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基于SDR的双馈异步风电机组低电压穿越方案研究

赵鹏;贾晶;王瑞琪;于芃;毛庆波

【摘要】随着风电并网容量的快速增加,电力系统对并网风电机组低电压穿越能力的要求也越来越高.提出基于串联动态电阻(SDR)的双馈异步风电机组低电压穿越新方法,介绍了其拓扑结构与工作原理,通过电网正常运行和发生低电压故障情况下双馈异步风电机组数学模型论证了方法的可行性.在Matlab/Simulink中建立了风电机组的仿真分析模型以验证其有效性,仿真结果表明,该方法可以实现电压跌落期间双馈异步风机不脱网稳定运行,同时选择SDR电阻时既要保证转子电流在安全范围内,还要考虑限制故障过程中的过电压.

【期刊名称】《山东电力技术》

【年(卷),期】2015(042)011

【总页数】5页(P6-10)

【关键词】双馈异步风电机组;低电压穿越;SDR;开关;仿真

【作者】赵鹏;贾晶;王瑞琪;于芃;毛庆波

【作者单位】国网山东省电力公司电力科学研究院,济南250003;国网山东省电力公司电力科学研究院,济南250003;国网山东省电力公司电力科学研究院,济南250003;国网山东省电力公司电力科学研究院,济南250003;国网山东省电力公司电力科学研究院,济南250003

【正文语种】中文

【中图分类】TM315

风能因为其清洁性，受到越来越多的关注。截至2014年底，全国风电装机容量达到9637万kW，占全部发电装机容量的比例达7%，风电发电量已占全国规模以上发电量的2.82%［1］。随着风力发电技术的快速发展，风电占整个电网容量的比例将越来越大，但2011年以来全国共发生脱网容量500MW以上的风电脱网故障10余次，严重影响了电力系统的安全运行。历次大规模风机脱网事故分析结果表明，风电机组不具备低电压穿越能力或低电压穿越能力不可靠是造成风电机组大规模连锁脱网的主要原因［2］。特别是双馈异步风电机组由于定子侧直流连接电网，且所用变流器容量较小，相对于采用全功率变流器的永磁同步风电机组，实现低电压穿越（LVRT）较为复杂［3-4］。

目前双馈异步风电机组LVRT的解决措施主要有两种类型，一种是不增加硬件设备，仅改进风电机组变流器或变桨系统控制策略［5］；另一种方法是增加硬件电路，如网侧动态无功补偿装置、柔性交流输电系统（FACTSs）、辅助电阻等［6-10］。第1种解决措施中，变流器需要增加变流容量以实现控制目标，但在正常运行情况下，大部分容量将闲置；对于控制变桨系统，由于桨距角调节时间较长，有时桨距角不能根据需要迅速做出响应。第2种解决措施中，Crowbar电路保护方案最为常见，但在Crowbar动作后，转子变流器停止工作，增加了电网无功负担，不利于电网电压的恢复［11］，同时故障前后双馈电机不同运行状态间的切换，需要复杂的控制逻辑［12］。

介绍基于串联动态电阻（SDR）的双馈异步风电机组LVRT新方法，在直流电容和转子逆变器之间串联动态电阻，动态电阻由双向可控硅开关和电阻并联构成。首先阐述新LVRT方法的拓扑结构和工作原理，然后建立了新型逆变器的数学模型，最后基于Matlab/Simulink建立了1.5MW的双馈异步风电机组（DFIG）仿真模型，对比分析有无SDR的双馈异步风电机组故障特性，并分析了不同阻值的SDR对电压跌落情况下双馈异步发电机运行状况的影响以此证明新方法的正确性和有效性。

1.1包含SDR的DFIG拓扑机构

电网电压骤降之后，DFIG的定、转子绕组中感生很大的故障电流，转子故障电流流过变流器直流电容，引起直流母线电压的波动，同时电网电压降低导致网侧变流器控制直流母线电压的能力减弱，不能及时将转子侧过剩的能量传递到电网上，导致直流母线电压快速泵升，危害直流母线电容安全。因此，电压骤降时必须采取措施消耗转子侧多余能量，防止直流母线电压过高。采用一种基于SDR的DFIG低电压穿越拓扑结构，如图1所示。风电机组转子变流器与直流母线之间串联SDR回路，SDR回路由SDR电阻和双向可控硅开关组成。通过软件指令控制SDR回路中双向可控硅导通或断开，风电机组正常运行时，双向可控硅闭合，电流不流经SDR电阻，而电网发生故障运行时，变流器直流母线大幅度波动，采用迟滞环原理（迟滞环门限电压Udc≥U1im）断开双向可控硅开关，电流将流经SDR电阻，SDR电阻根据迟滞环工作原理持续地消耗从发电机侧传递到直流母线上的能力，维持直流母线Udc电压稳定直到电网电压恢复正常。

1.2DFIG新型变流器数学模型与分析

图2为包含SDR的新型变流器结构图。假定图2中功率器件均为理想开关器件，则当SDR回路双向可控硅开关打开后，由基尔霍夫定律可得电压方程：

式中：Udc为变流器直流母线电压；UON为转子绕组中性点O与直流母线负极N之间的电压；RSD