基于Crowbar的雙饋異步風力發電系統低壓穿越的仿真與分析

王 佳， 章躍進

(上海大學，上海 200072)

0 引言

作為節能環保的新能源，風力發電前景看好。隨著風電裝機容量在電力系統中所占比例的不斷提高，其可靠性已不容忽視［1］。許多國家制定了接入電網風電系統運行的各項標準，其中就包括低壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)［2］，即當電網故障或擾動引起風電場并網點電壓跌落時，在一定電壓跌落范圍內，風電機組能夠不間斷的并網運行。

在所有風電系統中。雙饋風力發電機(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)應用最為廣泛［3］，其優點為只有部分功率流過勵磁變頻器，有功、無功可單獨調節。但是，正是由于變頻器容量較小，使得它對電網故障非常敏感［4］。

在各種電網故障中，三相對地短路最為嚴重，電網故障會導致轉子側過流、過壓，電機轉矩、轉速發生突變等一系列問題。

當電網故障不嚴重時，可以通過改變定、轉子控制策略來實現LVRT。文獻［5-6］通過控制轉子電流抵消定子磁鏈直流分量的影響，來提高LVRT的能力。文獻［7］在原有控制系統中加入了靜止同步無功補償(Static Synchronous Compensator，STATCOM)動態調節并網風電場的無功功率，實現雙饋電機的LVRT。

當出現嚴重的電網故障，僅改進控制策略已難以控制過壓、過流［8］。本文在轉子側加入Crowbar電路，在過流時觸發開關，將轉子側變頻器旁路從而保護電力電子器件。在此基礎上，討論了不同切除時刻對系統的影響。同時，在雙饋電機逐漸向兆瓦級及更高功率發展時，本文運用仿真比較Crowbar電路在不同功率等級系統中的性能。

1 變速恒頻雙饋發電系統

DFIG在結構上類似繞線式異步電機，具有定、轉子雙套繞組，可以從定、轉子兩側回饋能量，兼有同步發電機和異步發電機的特點，控制靈活性好，具有較強的調節能力［9］。

DFIG系統運行原理如圖1所示，主要由風力機、齒輪箱、雙饋異步發電機、雙脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)以及變壓器組成。DFIG定子繞組并入工頻電網，轉子繞組通過雙PWM變頻器與電網相連，成為一個頻率、幅值、相位均可調的三相變頻電源。

圖1 變速恒頻雙饋發電機運行系統

式中:f1——定子頻率;

f2——轉子頻率;

n2——跟隨風機不斷變化的轉子轉速;

p——極對數。

根據式(1)所示，可以通過控制轉子側勵磁頻率，在風速不斷變化的過程中，保持定、轉子磁鏈在空間位置上的相對靜止，達到定子側電壓幅值、頻率與電網始終保持一致的目的。

2 DFIG電網故障時的瞬態分析

變速恒頻風力發電機實際上可認為是一個三端口能量轉換系統，軸端輸入機械能，定子向電網輸出電能，轉子的能量流向則由發電機的運行狀況決定。當s＞0時，轉子側通過變頻器電源向定子側供電，當s＜0時，轉子側向電網反饋能量，功率流動關系如圖2所示。

式中:Pwind——風機輸入的機械功率;

Pr——轉子輸入或輸出的功率;

Ps——定子向電網輸出的功率;

P損耗——功率損耗。

圖2 功率流動關系

根據雙饋電機數學模型及定子磁鏈定向的矢量控制策略，忽略渦流損耗及鐵耗，設定在dq軸坐標系下的Uds和ids為0則可以得到dq軸坐標系下的電壓電流基本方程:

式中:Rs、Rr——定、轉子繞組電阻;

Ls、Lr、Lm——定、轉子等效自感及等效互感;

Uds、Uqs、Udr﹑Uqr——分別為定、轉子電壓dq軸分量;

ids、iqs、idr、iqr——分別為定、轉子電流dq軸分量。

將式(3)、式(4)代入式(2)并整理，可得到風機輸入功率與定子電流的關系:

當電網三相短路故障時，電壓跌落嚴重，Uqs迅速減小，但轉速及軸上風機輸入的機械功率依然保持不變，則在電網故障的瞬間造成能量過剩，必將導致定子側電流變化。此時根據磁鏈與電壓的關系可知，定子磁鏈將減小。根據磁鏈守恒原理，定子側將產生感生電流來阻礙由于電壓跌落導致的磁鏈變化，定子磁鏈將產生呈指數衰減的暫態直流分量，如式(2)所示。由于電機定、轉子繞組磁鏈間的強耦合作用，定子磁鏈暫態直流分量將會由于電機轉子自身的高速旋轉，切割轉子產生感生旋轉電勢，導致轉子側過流、直流母線過壓，從而破壞電力電子器件。

式中:φ's——發生故障時的定子磁鏈;

φs——故障前電子磁鏈;

φsdc——產生的磁鏈直流分量。

電網電壓恢復時，定、轉子繞組又將經歷一個與之相反的逆過程，因此在電網電壓跌落恢復時，轉子側同樣會產生過壓、過流。如圖3、圖4所示，電機進入穩態后0.5 s時刻，電網電壓跌落并持續0.2 s后清除，其仿真結果與理論分析完全一致。

究其本質是由于風能過剩，導致磁鏈變化，而在電壓跌落瞬間，磁場不能突變。這一電磁振蕩過程劇烈程度和持續時間由電機參數、跌落深度、跌落前的轉速等因素共同決定［10］。

圖3 電網故障定子電壓波形

3 變速恒頻雙饋發電系統的建模仿真

3．1 變速恒頻雙饋異步發電系統

圖4 電網故障轉子電流波形

本文采用定子磁場定向的空間矢量控制技術，在實現了最大風能追蹤控制的同時，采取功率解耦控制，以便獲得任意功率因數的電能來滿足電網要求，使變速恒頻雙饋異步風力發電機系統能夠靈活、高效地運行于各種不同的風速場合。變速恒頻風力發電機并網控制系統如圖5所示。

圖5 變速恒頻雙饋風力發電控制系統

3．2 運用Crowbar電路的LVRT仿真模型

本文將在上述控制系統中模擬LVRT。Crowbar電路如圖6所示。當電網發生故障，則上述控制系統的穩態平衡將被打破。當電網發生大值跌落時，風力機由于慣性較大，變槳矩系統不能快速調節，導致捕獲的風能過剩，這部分多余能量如不及時消耗，則必將對整個系統乃至整個電網的穩定安全運行造成影響。

圖6 Crowbar電路

本文采用可以在任意時刻切斷轉子回路的主動式Crowbar保護電路，為電網電壓跌落期間，風機所捕獲的多余能量提供釋放通道。Crowbar保護電路由三相二極管整流橋、可關斷器件IGBT及旁路電阻組成，通過檢測轉子側過電流，來控制Crowbar電路的開通與關斷，以此在電網大值跌落時，保護電力電子器件。

為驗證Crowbar保護電路的有效性，選擇額定功率為15 kW雙饋電機:定子電阻0.379 Ω、定子漏感0.001 1 H、轉子電阻0.314 Ω、轉子漏感0.002 2 H、勵磁電感 0.042 7 H、轉動慣量0.39 kg·m2;以及額定功率為1.25 MW雙饋電機:定子電阻0.003 09 Ω、定子漏感0.020 16 H、轉子電阻0.020 16 Ω、轉子漏感0.040 462 H、勵磁電感0.901 5 H、轉動慣量87 kg·m2的2臺雙饋電機來進行對比仿真。

在電機發生三相對稱故障時，投入轉子Crowbar保護電路，討論三種不同切除時刻方案對系統LVRT性能的影響。隨著電機容量不斷增加，本文就Crowbar電路在兩種功率等級系統中的性能進行比較，其中旁路電阻的選擇參考文獻［11］，按照相同規律選取。

3．3 不同切除時刻的Crowbar電路LVRT性能

在電機發生三相對稱故障時，電網電壓跌落80%，并且持續0.2 s故障時間。當檢測到電網系統故障，轉子側過流1.2倍時投入轉子Crowbar保護電路，并且比較三種不同切除時刻對LVRT性能的影響:切除時刻為故障后10 ms、15 ms、20 ms。

根據圖7仿真結果可知:無論是哪個切除時刻，Crowbar電路都能有效抑制LVRT期間，由于捕獲多余風能而造成的轉子側過壓、過流，仿真驗證了Crowbar電路的有效性。在電壓跌落80%時，Crowbar電路將轉子短接，為多余能量提供了釋放回路，很好地保護了電力電子器件，保證了電網故障期間，雙饋電機依然可以并網運行。

其次，根據圖7和表1比較不同切除時刻Crowbar電路對LVRT性能的影響。對于轉子d軸電流而言，越早切除Crowbar保護電路，即投入Crowbar保護電路的時間越短，可以避免在切除時刻電路由于要吸收更多的無功功率，而再一次的導致轉子側過電流。對于轉子q軸電流而言，不同切除時刻，對其影響不大。從中也看到直流母線電壓在切除時刻的波形，隨切除時刻越晚則過沖越小，這是由于Crowbar投入時間越多，則消耗掉的多余能量也越多，切除時對變頻器的影響就會越小。因此，其切除時刻要綜合考慮各方面的因素，鑒于大多數電力電子器件具有一定的耐壓能力，因此Crowbar的切除時刻應將過流因素放在首位，盡早切除。

圖7 不同切除時刻DFIG各項波形

表1 不同切除時刻電流電壓比較

3．4 不同功率等級系統中Crowbar電路LVRT性能的比較

分別選取額定功率為15 kW及1.25 MW的2臺雙饋電機，Crowbar電路形式相同，旁路電阻按照相同規則選取。電網電壓跌落至20%，并且持續0.2 s。根據以上分析，切除時刻定為故障后10 ms。1.25 MW雙饋電機系統中各項LVRT特性如圖8所示。

圖8 1.25 MW雙饋電機系統中各項LVRT特性

從上述仿真結果可看出，隨著電機功率的上升，Crowbar電路對低壓穿越時的過流過壓抑制作用逐步降低。一方面由于電機功率上升，風力機功率也隨之增大。當電壓跌落時，需要依靠Crowbar旁路電阻消耗的功率增大，在短時間內難以快速消耗，并且在機艙有限空間內，電阻發熱嚴重。另一方面，電機功率等級上升后，體積質量增大，導致轉動慣量增大。在電壓下降的瞬間，電機狀態不宜改變，Crowbar電路的抑制作用比起轉動慣量較小的電機，抑制效果下降，實際應用應與控制策略結合來更好地實現LVRT。

4 結語

通過以上分析，證明了Crowbar電路的有效性。在電網電壓瞬間驟降后，將雙饋發電機轉子短路，防止發電機轉子回路的浪涌電流流入變頻器，實現了對變頻器的保護。同時，阻止了能量從發電機轉子傳遞到直流母線中，有效抑制直流母線電壓的升高。對于其切除時刻，應該將過流放在首位，盡早切除Crowbar電路。隨著雙饋電機不斷的向更大功率發展，Crowbar電路可能需要與定、轉子控制策略共同作用，來更好地實現LVRT。

［1］肖盛，張建華，郭世繁，等.并網雙饋風電機組低電壓穿越能力研究［J］.電網與清潔能源，2010，26(2):69-73.

［2］Seman S，Niiranen J，Kanerva S，et al.Performance study of a doubly fed wind-power induction generator under network disturbances［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21(4):883-890.

［3］Ledesma P，Usaola J，Doubly fed induction generator model for transient stability analysis［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2005，20(2):388-397.

［4］蔣衛宏.基于Crowbar控制的DFIG風電機系統低壓穿越運行［J］.制造業自動化，2008，30(10):104-108.

［5］蔚蘭，陳國呈，曹大鵬，等.電網對稱故障時雙饋感應發電機低電壓穿越控制［J］.電機與控制學報，2010，14(7):1-6.

［6］李廣博.雙饋感應風力發電機組低壓穿越特性研究［D］.沈陽:沈陽工業大學，2009.

［7］范高鋒，遲永寧.用 STATCOM提高風電場暫態電壓穩定性［J］.電工技術學報，2007，22(11):158-162.

［8］胡家兵，賀益康.雙饋風力發電系統的低壓穿越運行與控制［J］.電力系統自動化，2008，32(2):49-52.

［9］劉其輝.變速恒頻風力發電系統運行與控制研究［D］.浙江:浙江大學，2005.

［10］Wang Yun.A review of research status on LVRT technology in doubly-fed wind turbine generator system［C］∥2010 International Conference on Electrical and Control Engineering，2010(11):4948-4953.

［11］周宏林，楊耕.不同電壓跌落深度下基于撬棒保護的雙饋式風機短路電流特性分析［J］.中國電機工程學報，2009，S1(29):184-191.