機組參與調(diào)節(jié)的雙饋機組低電壓穿越綜合控制策略
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
李鳳婷，張謙，黃蓉，何世恩
（1．新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047;
2．甘肅省電力公司風(fēng)電技術(shù)中心，甘肅蘭州 730050）
摘要：在分析雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越技術(shù)研究現(xiàn)狀及不足的基礎(chǔ)上，以提升機組低電壓穿越能力和改善故障穿越結(jié)束后風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行能力為出發(fā)點，提出了一種機組參與調(diào)節(jié)的適應(yīng)電壓跌落程度的低電壓穿越綜合策略。采用卸荷電路和變阻值制動電阻代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Crowbar電路，網(wǎng)側(cè)逆變器根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落程度提供變功率因數(shù)無功支持，提高機組在電壓跌落結(jié)束后的穩(wěn)定運行能力。采用基于磁控電抗器的動態(tài)無功補償裝置進行集中補償，降低投資成本。構(gòu)建仿真模型仿真驗證r該綜合控制策略的正確性與有效性。仿真結(jié)果表明該方法可以更好的適應(yīng)電壓跌落程度，實現(xiàn)雙饋風(fēng)電機組的低電壓穿越能力，同時還可以增強故障穿越結(jié)束后風(fēng)電機組穩(wěn)定運行能力。
關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)電機組：低電壓穿越：綜合策略；變功率因數(shù)無功控制
O引言
為減小風(fēng)電脫網(wǎng)對電網(wǎng)運行的影響，《風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)規(guī)程》要求風(fēng)電機組具有低電壓穿越(lowvoltage ride through，LVRT)能力。雙饋風(fēng)電機組( cloubly-fed induc:tion generator， DFIG)作為我國風(fēng)電場的主流機型．其LVRT的研究成為同內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注點。
有些專家提出采用轉(zhuǎn)子側(cè)外接Crowbar電阻的方法提高DFIG的LVRT能力，但Crowbar電路投入期間．DFIG從電網(wǎng)側(cè)吸收無功進行勵磁，可能導(dǎo)致電網(wǎng)運行狀況惡化：串聯(lián)電阻也會減弱定子阻尼．造成故障期間風(fēng)電機組暫態(tài)特性發(fā)生變化．不利于故障穿越結(jié)束后風(fēng)電機組穩(wěn)定運行。文獻[6-7]提出采用槳距角淵節(jié)、限制機組電磁功率的方法減少轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸入功率，進而減小直流母線電容上積累的功率．抑制直流側(cè)電壓升高。但槳距角調(diào)節(jié)響應(yīng)時間較長，由于慣性限制不能在毫秒級參與LVRT。文獻[8-9]采用卸荷電路、儲能的方法消除直流母線處不平衡功率，但投入卸荷電路有可能導(dǎo)致直流電壓大幅波動。文獻[10-12]采用無功補償、網(wǎng)側(cè)無功控制、增加輔助變流器的方法增大網(wǎng)側(cè)變流器輸入功率，但成本較大，性價比較低。文獻[13-16]采用定子側(cè)串聯(lián)阻抗、多抽頭變壓器、網(wǎng)側(cè)變換器、動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)的方法削弱系統(tǒng)故障對機組的不利影響，但串聯(lián)阻抗沒有給系統(tǒng)提供無功支持，基于DVR或類似端電壓支撐裝置需添加昂貴的設(shè)備，使系統(tǒng)硬件成本大幅增加。
本文綜合考慮經(jīng)濟性、技術(shù)性可行性及響應(yīng)速度．以提升風(fēng)電機組LVRT能力和改善故障穿越結(jié)束后風(fēng)電機組的穩(wěn)定運行能力為出發(fā)點，提出一種能適應(yīng)于不同電壓跌落情況下的LVRT綜合策略一“變阻值制動電阻+卸荷電路+網(wǎng)側(cè)變功率因數(shù)無功控制+動態(tài)無功補償”。并在PSCAD平臺上搭建含雙饋風(fēng)電機組的風(fēng)電場模型，仿真驗證了綜合控制策略的優(yōu)越性。
1 DFjG的低電壓穿越技術(shù)
目前DFIG實現(xiàn)低電壓穿越所采用方法的基本原理主要從5個角度出發(fā)：改善機組故障運行能力：抑制轉(zhuǎn)子過電流：減少機組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸入功率：消除直流母線處不平衡功率；增大機組網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率。具體如圖1所示。
研究表明．目前的DFIG低電壓穿越技術(shù)存在一定的缺陷。通過定子側(cè)串聯(lián)硬件改善機組故障運行能力的方法存在成本高、無法提供無功支撐等問題：抑制轉(zhuǎn)子過電流存在惡化電網(wǎng)運行、減弱定子阻尼等問題：減少機組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸入功率的方法存在響應(yīng)速度慢的問題：消除直流母線處不平衡功率的方法存在經(jīng)濟性差、增加占用體積、控制復(fù)雜等問題；增大網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率的方法存在成本高、提升LVRT能力有限等問題。各類LVRT方法均以實現(xiàn)或提升機組低電壓穿越為目的．對低電壓穿越結(jié)束后機組恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運行能力考慮較少。
2適應(yīng)電壓跌落程度的LVRT綜合策略
針對各種LVRT方法存在的不足，本文提出一種適應(yīng)電壓跌落情況下的低電壓穿越綜合策略一“變阻值制動電阻+卸荷電路+網(wǎng)側(cè)變功率因數(shù)無功控制+動態(tài)無功補償”，如圖2所示。
2.1 基于電壓跌落的制動電阻的確定
定子側(cè)變阻值制動電阻電路由動態(tài)變阻值制動電阻和旁路開關(guān)組成。當機端電壓高于設(shè)定值時，將制動電阻短接：當機端電壓低于沒定值時，旁路開關(guān)斷開，制動電阻串入定子同路。
圖3為t=2.0 s時，風(fēng)電場升壓變高壓側(cè)電壓跌落至0.3p．u．，持續(xù)時間為0.625 s，網(wǎng)側(cè)變流器功率因數(shù)取0.95．制動電阻的標么值分別取0.08、0.13、0.18時風(fēng)電機組的LVRT特性仿真波形。
研究發(fā)現(xiàn)，電壓跌落深度、功率因數(shù)相同，制動電阻值不同，機組從電網(wǎng)吸收的無功功率、機組出力的波動不同。由于制動電阻的取值影響機組在電壓跌落結(jié)束后運行的穩(wěn)定性，最優(yōu)制動電阻值隨電壓跌落水平變化，本文采用基于電壓的動態(tài)變阻值制動電阻，以在實現(xiàn)機組LVRT能力的同時，增強故障穿越后風(fēng)電機組穩(wěn)定性．
2.2 卸荷電路的控制策略
直流卸荷電路并聯(lián)在直流母線側(cè)，由絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)和卸荷電阻串聯(lián)構(gòu)成。
研究發(fā)現(xiàn)．投入卸荷電路可能導(dǎo)致直流電壓大幅波動．損壞變流器和晶閘管等電力電子元器件，從而影響風(fēng)電機組運行，卸荷電路投入時間越長，影響越大。為兼顧機組LVRT能力和電壓跌落結(jié)束后機組穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減少卸荷電路的投運時間。
本文提出一種改進的卸荷電路控制策略．投切邏輯如圖4所示。圖中U、U2分別為卸荷電路退出、投入的門檻值。當U。>鞏時，卸荷電路投入；U。<U，時，卸荷電路退出運行。
圖5為采用改進的卸荷電路投切邏輯與傳統(tǒng)方法的直流側(cè)電壓仿真對比效果。仿真算例中，t=2.0 s時，電壓標么值跌落至0.3．持續(xù)時間為0.625 s。故障初始階段，由于電網(wǎng)電壓跌落，Pg減小，此時P基本不變，多余的能量P-Pg將在直流母線電容上積累。
研究表明：采用傳統(tǒng)投切方法時，直流側(cè)電壓上升幅度大，且卸荷電阻投入時間較長．發(fā)熱量大：采用改進投切方法時，電壓比較平穩(wěn)．而且卸荷電阻間歇性投入，縮短了投入時問，發(fā)熱量小。
2.3 網(wǎng)側(cè)變流器變功率因數(shù)無功控制
2.3.1 工程上采用的網(wǎng)側(cè)變流器控制方法
多數(shù)風(fēng)電機組網(wǎng)側(cè)變流器的無功控制策略為：當電網(wǎng)電壓跌落程度超過低電壓允許值時．無論電壓跌落程度如何，變流器將改變單位功率因數(shù)控制策略，運行在某個給定功率因數(shù)下，發(fā)出恒定的無功功率。功率因數(shù)范圍一般為超前0.90到滯后0.90．一般取0.95。但該策略對于電壓跌落程度輕、電網(wǎng)網(wǎng)架較弱的系統(tǒng)，可能造成無功功率過剩，抬升系統(tǒng)電壓，影響系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。圖6為電壓標么值跌落到0.8、0.3時，功率因數(shù)均取0.95的仿真曲線。仿真結(jié)果驗證了電壓跌落程度較大時，功率因數(shù)取0.95效果好：電壓跌落程度較輕時，采用0.95的恒功率因數(shù)存在抬升系統(tǒng)電壓、影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的問題。
2.3.2 網(wǎng)側(cè)變流器功率因數(shù)對LVRT的影響
為解決恒功率因數(shù)存在的問題，構(gòu)建仿真模型，結(jié)合電壓跌落情況．研究了網(wǎng)側(cè)變流器功率因數(shù)對LVRT的影響。t=2.0 s時，風(fēng)電場升壓變高壓側(cè)電壓標么值跌落至0.3．持續(xù)時問為0.625 s．制動電阻標么值取0.13．功率因數(shù)分別取0.97、0.95時風(fēng)電機組LVRT特性仿真波形如圖7所示。
風(fēng)電場升壓變高壓側(cè)電壓標么值跌落至0.8．功率因數(shù)分別取0.97、0.95時風(fēng)電機組LVRT特性如圖8所示。
由圖7.8仿真結(jié)果可知，當電壓標么值跌落到0.3時．網(wǎng)側(cè)變流器功率因數(shù)取0.95的效果優(yōu)于0.97的效果：當電壓標么值跌落到0.8時，功率因數(shù)取0.97的效果更好。研究表明，對于同一電壓跌落深度，功率因數(shù)不同，電壓跌落結(jié)束后機組恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時的波動不同。即電壓跌落期間網(wǎng)側(cè)變流器功率因數(shù)取值影響電壓跌落結(jié)束后機組的穩(wěn)定運行。因此．本文提出的綜合策略中網(wǎng)側(cè)變流器根據(jù)電壓跌落程度采用變功率因數(shù)。
2.3.3基于電壓跌落的網(wǎng)側(cè)變流器變功率因數(shù)控制
本文網(wǎng)側(cè)變流器采用基于電壓跌落程度的變功率因數(shù)控制策略：電網(wǎng)電壓>0.9時，網(wǎng)側(cè)變流器運行在單位功率因數(shù)下：電網(wǎng)電壓標么值<0.9時，網(wǎng)側(cè)變流器根據(jù)電壓跌落深度分別運行在恒功率因數(shù)或變功率因數(shù)下，如圖9所示。即隨著跌落程度的加深．風(fēng)電機組所發(fā)的無功功率也隨之對應(yīng)增大．當電壓跌落程度超過X時，風(fēng)電機組發(fā)出所允許的最大無功功率。電壓分界值X與風(fēng)電機組參數(shù)有關(guān)。網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖如圖10所示，其參數(shù)含義見文獻[17]。
2.4磁控型動態(tài)無功補償裝置(MSVC)
直流卸荷電路保護適用于短時電網(wǎng)電壓跌落的情況，且作用效果明顯。而當電網(wǎng)電壓跌落時間較長時．采用MSVC無功補償可以有效彌補直流卸荷電路的短板和不足，并能更好的提升機組低電壓穿越能力。
本文采用的MSVC由磁控電抗器(MCR)、同定電容器(FC)及無功補償控制單元3部分組成。FC提供固定的容性無功．MCR提供可調(diào)的感性無功．MCR通過改變可控硅控制角，平滑調(diào)節(jié)電抗器容量．進而調(diào)節(jié)MCR輸}H的感性無功功率。風(fēng)電場加裝MSVC (MCR的額定功率為100 MW，F(xiàn)C的容性無功為200 Mvar)的補償效果說明MSVC能夠?qū)崟r跟蹤機端電壓進行補償，效果明顯，如圖11所示。
與傳統(tǒng)的TCR型SVC相比，MCR電氣結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，基礎(chǔ)投資��；MCR自身有功損耗低至0.8%：MCR裝置造價遠小于TCR型SVC; MCR只承受1%左右的總電壓，可控硅不容易被擊穿，運行穩(wěn)定可靠；工作效率較高；儲能元件容量大；能適應(yīng)風(fēng)沙環(huán)境，對環(huán)境要求不高。
3基于綜合策略的DFiG的LVRT特性
3.1 低電壓穿越仿真模型
為驗證本文提出的LVRT綜合控制策略的可行性，參照甘肅某風(fēng)電場的相關(guān)數(shù)據(jù)，在PSCAD平臺搭建基于DFIG的風(fēng)電場并網(wǎng)模型，如圖12所示，通過在風(fēng)電場公共并網(wǎng)點設(shè)置電壓跌落發(fā)生器來模擬電壓跌落情況。
3.2 算例機組的技術(shù)數(shù)據(jù)
本文所選取的DFIG部分參數(shù)見表1．卸荷電阻取0.3 Q。
機組的制動電阻最優(yōu)阻值的函數(shù)表達式為：
根據(jù)算例機組的運行數(shù)據(jù)得網(wǎng)側(cè)變流器功率因數(shù)擬合曲線（圖13），進而得到其功率因數(shù)函數(shù)表達式。
通過對算例機組在不同電壓跌落水平下的大量仿真．機組網(wǎng)側(cè)變流器功率因數(shù)選取的電壓標么值分界點X為0.6。即當電壓標么值跌落至0.2～0.6時，功率因數(shù)取0.95：當電壓標么值跌落至0.6～0.9時，采用變功率因數(shù)。
3.3綜合控制策略下雙饋機組的LVRT特性
基于仿真模型和提出的綜合控制策略．分別針對t=2.0 s時風(fēng)電場升壓變高壓側(cè)電壓標么值跌落至0.25、0.8、0.91的3種情況下仿真研究雙饋風(fēng)電機組的LVRT特性（電壓跌落持續(xù)0.625 s）。
(1)當電壓(p．u．)跌落至0.25時，根據(jù)制動電阻最優(yōu)阻值根據(jù)式(1)求得制動電阻最優(yōu)標么值為0.14．根據(jù)控制策略網(wǎng)側(cè)變流器采用功率因數(shù)為0.95。
(2)當電壓(p．u．)跌落至0.80，制動電阻短接，根據(jù)式(2)求得網(wǎng)側(cè)變流器采用的功率因數(shù)為0.97。
(3)當電壓(p．u．)跌落至0.91，制動電阻短接，根據(jù)控制策略網(wǎng)側(cè)變流器采用單位功率因數(shù)。
采用綜合控制策略的DFIG在3種情況下的LVRT特性如圖14所示。
研究結(jié)果表明DFIG采用本文提出LVRT綜合控制策略．能夠適應(yīng)不同的電壓跌落程度，不僅在電壓跌落期間能夠提升機組低電壓穿越能力，滿足風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)規(guī)程對并網(wǎng)風(fēng)電機組LVRT特性的要求．而且能夠改善低電壓穿越結(jié)束后機組的穩(wěn)定運行能力。
4結(jié)語
本文兼顧提升機組LVRT能力和故障穿越結(jié)束后機組的穩(wěn)定運行能力，提出一種適應(yīng)于不同電壓跌落水平的LVRT綜合策略。制動電阻值和機組網(wǎng)側(cè)變流器的功率因數(shù)隨電壓跌落水平呈動態(tài)變化。搭建仿真模型，仿真驗證了該策略的可行性和優(yōu)越性。該策略不僅能夠提升機組LVRT能力．而且提高了故障穿越結(jié)束后機組的穩(wěn)定運行能力。本文無功控制策略中功率因數(shù)在不同電壓跌落下的最優(yōu)值是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)應(yīng)用數(shù)學(xué)方法求得．后續(xù)將結(jié)合理論分析對不同電壓跌落程度下制動電阻值與功率因數(shù)的優(yōu)化進行深入研究。
