電網故障情況下風力發電系統控制策略研究

張欣 高騫

1、江蘇省電力公司調度控制中心，江蘇 南京 210024

2、江蘇省電力公司發策部，江蘇 南京 210024

電網故障情況下風力發電系統控制策略研究

張欣1高騫2

1、江蘇省電力公司調度控制中心，江蘇 南京 210024

2、江蘇省電力公司發策部，江蘇 南京 210024

在當今世界各種風力發電技術中，變速恒頻風力發電技術因具有風能利用率高的特點而逐漸成為風電技術的主流。由于風電裝機容量的增大，使電力運營商對風力機組的并網提出了更高的要求，其中最關鍵的即是風電機組的低電壓穿越能力。本文在分析了現行風電機組并網導則的基礎上，首先對雙饋異步風力發電機組在電網電壓跌落情況下的運行狀況作理論分析，提出采用Crowbar電路來保護轉子勵磁電源和發電機本身的方案。然后在MATLAB/Simulink建立的風電場模型中進行仿真以驗證其有效性。仿真結果表明，該電路可以有效限制電壓跌落時轉子回路產生的最大電流，保證系統各元件的安全，同時也證明了故障期間風電機組控制策略的有效性。

風力發電；變速恒頻；低電壓穿越；Crowbar電路

引言

目前，運用于并網的風力機組主要是雙饋異步電機，由于此電機變流器容量僅占系統容量的1/3左右，所以很易受系統電壓波動的影響。在電網電壓跌落嚴重情況下，風電機組會因自保而脫網。在某些歐洲國家，風力發電所占電網的容量已高達20%[1]。如果風力發電機組在電網故障期間不具備故障穿越能力，在故障期間全部脫網，則將因為輸出功率和負荷功率的嚴重不平衡，導致電網崩潰。因此，很多國家的并網導致對風電機組的并網要求也越來越高，要求風力發電機組在電網電壓跌落的情況下具有不脫網運行的能力以及提供電壓支持的能力[2]-[4]。

本文以MATLAB/Simulink建立的風電場模型為基礎,在分析了電壓跌落情況下雙饋異步電機的運行狀況和Crowbar電路的保護原理后,進行多種情況下的仿真，以此證明該方案的有效性。

圖1 E.ON標準中規定的電壓跌落曲線

1 風力發電系統并網運行標準

圖1描述了德國電力運營商制定的風電機組低電壓穿越規則曲線。這個標準中的電壓輪廓線是針對于風電場并網點的電壓而言。電壓跌落前,風電場并網點電壓維持在額定水平。0s電網發生短路故障引起電壓跌落,當電壓不低于額定電壓的15%時，在625m/s時間范圍內，風電場必須保持并網運行；另外當風電場并網點電壓在電網故障后3s時間內能夠始終高于圖中電壓輪廓線，并在3s后恢復至額定電壓的90%以上，此過程中風電場必須保持并網運行。

2 電網故障期間風機運行分析

雙饋異步電機的定子端通過升壓變壓器直接掛網。因此，電網電壓的跌落亦即定子端電壓的跌落。根據電路分析疊加原理，定子三相電壓對稱驟降的過程可以看作在定子端突然施加一組與原電壓方向相反，幅值為跌落幅值電壓的過程。由于轉子電壓并不影響雙饋異步電機在定子電壓跌落情況下的響應情況，因此轉子回路被視為短路。據文獻[5]的理論計算可知，在電網電壓跌落情況下，發電機定子一相電流可表達如式（1）所示。

式中，XS表示定子電抗；Tr′表示瞬態常數；ωr表示轉子旋轉電角度。

由推導的數學模型可以看出，定子故障暫態電流受電壓跌落幅值、時刻和發電機定轉子電感、電阻的影響。由于雙饋異步電機在運行時刻轉子電流小于定子電流，因此改變發電機轉子電阻的方案更加合理和易于實現。因此，在電網電壓驟降時，增加發電機轉子電阻可以有效抑制暫態故障電流的大部分交流分量，以使變流器正常工作，使雙饋異步發電系統具有低電壓穿越的能力。

3 Crowbar電路功能及型號

Crowbar保護電路技術即通常意義上的轉子短路保護技術。目的在于當檢測到電網系統出現電壓跌落時，立刻投入轉子回路旁路保護裝置，為轉子側電路提供旁路，達到限制通過勵磁變流器的電流和轉子繞組過電壓的作用以此來維持雙饋電機不脫網運行。目前典型的，Crowbar電路如下[6]：

（1）混合橋型Crowbar電路，每個橋臂由控制器件和二極管串聯而成。

圖2 混合橋型Crowbar

（2）IGBT型Crowbar電路，各橋臂由兩個二極管串聯，直流側串入一個IGBT器件和一個吸收電阻。

圖3 IGBT型Crowbar

（3）旁路電阻型Crowbar電路，出現電網電壓跌落時，通過功率開關器件將旁路電阻連接到轉子回路中，這就為電網故障期間所產生的大電流提供了一個旁路，從而達到限制大電流，保護勵磁變流器的作用。

圖4 旁路電阻型Crowbar

4 仿真研究

本文仿真是基于圖5所示的恒風速的風電場并網系統。風電場總裝機容量為9MW ,包含6臺1.5MW風電機組,機端并聯電容器組;機組通過機端升壓變壓器升壓到25kV,匯集后經過一輸電線路后，再由T1升壓到120 kV。在本仿真實例中，風電場由6臺1.5MW的風電機構成。為計算方便，額定容量選為10MW,定子額定電壓575V,旁路電阻取值為0.9pu,即0.03左右。

圖5 風電場并網仿真模型

4.1 參數設置

雙饋異步電機參數表如下：

表1 電機參數表

4.2場景仿真

系統仿真步驟簡述如下:仿真系統從t=0開始運行，輸入風速為12 m/s,在0～0.4s期間風電機組運行逐步趨于穩定。在t=0.4s時,設定接入風電場的母線電壓發生三相對稱短路故障，按照德國電力公司E.ON標準，電網電壓跌落至0.15pu，故障持續時間為625m/s。為討論低電壓保護策略的有效性，仿真在兩種情況下進行，以作對比。情況一：在檢測到電壓跌落時，不作任何保護措施，既不投入Crowbar保護電路，也不封鎖轉子側變換器，直到仿真進行完畢；情況二：在檢測到電壓跌落時，立即封鎖轉子側變換器的驅動脈沖，同時接入轉子旁路保護電阻，發電機轉入異步電動方式繼續運行。在t=1.025s時故障被排除，電網電壓恢復至正常值，在檢測到電壓恢復后立即切除轉子旁路保護電阻，并給予轉子側變流器驅動脈沖，使其重新控制發電機使其恢復正常運行。圖2～5及表1中有功為正表示定子輸出有功，無功為負表示定子吸收滯后無功，電磁轉矩為負表示為制動轉矩。

電網電壓驟降下無Crowbar保護時的各參量動態響應曲線如圖6所示。

由圖6可見，在電網電壓幅值驟降的情況下，若不采取任何保護措施，雙饋異步電機的轉子電流峰值可達到正常運行時的3～4倍，這將對轉了繞組尤其是轉子側變流器產生極大的危害。而且，電磁轉矩T劇烈振蕩，其幅值達到額定值的2倍以上，對風電機組轉軸系統產生很大的機械應力沖擊。從圖中可以明顯看出，在電網電壓跌落和回升時刻，各電流參量，以及電磁轉矩都會產生高于正常時數倍的沖擊值，這將對機組本身產生嚴重的危害。同時可以看出，直流母線電壓在電網電壓恢復后不能穩定在1200V,而是逐步增加，一直上升到額定值的3～4倍，峰值幾乎達到4000V,這將致使電容器嚴重過壓而燒毀；電磁轉矩在正負值之間正弦變化，且振蕩幅值不斷增加，這將對風電機組的機械系統造成更大的損害。此外，由于電網電壓跌落程度很大，達到了85%，由響應曲線可知，在故障排除后，風電系統發生失步振蕩，有功功率不能達到恒定輸出，無功功率也不能穩定在給定值；結合相關文獻和以上響應曲線可知，在電網電壓跌落較小時，風電系統自身具有抵御故障的能力；在跌落程度較大時，系統失去了恢復能力。這也說明了加入Crowbar保護電路的必要性。

圖6 不采用Crowbar時各電量動態響應曲線

5 結論

本文在對風電機組的并網導則和雙饋異步電機在電網故障下的運行情況做詳細理論分析的前提下，提出了運用轉子短路技術來保護轉子勵磁電源和發電機本身，并同時實現機組本身的低電壓穿越。經實例仿真可以得出如下結論:⑴在電網電壓深度跌落情況下，加裝Crowbar電路的風電機組能很好的保護機組本身并實現低電壓穿越；⑵適當增加定、轉子的漏感和互感有助于提高機組的故障運行能力；⑶保護電阻的選擇應首先保證避免轉子過電流，然后再考慮避免轉子過電壓。

[1]閆廣新，李江，張鋒，等.變速雙饋風電機組低電壓穿越功能仿真[J].電網與清潔能源.2009,25（6）：49-52

[2]PETERSSON A , LUNDBERG S , THIRINGER T. A DFIG wind-turbine ride-through system influence on the energy production. Wind Energy, 2005, 8(3): 251-263

[3]MORREN J , DE HAAN W H S. Ride through of wind turbines with doubly-fed induction generator during a voltage dip. IEEE Trans on Energy Conversion , 2005, 20(1): 435-441

[4]胡家兵,孫丹,賀益康.電網電壓驟降故障下雙饋風力發電機建模與控制[J].電力系統自動化.2006,30(8):21-26

[5]李建林,許洪華.風力發電中的電力電子變流技術[M].機械工業出版社.2008:176-180.

[6]臧曉笛.幾種雙饋式變速恒頻風電機組低電壓穿越技術對比分析[J].變頻器世界.2008,(5):41-45

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.22.001

張欣，男，工程師，江蘇省電力公司調度控制中心調度值班長，主要從事電力系統調度工作。

高騫，男，工程師，江蘇省電力公司發展策劃部，主要從事電網規劃研究。