基于Crowbar电路的双馈风力发电机组低电压穿越仿真研究.docx
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基于Crowbar电路的双馈风力发电机组低电压穿越仿真研究
基于Crowbar电路的双馈风力发电机组低电压穿越仿真研究
随着风力发电技术推广，风电场容量逐步增大，低电压穿越技术得到特别重视。
风力发电系统实际应用的一种发电机——双馈异步感应发电机，本文选取该发电机为研究对象。
在电网电压出现跌落后，风电机转子侧的电流变大，定子的电流变大，电磁转矩大幅波动，转速升高，极有可能出现脱网事故，甚至引发更大的连环事故。
为在电网故障切除后，及时恢复电网电压、提高电网稳定性，这就要实现在故障发生后一段时间内风电机组不能脱网。
提高低电压穿越能力的方法有很多，主要集中在两个方面，一是硬件电路的改造，二是控制策略的改进。
利用MATLAB建立了风电并网系统模型，在有/无电网故障情况下，分别进行仿真。
本文从低电压穿越技术中选取一项较为成熟的技术——Crowbar电路，对其进行分类，选取了主动式电路中的整流桥式，并分析该电路的控制策略。
在搭建的风电并网模型中应用，验证该电路能减小电磁场中的直流分量，使在故障期间减弱对电机的冲击。
因Crowbar电路中的电阻对系统影响较大，着重分析电阻值对发电机转子侧电流、电磁转矩和变换器直流侧电压的影响，发现电阻阻值的选取不能过大也能过小。
此外，还分析Crowbar电路切除时间对系统的影响。
1绪论
1.1我国的风能资源及利用现状
我国陆地面积广阔，海岸线长，现有的风能资源非常丰富。
2004-2005年，中国气象局组织了第三次全国风能资源普查，根据普查的结果，我国技术可开发（风能功率密度大于150W/m2）的陆地面积约为2╳105km2。
考虑风电场中风电机的间距，按照5MW/km2
计算，可以在陆地上开发的量为1╳
106MW。
根据《全国海岸带和海涂资源综合调查报告》可知，我国大陆沿岸浅海0~20m等深线的海域面积为1.57╳105
km2。
2002年，《全国海洋功能区划》对港口航运、渔业开发、旅游以及工程用海区等做了详细规划。
去掉这些区域，考虑其总量10%~20%的海面可用于发电，风力发电机组的实际功率按照5MW/km2
计算，则近海风电装机容量为2.5
MW。
总的说，风能资源储量巨大，陆上加海上可装机总容量达1.25
MW，风电具有可大规模开发的资源基础。
2013年，国家能源局出台了一系列政策措施，加强风电产业监测和评价体系建设，有针对性地解决弃风限电问题，强化规划的引领作用，实施风电年度发展计划，有序推进风电基地建设，使风电产业发展更加理性。
与上一年相比，风电场建设有所加快，风电市场出现了平稳回升的势头[1]。
我国2008年-2013年装机容量汇总表如图1-1所示，可以看出每年都有大量新增装机容量，增长速度非常快，虽然中间有2011年与2012年增长的数量有所下降，但是总体来看，增长非常平稳。
预计最近几年，风电总装机量都会按照线性规律不断增加，容量不断扩大。
图1-1我国2008-2013年风电装机容量
1.2世界风电技术的发展及待解决问题
在当代，快速发展的工业和住房的扩建，需要使用大量的电力。
考虑到地球资源逐渐枯竭、温室气体排放造成的环境问题，可再生能源需要被开发、利用，例如，太阳能、风能、地热能、潮汐能等等，可再生能源可以替代传统产能方式，成为一个绝佳的战略选择。
利用可再生能源产生清洁能源，就可以减少其他资源的使用，缓解化石能源对环境的污染。
截止到2013年底，大约24个国家的风电装机容量超过1GW。
六年以来，从每年新增装机容量来看，亚洲国家在全球各大区排名都是第一，中国和印度是亚洲风电发展迅速的国家。
风能已经不单单是一种辅助式的能源形势，风力发电变成了最具有商业化发展价值的新产业，已经成为解决能源问题的重要力量之一。
随着风力发电应用越来越广，风电并网给原有电网带来许多压力。
首先，调峰、调频难度变大了。
风电具有反调峰特性，这明显使电网调峰的难度增加；同时，风电还具有间歇性、随机性，这又增加了调频的难度。
其次，电网电压更难控制。
因为电网无功要补偿风电场，风电依赖于电网，这电网运行的灵活性受到限制。
另外，风电场很多位于电网末梢，随着接入电网的规模越来越大，一旦遇到风电大量上网，电网输送能量突然增多，热稳定问题突出出来了，局部电网不能完全消纳。
最后，增加了电网稳定的风险。
因为风电的间歇性与随机性，增加了局部电网稳定运行的风险，控制变得复杂，甚至造成局部电网失电压。
因此，风电并网需要严格的技术要求，包括无功功率控制能力、低电压穿越能力（LowVoltageRideThrough,LVRT）、频率控制和有功功率变化率控制等。
其中，很多该领域的人认为，风电机组设计、制造与控制技术上，最大的挑战就是LVRT，它决定了风电能否被大规模利用。
1.3本文的主要工作
在实际电网中，电压跌落是难免的，在风电并网系统中也肯定存在。
随着风电机组容量的增加，电网故障发生后一段时间内不允许风机脱网运行，以保证快速恢复电网电压，维持电网的稳定性。
本文以双馈风力发电机为研究对象，针对该问题进行仿真研究。
本文选取低电压穿越技术中的Crowbar电路作为仿真对象，对基于crowbar电路的双馈风电机组低电压穿越特性进行仿真试验，通过仿真来说明Crowbar电路对低电压穿越的作用，为双馈电机的进一步深入研究和大型风电场的并网问题提供依据。
本文主要工作包括以下几个方面：
（1）对双馈风力发电系统主要部分的工作原理进行描述；总结近几年内低电压穿越技术的发展，汇总了一些国家对LVRT提出的标准。
（2）利用MATLAB例程构建风机并网模型，并分析故障有无时的波形变化。
（3）分析Crowbar电路不同类型并选择，构建Crowbar电路模型，在并网模型基础上应用，仿真分析其作用。
（4）分析Crowbar电路电阻对系统某些参数的影响；分析Crowbar电路切除时间对系统的影响。
2双馈风力发电机系统
2.1双馈异步风力发电机概述
双馈异步风力发电机（DFIG，Double-FedInductionGenerator）是一种绕线式感应发电机，是变速恒频风力发电机组的核心部件，风力发电中的一种典型发电机。
双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变流器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。
由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成了"柔性连接"，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。
根据原理及实际，做出示意图（图2-1）
图2-1双馈感应发电机的结构示意图
2.2双馈异步发电机工作原理
在电机学中，同步发电机稳态运行时，输出端电压的频率与发电机转速有密切的关系：
（2-1）
式中，
：
发电机输出电压频率；
：
发电机的极对数；
：
发电机旋转速度[2]。
三相对称交流电通入转子三相对称绕组中，旋转磁场就会在电机气隙内产生，旋转磁场的转速与交流电频率的关系：
（2-2）
式中，
：
转子三相绕组中的交流电频率；
：
电机的极对数；
：
转子三相绕组通入频率为
的三相对称电流后所产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度。
由上式可知，频率
与
是线性关系。
当转子中三相电流的相序改变时，还可以改变转子旋转磁场的方向。
因此，若设
为对应于电网频率为50Hz时的发电机的同步转速，而
为电机转子旋转速度，则只要能保证
，异步电机定子绕组感应电动势的频率就和
相同[3]。
双馈异步发电机的滑差率为
。
转子三相绕组通入的电流频率为：
（2-3）
通过以上分析可知，在双馈异步电机转子的转速不断变化时，只要把滑差频率为
（即
）的电流通入转子的三相对称绕组，定子绕组中就能产生恒定频率的电能，实现了变速恒频。
双馈异步电机转子在不同转速下，具有以下三种运行状态：
（1）亚同步运行状态：
。
（2）超同步状态：
。
（3）同步运行状态：
。
2.3交流励磁电源工作原理
双馈异步发电机有三种工作状态，即亚同步运行、同步运行和超同步运行，因此交流励磁电源需要幅值、频率和相位可调的转子励磁电流。
交流励磁电源由两部分组成，即网侧PWM变换器和转子侧PWM变换器。
背靠背PWM变换器（Back-to-BackPWM）技术已经发展成熟，被广泛地应用，很多生产商专门为这种结构设计了功率模块。
因为变换器传输的是滑差功率，变换器功率一般占发电机功率的25％-40％。
图1-2Back-to-BackPWM变换器
背靠背PWM变换器原理图如图1-2所示。
图中uga、ugb、ugc为电网侧三相电压，
包括扼流线圈的电感和交流电源内部的电感，
为包括扼流线圈中的电阻和交流电源内部的电阻。
背靠背PWM变换器由两个完全相同的电压型三相桥式PWM变换器构成，直流母线用来连接两侧。
背靠背PWM变换器是一种交一直一交变流结构，可以独立控制两个变换器。
背靠背PWM变换器不仅输出性能良好，还可用来改善输入性能。
它可获得任意功率因数的正弦输入电流，并且能够实现能量双向流动。
上述特点使它满足于变速恒频风电机中的交流励磁变换器所要求的条件，所以应用广泛。
由于双馈异步发电机常在不同状态下运行，两个PWM变换器的工作状态也不断变化，所以不以处于整流或逆变的状态来命名它们，而是根据它们所处的位置命名，分别是网侧PWM变换器和转子侧PWM变换器。
（1）网侧PWM变换器
网侧PWM变换器需要保证交流励磁电源良好的输入特性，即输入电流的波形接近正弦。
理论上网侧PWM变换器可获得任意功率因数。
当双PWM变换器进入稳定工作状态时，母线上的直流电压恒定，网侧PWM变换器的三相桥臂被正弦脉宽调制技术驱动。
当开关频率很高时，由PWM原理可变换器的交流侧电压含有正弦基波电压和一些频率很高的谐波电压。
由于电感的滤波作用，频率很高的谐波电压产生的电流非常小。
当调制正弦信号与电网频率一致时，输入电流近似于正弦。
采用正弦脉宽调制方式对G1、G2、G3、G4、G5、G6进行触发控制，由PWM原理可知，在ab、be、ca端将产生SPWM波。
Uab、Ubc、Uca中含有和正弦信号波同频率且幅值成正比的基波分量，以及一些频率很高的谐波。
由于电感的滤波作用，频率很高的谐波电压可以忽略。
当调制正弦信号的频率和电网频率相同时，iga、igb、igc也为与电源频率相同的正弦波。
电网电压和频率一般是恒定的，ia,ib,ic幅值和相位仅由uab、ubc、uca中基波分量的幅值和相位决定。
网侧PWM变换器工作在整流状态时，IGBT和二极管组成多组boost升压斩波电路。
这使直流母线电压比输入的线电压高，并能保持直流母线电压稳定。
（2）转子侧PWM变换器
变速恒频风力发电机组运行的目标主要有两个：
一是实现最大风能获取；二是对发电机的无功功率进行控制。
对于双馈异步发电机，这两个目标都是控制DFIG的转子电流实现。
而转子电流受控于转子侧PWM变换器。
三相静止坐标系下的DFIG数学模型是一个强耦合的系统，对有功功率和无功功率的解耦控制是很难的。
而利用矢量技术便可解决这个问题。
转子电流通过坐标变换实现有功分量与无功分量的解耦。
控制DFIG转子电流有功分量就可以控制DFIG的转速或者定子侧输出的有功功率。
控制DFIG转子电流无功分量就可以控制DFIG定子侧输出的无功功率。
转子电流都是由转子侧PWM变换器提供。
采用电压空间矢量调制（SVPWM）方式对变换器中的开关器件进行控制。
SVPWM源于交流调速中为获得圆形旋转磁场的磁链追踪，所以SVPWM又称磁链追踪新PWM法。
它是以三相对称正弦波电压供电下三相对称电动机定子理想圆为基准，由三相桥不同开关模式下所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，在追踪的过程中，桥臂的开关模式作适当的变换，
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