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