
该文献提出的方式仅适用于系统对称三相故障引发发电机母线电压轻微下降时维持发电机不脱网运行,当故障引发发电机母线电压严峻下降时,励磁变流器将显现过电压和过电流。
文献[19]那么利用硬性负反馈的方式补偿发电机定子电压和磁链转变对有功、无功解耦操纵性能的阻碍,该方案能够在必然程度上提高双馈感应发电机在输电系统故障时的运行特性,并能够在必然范围内限制发电机转子电流,爱惜转子励磁变流器。
但该方案对转子电流的有效操纵是在提高转子电压的前提下实现的,考虑到转子侧励磁变流器输出最大电压的限制,该方案仅适用于输电系统故障引发发电机电压轻度骤降的场合,关于引发发电机定子电压严峻骤降的电网故障,该方案会由于转子侧励磁变流器无法提供足够高的励磁电压而失去对转子电流的操纵。
另外,文献[20]还建议充分利用发电机电网侧变流器在电网故障进程中对电网电压的支持作用,通过和谐转子和电网侧变流器的操纵提高电网故障时发电机不脱网运行的操纵成效。
文献[27-32]提出了一种灭磁爱惜原理。
在明白得电网短路故障时发电机的暂态物理进程的基础上,提出了电网短路故障时双馈感应发电机不脱网运行的励磁操纵策略。
为保证故障期间双馈感应发电机励磁变频器平安运行,新的励磁操纵策略针对故障进程中发电机内部电磁变量的暂态特点,操纵发电机转子电流产生的磁链(故障暂态时该磁通只通过漏磁途径,是漏磁链)以抵消定子磁链中的“有害”暂态直流分量对转子侧的阻碍。
文献以仿真和小容量实验验证了该操纵策略在电网对称故障下的正确性,并分析了各类因素对操纵成效的阻碍。
文献[32]对基于灭磁爱惜原理的励磁策略进行的深切分析说明,故障前初始条件(定子电压和转差率)对本操纵策略的故障成效阻碍超级大,随着故障前定子电压的增加,转子电流可能无法操纵在知足励磁变流器平安要求的最大暂态电流峰值之内,只有故障前初始条件处于可控运行范围内时,在故障励磁操纵的作用下,发电机转子故障电流才能够操纵在的平安范围。
5终止语
本文通过对国内外学术界和工程界在电网故障时双馈感应发电机的爱惜原理与操纵策略进行研究分析,得出以下几点结论,为实际应用中具体设计提供参考。
(1)电力系统要求双馈感应发电性能在电网故障时维持不脱网运行,并对电网稳固性提供支持。
因此在导动身电机大体电磁关系的基础上,分析电网故障进程中发电机内部电磁变量的暂态转变进程,研究适应小值电网故障情形的新励磁操纵策略,即显现不严峻的电网故障时,电压跌落未严峻到必然程度的情形下,通过必然的励磁操纵方式,实现发电机和变流器平安度越短时低电压故障,而没必要需要触发crowbar电路来进行发电机和变流器的爱惜。
(2)在大值瞬态故障下一样需要利用crowbar这种短接爱惜方法来爱惜发电机和变流器。
因crowbar电路触发后和电网故障恢复时,一样转子电压和电流会瞬态跳变,然后衰减。
利用仿真工具分析比较目前各类crowbar电路的好坏,从本钱,靠得住性和可能达到的最正确性能指标,工作极端环境适应性等方面进行比较改良,优选出最正确方案,减小电压跌落情形下触发crowbar电路时转子暂态电流跳变幅度。
(3)电网运行时常常显现的是不对称故障情形,当电网显现不对称故障时,会使过压、过流的现象加倍严峻,因为在定子电压中含有负序分量,而负序分量能够产生很高的滑差。
但是目前严峻故障下进行的研究多数是针对电网对称故障的情形,无法知足实际电网故障情形要求,不能实现工程实际应用。
因此,考虑电网不对称故障下,发电机的操纵模型和算法有待于进一步改良研究。
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