CN101621204A - 用于双馈式风力发电系统低电压穿越的撬棒电阻设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于双馈式风力发电系统低电压穿越的撬棒电阻设计方法，属于风力发电技术领域。首先获取风力发电系统中双馈发电机的定转子匝数比、转子电阻、转子额定电流以及转子电流上限；根据转子额定电流以及转子电流上限，计算转子电流过载倍数；获取风力发电系统中直流母线电压；根据直流母线电压、转子电流过载倍数，转子额定电流和转子电阻，计算得到撬棒电阻的标幺化参数k_c；将k_c适当放大后得到修正的；最终撬棒阻值设计为：。本发明设计方法依据DFIG系统LVRT过程中的机理来设计撬棒电阻，计入了LVRT过程中的直流母线箝位效应，在保证LVRT性能的同时具有较小的过电流，保障转子变流器续流二极管的安全。

Description

用于双馈式风力发电系统低电压穿越的撬棒电阻设计方法

技术领域

本发明涉及一种用于双馈式风力发电系统低电压穿越的撬棒电阻设计方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

对采用双馈发电机(以下简称DFIG)的并网风力发电系统，当电网因短路故障出现电压跌落时，会导致发电机定子、转子磁链出现直流分量，进而在发电机转子侧感应出较大的感应电动势。当转子侧感应电动势超过转子侧变流器的电压控制能力时，就会导致转子侧出现较大的短路电流，严重时可能造成转子侧变流器和发电机的损坏。因此，在电网短路期间，风力发电系统会采取一些必要的保护措施来保障自身的安全，这一过程称为风力发电系统的低电压穿越过程(以下简称LVRT)。

转子侧的短路电流常可作为评价双馈式风力发电系统LVRT能力的一个重要指标。作为一种有效的短路电流抑制手段，转子侧撬棒(Crowbar)电路得到了较为广泛的应用。一种典型的含有转子侧撬棒电路的双馈式风力发电系统结构如图1所示。图中，转子侧撬棒电路由晶闸管和撬棒电阻构成。当该风力发电系统正常工作时，晶闸管处于关断状态，而一旦检测到电网发生较为严重的电压跌落时，就迅速封锁转子侧变流器，同时开通转子侧撬棒电路中的晶闸管，使得撬棒电阻串入DFIG的转子侧，从而起到限制短路电流的作用。

然而，由图1可知，在电网电压跌落瞬间，转子侧变流器只能依靠封锁其开关器件的触发脉冲来保护自身，也就是说它并不能立即从物理上与DFIG完全断开。所以这时如果转子侧短路电流在撬棒电阻上产生的压降较大，转子侧变流器中与开关器件反并联的续流二极管就可能导通。又由于直流母线电容的存在，续流二极管的导通将导致DFIG转子电压发生畸变，如图2(a)所示.。这一现象在本文中被称为直流母线箝位效应。由图2(b)还可看出，直流母线箝位效应的出现将会使DFIG的短路电流比不考虑该效应时大，进而严重影响转子侧撬棒电路的性能。

目前虽然也有一些针对转子侧撬棒电路在LVRT过程中的研究工作，例如：

1、G.Tsourakis，C.D.Vournas.Simulation of Low Voltage Ride Through Capability ofWind Turbines with Doubly Fed Induction Generator[C]//EWEC2006 proceedings，Athens，Greece，2006：1-9。

2、J Niiranen.Voltage dip ride through of a doubly-fed generator equipped with an active撬棒[C]//Nordic Wind Power Conference，2004，Goteborg，Sweden：1-8。

3、姚骏，廖勇.基于撬棒保护控制的交流励磁风电系统运行分析[J].电力系统自动化，2007，31(23)：79-83。

4、蒋雪冬，赵舫.应对电网电压骤降的双馈感应风力发电机撬棒控制策略[J].电网技术，2008，32(12)：84-89。

但上述工作着重于验证图1所示系统在某些特定的工作点附近运行时，撬棒电路的有效性。由于忽视了LVRT过程中直流母线箝位效应对短路电流的重要影响，使得撬棒电路的设计不能达到预期的效果；另一方面撬棒电阻参数设计的理论依据分析也存在不足，仅仅给出了一些经验性结果。因此，推导出理论设计公式，发明一种能够计入直流母线箝位效应的撬棒电阻参数设计方法十分重要。

发明内容

本发明的目的是推导出理论设计公式，提出一种能够计入直流母线箝位效应的撬棒电阻参数设计的方法。

本发明提出的用于双馈式风力发电系统低电压穿越的撬棒电阻设计方法，包括以下各步骤：

(1)获取风力发电系统中双馈发电机的定子与转子匝数比K_u、转子电阻R_r(单位Ω)、转子额定电流I_rrate以及转子电流上限I_rulim(单位A)；

(2)根据上述转子额定电流I_rrate以及转子电流上限I_rulim(单位A)，计算转子电流过载倍数k＝I_rulim/I_rrate；

(3)获取转子侧变流器的直流母线电压U_dc0(单位V)；

(4)根据上述得到的直流母线电压U_dc0、转子电流过载倍数k、转子额定电流I_rrate和转子电阻R_r，利用公式 $k_c=\frac{U_{\mathrm{dc}0}}{\sqrt{6}{\mathrm{kI}}_{\mathrm{rrate}}{R}_r}-1,$ 计算得到撬棒电阻的标幺化参数k_c；

(5)将上述撬棒电阻的标幺化参数k_c放大1.3～1.7倍，得到修正的

；

(6)设计撬棒电阻值为：

。

本发明提出的用于双馈式风力发电系统低电压穿越的撬棒电阻设计方法，其优点是依据DFIG系统LVRT过程中的机理分析来设计撬棒电阻，设计中能够计入LVRT过程中的直流母线箝位效应，在保证LVRT性能的同时具有较小的过电流，保障转子变流器续流二极管的安全。同时，设计仅需要少量DFIG系统参数，有利于工程实践。

附图说明

图1是已有的双馈式风力发电系统的典型拓扑图。

图2直流母线箝位效应对转子线电压以及短路电流幅值的影响示意图。

图3是已有的转子侧主动式和被动式撬棒电路拓扑结构图。

图4是本发明提出的撬棒电阻参数设计流程图。

图5是采用本发明设计的撬棒电阻参数与其它撬棒电阻参数LVRT穿越性能比较图。

图6是采用本发明设计的撬棒电阻参数与其它撬棒电阻参数直流母线电流比较图。

具体实施方式

本发明提出的用于双馈式风力发电系统低电压穿越的撬棒电阻设计方法，其流程图如图4所示，包括以下各步骤：

(1)获取风力发电系统中双馈发电机的定子与转子匝数比K_u、转子电阻R_r(单位Ω)、转子额定电流I_rrate以及转子电流上限I_rulim(单位A)；

(2)根据上述转子额定电流I_rrate以及转子电流上限I_rulim(单位A)，计算转子电流过载倍数k＝I_rulim/I_rrate；

(3)获取转子侧变流器的直流母线电压U_dc0(单位V)；

(4)根据上述得到的直流母线电压U_dc0、转子电流过载倍数k、转子额定电流I_rrate和转子电阻R_r，利用公式 $k_c=\frac{U_{\mathrm{dc}0}}{\sqrt{6}{\mathrm{kI}}_{\mathrm{rrate}}{R}_r}-1,$ 计算得到撬棒电阻的标幺化参数k_c；

(5)将上述撬棒电阻的标幺化参数k_c放大1.3～1.7倍，得到修正的

；

(6)设计撬棒电阻值为：

。

如图1所示，双馈式风力发电系统的电气子系统主要由DFIG、转子侧变流器、网侧变流器，转子侧撬棒电路以及检测、控制电路这几部分组成。其中，转子侧变流器和网侧变流器均为由强迫关断型半导体器件(如IGBT，GTO等)构成的变流器，且这两组变流器共用一套直流母线以及直流母线电容。直流母线上可以安装有直流母线斩波器。转子侧撬棒电路可以是被动式撬棒电路，也可以是主动式撬棒电路，这两种结构的电路拓扑如图3所示。

本发明中的转子侧撬棒电路的工作原理为：当系统的检测电路检测到电网电压发生跌落后，控制电路立即封锁转子侧变流器中开关器件的门极触发脉冲，同时开通转子侧撬棒电路中开关器件的门极触发脉冲，以将撬棒电阻串入DFIG的转子侧。同时，控制电路控制网侧变流器和直流母线斩波器(如果有的话)保持直流母线电压稳定。

本发明的撬棒电阻参数设计在原理上可以分为以下两个步骤：

l、在电网电压跌落故障较轻的情况下，转子侧变流器不会发生直流母线箝位效应，这时DFIG系统可以由DFIG的线性模型描述。分析该模型不难得知，串入撬棒电阻后DFIG的短路电流响应等价于，令DFIG转子侧电压跳变为零的同时将转子等效电阻增大为原转子电阻与撬棒电阻之和时的短路电流动态响应。记转子侧变流器的直流母线电压为U_dc0，那么当转子侧撬棒线电压有效值超过

时，转子侧变流器中与开关器件反并联的续流二极管就会导通。因此，记I_rulim为转子电流上限，则使得不发生直流母线箝位效应的撬棒电阻上限值为：

$R_c\≤\frac{U_{\mathrm{dc}0}}{\sqrt{6}{I}_{\mathrm{rulim}}}-R_r---\left(1\right)$

为适用于工程应用，记k＝I_rulim/I_rrate为转子电流过载倍数，并以转子电阻R_r为基值，将撬棒电阻参数标幺化。同时，由理论分析可知，撬棒电阻参数选择越大其抑制短路电流的能力越强。于是，第一步选取转子侧撬棒电阻的标幺化参数值可由下式确定：

$k_c=\frac{U_{\mathrm{dc}0}}{\sqrt{6}{\mathrm{kI}}_{\mathrm{rrate}}{R}_r}-1---\left(2\right)$

2、当电网电压跌落较为严重时，LVRT过程中转子短路电流幅值大大增加，并且不断震荡，使得撬棒电阻两端的电压也不断震荡。这时如果短路电流在撬棒电阻上产生的压降高于直流母线电压，转子侧变流器中与开关器件反并联的续流二极管就会导通，使得DFIG转子电压被直流母线电容箝位而发生畸变，即发生直流母线箝位效应。而且由于LVRT过程中短路电流不断震荡，直流母线箝位效应间歇性地发生，使得转子电流响应特性更加复杂。通过基于能量守恒的理论分析以及对图1系统的仿真研究可以得出，当电网电压跌落较为严重时，受直流母线箝位效应影响，过多地增大撬棒电阻的参数值并不能明显地降低转子短路电流，反而会增大转子侧变流器续流二极管的负担。因此，综合考虑直流母线箝位效应的影响，兼顾LVRT能力范围以及转子侧变流器续流二极管的过流能力的要求，撬棒电阻的参数在(2)式基础上增大1.3～1.7倍是较为合适的选择。

以下参照附图说明本发明的具体实施方法。

首先，介绍本发明使用系统的构成。图1是双馈式风力发电系统的典型拓扑。它主要由风力机、齿轮箱、DFIG、转子侧变流器、网侧变流器、转子侧撬棒电路以及检测、控制电路这几部分组成。其中，转子侧变流器和网侧变流器均为采用强迫关断型半导体器件(如IGBT，GTO等)的变流器，且这两组变流器共用一套直流母线以及直流母线电容。直流母线上可以安装有直流母线斩波器。当电网电压正常时，由转子侧变流器完成DFIG的功率控制，实现风能的捕获，由网侧变流器稳定直流母线电压，必要时也用于向电网注入无功功率。直流母线斩波器不工作。当系统的检测电路检测到电网电压发生跌落后，控制电路立即封锁转子侧变流器中开关器件的门极触发脉冲，同时开通转子侧撬棒电路中的开关器件的门极触发脉冲，以将撬棒电阻串入DFIG的转子侧。同时，控制电路控制网侧变流器和直流母线斩波器(如果有的话)保持直流母线电压稳定。

图3是已有的转子侧主动式和被动式撬棒电路拓扑结构图。主动式撬棒电路采用强迫关断型半导体器件(如IGBT，GTO等)而被动式撬棒电路则采用自换流器件(如晶闸管等)作为将撬棒电阻接入转子的电力电子开关。

以下基于图4说明本发明方法的实施流程。它包括以下步骤：

1、获取DFIG的定转子匝数比K_u。通常该参数由DFIG制造商提供。如果无法从制造商处获取，则可通过测量转子绕组开路时，定、转子绕组的线电压有效值U_sop和U_rop(单位V)，再用K_u＝U_sop/U_rop计算得到。

2、获取DFIG的转子电阻R_r。通常该参数由DFIG制造商提供。如果无法从制造商处获取，可以采用国标GB/T1032-2005《三相异步电动机试验方法》中给出的绕线式感应电机的转子电阻测试方法获取。

3、获取转子额定电流I_rrate以及转子电流上限I_rulim(单位A)。通常该参数由DFIG制造商提供。如果无法从制造商处获取，可以取I_rrate＝1.2K_uI_srate来作为转子额定电流，其中I_srate为定子额定电流，由DFIG制造商提供。取I_rulim＝2I_rrate为转子最大电流。

4、计算转子电流过载倍数k＝I_rulim/I_rrate。

5、获取直流母线电压U_dc0(单位V)；。对于已经设计完成的双馈式风电系统，该参数可以从变流器制造商处获取。对于待设计的双馈式风电系统，可以取 $U_{\mathrm{dc}0}\≈1.2\×\sqrt{2}{U}_{\mathrm{srate}},$ 其中U_srate为DFIG的定子额定电压，由DFIG制造商提供。

6、将以上参数代入上述公式(2)式中，计算得到撬棒电阻的标幺化参数k_c。

7、根据LVRT能力范围以及转子侧变流器续流二极管的过流能力的要求，对前一步中得到的结果乘以1.3～1.7倍以进行适当修正得

。

8、最后得到撬棒电阻值

。

以下是本发明方法的一个实施例：

下面以具体实例说明本发明中撬棒参数设计的流程。该实例数据来自于目前应用较为广泛的1.5MW双馈式风力发电系统。其铭牌参数如下：

DFIG额定容量(MVA)	1.67
		定子额定电压(V)	690
额定频率(Hz)	50
		极对数	2
定转子匝比	1∶3
		定子额定电流(A)	1105
转子额定电流(A)	453

按照前述涉及流程

1、获取DFIG的定转子匝数比K_u＝1/3。

2、获取DFIG的转子电阻R_r。从DFIG制造商处获取，其标幺值为0.007p.u.，换算为国际单位值为0.018Ω。

3、已知转子额定电流I_rrate＝453A，转子电流上限I_rulim取为I_rrate的2倍，即I_rulim＝906A。

4、计算转子电流过载倍数k＝I_rulim/I_rrate＝2。

5、获取直流母线电压U_dc0。计算 $U_{\mathrm{dc}0}\≈1.2\×\sqrt{2}{U}_{\mathrm{srata}}=1170V,$ 考虑到留出一定裕量，实取U_dc0＝1200V。

6、根据 $k_c=U_{\mathrm{dc}0}/\left(\sqrt{6}k{I}_{\mathrm{rrate}}{R}_r\right)-1$ 计算可得k_c＝29。

7、将k_c乘以修正系数1.7得

＝49。

8、最后由

计算得到撬棒阻值0.882Ω。

图5和图6对比了采用本发明设计的撬棒电阻参数与其它撬棒电阻参数的效果。图5给出的是LVRT穿越范围比较，纵轴P_WT为风力机输入机械功率，横轴Q_s为DFIG定子输出无功功率，参数p表示电网电压跌落后剩余电压占额定电压的百分比。白色区域表示穿越成功而斜线区域则表示穿越失败。图6给出的是直流母线电流比较，纵轴i_dc为直流母线电流，横轴为时间。两图中的(b)是采用本发明设计的撬棒电阻参数0.882Ω，而(a)(c)则分别对应于撬棒电阻参数为0.702Ω和1.062Ω的结果。从图5和图6不难看出，采用本发明设计的撬棒电阻在保证了在相同电压跌落深度下，系统具有较大的LVRT穿越范围的同时具有较小的直流母线过电流，保障了转子变流器续流二极管的安全，其设计是较为优化的。

Claims (1)

1、一种用于双馈式风力发电系统低电压穿越的撬棒电阻设计方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

(1)获取风力发电系统中双馈发电机的定子与转子匝数比K_u、转子电阻R_r(单位Ω)、转子额定电流I_rrate以及转子电流上限I_rulim(单位A)；

(2)根据上述转子额定电流I_rrate以及转子电流上限I_rulim(单位A)，计算转子电流过载倍数k＝I_rulim/I_rrate；

(3)获取转子侧变流器的直流母线电压U_dc0；

(4)根据上述得到的直流母线电压U_dc0、转子电流过载倍数k、转子额定电流I_rrate和转子电阻R_r，利用公式 $k_c=\frac{U_{\mathrm{dc}0}}{\sqrt{6}k{I}_{\mathrm{rrate}}{R}_r}-1,$ 计算得到撬棒电阻的标幺化参数k_c；

(5)将上述撬棒电阻的标幺化参数k_c放大1.3～1.7倍，得到修正的

；

(6)设计撬棒电阻值为：

。

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