第31卷第23期 电力系统自动化 Vol.31 No.23 2007年12月10日 Automation of Electric Power Systems Dec.10,2007 79 基于Crowbar保护控制的交流励磁风电系统运行分析 姚骏，廖勇 (重庆大学电气工程学院高电压与电工新技术教育部重点实验室，重庆市400044) 摘要：随着越来越多的交流励磁风力发电机接入电网运行，新的电网运行规则要求发电机在电网 电压跌落时仍能保持不间断运行。为保护转子励磁电源和发电机，常采用Crowbar保护电路来限 制电压跌落时转子回路的最大电流。文中通过仿真详细研究了电网故障时交流励磁风电系统的运 行行为，就电压跌落程度及旁路电阻取值对Crowbar保护控制的影响以及采用Crowbar电路的系 统运行特点进行了讨论分析。仿真结果验证了Crowbar电路的有效性，该方法可实现故障时交流 励磁风力发电机不间断运行。 关键词：风力发电，交流励磁发电机；电网电压跌落；不间断运行；Crowbar电路 中图分类号：TM614;TM761 0引言 为空间矢量形式： 交流励磁变速恒频风力发电技术是目前最具应 u=Ri+d么 (1) di 用前景的风力发电技术之一，已成为国内外的研究 式中：山，s和攻分别为静止坐标系下定子电压空 热点1。随着交流励磁风电机组单机容量和风电 间矢量、定子电流空间矢量和定子磁链空间矢量， 场规模的增大，发电机与电网之间的相互影响作用 R为定子绕组电阻。 显得日益重要。新的系统运行导则要求在电网电压 若电网发生非对称短路故障，由磁链守恒原理 跌落时交流励磁风电机组仍具有不间断运行能力。 可知，尽管定子电压在故障时发生突变，但在故障瞬 在故障期间，发电机和电网仍继续保持连接，故障切 间发电机定子磁链仍将保持恒定不变。在忽略发电 除后，发电机迅速恢复正常运行，为系统提供必要的 机定子电阻的前提下，由式(1)可知发电机的定子磁 有功和无功功率支持，减少电压崩溃的危险，提高系 链近似等于定子电压的积分，当定子电压中出现正 统的稳定性12)。 序和负序分量后，发电机定子磁链中显然也将出现 目前主要采用Crowbar电路来实现电压跌落 相应的稳态正序和负序分量。然而，为维持故障瞬 时交流励磁发电机不间断运行9，川。该技术在电 间发电机定子磁链保持不变，定子磁链中还将出现 压跌落时切除发电机励磁电源，投入转子旁路保护 暂态直流分量。根据式(1)可导出故障后发电机定 电阻来限制转子回路的最大电流，达到保护转子励 子磁链各分量与定子电压各分量之间的关系为2】： 磁电源和发电机的目的。 中'=oc'+中p'+中N'= 本文分析了电网电压跌落时发电机的暂态运行 行为和Crowbar电路的保护控制原理。对一台基 Us Usp'Uss jw-jo (2) 于Crowbar保护控制的交流励磁风力发电机系统 :e+地+ 式中：中'为故障后发电机定子磁链空间矢量；c' 进行了仿真计算，分析了电网故障时发电机系统的 为故障后发电机定子磁链暂态直流分量的空间矢 运行行为，以及电压跌落程度和旁路电阻取值对 量；，'和x'分别为故障后发电机定子磁链正、负 Crowbar保护控制的影响，最后就电压跌落时采用 序分量的空间矢量：U为故障前瞬间发电机定子电 Crowbar电路的系统运行特点进行了讨论。 压空间矢量；UP'和Uw'分别为故障后瞬间发电机 1电网电压跌落时发电机系统的控制 定子电压正、负序分量的空间矢量，为定子电角频 l.1电压跌落时发电机的Crowbar保护控制 率；？为发电机定子磁链暂态直流分量的衰减时间 电网电压正常时的发电机定子电压方程可表示 常数；p和w'分别为故障后发电机定子电压正、 负序分量的空间矢量。 收稿日期：2007-0607，修回日期：2007-07-23。 为简要说明电压跌落时发电机的Crowbar保 重庆市科委科技计划项目攻关项目(2005AB6015)。 护控制原理，本文以发电机机端发生三相对称短路 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
基于 Crowbar 保护控制的交流励磁风电系统运行分析 姚 骏 , 廖 勇 (重庆大学电气工程学院高电压与电工新技术教育部重点实验室 , 重庆市 400044) 摘要 : 随着越来越多的交流励磁风力发电机接入电网运行 ,新的电网运行规则要求发电机在电网 电压跌落时仍能保持不间断运行。为保护转子励磁电源和发电机 ,常采用 Crowbar 保护电路来限 制电压跌落时转子回路的最大电流。文中通过仿真详细研究了电网故障时交流励磁风电系统的运 行行为 ,就电压跌落程度及旁路电阻取值对 Crowbar 保护控制的影响以及采用 Crowbar 电路的系 统运行特点进行了讨论分析。仿真结果验证了 Crowbar 电路的有效性 ,该方法可实现故障时交流 励磁风力发电机不间断运行。 关键词 : 风力发电 ; 交流励磁发电机 ; 电网电压跌落 ; 不间断运行 ; Crowbar 电路 中图分类号 : TM614 ; TM761 收稿日期 : 2007206207 ; 修回日期 : 2007207223。 重庆市科委科技计划项目攻关项目(2005AB6015) 。 0 引言 交流励磁变速恒频风力发电技术是目前最具应 用前景的风力发电技术之一 ,已成为国内外的研究 热点[ 126 ] 。随着交流励磁风电机组单机容量和风电 场规模的增大 ,发电机与电网之间的相互影响作用 显得日益重要。新的系统运行导则要求在电网电压 跌落时交流励磁风电机组仍具有不间断运行能力。 在故障期间 ,发电机和电网仍继续保持连接 ,故障切 除后 ,发电机迅速恢复正常运行 ,为系统提供必要的 有功和无功功率支持 ,减少电压崩溃的危险 ,提高系 统的稳定性[7212 ] 。 目前主要采用 Crowbar 电路来实现电压跌落 时交流励磁发电机不间断运行[829 ,11 ] 。该技术在电 压跌落时切除发电机励磁电源 ,投入转子旁路保护 电阻来限制转子回路的最大电流 ,达到保护转子励 磁电源和发电机的目的。 本文分析了电网电压跌落时发电机的暂态运行 行为和 Crowbar 电路的保护控制原理。对一台基 于 Crowbar 保护控制的交流励磁风力发电机系统 进行了仿真计算 ,分析了电网故障时发电机系统的 运行行为 ,以及电压跌落程度和旁路电阻取值对 Crowbar 保护控制的影响 ,最后就电压跌落时采用 Crowbar 电路的系统运行特点进行了讨论。 1 电网电压跌落时发电机系统的控制 1. 1 电压跌落时发电机的 Crowbar 保护控制 电网电压正常时的发电机定子电压方程可表示 为空间矢量形式 : us = Rs is + dψs dt (1) 式中 : us , is 和 ψs 分别为静止坐标系下定子电压空 间矢量、定子电流空间矢量和定子磁链空间矢量 ; Rs 为定子绕组电阻。 若电网发生非对称短路故障 ,由磁链守恒原理 可知 ,尽管定子电压在故障时发生突变 ,但在故障瞬 间发电机定子磁链仍将保持恒定不变。在忽略发电 机定子电阻的前提下 ,由式(1) 可知发电机的定子磁 链近似等于定子电压的积分 ,当定子电压中出现正 序和负序分量后 ,发电机定子磁链中显然也将出现 相应的稳态正序和负序分量。然而 ,为维持故障瞬 间发电机定子磁链保持不变 ,定子磁链中还将出现 暂态直流分量。根据式 (1) 可导出故障后发电机定 子磁链各分量与定子电压各分量之间的关系为[12 ] : ψs′=ψsDC′+ψsP′+ψsN′= Us jω - UsP′ jω - UsN′ - jω e - t τs + usP′ jω + usN′ - jω (2) 式中 :ψs′为故障后发电机定子磁链空间矢量 ;ψsDC′ 为故障后发电机定子磁链暂态直流分量的空间矢 量 ;ψsP′和ψsN′分别为故障后发电机定子磁链正、负 序分量的空间矢量 ;Us 为故障前瞬间发电机定子电 压空间矢量 ;UsP′和 UsN′分别为故障后瞬间发电机 定子电压正、负序分量的空间矢量 ;ω为定子电角频 率 ;τs 为发电机定子磁链暂态直流分量的衰减时间 常数 ; usP′和 usN′分别为故障后发电机定子电压正、 负序分量的空间矢量。 为简要说明电压跌落时发电机的 Crowbar 保 护控制原理 ,本文以发电机机端发生三相对称短路 79 第 31 卷 第 23 期 2007 年 12 月 10 日 Vol. 31 No. 23 Dec. 10 , 2007
80 电力系玩自动 化 2007,31(23) 故障为例进行分析。当发电机机端对称短路时，由 0.6~1.5。以额定容量2MW、定子额定电压690V 式(1)可知，在忽略定子电阻的前提下，当定子电压 的发电机为例，旁路电阻取值为1.05即0.25Ω左 降至0时，定子磁链矢量的变化率也为0，这意味着 右时，即可有效降低故障时转子过电流的程度。 定子磁链空间矢量将停止旋转并在空间保持不变。 1.2电压跌落时网侧变换器的控制 由于定子电阻的耗能作用，定子磁链直流分量将会 电压跌落时转子侧变换器己被切除，这时可封 逐渐衰减，其衰减的速度取决于发电机的定、转子漏 锁网侧变换器的脉宽调制(PWM)驱动脉冲，由于网 感和电阻。由于电压跌落瞬间发电机转子仍以高速 侧变换器输入电压减小且这时直流侧电压较高，则 旋转，则定子磁场直流分量将以转速角频率4相对 网侧变换器的电流将减小为0，这将有助于保护网 于转子绕组旋转，此时定子电压空间矢量的正、负序 侧变换器。当故障切除后，网侧变换器输入电压恢 分量均为0，根据式(2)可得故障时定子磁链暂态直 复正常，这时即可重新控制网侧变换器以稳定直流 流分量的最大值平Dcx'和转子电压的最大值Umx' 侧电压，为切除保护电阻时恢复正常励磁控制做好 分别为： 准备。 Vpcmas=Ls 3) 2仿真研究 Ums'=4平cax'=4L 4) 为全面深入研究电网故障时交流励磁发电机及 其励磁电源的运行行为，本文建立了一台2MW交 式中：U,为电网故障前发电机定子相电压的幅值。 流励磁风力发电机系统仿真模型，对电网短路故障 典型的MW级交流励磁风力发电机的转差运 时采用Crowbar保护控制的发电机系统进行了仿 行范围一般为[-0.3,0.3]，转子漏阻抗（本文除特 真计算。 别说明外，所有变量均为标么值)约为0.1~0.2，若 交流励磁发电机系统结构如图1所示，发电机 故障前发电机以最大转速1.3运行，则由式(4)可知 定子侧经升压变压器与风电场母线相连接，转子侧 机端短路故障时发电机转子最大故障电流将达到约 在电压正常时与双PWM变换器相连，在故障过程 6倍~12倍额定电流。若不采取限流措施，则必将 中则与旁路保护电阻相连，控制双向可控硅可实现 出现转子过电流，严重时极易损坏转子侧变换器功 保护电阻的投切。 率器件和直流电容。另一方面，当故障切除后，发电 风电场母线 机定子电压恢复正常，这时发电机的暂态运行行为 7故膝 与电压跌落时类似，其定子磁链中仍将出现暂态直 升压变压器 Yg/△ 流分量，该分量同样可能造成转子过压、过流。对于 发电机母线 电网发生不对称短路故障，除了会引起定子磁链直 e 流分量以外，定子磁链中还将出现负序分量，该分量 双PWM变换器 将以·（ω+4）相对于转子绕组旋转，其同样可能造 交流励磁 成转子过压和过流。 发电机 为限制电压跌落时转子的最大电流，通常的方 风力机 法就是在检测到定子电压骤降时立即将转子侧变换 器与转子回路断开，将转子旁路保护电阻串入转子 回路，这相当于增加了转子的阻抗，因而会有效地降 旁路保护电阻 低在电压跌落和恢复过程中转子回路的最大电流。 图1交流励磁发电机系统结构 电压恢复时，保护电阻仍继续连接转子绕组，限制故 Fig.1 Configuration of AC excited generator system 障切除瞬间转子的最大电流，当定子磁链直流分量 衰减完毕后，切除保护电阻，重新将转子侧变换器连 发电机系统参数如下： 接转子绕组，采用电压正常时的励磁控制策略恢复 1)2MW交流励磁发电机（经绕组折算后）参 发电机正常运行。 数：额定容量2MW,定子额定电压690V/50Hz 为有效实现发电机的保护控制，应合理选取保 定转子绕组Y,y连接，极对数2，定转子匝比 护电阻的阻值，保护电阻的阻值太小将无法有效限 0.45,定子电阻0.00488，定子漏感0.1386，转子电 制最大电流，阻值太大则可能引起转子过电压，损坏 阻0.00549，转子漏感0.1493，定、转子互感 转子绕组。本文中旁路电阻的取值范围选为 3.9527,转动惯量时间常数3.5s。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
故障为例进行分析。当发电机机端对称短路时 ,由 式(1) 可知 ,在忽略定子电阻的前提下 ,当定子电压 降至 0 时 ,定子磁链矢量的变化率也为 0 ,这意味着 定子磁链空间矢量将停止旋转并在空间保持不变。 由于定子电阻的耗能作用 ,定子磁链直流分量将会 逐渐衰减 ,其衰减的速度取决于发电机的定、转子漏 感和电阻。由于电压跌落瞬间发电机转子仍以高速 旋转 ,则定子磁场直流分量将以转速角频率ωr 相对 于转子绕组旋转 ,此时定子电压空间矢量的正、负序 分量均为 0 ,根据式(2) 可得故障时定子磁链暂态直 流分量的最大值 ΨsDCmax′和转子电压的最大值 Urmax′ 分别为 : ΨsDCmax′= Us ω (3) Urmax′= ωrΨsDCmax′= ωr Us ω (4) 式中 :Us 为电网故障前发电机定子相电压的幅值。 典型的 MW 级交流励磁风力发电机的转差运 行范围一般为[ - 013 ,013 ] ,转子漏阻抗 (本文除特 别说明外 ,所有变量均为标幺值) 约为 011～012 ,若 故障前发电机以最大转速 113 运行 ,则由式(4) 可知 机端短路故障时发电机转子最大故障电流将达到约 6 倍～12 倍额定电流。若不采取限流措施 ,则必将 出现转子过电流 ,严重时极易损坏转子侧变换器功 率器件和直流电容。另一方面 ,当故障切除后 ,发电 机定子电压恢复正常 ,这时发电机的暂态运行行为 与电压跌落时类似 ,其定子磁链中仍将出现暂态直 流分量 ,该分量同样可能造成转子过压、过流。对于 电网发生不对称短路故障 ,除了会引起定子磁链直 流分量以外 ,定子磁链中还将出现负序分量 ,该分量 将以 - (ω+ωr ) 相对于转子绕组旋转 ,其同样可能造 成转子过压和过流。 为限制电压跌落时转子的最大电流 ,通常的方 法就是在检测到定子电压骤降时立即将转子侧变换 器与转子回路断开 ,将转子旁路保护电阻串入转子 回路 ,这相当于增加了转子的阻抗 ,因而会有效地降 低在电压跌落和恢复过程中转子回路的最大电流。 电压恢复时 ,保护电阻仍继续连接转子绕组 ,限制故 障切除瞬间转子的最大电流 ,当定子磁链直流分量 衰减完毕后 ,切除保护电阻 ,重新将转子侧变换器连 接转子绕组 ,采用电压正常时的励磁控制策略恢复 发电机正常运行。 为有效实现发电机的保护控制 ,应合理选取保 护电阻的阻值 ,保护电阻的阻值太小将无法有效限 制最大电流 ,阻值太大则可能引起转子过电压 ,损坏 转子 绕 组。本 文 中 旁 路 电 阻 的 取 值 范 围 选 为 016～115。以额定容量 2 MW、定子额定电压690 V 的发电机为例 ,旁路电阻取值为 1105 即0125 Ω左 右时 ,即可有效降低故障时转子过电流的程度。 1. 2 电压跌落时网侧变换器的控制 电压跌落时转子侧变换器已被切除 ,这时可封 锁网侧变换器的脉宽调制(PWM) 驱动脉冲 ,由于网 侧变换器输入电压减小且这时直流侧电压较高 ,则 网侧变换器的电流将减小为 0 ,这将有助于保护网 侧变换器。当故障切除后 ,网侧变换器输入电压恢 复正常 ,这时即可重新控制网侧变换器以稳定直流 侧电压 ,为切除保护电阻时恢复正常励磁控制做好 准备。 2 仿真研究 为全面深入研究电网故障时交流励磁发电机及 其励磁电源的运行行为 ,本文建立了一台 2 MW 交 流励磁风力发电机系统仿真模型 ,对电网短路故障 时采用 Crowbar 保护控制的发电机系统进行了仿 真计算。 交流励磁发电机系统结构如图 1 所示 ,发电机 定子侧经升压变压器与风电场母线相连接 ,转子侧 在电压正常时与双 PWM 变换器相连 ,在故障过程 中则与旁路保护电阻相连 ,控制双向可控硅可实现 保护电阻的投切。 图 1 交流励磁发电机系统结构 Fig. 1 Configuration of AC excited generator system 发电机系统参数如下 : 1) 2 MW 交流励磁发电机 (经绕组折算后) 参 数 :额定容量 2 MW ,定子额定电压 690 V/ 50 Hz , 定、转子绕组 Y , y 连接 , 极对数 2 , 定转子匝比 0145 ,定子电阻 01004 88 ,定子漏感 01138 6 ,转子电 阻 01 005 49 , 转 子 漏 感 01149 3 , 定、转 子 互 感 31952 7 ,转动惯量时间常数 315 s。 80 2007 , 31 (23)
·研制与开发·姚骏，等基于Crowbar保护控制的交流励磁风电系统运行分析 81 2)升压变压器参数：额定容量2.5MW,额定频 率50Hz,原方绕组（△）20kV,副方绕组(Yg) 20 . 690V,短路阻抗Zr=0.0098+j0.09241。 1.0 0. 3)电网侧变换器参数：进线电抗器电阻6m2, 电感0.6mH,直流侧电容38000μF,直流链设定 电压1200V。 0 4)旁路保护电阻取为0.25Ω。 1 2 系统的仿真步骤简述如下：故障前利用文献[6] 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.24.44.5 5 所述的控制算法实现发电机定子有功和无功功率的 (a)发电机定子有功P。和无功Q 解耦控制以及网侧变换器的控制，发电机系统处于 .5 稳定运行状态。假设故障过程中发电机转速基本保 持不变，故障前发电机以最高转速1950r/min(假 -0.5 设最大运行范围为s=0.3)按功率因数1满载稳 定运行。设定风电场母线电压三相短路故障在1= 3.5s时发生，短路发生后发电机定子电压跌落至约 0.65。检测到电压跌落时，立即将转子侧变换器从 转子回路切除，同时接入转子旁路保护电阻并封锁 网侧变换器和转子侧变换器的驱动脉冲，发电机转 入异步发电方式继续运行。故障持续时间为 110ms,在t=3.61s时切除，电压恢复时立即重新 32 3.6 3.8 4.0 4.2 4.44.5 控制网侧变换器以稳定直流侧电压，这时旁路保护 (b)发电机转子电压U、转子电流I和定子电流I 电阻仍与发电机转子保持连接。当1=4s时，切除 0.5 0 转子旁路保护电阻，并将转子侧变换器接入转子回 -0.5 -1.0 路，重新控制发电机使其恢复正常运行。以下图和 -I.5 -2.0 表中有功为正表示定子输出有功，无功为负表示定 -25 子吸收滞后无功，电磁转矩为负表示为制动转矩。 1956 1954 图2给出了电压跌落情况下采用Crowbar保 1952 护控制方案的发电机系统仿真结果波形。从图中可 1950 得出以下一些结论： 1948 32 34 3.63,84.04.24.44.5 1)由图2(a)、图2(b)可知，在电压跌落和恢复 (c)发电机电磁转矩Tm和转速n 时，定子电流中均含有衰减的直流分量，因此，发电 1.0 机输出的有功和无功功率波动，其中含有逐步衰减 0.5 的工频交流分量，其衰减的速度取决于定子磁链直 0.5 流分量衰减的速度。当重新进行正常励磁控制后， -1.0 发电机可立即输出要求的有功和无功功率，为电网 1.0 提供及时支持。 05 2)电压跌落和恢复时接入转子保护电阻的转子 0.5 电压波形如图2(b)所示，故障前转子额定励磁电压 -10 峰值约为400V,故障过程中其峰值约为580V,在 350 转子耐压裕量范围内（按1.5倍耐压考虑）。在旁路 1250 20 电阻的作用下，转子峰值电流得到有效限制。电压 115 32 3.4 3.63.84.04.24.44.5 恢复后定子电流直流分量迅速衰减，电机输出较大 ()网侧变换器输人电网电压U、电流I。和直流电压'k 的定子工频电流，因此转子电流中将主要包含较大 图2三相对称故障时Crowhar保护控制下 的转差频率分量。在1=4s后，转子侧变换器将重 发电机仿真结果 新输出三相励磁电压，以恢复正常励磁控制。 Fig.2 Simulation results of AC excited generator with Crowbar protection three phase fault) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
2) 升压变压器参数 :额定容量 215 MW ,额定频 率 50 Hz ,原方绕组 ( △) 20 kV , 副方绕组 ( Yg) 690 V ,短路阻抗 ZT = 01009 8 + j01092 41。 3) 电网侧变换器参数 :进线电抗器电阻 6 mΩ, 电感 016 mH ,直流侧电容 38 000μF ,直流链设定 电压 1 200 V 。 4) 旁路保护电阻取为 0125 Ω。 系统的仿真步骤简述如下 :故障前利用文献[ 6 ] 所述的控制算法实现发电机定子有功和无功功率的 解耦控制以及网侧变换器的控制 ,发电机系统处于 稳定运行状态。假设故障过程中发电机转速基本保 持不变 ,故障前发电机以最高转速 1 950 r/ min (假 设最大运行范围为 s = ±013) 按功率因数 1 满载稳 定运行。设定风电场母线电压三相短路故障在 t = 315 s 时发生 ,短路发生后发电机定子电压跌落至约 0165。检测到电压跌落时 ,立即将转子侧变换器从 转子回路切除 ,同时接入转子旁路保护电阻并封锁 网侧变换器和转子侧变换器的驱动脉冲 ,发电机转 入异 步 发 电 方 式 继 续 运 行。故 障 持 续 时 间 为 110 ms ,在 t = 3161 s 时切除 ,电压恢复时立即重新 控制网侧变换器以稳定直流侧电压 ,这时旁路保护 电阻仍与发电机转子保持连接。当 t = 4 s 时 ,切除 转子旁路保护电阻 ,并将转子侧变换器接入转子回 路 ,重新控制发电机使其恢复正常运行。以下图和 表中有功为正表示定子输出有功 ,无功为负表示定 子吸收滞后无功 ,电磁转矩为负表示为制动转矩。 图 2 给出了电压跌落情况下采用 Crowbar 保 护控制方案的发电机系统仿真结果波形。从图中可 得出以下一些结论 : 1) 由图 2 (a) 、图 2 ( b) 可知 ,在电压跌落和恢复 时 ,定子电流中均含有衰减的直流分量 ,因此 ,发电 机输出的有功和无功功率波动 ,其中含有逐步衰减 的工频交流分量 ,其衰减的速度取决于定子磁链直 流分量衰减的速度。当重新进行正常励磁控制后 , 发电机可立即输出要求的有功和无功功率 ,为电网 提供及时支持。 2) 电压跌落和恢复时接入转子保护电阻的转子 电压波形如图 2 (b) 所示 ,故障前转子额定励磁电压 峰值约为 400 V ,故障过程中其峰值约为 580 V ,在 转子耐压裕量范围内(按 115 倍耐压考虑) 。在旁路 电阻的作用下 ,转子峰值电流得到有效限制。电压 恢复后定子电流直流分量迅速衰减 ,电机输出较大 的定子工频电流 ,因此转子电流中将主要包含较大 的转差频率分量。在 t = 4 s 后 ,转子侧变换器将重 新输出三相励磁电压 ,以恢复正常励磁控制。 图 2 三相对称故障时 Crowbar 保护控制下 发电机仿真结果 Fig. 2 Simulation results of AC excited generator with Crowbar protection ( three2phase fault) ·研制与开发 · 姚 骏 ,等 基于 Crowbar 保护控制的交流励磁风电系统运行分析 81
82 电力系统自动 化 2007,31(23) 3)由图2(c)可知，由于定子电流直流分量的作 机从系统中吸收大量无功。从表2可以看出，当电 用，发电机电磁转矩中也将含有衰减的工频交流分 压跌落一定时，保护电阻越大，转子电流峰值就越 量且其波动较大。 小，但转子电压峰值增大；而电阻越小时，尽管转子 4)由图2(d)可知，故障前网侧变换器处于稳定 电压在安全范围以内，但Crowbar保护控制的效果 运行状态，直流侧电压稳定在给定值1200V。电 变差。因此，保护电阻的取值应首先确保转子电流 压跌落时封锁网侧变换器的PWM驱动脉冲，由于 在安全范围以内，然后应考虑限制故障过程中的转 输入电压降低，网侧变换器的输入电流将变为0，直 子电压，从而避免转子过电压和过电流。 流电容电压将维持不变直到输入电压恢复。由于电 从上述分析可知，尽管采用Crowbar电路可有 压恢复时不需要转子侧变换器提供三相励磁电压， 效限制电网故障过程中转子过电流，保护转子侧变 双PWM变换器输出励磁功率为0，因此只需输入 换器功率器件，但也存在一些缺点限制了其应用： 较小的网侧电流，即可稳定控制直流电容电压，且直 ①采用Crowbar电路必将增加硬件电路，因此增加 流电压仅有少许波动。当旁路电阻切除，转子侧变 了系统成本，在故障过程中应严格安排好保护电阻 换器重新接入转子回路时，网侧变换器输入电流增 及功率变换器的投切顺序，增大了系统控制难度； 大，从电网吸收能量以满足转子侧变换器输出恰当 ②电网故障过程中发电机作感应电机运行，发电机 的励磁功率。但从图2(d)可看出，网侧变换器输入 从电网吸收大量的无功功率励磁，这对故障时电网 电流响应较为缓慢，这造成了直流侧电压大幅度波 电压的稳定性更为不利；③放障过程中发电机电磁 动。 转矩波动较大，会对风力机造成一定的机械冲击。 Crowbar保护控制的效果与定子电压跌落的程 3 度以及旁路电阻的大小密切相关。表1给出了保护 结语 电阻取0.25Q时，不同定子电压跌落情况下的仿真 本文着重介绍和分析了Crowbar电路的保护 结果。表2给出了定子电压跌落至0.65时，不同保 控制原理及交流励磁风电系统的暂态运行行为。通 护电阻取值情况下的仿真结果。为了比较各种不同 过仿真全面深入地研究了电压跌落时采用Crowbar 情况下发电机系统的运行状况，表中给出了系统中 电路的系统运行行为，分析表明保护电阻的合理选 各关键量在故障过程中所出现的峰值。 取是有效实现Crowbar保护控制的关键。仿真结 表1不同定子电压跌落时的仿真结果 果验证了Crowbar保护电路的有效性，该方法可实 Table 1 Simulation results during different stator 现电网故障时交流励磁风电机组不间断运行。 voltage dips 有功无功转子电 转子电 电磁转 直流电 参考文献 峰值峰值压峰值/V流峰值 矩峰值压峰值/V [1】伍小杰，柴建云，王祥珩.变速恒频双馈风力发电系统交流励磁 0.65205-1.93584 2.19 -2.27 1342 综述.电力系统自动化，2004,28(23)：9296. 0.50249-2.44700 2.62 .2.90 1343 WU Xiaojie,CHAI Jianyun,WANG Xiangheng.Overview of 0.40278-2.77 776 2.90 ·3.35 1343 ac excitation for variable speed constant frequency doubly fed 0.303.07-3.11853 319 -3.82 1344 wind power generator systems.Automation of Electric Power 020337·3.45928 3.47 -4.33 1345 Systems,2004,28(23):92-96 注：U,'表示定子电压跌落后的最小值。 [2]贺益康，何鸣明，赵仁德，等.双馈风力发电机交流励磁用变频电 表2不同保护电阻值的仿真结果 源拓扑浅析.电力系统自动化，2006,30(4)：105112 Table 1 Simulation results with different protection resistors HE Yikang,HE Mingming,ZHAO Rende,et al.Analysis on 有功无功转子电 frequency converter served for the ac excitation of wind-power 转子电 电磁转 直流电 R/Q 峰值峰值压峰值/V流峰值 矩峰值压峰值/V DFIG.Automation of Electric Power Systems,2006,30(4): 105112. 0.15224-2.46418 2.61 -2.29 1354 0.20216-2.15 506 2.36 -2.29 1343 [3]刘其辉，贺益康，赵仁德.变速恒频风力发电系统最大风能追踪 0.25205-1.93584 2.19 -2.27 1342 控制.电力系统自动化，2003,27(20)：6267. 0.301.94-1.77651 2.03 -2.22 1342 LIU Qihui,HE Yikang,ZHAO Rende.The maximal wind 0.351.83-1.65710 1.90 -2.16 1343 energy tracing control of a variable-speed constant-frequency wind-power generation system.Automation of Electric Power 从表1可以看出，当保护电阻一定时，随着定子 Systems,2003,27(20):62-67 [4]雷亚洲.与风电并网相关的研究课题.电力系统自动化，2003,27 电压跌落越多，Crowbar保护控制的效果就越差。 (8):8489 定子电压严重骤降时，转子电压和电流的最大值均 LEI Yazhou.Studies on wind farm integration into power 己超过转子耐压极限和电流的安全范围，同时，发电 system.Automation of Electric Power Systems,2003,27(8): 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
3) 由图 2 (c) 可知 ,由于定子电流直流分量的作 用 ,发电机电磁转矩中也将含有衰减的工频交流分 量且其波动较大。 4) 由图 2 (d) 可知 ,故障前网侧变换器处于稳定 运行状态 ,直流侧电压稳定在给定值 1 200 V 。电 压跌落时封锁网侧变换器的 PWM 驱动脉冲 ,由于 输入电压降低 ,网侧变换器的输入电流将变为 0 ,直 流电容电压将维持不变直到输入电压恢复。由于电 压恢复时不需要转子侧变换器提供三相励磁电压 , 双 PWM 变换器输出励磁功率为 0 ,因此只需输入 较小的网侧电流 ,即可稳定控制直流电容电压 ,且直 流电压仅有少许波动。当旁路电阻切除 ,转子侧变 换器重新接入转子回路时 ,网侧变换器输入电流增 大 ,从电网吸收能量以满足转子侧变换器输出恰当 的励磁功率。但从图 2 (d) 可看出 ,网侧变换器输入 电流响应较为缓慢 ,这造成了直流侧电压大幅度波 动。 Crowbar 保护控制的效果与定子电压跌落的程 度以及旁路电阻的大小密切相关。表 1 给出了保护 电阻取 0125Ω时 ,不同定子电压跌落情况下的仿真 结果。表 2 给出了定子电压跌落至 0165 时 ,不同保 护电阻取值情况下的仿真结果。为了比较各种不同 情况下发电机系统的运行状况 ,表中给出了系统中 各关键量在故障过程中所出现的峰值。 表 1 不同定子电压跌落时的仿真结果 Table 1 Simulation results during different stator voltage dips U s′ 有功 峰值 无功 峰值 转子电 压峰值/ V 转子电 流峰值 电磁转 矩峰值 直流电 压峰值/ V 0165 2105 - 1193 584 2119 - 2127 1 342 0150 2149 - 2144 700 2162 - 2190 1 343 0140 2178 - 2177 776 2190 - 3135 1 343 0130 3107 - 3111 853 3119 - 3182 1 344 0120 3137 - 3145 928 3147 - 4133 1 345 注 : U s′表示定子电压跌落后的最小值。 表 2 不同保护电阻值的仿真结果 Table 1 Simulation results with different protection resistors R/Ω 有功 峰值 无功 峰值 转子电 压峰值/ V 转子电 流峰值 电磁转 矩峰值 直流电 压峰值/ V 0115 2124 - 2146 418 2161 - 2129 1 354 0120 2116 - 2115 506 2136 - 2129 1 343 0125 2105 - 1193 584 2119 - 2127 1 342 0130 1194 - 1177 651 2103 - 2122 1 342 0135 1183 - 1165 710 1190 - 2116 1 343 从表 1 可以看出 ,当保护电阻一定时 ,随着定子 电压跌落越多 ,Crowbar 保护控制的效果就越差。 定子电压严重骤降时 ,转子电压和电流的最大值均 已超过转子耐压极限和电流的安全范围 ,同时 ,发电 机从系统中吸收大量无功。从表 2 可以看出 ,当电 压跌落一定时 ,保护电阻越大 ,转子电流峰值就越 小 ,但转子电压峰值增大 ;而电阻越小时 ,尽管转子 电压在安全范围以内 ,但 Crowbar 保护控制的效果 变差。因此 ,保护电阻的取值应首先确保转子电流 在安全范围以内 ,然后应考虑限制故障过程中的转 子电压 ,从而避免转子过电压和过电流。 从上述分析可知 ,尽管采用 Crowbar 电路可有 效限制电网故障过程中转子过电流 ,保护转子侧变 换器功率器件 ,但也存在一些缺点限制了其应用 : ①采用 Crowbar 电路必将增加硬件电路 ,因此增加 了系统成本 ,在故障过程中应严格安排好保护电阻 及功率变换器的投切顺序 ,增大了系统控制难度 ; ②电网故障过程中发电机作感应电机运行 ,发电机 从电网吸收大量的无功功率励磁 ,这对故障时电网 电压的稳定性更为不利 ; ③故障过程中发电机电磁 转矩波动较大 ,会对风力机造成一定的机械冲击。 3 结语 本文着重介绍和分析了 Crowbar 电路的保护 控制原理及交流励磁风电系统的暂态运行行为。通 过仿真全面深入地研究了电压跌落时采用 Crowbar 电路的系统运行行为 ,分析表明保护电阻的合理选 取是有效实现 Crowbar 保护控制的关键。仿真结 果验证了 Crowbar 保护电路的有效性 ,该方法可实 现电网故障时交流励磁风电机组不间断运行。 参 考 文 献 [ 1 ] 伍小杰 ,柴建云 ,王祥珩. 变速恒频双馈风力发电系统交流励磁 综述. 电力系统自动化 ,2004 ,28 (23) :92296. WU Xiaojie , CHAI Jianyun , WAN G Xiangheng. Overview of ac excitation for variable speed constant frequency doubly fed wind power generator systems. Automation of Electric Power Systems , 2004 , 28 (23) : 92296. [ 2 ] 贺益康 ,何鸣明 ,赵仁德 ,等. 双馈风力发电机交流励磁用变频电 源拓扑浅析. 电力系统自动化 ,2006 ,30 (4) :1052112. HE Yikang , HE Mingming , ZHAO Rende , et al. Analysis on frequency converter served for t he ac excitation of wind2power DFIG. Automation of Electric Power Systems , 2006 , 30 ( 4) : 1052112. [ 3 ] 刘其辉 ,贺益康 ,赵仁德. 变速恒频风力发电系统最大风能追踪 控制. 电力系统自动化 ,2003 ,27 (20) :62267. LIU Qihui , HE Yikang , ZHAO Rende. The maximal wind energy tracing control of a variable2speed constant2frequency wind2power generation system. Automation of Electric Power Systems , 2003 , 27 (20) : 62267. [ 4 ] 雷亚洲. 与风电并网相关的研究课题. 电力系统自动化 ,2003 ,27 (8) :84289. L EI Yazhou. Studies on wind farm integration into power system. Automation of Electric Power Systems , 2003 , 27 (8) : 82 2007 , 31 (23)
·研制与开发·姚骏，等基于Crowbar保护控制的交流励磁风电系统运行分析 83 8489. [10]胡家兵，孙丹，贺益康，等.电网电压骤降故障下双馈风力发电 [5]周求宽，廖勇，姚骏.双PWM变换器励磁的交流励磁发电机励 机建模与控制.电力系统自动化，2006,30(8)：21-26 磁系统设计.电力系统自动化，2007,31(6)：7781. HU Jiabing,SUN Dan,HE Yikang,et al.Modeling and ZHOU Qiukuan,LIAO Yong,YAO Jun.Design of excitation control of DFIG wind generation system under grid voltage dip. system for AC excited generator excited by dual PWM Automation of Electric Power Systems,2006,30(8):21-26. converter.Automation of Electric Power Systems,2007,31 [11]李建林，许鸿雁，梁亮，等.VSCF-DFIG在电压瞬间跌落情况下 (6):7781. 的应对策略.电力系统自动化，2006,30(19)：6568. [6]PENA R,CLAREJ C,ASHER G M.A doubly fed induction LI Jianlin,XU Hongyan,LIANG Liang,et al.Strategy to generator using back-to-back PWM converters and its cope with the VSCF-DFIG during voltage dip.Automation of application to variable-speed wind-energy generation.IEE Electric Power Systems,2006,30(19):65-68. Proceedings:Electric Power Applications,1996,143(3):231- 「12]向大为.双馈感应风力发电机特殊运行工况下励磁控制策略的 241. 研究[D].重庆：重庆大学，2006. [7]EKANAYAKE J B,HOLDSWORTH L,WU X G,et al. XIANG Dawei.Study on the excitation control strategy of Dynamic modeling of doubly fed induction generator wind doubly-fed induction generator under special operation mode turbines.IEEE Trans on Power Systems,2003,18(2):803- [D].Chongqing:Chongqing University,2006. 809 (8]PETERSSON A,LUNDBERG S,THIRINGER T.A DFIG 姚骏(1979→，男，博士研究生，讲师，主要从事新型 wind-turbine ride-through system influence on the energy 电机及其控制的研究。Email:topy@163.com production.Wind Energy,2005,8(3):251-263. [9]MORRENJ,DE HAAN W H S.Ride through of wind turbines 廖勇(1964→，男，博士，教授，博士生导师，主要从事 电机运行与控制方面的教学和科研工作。上mail: with doubly-fed induction generator during a voltage dip.IEEE Trans on Energy Conversion,2005,20(1):435-441. yongliaocqu @vip.sina.com Analysis on the Operations of an AC Excited Wind Energy Conversion System with Crowbar Protection YAO Jun,LIAO Yong Key Laboratory of High Voltage Engineering and Electrical New Technology Under the State Ministry of Education, Electrical Engineering College of Chongqing University,Chongqing 400044,China) Abstract:With more and more AC excited wind turbines connecting to the power networks,the new gird code requires the generators to be capable of riding through a grid voltage dip.In order to protect the rotor-side converter and generator,a crowbar protection circuit is often connected to the rotor windings to limit peak currents in the rotor during a voltage dip.By analyzing the behaviors of an AC excited wind turbines during system faults,the effects of voltage dip and bypass resistor values on the Crowbar protection is analyzed.The performances of wind turbines with a Crowbar circuit are also discussed. The simulation results validate the effectiveness of Crowbar protection in terms of fault ride through capability. This work is supported by Technical Plan Key Project of Chongqing Science and Technology Commission (No. 2005AB6015) Key words:wind-power generation;AC excited generator (ACEG);grid voltage dip;fault ride through;Crowbar circuit 江苏电网安全稳定实时预警及协调防御系统通过验收 2007年11月11日，国家电网公司在南京市主持召开了国家电网公司重大科技创新专项“江苏电网安全稳定实时预警及 协调防御系统(EACCS)的研究与开发”项目验收会。验收专家委员会一致认为：项目使江苏电网安全综合协调和防御能力得 到全面提高，防范大停电事故的能力得到大幅提升，提高了稳定控制的准确性和自适应能力，电网的安全性和经济性得到有 效统一。项目成果总体上达到了国际领先水平。其中，“集中协调、分层控制”、“EMS,WAMS,AVC集成的一体化平台”、“连 锁故障及异地多点故障的自动识别等成果为国际首创。验收专家委员会一致同意通过项目验收。 EACCS系统由江苏省电力公司和国网南京自动化研究院/南京南瑞集团公司共同开发，是南瑞薛禹胜院士及其团队的最 新自主创新成果“电网广域监视分析保护控制系统(WARMAP)”的应用项目，整个项目分3期完成。其中，“实时预警系统” 于2006年10月投入试运行，“辅助决策和预防控制”于2007年3月投入试运行，“实时控制系统”于2007年6月20日投入试 运行，这也标志着整个项目正式投入试运行。该系统投运后运行正常，在江苏电网发生的2次多重故障中均动作正确。 1994-2010 China Academie Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
84289. [ 5 ] 周求宽 ,廖勇 ,姚骏. 双 PWM 变换器励磁的交流励磁发电机励 磁系统设计. 电力系统自动化 ,2007 ,31 (6) :77281. ZHOU Qiukuan , LIAO Yong , YAO J un. Design of excitation system for AC excited generator excited by dual PWM converter. Automation of Electric Power Systems , 2007 , 31 (6) :77281. [ 6 ] PENA R , CLARE J C , ASHER G M. A doubly fed induction generator using back2to2back PWM converters and its application to variable2speed wind2energy generation. IEE Proceedings: Electric Power Applications , 1996 , 143 ( 3) : 2312 241. [ 7 ] EKANA YA KE J B , HOLDSWORTH L , WU X G , et al. Dynamic modeling of doubly fed induction generator wind t urbines. IEEE Trans on Power Systems , 2003 , 18 ( 2) : 8032 809. [ 8 ] PETERSSON A , LUNDBER G S , THIRIN GER T. A DFIG wind2turbine ride2t hrough system influence on t he energy production. Wind Energy , 2005 , 8 (3) : 2512263. [ 9 ] MORREN J , DE HAAN W H S. Ride t hrough of wind turbines wit h doubly2fed induction generator during a voltage dip . IEEE Trans on Energy Conversion , 2005 , 20 (1) : 4352441. [ 10 ] 胡家兵 ,孙丹 ,贺益康 ,等. 电网电压骤降故障下双馈风力发电 机建模与控制. 电力系统自动化 ,2006 ,30 (8) :21226. HU Jiabing , SUN Dan , HE Yikang , et al. Modeling and control of DFIG wind generation system under grid voltage dip . Automation of Electric Power Systems , 2006 , 30 (8) : 21226. [ 11 ] 李建林 ,许鸿雁 ,梁亮 ,等. VSCF2DFIG在电压瞬间跌落情况下 的应对策略. 电力系统自动化 ,2006 ,30 (19) :65268. L I Jianlin , XU Hongyan , LIAN G Liang , et al. Strategy to cope wit h t he VSCF2DFIG during voltage dip . Automation of Electric Power Systems , 2006 , 30 (19) : 65268. [ 12 ] 向大为. 双馈感应风力发电机特殊运行工况下励磁控制策略的 研究[D]. 重庆 :重庆大学 ,2006. XIAN G Dawei. Study on t he excitation control strategy of doubly2fed induction generator under special operation mode [D]. Chongqing : Chongqing University , 2006. 姚 骏 (1979 —) ,男 ,博士研究生 ,讲师 ,主要从事新型 电机及其控制的研究。E2mail : topyj @163. com 廖 勇(1964 —) ,男 ,博士 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事 电机 运 行 与 控 制 方 面 的 教 学 和 科 研 工 作。E2mail : yongliaocqu @vip. sina. com Analysis on the Operations of an AC Excited Wind Energy Conversion System with Crowbar Protection YA O J un , L IA O Yong ( Key Laboratory of High Voltage Engineering and Electrical New Technology Under the State Ministry of Education , Electrical Engineering College of Chongqing University , Chongqing 400044 , China) Abstract : With more and more AC excited wind turbines connecting to the power networks , the new gird code requires the generators to be capable of riding through a grid voltage dip . In order to protect the rotor2side converter and generator , a crowbar protection circuit is often connected to the rotor windings to limit peak currents in the rotor during a voltage dip . By analyzing the behaviors of an AC excited wind turbines during system faults , the effects of voltage dip and bypass resistor values on the Crowbar protection is analyzed. The performances of wind turbines with a Crowbar circuit are also discussed. The simulation results validate the effectiveness of Crowbar protection in terms of fault ride through capability. This work is supported by Technical Plan Key Project of Chongqing Science and Technology Commission ( No. 2005AB6015) . Key words : wind2power generation ; AC excited generator (ACEG) ; grid voltage dip ; fault ride through ; Crowbar circuit 江苏电网安全稳定实时预警及协调防御系统通过验收 2007 年 11 月 11 日 ,国家电网公司在南京市主持召开了国家电网公司重大科技创新专项“江苏电网安全稳定实时预警及 协调防御系统( EACCS) 的研究与开发”项目验收会。验收专家委员会一致认为 :项目使江苏电网安全综合协调和防御能力得 到全面提高 ,防范大停电事故的能力得到大幅提升 ,提高了稳定控制的准确性和自适应能力 ,电网的安全性和经济性得到有 效统一。项目成果总体上达到了国际领先水平。其中“, 集中协调、分层控制”、“EMS ,WAMS ,AVC 集成的一体化平台”、“连 锁故障及异地多点故障的自动识别”等成果为国际首创。验收专家委员会一致同意通过项目验收。 EACCS 系统由江苏省电力公司和国网南京自动化研究院/ 南京南瑞集团公司共同开发 ,是南瑞薛禹胜院士及其团队的最 新自主创新成果“电网广域监视分析保护控制系统(WARMAP) ”的应用项目 ,整个项目分 3 期完成。其中“, 实时预警系统” 于 2006 年 10 月投入试运行“, 辅助决策和预防控制”于 2007 年 3 月投入试运行“, 实时控制系统”于 2007 年 6 月 20 日投入试 运行 ,这也标志着整个项目正式投入试运行。该系统投运后运行正常 ,在江苏电网发生的 2 次多重故障中均动作正确。 ·研制与开发 · 姚 骏 ,等 基于 Crowbar 保护控制的交流励磁风电系统运行分析 83
