基于动态电压调节器的风电机组低电压穿越策略

第 35卷 第 16期 2011年 8月 25日 电 力 系 统 自 动 化 Automation of Electric Power Systems Vo1．35 No．16 Aug．25，2011 基于动态电压调节器的风电机组低电压穿越策略 洪芦诚 ，魏应冬 ，姜齐荣 ，王志永 (1．清华大学电机系柔性输配电系统研究所，北京市 100084；2．北京三得普华科技有限责任公司，北京市 100086) 摘要 ：随着并网大型风 电场装机容量的逐年增长，低 电压穿越(LVRT)能力 已经逐渐成为风 电机 组并网的一个重要指标。文 中提 出了一种利用动态电压调节器(DVR)辅 助风电机组在 电网电压 跌落工况下实现 LVRT的策略 。DVR 串联接入风 电机组机 端和电网公共连接点(PCC)之 间，电 网电压正常时通过静态开关柜将其旁路，电网电压跌落时利用反压技术进行快速投切，DVR通过 调节使风电机组机端 电压维持正常；同时，DVR在风电机组和电网之 间提供功率通道，利用直流母 线上的刹车电阻消耗掉过剩功率 ，保证直流电容电压的稳定及风电机组的正常运行。利 用恒速异 步风力发电机(FSIG)配合 DVR建立了仿真模型和实验平台，给出了在 PSCAD／EMTDC环境下 的仿 真及 实验 结果 。 关键词 ：风力发 电；感应发 电机 ；电压跌落；动态电压调节器；低 电压 穿越 0 引言 在风力发电技术逐渐成熟的今天，随着并网风 电场装机容量的逐年增长，风电场对系统稳定性的 影响已不容忽视_1 ]，很多国家对风电场并网提出了 严格的技术要求 ]，甚至用常规火电厂的要求 风电场。在这些技术要求中最为人们重视的是风电 机 组 的低 电 压 穿 越 (1ow voltage ride—through， LVRT)能力，即当电网发生故障或扰动引起风电场 并网点电压跌落时，在一定的电压跌落范围内，风电 机组能够不问断并网运行 。 目前 市 场 上 的风 力 发 电机 类 型 可 以概 括 为 3类 [5]，即直接并 网的恒速异步风力发电机 (FSIG)、 双馈式异步发电机(DFIG)和直 驱式永磁 同步发 电 机 (PMSG)。 FSIG与 DFIG都是定子侧直接连接电网，这种 直接耦合的方式使得电机很容易受到电网电压跌落 的影响。其中，FSIG不包含电力电子器件，电压跌 落期间的主要问题是 电磁 转矩 衰减导致 的转速 飞 升。其简单的结构使得能采取的措施也很有限，一 般通过静止无功补偿器(SVC)[6 或静止同步补偿器 (STATCOM)L7 进行无功补偿，在电压跌落期间缓 解公共连接点(PCC)的电压，故障切除后为 FSIG 迅速恢 复提供 足够无 功功率，实现 风电机组 的 LVRT。但是，电网的低电压限制了设备的无功补 偿能力，电网本身的短路容量决定了无功补偿的电 压支撑效果，所以无功补偿主要的贡献在于故障切 收稿 日期 ：2011—04—19；修回 日期 ：2011-05—03。 除后辅助机组 的快速恢复 ，而非针对故 障过程本身 。 与 FSIG相 比，DFIG本身包含 电力 电子器件 ，具备 一 定的无功调节能力，遭遇电压跌落时可以通过控 制策略的调整以及添加硬件电路实现 LVRT。基 于改进矢量控制_8 或鲁棒控制L9]的控制策略可以有 效应对电压的浅度跌 落，但该 的控制效果往往 受到DFIG本身励磁变频器容量的限制，存在可行 性区域的限制。更加主流的策略是在 DFIG转子侧 安装 Crowbar系统r1 ]，但 Crowbar动作期 间， DFIG等效为 鼠笼式异步发 电机运行 ，将从 电网吸 收大量无功功率用于励磁，这不利于电网故障的迅 速恢复 。 、 与 FSIG和 DFIG 不 同，PMSG 通过背靠 背全 功率逆变器与电网连接，定子端与电网完全解耦，因 此故障穿越能力较强。电压跌落期间，PMSG的主 要问题在于功率不平衡导致直流母线电压上升，文 献E13—14]讨论了通过对 PMSG逆变器硬件部分的 改装和网侧变流器控制策略的调整可以较好地实现 LVRT。 实现 LVRT的理想方案是在 电压跌 落期 间将 风电机组从电压跌落点隔离 出来 ，避免受到 电压跌 落的影响。在这一点上，PMSG具有先天的优势， 而 FSIG和 DFIG则通过外部设备辅助实现。美国 超导公司推出了一种无功补偿器 D-VAR RTu 用 于辅助 FSIG或 DFIG实现 LVRT，装置在故障期 间可以为电网提供无功支持，D-VAR RT的主体结 构与 PMSG的全桥逆变器是基本相同的。诸如静 止串联补偿器(SSC)和动态电压调节器(DVR)之类 的串联电压补偿装置同样可以用于辅助实现风电机 万方数据 · 绿色电力自动化 · 洪芦诚，等 基于动态电压调节器的风电机组低电压穿越策略 组的 LVRT。DVR可 以在 电网电压跌落 的工况下 有效 地 支 撑 风 电机 组 端 口电 压，辅 助 机 组 完 成 LVRT。 文献[16-17]提出用 DVR连接风电机组和电 网，利用 3个单相 DVR逆变器分别通过变压器在 风电机组和电网之间实现 串联电压补偿 。但 是，这 种要求 DVR在正常工况下长时间串联运行的工作 方式增加了损耗 ，给系统 的稳定运行带来 了不确定 因素；同时，这种通过串联变压器进行补偿的结构会 导致涌流效应。 本文提 出了一种 用于辅助风力 发 电机 LVRT 的新型结构 DVR方案，简称 LVRT—DVR，采用三 单相结构，每相的控制独立，并使用单独的静态开关 柜进行投切。由于风 电机组机端 电压较低 ，LVRT_ DVR输出端采用了与电网直接耦合的方式，在不控 整流桥 侧 利用单 相 隔离变 压器 对 系统 和 LVRT— DVR直流母线进行隔离。在投切控制方面，通过引 入反压技术，实现静态开关柜内并联晶闸管的快速 关断 ，将 LVRT-DVR的动态 响应 时间有效地控制 在 3 ms之内。该设备为风电机组带来了一种新的 LVRT解决方案 ，在辅助 DFIG和 FSIG时尤其有 效。 1 系统配置及 LVRT-DVR结构 仿真系统组成如图 1所示，包括一台额定功率 为 850 kW 的FSIG。FSIG的详细参数见附录A。 直流母线电容 单相H桥逆变器 图 1 FSIG-DVR发 电系统结构 示意图 Fig．1 FSIG wind turbine system with ride-through capabilitY DVR 本文 LVRT—DVR采用三单相结构，图 1给出 了单相的简图，LVRT—DVR串联在 FSIG机端和电 网之间，通过逆变器输出端提供补偿电压。设备在 整流侧通过 3个单相变压器(5 kVA，0．69 kV／ 0．4 kV)将直流母线和电网隔离；直流电容(6 mF) 通过 3个单相不控整流桥充电；动态刹车电阻器 由 刹车电阻(1 Q)和开关串联组成，并联在直流电容 上，用于故障期间消耗多余的功率；低通 LC滤波单 元(Lf：0．16 mH，Cf一240 uF)与 LVRT—DVR逆 变器交流侧相连，用于滤除逆变器输出的高次谐波； 静态开关柜由 2个反 向并联 的晶闸管组成 ，并联在 LC滤波单元的电容两端 ，电网电压正常时 ，静态开 关柜导通，LVR DVR处于旁路模式，电网电压异 常时，静态开关柜关断，LVRT—DVR被串联入主电 路，进入工作模式。 FSIG及 LVRT—DVR 由 Y，d连接的三相两绕 组变压器 (1．5 MVA，0．69 kV／33 kV)接人 电网。 2 LVRT-DVR补偿策略 在电网故障的工况下，LVRT—DVR可以通过 输出幅值和相位均可调节的电压实现对风 电机组机 端电压的补偿 ，从而辅助风电机组实现 LVRT。传 统 DVR主要有 3种补偿策略 ：同相补偿 、完全补偿 和最小能量补偿[1 。由于风 力发电机对相位较为 敏感，本文使用了完全补偿策略，图 2给出了电压暂 降工况下的补偿相量图。 ／ oⅢp 图2 DVR完全补偿策略相量图 Fig．2 DVR phasor diagram for voltage sag 万方数据 电 力 系 统 自 动 通过分析可知，补偿相量U 的幅值己， 。 和相 位 分别为 ： U 。 一~／u +UL一2U。U fCOS 。 (1) f_arccos( ) 。 comp — larccos( ) <。 (2) 式中：U 为系统电压；U 为系统参考电压； 为系 统电压跌落后的相移 。 完全补偿策略可 以令风电机组机端电压在故障 前后的幅值和相位均无变化。作为最理想的补偿策 略 ，完全补偿策略要求有较大 的装置极限补偿 电压 作为支撑 。 3 LVRT-DVR控制方法 3．1 LVRT-DVR投切策略 电网电压跌落故障在大多数情况下持续时间较 短，继电保护装置会迅速将故障线路切除，电压随之 恢复正常。本文装置中采用静态开关柜，正常工作 状态下静态开关柜导通，LVRT—DVR旁路，检测到 故障后静态 开关柜迅速动作 ，将 LVRT—DVR串联 接人，实现补偿。这样的方式大大减少了对 LVRT—DVR电力 电子器件 的损耗 ，延长 了 LVRT— DVR的寿命。 如图 3所示，静态开关柜由 2个反向并联的晶 闸管组成，晶闸管本身的特性决定了其无法通过门 级控制立即关断，必须等到系统电压下一个过零点， 这对 LVRT—DVR补偿的及时性提出了挑战。 图 3 LVRT-DVR单相等效电路图 Fig．3 Single-line circuit diagram of LVRT-DVR 本文通过对逆变器控制方法的改进，解决了这 一 问题，即利用 LVRT—DVR逆变器，在检测到故障 的第一 时刻，在 晶闸管两端形成一个持续时 间 1 ms，且与当前导通晶闸管 电流方向相反 的电压 ～ 34 一 时，强制晶闸管迅速关闭 ，令 LVRT-DVR进人补偿 模式。图中： Sc 为晶闸管电流；i。为系统电流；iⅡ 为 低通滤波电感电流；i 为低通滤波电容电流； 。为 风电机组机端电压；‰ 为 LVRT—DVR逆变器输出 电压；“c为滤波电容两端电压 ； 为电感电压 。 图 4给出了反压控制的流程 图。 I检测出电网电压跌落 J ifiSCR>0 控制输出‰ <0 else ifiSCR<0 控制输出 uin >0 I I静态开关柜被关断； IDvR完全补偿控制启动 图 4 反压控制流程 Fig．4 Flow chart of anti-voTtage control ill- }-io ： im 。 ㈤ uoI in．J PI：比例．积分；SPWM：正弦脉宽调制 图 5 LVRT-DVR控制原理框 图 Fig．5 LVRT-DVR control block diagram 3．3 动态刹车电阻器控制策略 在不考虑损耗的情况下，发电机输出的电磁功 万方数据 · 绿色电力自动化 · 洪芦诚，等 基于动态电压调节器的风电机组低电压穿越策略 率 P 和风电机组的并网功率 P a满足如下的功率 平衡方程 ： P 一 P 一 1 2 4 式 中：C为直流母线电容。 在稳态 时，P 一P d，直流母线 电压 也 稳 定。当电网电压跌落，LVRT—DVR进入工作模式 后，风力发电机产生的功率将通过 LVRT—DVR进 入电网，而 LVRT—DVR输人端与输出端的电压差， 将会产生不平衡功率 Pov ： PDvR— Pgen— Pgnd (5) 由式(4)可知，不平衡功率 P。、， 将导致直流母 线电压 如上升。当直流母线电压超过电容的耐压 值，就会损坏 LVRT—DVR设备。本文采用了在直 流母线电容两端并联动态刹车电阻器 的方法，及时 消耗多余的功率，保持直流母线电压 a 的稳定。 由于增加 了动 态刹车 电阻器 ，LVRT—DVR与 传统 DVR在运行方式上有着显著的区别。传统 DVR的作用对象是敏感负载，其控制目标是在电网 电压跌落的情况下维持敏感负载端 电压的稳定 ，所 以当电网电压发生跌落时，功率分别通过 DVR的 逆变侧和整流侧向负载提供。LVRT-DVR的作用 对象是风电机组，其控制 目标是在电网电压跌落的 情况下维持风电机组机端电压正常，并且消耗多余 的功率，显然 LVRT—DVR逆变器端 口吸收的功率 必然大于其送出的功率 ，其不控整流侧在设 备正常 工作的情况下不需要传递功率 。 动态刹车电阻器通过滞环控制将直流母线 电压 维持在 0．54～0．65 kV，同时不控整流侧 隔离变 压器的变比设定为 0．69 kV／o．35 kV，通过简单的 计算(0．35 kV×√2一o．495 kV 出面 万方数据 电 力 表 统 自 动 人正常工作模式。仿真表明，在 当前的控制方法下， LVRT—DVR的动态响应时间在 3 ms以内。 图 9给出了电压跌落前后 FSIG输出有功功率 和输入电网有功功率的波形。 童 幽 衄 图 12 补偿后 FSIG机端三相 电压波形 Fig．12 Stator three-phase voltage waveforms of FSIG after compensation 图 9 FSIG输 出功率与输入 电网功率 比较 Fig．9 Comparison between power of FSIG 5 实验结果 and power absorbed by grid 故障期间 ，FSIG输 出的功率无 法完全 送入 电 网，出现了功率不平衡，这部分过剩的功率通过 LVRT—DVR的动态刹车 电阻消耗 ，如 图 1O所示 。 过剩的功率导致直流母线电容电压上升 ，通过对刹 车 电阻 的滞环控制，直流电容电压可以控制在 520～65O V之 间 。 童 图 10 LVRT-DVR直流母线 电压 波形 Fig．10 DC-link voltage of LVRT-DVR 4．2 三相电压跌落 图 11和图 l2给出了电网电压不对称跌落工况 下 ，电网侧 电压 和 FSIG 机端电压波形 。三单相 的 结构使得装置能够有效应对电网各种故障所导致的 电压跌落工况。 图 11 电网侧三相电压波形 Fig．1 1 Three-phase voltage waveforms of power grid 为进一步验证该装置的

工程

路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理

实用性 ，建立 了由 异步发电机 、电压跌落发生器及 LVRT—DVR装置 组成 的实验平 台。实验平 台电压等级为 400 V，发 电机额定功率为 40 kW。附录 B图B1即为电压跌 落装置以及 LVRT_DVR装置。 利用 电压跌落发生器可 以实现 2O ，50 ， 9O 程度 的单相 、三相平衡乃 至三相不平衡电压跌 落 。由于篇幅 限制 ，且 LVRT—DVR采用三单 相结 构，故仅在附录c中给出单相 5O 和单相 9O 程度 跌落工况下的实验波形。 通过实验波形可 以证实 ，在 电网电压跌落 5O 和 9O 的工况下 ，LVRT-DVR 的响应 时间在 3 ms 之内，表现出了良好的动态特性；其补偿效果也体现 了装置 良好的稳态性能，在电压跌 落期 间对发电机 机端电压起到了很好的维持作用 ，实验 中发 电机并 未脱网。 6 结语 近年来风电发展迅速，其占系统的比重逐年攀 升，当电网故障导致风电机组机端电压跌落时，如果 为了保护设备 ，允许大规模风电机组解列 ，机组将失 去对电网的电压支撑能力，严重时会导致连锁反应 ， 对 电网的稳定运行造成恶劣影响。因此 ，开展有关 增强风电机组 LVRT能力的研究显得尤为重要。 本文设计的 LVRT—DVR可以在发生电压跌落 时隔离风电机组和电网，保持机端正常电压，辅助风 电机组实现 LVRT。 参 考 文 献 [1]CHOMPOOqNWAI C，LEE W J，FUANGFO0 P，et a1． System impact study for the interconnection of wind generation 吾 脚 ∞ 印 印 。 印 版 刊 出 本 见 印 m ∞ 万方数据 · 绿色电力自动化 · 洪芦诚，等 基于动态电压调节器的风电机组低电压穿越策略 and utility system[J]．IEEE Trans on Industry Applications， 2005，41(1)：163—168． E2]迟永宁，刘燕华，王伟胜，等．风电接人对电力系统的影响EJ]．电 网技术 ，2007，31(3)：77—81． CHI Yongning，LIU Yanhua，W ANG W eisheng，et a1．Study on impact of wind power integration on 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defense framework time-space conditions applicable for highly—centralized optimization system should be taken into full consideration，the conceptual design of a large comp1ex closed—loop system control framework should not be solely based on highly—centralized optimization，other methods of not relying on system modeling accuracy should be developed besides consistently improving modeling accuracy，time-space distributed decision—making should be used to share risks of wrong decisions due to uncertainties，the role of engineers in the decision-making process shouId be emphasized and on-tine verification of the adaptability of emergency control decisions should be widely used，flexibility of control obj ectives should be considered to avoid seeking simultaneous satisfaction of multi optimal man_made objectives and risk based concept should be used to coordinate on—line and off-line pre_decisioI卜making，and further research into decision support technology of manual emergency control should be conducted． This work is supported by State Grid Corporation of China． Key words：closed—loop control；security defense；uncertainties；centralized optimization (上接第 37页 continued from page 37) Low Voltage Ride Through Strategy for W ind Turbine Systems Using Dynamic Voltage Restorers HONG Lucheng ．WEJ Yingdong ，JIANG Qirong ，WANG Zhiyong (1．Tsinghua University，Beijing 100084，China； 2．Beijing Sound—Puhua Technology Co．Ltd．，Beijing 100086，China) Abstract：W ith the penetration level of large—scale grid—connected wind farms increasing year by year，low voltage ride through (LVRT)capability is required by many countries for power quality and fail—safe operation of grid faults．A new dynamic strategy using dynamic voltage restorer(DVR)is proposed to improve LVRT capability of wind turbine generators(WTGs)． During the voltage dip，DVR will be connected in series between grid and the generator by opening the static switch cabinet． And the power balance between grid and generator is achieved by using the dynamic braking resistor of DVR．In order to increase the response speed of DVR，anti-voltage technology is used to make the thyristor control rectifier in static switch cabinet shutting off immediately．PSCAD／EMTDC simulations and experiments are carried out to prove the effectiveness of the proposed technique． Key words：wind power；induction generator；voltage sag；dynamic voltage restorer(DVR)；low voltage ride through(LVRT) 一 53 — 万方数据 基于动态电压调节器的风电机组低电压穿越策略 作者： 洪芦诚， 魏应冬， 姜齐荣， 王志永 作者单位： 洪芦诚,魏应冬,姜齐荣(清华大学电机系柔性输配电系统研究所,北京市,100084)， 王志永(北京三得普华科 技有限责任公司,北京市,100086) 刊名： 电力系统自动化 英文刊名： Automation of Electric Power Systems 年，卷(期)： 2011,35(16) 参考文献(21条) 1.MOLINAS M;VAZQUEZ S;TAKAKU T Improvement of transient stability margin in power systems with integrated wind generation using a STATCOM:an experimental verification 2.SU C;JOOS G Series and shunt active power conditioners for compensating distribution system faults 3.CHOI S S;LIB H;VILATHGAMUWA D M Dynamic voltage restoration with minimum 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14.ABDEL-BAQI O;NASIRI A A dynamic LVRT solution for doubly fed induction generators 2010(01) 15.IBRAHIM A O;NGUYEN T H;LEE D C Ridethrough strategy for DFIG wind turbine systems using dynamic voltage restorers 16.姚骏;廖勇;庄凯 电网故障时永磁直驱风电机组的低电压穿越控制策略[期刊论文]-电力系统自动化 2009(12) 17.OTTERSTEN R;PETERSSON A;PIETILAINEN K Voltage sag response of PWM rectifiers for variable-speed wind turbines 2004 18.朱晓东;石磊;陈宁 考虑Crowbar阻值和退出时间的双馈风电机组低电压穿越[期刊论文]-电力系统自动化 2010(18) 19.MORREN J;de HAAN S W H Short-circuit current of wind turbines with doubly fed induction generator[外文期刊] 2007(01) 20.贺益康;周鹏 变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述[期刊论文]-电工技术学报 2009(09) 21.CHOMPOO-INWAI C;LEE W J;FUANGFOO P System impact study for the interconnection of wind generation and utility system [外文期刊] 2005(01) 本文读者也读过(8条) 1. 王宾.董新洲.潘贞存.薄志谦.WANG Bin.DONG Xinzhou.PAN Zhencun.BO Zhiqian 含风电接入配电系统电压跌落传播特性分析[期刊论 文]-电力系统自动化2011,35(10) 2. 王宾.董新洲 风电场电流保护动作特性等价低电压穿越容量性能分析[期刊论文]-电力系统自动化2011,35(24) 3. 郑海涛.魏应冬.姜齐荣.洪芦诚.ZHENG Hai-tao.WEI Ying-dong.JIANG Qi-rong.HONG Lu-cheng 基于动态电压调节的风电场低压穿越 设备研制[期刊论文]-电力电子技术2012,46(3) 4. 刘胜文.包广清.范少伟.LIU Sheng-wen.BAO Guang-qing.FAN Shao-wei PMSG无功控制和低电压穿越能力的研究[期刊论文]-电力系统 保护与控制2012,40(2) 5. 卢锴.张尧.倪伟东.夏成军.LU Kai.ZHANG Yao.NI Wei-dong.XIA Cheng-jun 电网电压跌落时双馈风力发电系统的改进控制策略研究 [期刊论文]-电力系统保护与控制2012,40(11) 6. 姚骏.陈西寅.夏先锋.廖勇.黄嵩 含飞轮储能单元的永磁直驱风电系统低电压穿越控制策略[期刊论文]-电力系统自动化2012,36(13) 7. 谢小荣.刘平.张仁伟.白恺.王征.高洵.王辉 托克托电厂阻塞滤波器引发机组异步自励磁的分析[期刊论文]-电网技术2012(4) 8.