双馈式风力发电系统电网故障恢复动态过程分析
2014-09-26 电力电子网 中国电力电子产业网
　　Abstract—Low voltage ride through technology becomes one of the most critical technologies of doubly fed induction generator for its special configuration. The state of art solution is crowbar circuit and the maximum introduced rotor voltage is critical to the design and control of crowbar. Dynamic behavior during grid fault is well known but the recovery hasn’t been paid enough attention. This paper performs a theoretical analysis of the dynamic behavior of doubly fed induction generator during both balanced and unbalanced grid fault recovery. Analysis shows that in the worst case, the maximum introduced rotor voltage occurs during the fault recovery is much larger than happens at the instant of grid fault. Simulations have been carried out to validate the proposed analysis and the results are in good agreement with those obtained theoretically.
　　摘要—
　　由于双馈电机特殊的机构，低电压穿越已经成为其最重要的技术之一。现在最成熟的解决方案是使用撬棒电路，并且在设计和控制撬棒中，最大转子电压是决定性因素。虽然电网故障时的动态过程已经广为知晓，但是恢复过程却并没有引起足够关注。本文对对称及不对称电网故障的恢复过程都做了详细的分析。分析显示在对称故障持续半个周期时有最大的转子电压，这远比发生在电网故障瞬间的转子电压大。仿真结果验证了理论分析的正确性。
　　Keywords- doubly fed induction generator ;low voltage ride-through; grid voltage recovery
　　关键词—双馈发电机;低电压穿越;电网电压恢复
　　I. 简介
　　在过去的几十年里，风能的普及率正在快速增长。由于具有可控调速和对有功无功的解耦控制等优点，双馈感应发电机(DFIG)是在MW级风力发电系统中被广泛使用。而且，其变流器工作在电机额定功率的25%—30%间，使得它具有体型小、重量轻、功耗少，对比与直驱风电系统的全功率变流器，有更小的损耗[1]。
　　传统上一旦检测到电网故障，双馈系统会断开以保护转子侧变流器，这在风力发电在电力系统里面所占比重较小时是可以接受的。但是随着风能的利用率持续增长，风电场需要在电网故障时依旧能够与电网保持连接，这就是低电压穿越(LVRT)的要求[2]。
　　双馈式风力发电机系统满足低电压穿越的要求显得尤为困难。双馈电机的定子直接与电网连接，对称电网故障在定子磁链上产生一个直流分量[3];对于不对称电网压故障，会产生一个额外的负序定子磁链[4]。这个定子负序磁链和直流分量在转子回路中感应出很大的电压，使得转子侧变流器过调制。如果转子侧变流器不能补偿这种感应电压，大的感应电压会引起在转子回路中的大电流，损害变流器并导致风力发电系统的脱网。
　　现有解决低电压穿越问题的办法是在转子端安装一个撬棒电路[5], [6]，它的保护方式非常保守，使得双馈感应发电机变成一个普通的感应电机，从电网中吸收无功，更不利的是这往往发生在电网需要无功的时候。因此我们有时在双馈式感应电机端口安装一个动态无功补偿装置来提供给电网无功。
　　有两个条件决定了撬棒电阻阻值的选取。一方面，阻值要较大才可以限制住短路电流，另一方面，阻值要较小以避免在转子回路产生过高的电压 [7]。所以分析双馈式发电机在故障和恢复过程中的动态过程是很有意义的。文献[3][4]对双馈电机在对称和不对称电压跌落的瞬态响应做了完善的理论分析。但是对恢复过程中的动态过程却缺乏详细的理论分析。本文给出在对称和不对称故障中电压故障恢复的动态过程的详细理论分析，给出在电压恢复过程中的最大转子感应电压。分析显示在双馈式风力发电系统转子电压在电网对称故障持续半个周期时恢复瞬间有最大的感应电压。仿真验证了理论分析的正确性。


　　第二部分是转子回路的压降。由于转子电路的阻抗比较小，转子电压主要取决于第一部分。