一种动态调整转子撬棒阻值的双馈风机低电压穿越方法与流程

文档序号：11291073阅读：599来源：国知局

本发明涉及双馈风机的低电压穿越方案，特别涉及一种实时动态调整转子撬棒阻值的低电压穿越方案。

背景技术：

随着电力电子技术的飞速发展，以双馈异步风力发电机(dfig)为主的大型电力电子发电设备在电力系统中的比例不断提高。双馈风机独特的结构导致了其对电网故障更敏感，暂态特性更复杂，更容易发生脱网，危及电力系统的安全运行。《风电场接入电力系统技术规定》中明确提出了对风电场低电压穿越(lvrt)能力的基本要求，要求并网点电压跌落至20％标称电压时，风电机组拥有不脱网连续运行的能力。

在电力系统出现严重故障时，dfig机端出现严重的电压跌落，为实现低电压穿越，目前行之有效的办法大多需要在dfig定转子侧增加硬件保护设备。其中，转子侧附加撬棒的保护装置是较为常用的低电压穿越方法。当前关于dfig转子撬棒穿越技术的相关研究大多着重于通过对撬棒电阻的阻值整定及撬棒装置投切时刻的优化来提高低电压穿越效果，协助故障电网恢复。同时，通过设计新式撬棒电路结构和与之匹配的撬棒电路控制策略来提高装置的低电压穿越性能也是研究的重点。

现有技术存在以下缺点和不足：转子撬棒电路多采用单一或多个固定阻值的保护电路结构，在撬棒电阻阻值整定时，通常牺牲转子过电流的抑制效果来保证直流母线电压不越限，低电压穿越效果不佳。同时，在深度故障下，转子撬棒直接切除导致转子电流二次冲击的产生，造成转子撬棒频繁反复投切现象，延长了转子撬棒投入时间，使得dfig吸收无功增加，不利于系统电压恢复。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足和缺陷，本发明提供一种动态调整转子撬棒阻值的低电压穿越方法，采用动态调整阻值的转子撬棒电路，在故障过程中，依据故障信息及风机运行状态，实时整定并调整撬棒阻值，兼顾转子电流与直流母线电压的抑制，降低撬棒投切次数及投入时间，完成不同电网电压跌落深度下的低电压穿越。技术方案如下：

一种动态调整转子撬棒阻值的双馈风机低电压穿越方法，采用动态调整电阻的crowbar电路，两个并联电阻r1、r2分别由igbt1和igbt2控制，两个igbt周期交替导通，通过控制开关占空比改变crowbar等效电阻阻值，实现故障过程中转子crowbar电阻的实时调整，crowbar等效电阻的阻值为

式中，d1、d2分别为igbt1、igbt2的导通脉宽的占空比；

设撬棒投入的转子电流阈值为ir.th，直流母线电容电压预警值为udc.th1，直流母线电容电压最大允许值为udc.th2，直流母线电容电压额定值为udc.n，包括以下步骤：

(1)当转子电流幅值|ir|超过阈值ir.th时，闭锁转子侧变流器，同时投入阻值为rcb1的crowbar电路，抑制任意电压跌落深度下的转子电流；

(2)当直流母线电容电压udc超过阈值udc.th1时，根据此时刻的风机运行参数及电压跌落深度计算并减小撬棒阻值为rcb2，抑制直流母线电容电压的上升；

(3)当直流母线电容电压udc超过阈值udc.th2，udc.th2＞udc.th1，时，根据此时刻风机运行参数及电压跌落深度计算并减小撬棒阻值为rcb3；

(4)当直流母线电容电压udc在阈值udc.th2以下且转子电流ir降到其返回值时ir.re时，切除crowbar电路；

其中，

rcb1的整定原则：在转子电流相位为零的时刻，风机并网点发生三相短路且电压跌落深度为1，撬棒瞬时投入后转子电流峰值的可能最大值imax.1小于转子电流最大允许值imax.th；

rcb2的整定原则有两个：

原则1：该撬棒投入后，撬棒两端电压峰值小于直流母线电容电压预警值udc.th1；

原则2：转子电流峰值imax.2小于转子电流最大允许值imax.th；

rcb3的整定原则为有两个：

原则1：该撬棒投入后，撬棒两端电压峰值小于直流母线电容电压额定值udc.n；

原则2：转子电流峰值imax.3小于转子电流最大允许值imax.th；

其中，直流母线电容电压预警值udc.th1可由下式算出：udc.th1＝80％(udc.th2-udc.n)+udc.n。

与现有技术相比较，本方案在故障过程中动态调整转子撬棒阻值，在电压严重跌落时实现了双馈风机的低电压穿越，达到以下有益效果：

(1)在故障初期投入大阻值撬棒，保证该阶段转子电流冲击得到有效抑制，降低转子电流峰值。

(2)在故障过程中，依据故障信息，实时调整撬棒阻值，通过分阶段逐级减小撬棒阻值，保证转子过电流抑制效果的同时，降低直流母线电容电压，完成不同故障下的dfig的低电压穿越。

(3)减小了撬棒电路切除时对应的撬棒阻值，这样可以抑制转子电流二次过流现象，减小了撬棒投入时间与投切次数，降低对系统电压恢复的不利影响。

附图说明

图1为动态调整电阻crowbar电路结构图

图2为crowbar自适应控制策略图

图3为实施例的dfig并网图

图4(a)电压跌落60％时风机低电压穿越时暂态响应

图4(b)电压跌落60％时不同方案转子电流对比

图4(c)电压跌落60％时不同方案直流母线电压对比

图5(a)电压跌落80％时风机低电压穿越时暂态响应

图5(b)电压跌落80％时不同方案转子电流对比

图5(c)电压跌落80％时不同方案直流母线电压对比

图6撬棒触发信号

具体实施方式

本发明提供了一种动态调整撬棒阻值的低电压穿越方案，在故障初期，投入大阻值撬棒保证转子过电流的抑制。并在后续故障过程中，设定多个直流母线电压阈值，在dfig直流母线电压到达不同阈值后，依据实际电压跌落深度和风机运行状态变化实时整定计算并调整撬棒阻值，在保证转子电流抑制效果的前提下，多次逐级减小撬棒阻值以抑制直流母线电压上升，提高不同故障深度下dfig低电压穿越效果。同时减小电路切除时的撬棒阻值，抑制转子电流二次冲击现象，减少撬棒投切次数与投入时间。

本发明采用动态调整电阻crowbar电路，其电路结构如图1所示，两个并联电阻r1、r2分别由igbt1和2控制。两个igbt周期交替导通，通过控制开关占空比可改变crowbar等效电阻阻值，实现故障过程中转子crowbar电阻的实时调整。

crowbar等效电阻的阻值为

式中，d1、d2分别为igbt1、2的导通脉宽的占空比。

自适应控制策略流程图如图2所示。该自适应控制策略的原理如下：

(1)当转子电流幅值|ir|超过阈值ir.th(一般为2p.u.)时，闭锁转子侧变流器，同时投入阻值为rcb1的crowbar电路，rcb1阻值较大，能抑制任意电压跌落深度下的转子电流；

(2)当直流母线电容电压udc超过阈值udc.th1时，根据此时刻的风机运行参数及电压跌落深度，计算并减小撬棒阻值为rcb2，抑制直流母线电容电压的上升；

(3)当直流母线电容电压udc超过阈值udc.th2(udc.th2＞udc.th1)时，根据此时刻风机运行参数及电压跌落深度计算并减小撬棒阻值为rcb3；

(4)当udc在其阈值udc.th2以下且转子电流ir降到其返回值时ir.re时，切除crowbar。

本策略通过两次逐级减小撬棒电阻，在保证直流母线电容电压不越限的前提下，尽量弱化撬棒电阻阻值减小导致转子暂态电流衰减速度下降的负面效果，防止因大幅减小撬棒电阻形成转子电流二次冲击。

本策略通过两次逐级减小撬棒电阻，在保证直流母线电容电压不越限的前提下，尽量弱化撬棒电阻阻值减小导致转子暂态电流衰减速度下降的负面效果，防止因大幅减小撬棒电阻形成转子电流二次冲击。撬棒阻值的整定如下所述。

故障期间，撬棒投入后的转子电流为：

式中，t1为撬棒投入时刻，a(t1)为a在t1时刻的取值，为撬棒投入时刻转子电流值，τr′＝σlr/(rcb+rr)，为撬棒投入后等效转子时间常数；rs、rr分别为定、转子绕组等效电阻，rcb为等效转子撬棒阻值，ls、lr分别为定、转子绕组等效电感，lm为定转子绕组互感；ωr为转子转速，s为转差率，ωslip为转差角频率，v1、v2分别为故障前后的定子电压幅值，τs为转子侧时间常数，漏感系数

(1)撬棒电阻rcb1的整定

在电网故障前，由于电压跌落深度以及撬棒投入时刻未知，为保证在电压跌落至任意深度下转子电流得到有效抑制，撬棒电阻rcb1是要按照考虑故障最严重的情况来整定的，即在转子电流相位为零时刻，风机并网点发生三相短路且电压跌落深度为1(v2＝0)，撬棒瞬时投入后转子电流峰值的可能最大值imax.1小于转子电流最大允许值imax.th，其表达式为

imax.1＜imax.th(3)

当故障发生在转子电流相位为零时，转子电流峰值可能最大值出现在故障后t/2时刻^[14]，则由式(2)可得

式中相位为0，a(0)和a(t/2)分别为a在0s和t/2s的取值。

(2)撬棒电阻rcb2的整定

当直流母线电压上升至预警值udc.th1时，为避免该电压越限，需根据此时的风机运行状态及转子电流整定并减小撬棒电阻至rcb2，其整定原则为：

原则1：该撬棒投入后，撬棒两端电压峰值小于直流母线电容电压预警值udc.th1；

原则2：转子电流峰值小于转子电流最大允许值imax.th，即

|umax|＝imax.2*rcb2＜udc.th1(5)

imax.2＜imax.th(6)

由式(2)可得imax.2为关于rcb2的表达式

式中为撬棒电阻rcb2投入时刻的转子电流测量值，t2为rcb2投入时刻，τ′r2为rcb2投入后等效转子时间常数，以下类同。

将式(7)代入式(5)、(6)计算可得到rcb2的取值范围。

udc.th1取值可由式(8)确定

udc.th1＝80％(udc.th2-udc.n)+udc.n(8)

式中，udc.n为直流母线电压额定值，udc.th2为最大允许直流母线电压。

(3)撬棒电阻rcb3的整定

在深度电压跌落故障下，转子电流上升速度较快，幅度较大，直流母线电容电压的抬升更加难以抑制，当直流母线电压进一步上升至udc.th2时，需要进一步减小撬棒电阻至rcb3，其整定原则为：

原则1：该撬棒投入后，撬棒两端电压峰值小于直流母线电容电压额定值，

原则2：转子电流峰值小于转子电流最大允许值imax.th，即

|umax|＝imax.3*rcb3＜udc.n(9)

imax.3＜imax.th(10)

imax.3同样可由式(2)得到

某含dfig风电场的单机无穷大系统如图3所示。设定在0.05s时dfig并网点发生三相短路故障，持续200ms后，在0.25s故障切除。为验证在低电压穿越中本方案的有效性，分别对不同故障(60％和80％电压跌落)下传统固定撬棒阻值crowbar、并联pdr电阻的crowbar方案^[1]和本方案的风机lvrt特性进行了仿真对比分析，三种方案均采用检测转子过流的方式来触发crowbar，当ir＞2irn时撬棒投入，ir＜irn时撬棒延时0.005s切除。直流母线电压最大允许值udc.th2为1400v。

在60％电压跌落深度下，由图4(b)、(c)可以看出，由于本方案在故障初期投入的撬棒阻值大于其他两方案，故转子电流峰值抑制效果更好。同时，在直流母线电压的抑制方面，传统定阻值的撬棒无法抑制直流母线电压，导致其越限；带pdr电阻的方案通过不断投入与切除并联在转子撬棒的定阻值小电阻，保证直流母线电压一直处于最大允许值左右；本方案通过在故障过程中实时改变撬棒电阻，直流母线电压衰减时间提前，衰减速度更快，同时保证了转子电流抑制效果。

在80％电压低落深度下，有图5(b)、(c)可以看出，带有pdr电阻的方案在撬棒并联小电阻不断投入与切除的过程中，转子电流在此上升，形成了高达5.69p.u.的新峰值，转子电流抑制效果较差；本方案在故障初期投入的大电阻撬棒能够保证转子电流的抑制效果，转子电流峰值远低于前者，保持在4p.u.。在直流母线电压的限制效果方面，本方案在对转子撬棒电阻进行调整后，直流母线电压衰减速度要快于带有pdr电阻的方案，而传统固定阻值撬棒方案下的直流母线电压越限，达到了1600v，无法完成低电压穿越任务。

图6对比三种方案的转子撬棒投切触发信号，传统固定阻值转子crowbar的投入时间最长投入次数较多，并联pdr的crowbar方案在转子电流下降后仍然需要投入pdr电阻抑制直流母线电压，导致其撬棒投入次数和投入时间明显增加。动态调整阻值crowbar方案明显少于其他两种方案，有效降低了开关损耗以及对系统电压恢复造成的不利影响。