crowbar保护在双馈异步风力发电系统电网故障穿越中的应用

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1、万方数据第3l卷第7期2011年7月电力自动化设备ElectrirPowerAutomationEquipmentV01．31No．7Jul．201l@Crowbar保护在双馈异步风力发电系统电网故障穿越中的应用马文龙(国电南京自动化股份有限公司，江苏南京210003)摘要：随着风电装机容量的增大．对风电机组并网的低电压穿越能力提出了更高的要求。在分析现行风电机组并网导则的基础上，对双馈异步风力发电机组在电网电压跌落情况下的运行状况进行理论分析，提出采用Crowbar电路来保护转子励磁电源和发电机自身的方案。在Matlab／Simulin

2、k建立的风电场模型中进行仿真以验证其有效性。仿真结果表明。该电路可以有效限制电压跌落时转子回路产生的最大电流．保证系统各元件的安全：同时也证明了该方案可以实现故障期间交流励磁双馈异步风力发电机不脱网运行．并能起到稳定电网电压的积极作用。关键词：风力；发电系统；双馈异步电机；变速恒频；低电压穿越；Crowbar电路：保护；仿真中图分类号：TM614文献标识码：A文章编号：1006—6047(2011)07—0127—04O引言目前．应用于并网的风力机组主要是双馈异步电机．由于此电机变流器容量仅占系统容量的1／3左右．所以很容易受系统电压波动

3、的影响。在电网电压跌落严重的情况下．风电机组会因自保而脱网。在某些欧洲国家．风力发电所占电网的容量比例已高达20％[1]。如果风力发电机组在电网故障期间不具备故障穿越能力而全部脱网．则将因为输出功率和负荷功率的严重不平衡导致电网崩溃。因此．很多国家的并网导则要求风力发电机组在电网电压跌落的情况下具有不脱网运行以及提供电压支持的能力[川。目前风电机组实现低电压穿越最切实有效的方法是采用Cmwbar电路。本文以Matlab／Simulink建立的风电场模型为基础．在分析了电压跌落情况下双馈异步电机的运行状况和Cmwbar电路的保护原理后，进行

4、多种情况下的仿真，以此证明该方案的有效性。1风力发电系统并网运行标准目前．许多国家对风力发电供应商提出了风电机组必须具备低电压穿越能力的要求．即在电网电压降落在一定范围内时．必须保持和电网相连。图1描述了德国电力运营商制定的风电机组低电压穿越规则曲线。这个标准中的电压轮廓线是针对于风电场并网点的电压而言的。电压跌落前．风电场并网点电压维持在额定水平。0s电网发生短路故障引起电压跌落．当电压不低于额定电压的15％时．在625ms时间范嗣内．风电场必须保持并网运行；另外当风电场并网点电压在电网故障后3s内能够始终高于图收稿日期：201l一05

5、—20；修回日期：20ll—06—14中电压轮廓线．并在3s后恢复至额定电压的90％以上，此过程中风电场必须保持并网运行。U／U、100％90％15％DO625ms3Oooms￡图lE．0N标准中规定的电压跌落曲线Fig．1VonagesagcurvespecinedinE．0Nstandard2电网故障期间风力发电机理论分析双馈异步电机的定子端通过升压变压器直接挂网．因此电网电压的跌落亦即定子端电压的跌落。根据电路分析叠加原理．定子三相电压对称骤降的过程可以看作在定子端突然施加一组与原电压方向相反、幅值为跌落幅值的电压的过程。由于转子电

6、压并不影响双馈异步电机在定子电压跌落情况下的响应情况，因此转子回路被视为短路。据文献『5]的理论计算可知，在电网电压跌落情况下．发电机定子一相电流如式(1)所示。r^rr“=Re(i。)=(A一1){}cos(∞。￡+妒)一等e—mcos9+AsA8／11＼A“I{F一{-Je“巾；cos(∞，￡+妒)(1)、ns／15，其中，f。为定子短路电流空间矢量；A为比例系数；％为定子电压幅值；∞。为转差角速度；妒为定子电压空间矢量初始相位；a为定子直流分量衰减系数；X：为定子暂态电抗；x。为定子电抗；f：为瞬态时间常数；∞，为转子旋转电角速度。

7、由上式可以看出．定子电流由三部分组成。其万方数据@电力自动化设备第31卷中，(A一1)“cos(∞。￡+妒)脂。表示定子电流的稳态分量，其大小由电压骤降的幅度决定；一A砜e—cos妒删。表示暂态电流的直流分量．其幅值取决于短路时的相位角，此分量以定子时间常数f。衰减；A砜(1倒一1／X。)e。肛?cos(∞，f+p)表示暂态交流分量，以瞬态时间常数r：衰减。由推导的数学模型可以看出．定子故障暂态电流受电压跌落幅值、时刻和发电机定转子电感、电阻的影响。其中通过改变电机在电网故障下的定转子电阻、电感是较为可行的方法。由于双馈异步电机在运行时刻

8、转子电流小于定子电流．因此改变发电机转子电阻的方案更加合理和易于实现。因此．在电网电压骤降时．增加发电机转子电阻可以有效抑制暂态故障电流的大部分交流分量．以使变流器正常T作，使双馈异步发电系统