(西北农林科技大学水利与建筑工程学院电气141班 陕西咸阳712000)
摘要:本论文在阐述双馈风力发电机组的数学模型理论及其工作原理的前提下，同时对低电压穿越理论加以分析，基于2类被动式与主动式Crowbar电路来探讨有关crowbar电路的双馈异步风力发电机组低电压穿越能力的认识和了解。
关键词：crowbar电路，双馈异步，风力发电机组，低电压，穿越能力
1引言
在最近几年中，变速恒频风力发电的技术在快速地发展，风电机组单机的容量由最先的数十千瓦发展至兆瓦级机组，同时因为国家能源的需求日益递增，国家政策也非常地关注可再生型能源，数倍地递增新建设的风电场，其主要的构成以变速恒频的风电机组为主。在现实运作的过程中，变速恒频风力发电机组中的双馈感应发电机(Double—Fed Induction Generator，DFIG)又是其中占据了较大的比例。DFIG就转子一方采纳的是小容量的双PWM变流器加以并网，进而对励磁电流在幅值与相位加以改变，从而完成发电机组输出在有功与无功指标的单独性调节；根据DFIG的转子与定子内部所存在的励磁联系，通过变流器通过转差式功率即能够调节风力发电机组具体的转速，完成最大程度的风能捕获，加强风能的使用与转变的效率。但是，正因为采纳的是小容量的变流器，从而弱化了抵抗体系电压的跌落功能[1]。由于DFIG所占据的比例愈来愈大，其和电网相互内部的影响愈来愈重要。根据电网规程的新要求，若电网出现故障时，比如电压跌落于一定的范围内，风力发电机设备须与电网联系起来，同时，定子绕组内会出现不小的冲撞式电流。因为发电机定组与转子内部所存在的电磁耦合联系，还会造成转子侧的过流后果。而转子一边的电流会马上递增，从而造成直流一侧电压的递增，机侧变流器电流、有功与无功均会出现振荡现象，如果不在此时采纳必要的技术措施，电网即会切除DFIG体系。而DFIG的低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力也变成学术界一个重要的研究项目。本论文正是分析crowbar电路的双馈异步风力发电机组低电压穿越能力。
2双馈异步风力发电机组的数学模型及其原理分析
双馈异步风力发电机组属于绕线式感应的发电机，属于变速恒频风力发电机组的轴心组件，是一类典型性的发电机类型。它的定子绕组一般直接地和电网联系，转子绕组经由变流器和电网相连，其电源电压、频率、幅值与相位等基于运作要求通过变频器进行智能化的调节，机组能够于各种转速环境中进行恒频发电，从而与用电负荷与并网所需相匹配。因为采纳了交流式励磁，从而使得发电机与电力体系构建起“柔性相连”的格局，也就能够基于电网的电压与电流以及发电机转速等指标来确定励磁电流的具体数值，准确地调控发电机的输出电压，与提出的要求相吻合[2]。有关双馈风力发电机组的原理图及其等效电路图可依次参见下图1、图2所示：
图1 双馈风力发电机组工作原理示意图
图2 双馈风力发电机组等效电路图
假定：定子与转子都采纳的是电动机的惯例，当定子处于静止坐标系时，双馈风力发电机组对应的数学模型函数式表示如下：
在上述一系列式子中，V所表示的是电压，i所表示的是电流，所表示的是磁链，R所表示的是电阻，L所表示的是电感，所表示的是电角速度。同时，下标S所表示的是定子，r所表示的是转子参量；Cdc所表示的是直流母线电容，Udc所表示的是电压；Lls所表示的是双馈风力发电机低工资漏感，Llr所表示的是转子漏感，Lm所表示的是定转子互感。Pg所表示的是网侧变流器的输入功率，Ps所表示的是转子侧变流器所输入的功率。Te所表示的是双馈风力发电机电磁转矩，TL所表示的是双馈风力发电机组的机械转矩。Pn所表示的是极对数。
根据上式(4)能够推出如下的式子：
其中，上述式子中又有
3低电压穿越技术概论
低电压穿越（LVRT）指的是在风力发电机并网点的电压出现跌落时，风机可以维持并网的状态，甚至能够替电网提供确定的无功功率，支撑电网恢复至正常的状态，进而“穿越”此低电压的范围（或时间），是就并网风机于电压出现跌落时维持并网的一类确定的运行功能所提出的要求。各个国家区域所提出的具体LVRT要求存在着区别。那些以风力发电为主的国家诸如德国与丹麦等已陆续地确定了新式的电网运作规则，定量地提出了风电体系离开电网的要求（比如，电压处于最低状态时的跌落深度及其持续性的时间），仅仅在电压跌落至低于确定的曲线之后才能够让风力发电机脱离电网。若电压处于凹陷处时，发电机须供应无功的功率。此即要求风力发电体系凸显出一定的低电压穿越能力，且可以便捷地替电网供应无功的功率支撑[3]。然而当下的双馈型风力发电系统是否可以真正应对仍旧存在着争议尚有争议，至于永磁直接驱动型的发电机组类型则已经得到证明在此领域有显著的功能。
4基于对crowbar电路的双馈异步风力发电机组低电压穿越能力分析
在发电机与电力体系相连且出现三相对地短路的故障之际，电机定子与转子则会产生暂态的浪涌电流，相应的幅值则是额定电流值的2-3倍。若无法有效地阻抑此类暂态的电流，与电机转子联系的变流器即会由于过电流现象而停止运作。相应地，电机会因为难以掌控励磁电流而丧失有效掌控电磁的转矩数值。以后，发电机转速会于短暂的时间内出现迅速递增的现象。在处于风力发电机转速的极限状态时，即会影响刹车体系工作而造成电机终止运作，难以与日趋严格的电网在发电方面的要求相匹配。因而，须于原先在变压器内递增处理故障的设施——Crowbar电路，其于转子一侧的变流器被封锁的阶段可以阻抑制电机定与转子内暂态化的浪涌电流，进一步地获得在故障阶段依旧维持着风力发电机组处于并网运作的状态，规避风力发电机组与电网二者的隔离。有关Crowbar电路的主要结构包括2种被动式与1种主动式类型。其中，被动式的电路当电网出现故障时，变流器由于过电流而终止运作，从而触发并导通电路的晶闸管，重新开启电路，该电路能够促使双馈发电机的转子发生短路现象，规避由于变流器直流电压增强而对变流器造成损害。其不足在于：第一类被动式电路中的晶闸管在触发导通以后，会因为晶闸管半控的特性而难以切断导通电流造成终止运作，因而发电机组由于必须得到吸收体系内的无功功率终止运作；第二类被动式电路中的2对反并联晶闸管无法同步切断，从而致使系统的失衡后果。失衡运作会导致发电机有功无功电流解耦控制器功能出现严重的弱化，甚至导致发电体系电子转矩与发电机转速的震荡后果，也许会造成发电机与电网隔离，难以满足当下电力体系并网运作所需；主动式电路通过非控整流桥配置lGBT全控组件来构建起新式Crowbar电路。基于对IGBT触发信号的掌控能够调控发电机转子中的电流，从而完成阻抑发电机转子电流过大且可以于电网电压重新恢复状态时进入到变流器来掌控机组。它能够让DFIG体系获得LVRT的功能，确保电网处于安全运作的状态中。
5结语
从以上的分析可知，双馈异步风力发电机组具有自己的独特之处，同时有相应的数学模型及其工作原理。同时，本论文也简单地总结了低电压穿越的相关理论，并指出低电压穿越在双馈异步风力发电机组中的重要作用。最后，将上述二者结合探讨了对于crowbar电路的双馈异步风力发电机组低电压的穿越能力。
参考文献:
[1]潘庭龙，纪志成．变速恒频双馈风电系统的建模及运行特性分析[c]∥Chinese Control and Decision Conference，2015：296—300．
[2]苏平，张靠社．基于主动式IGBT型Crowbar的双馈风力发电系统LVRT仿真研究[J]．电力系统保护与控制，2015，38(23)：164—171
[3]闫广新，杨增强，李江，等．变速双馈风电机组低电压穿越功能仿真分析[J]．华东电力，2014，37(4)：0573-0576．
论文作者:刘伟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/14
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