雙饋感應風力發電機實現LVRT仿真研究

楊 普，孫麗玲，吳 娜

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003）

雙饋感應風力發電機實現LVRT仿真研究

楊 普，孫麗玲，吳 娜

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003）

在基于雙饋電機的并網風力發電系統中，一般采用附加轉子側撬棒電路的方法來實現低電壓過渡。當電網電壓發生嚴重短暫跌落故障時，可以同時附加直流側卸荷電路以更好地實現低電壓穿越。為實現低電壓運行，撬棒電阻值的選取至關重要。在考慮最大轉子故障電流和直流母線鉗位效應的雙重因素下，給出了雙饋式風電機組撬棒保護電阻取值約束式，并討論了DFIG附加兩種保護電路后具體的低電壓穿越控制策略。對2 MWDFIG風力發電系統進行仿真，結果表明，在選擇合適的保護電阻基礎上，通過對保護電路的合理控制，附加撬棒電路和直流側卸荷電路可以有效幫助DFIG實現低電壓穿越運行。

雙饋風力發電機；低電壓穿越；保護；主動式撬棒電路；直流側卸荷電路

0 引言

由于風能的特殊性以及風力發電裝機容量的不斷擴大，風電并網后對電網造成的影響越來越突出，并產生了一系列典型的風電并網問題［1］。在電網各種故障中，電壓跌落問題最為常見，導致的后果也最為嚴重［2］。如果風電機組不具備低電壓穿越能力，當電網電壓發生大值跌落后，將引發大量風電機組切除，導致局部電網發生有功缺額，對電網的穩定性和電能質量構成威脅，造成巨大損失。為此各國電力部門均對風電機組低電壓穿越能力提出了相應指標，要求當電網電壓發生跌落后，風電機組應具備在一定時間內保持不脫網運行并為電網提供一定動態無功支撐的能力［3］。為了風能發電能夠實現大規模并網應用，風力發電機必須具備低電壓穿越能力。

DFIG（雙饋式感應風力發電機）以其變流器容量較小、有功和無功可獨立解耦控制等特點在兆瓦級風電機組中得到廣泛研究和應用［4，5］。另一方面，正是由于變頻器容量較小，使其對電網故障非常敏感，自身難以實現低電壓運行。由于DFIG定子直接和電網相連，當電網發生故障時，電網電壓跌落直接反映為定子電壓的跌落，而定子磁鏈不能跟隨定子電壓突變，進而在定子側產生暫態磁鏈的直流分量，此電流直流分量切割旋轉的轉子繞組，在轉子側感生出較大的過電流和過電壓；同時，轉子側突生的大量能量流經轉子側變換器后，部分被網側變換器傳遞到電網，其余部分為直流母線電容充電，導致母線電壓快速升高威脅電容的安全［6，7］。因此要想實現低電壓穿越運行，必須要在電網發生大值電壓跌落故障時同時實現抑制轉子過電流和向電網提供無功支持兩個目標。文獻 ［8，9］通過對DFIG的傳統數學模型進行改進，并以此得出了新的控制策略，與傳統控制策略相比，此法實現了對故障電流的控制。當這種通過改進控制策略來幫助DFIG實現低電壓穿越能力的方法，只適合外部故障較輕的時候。當電網發生大值電壓跌落故障時，必須附加撬桿硬件電路來幫助DFIG機組實現低電壓穿越運行［6，7］。針對現在多種適合與DFIG的撬棒電路，文獻 ［10］對比了各自的優缺點，最后介紹了DFIG相關保護控制策略和新型旁路系統，但未給出具體控制方式及效果。文獻 ［11］采用了在轉子側附加撬棒電路的方法來實現抑制轉子過電流，并對撬棒電阻值的選取進行了理論推導，但沒考慮到直流母線鉗位效應的影響。文獻 ［12］指出在旁路保護電阻切除后控制轉子電流實現軟啟動，從而緩解了暫態電磁沖擊。但是，該文獻的Crowbar是用的晶閘管進行控制，不能主動切除Crowbar，失去了對DFIG在電網故障情況下的主動控制。同時，也有其他文獻對撬棒電路的LVRT（低電壓穿越）過程進行了仿真［13～15］，但這些研究著重于驗證在某些特定工作點附近撬棒保護電路的有效性，缺少對撬棒電阻選取的理論分析。

文章首先介紹分析了附加主動式撬桿保護電路和直流側卸荷電路的雙饋風力發電系統模型。在此基礎上，本文采用以IGBT （絕緣柵雙極型晶體管）為控制開關的主動式撬桿保護電路和直流側卸荷電路，深入探討了用于DFIG機組的撬棒電路保護電阻取值以及投切控制策略，最后搭建了附加轉子主動撬棒裝置的DFIG仿真實驗系統 （圖1所示），驗證了文中所提方案可以有效幫助雙饋風力發電機組實現低電壓穿越運行。

圖1 附加保護裝置的DFIG系統Fig.1 Schematic diagram of the simulated DFIG system with protection device

圖2 接入Crowbar電阻的DFIG等效電路Fig.2 Equivalent circuit of DFIG after the crowbar applied

1 雙饋感應風力發電機特性分析

為研究故障時DFIG的瞬態響應特性，首先需要建立相應的系統數學模型［16，17］。按電動機慣例，在同步旋轉dq0坐標系下DFIG的磁鏈方程為：

當電網發生故障時，電網電壓跌落直接反映為定子電壓的跌落，而定子磁鏈不能跟隨定子電壓突變，進而產生定子磁鏈暫態直流分量；與此同時，轉子側也會產生轉子磁鏈暫態直流分量。為了便于理論分析，假設在電網發生電壓跌落故障瞬間，轉子側立即投入Crowbar保護裝置，且DFIG轉子以同步轉速運行。此時可得到DFIG的等效電路如圖2所示。

圖中Rcb為Crowbar保護電阻，此時可簡單地認為DFIG處于異步運行。一般來說Rcb的阻值遠大于定轉子阻值。結合參考文獻 ［17］可知，此時三相短路時定轉子故障電流可以表示為：

2 轉子主動撬棒的設計與控制

當電網發生大值電壓跌落故障時，必須附加撬桿硬件電路來幫助DFIG機組實現低電壓穿越運行。為了維持對DFIG在電網故障情況下的主動控制，本文采用IGBT作為保護電路的控制開關。如圖1所示撬棒保護電路接在DFIG轉子側，直流側卸荷電路接在直流電容兩端，當系統故障引起電壓跌落時，立即關閉轉子側變流器并接通撬棒保護電路。

2.1 撬棒電路最優電阻的選取

電網發生電壓跌落故障時，撬棒保護電路投入運行以有效抑制轉子過電流并保護直流母線電容。電壓跌落深度越深，故障電流越大。為了協助DFIG實現低電壓穿越運行，撬桿保護電阻的取值至關重要，阻值太小不能有效限制故障電流，阻值太大將會使直流母線電壓過高擊穿電容。

式 （5）描述了故障電流和撬棒阻值的基本關系，考慮到實際工況設轉子最大安全電流為Isafe，由式 （5）可以得到下式：

然而隨著撬棒電阻的增大，DFIG的轉子端電壓也在增高，這將對轉子變流器的耐壓安全產生影響。當跌落故障較嚴重，必須考慮直流母線鉗位效應［18］。此時，如果過度增大撬棒電阻不但不能明顯改善過渡范圍，反而會增大RSC（轉子側變流器）續流二極管負擔。記直流母線電壓為Udcn，當轉子側撬棒線電壓有效值超過Udcn／2.時，將發生直流母線鉗位效應，在忽略轉子電阻的情況下可以得到直流母線電壓和撬棒電阻的約束關系式：

2.2 保護電路投切控制策略分析

在電壓低落期間，要同時對RSC和撬棒電路進行控制。圖3為轉子側變流器控制原理圖，圖中I＊rabc為設定的轉子電流保護臨界值，此時RSC的運行狀態由轉子電流與保護臨界值的比較值和撬棒電路運行狀態決定。當轉子電流幅值大于保護臨界值或撬棒電路運行狀態為開通時，關閉轉子側變流器，一旦轉子電流衰減到保護臨界值之下并且撬棒電路退出運行后，立即接通轉子側變流器。通過對RSC的合理控制，可以在故障期間保護功率半導體器件，并在電壓恢復后及時幫助機組恢復正常運行。

圖3 轉子側變流器控制原理Fig.3 Principle diagram of RSC control strategy

對撬棒電路的控制策略如圖4所示。對于定子電壓小值跌落雙饋風力發電系統本身具有一定的低電壓穿越能力，這里U＊sabc為超出雙饋風力發電系統本身調節能力的定子電壓保護臨界值。定子電壓的突然減小，會在轉子側感生出較大過電流，即使轉子側變流器脈沖封鎖，電流也會流過反向二極管給直流電容充電，進而造成直流側電壓升高，這里U＊dc為直流母線電壓保護臨界值。當電網電壓跌落后，定子電壓值小于定子電壓保護臨界值或直流母線電壓超出保護臨界值時，立即投入撬棒保護電路；當電網電壓恢復并且直流母線電壓低于設定的保護臨界值時，切除撬棒保護電路。這種保護電路使轉子側變流器在電網故障時，可以與轉子保持連接，當故障消除后通過切除保護電路，使風電系統快速恢復正常運行，因而具有更大的靈活性。

圖4 轉子側撬棒控制原理圖Fig.4 Principle diagram of crowbar control strategy

直流側卸荷電路的控制策略相對比較簡單，如圖5所示。對直流側卸荷電路的控制以直流側電壓作為判斷條件，這里U＊dc同上文定義。當故障期間，直流母線電壓超出保護臨界值時，立即投入直流側卸荷電路；當直流母線電壓下降到保護臨界值以下時，切除直流側卸荷電路。

圖5 直流側卸荷電路控制原理圖Fig.5 Principle diagram of DC dampcircuit control strategy

3 仿真研究

為驗證前文理論分析和撬棒電路投切控制策略的正確性，本文使用仿真軟件 Matlab／Simulink搭建了附加轉子主動撬棒電路和直流側卸荷電路的DFIG仿真實驗系統，對電網發生對稱電壓大值跌落故障時，采用撬棒和直流側卸荷雙重保護控制的發電機系統進行了仿真研究。

具體的仿真參數設置為：額定功率為2 MW，定子額定線電壓為690 V；額定頻率為50 Hz；直流母線額定電壓為1 200 V；定子電阻為0.010 8 p.u.；轉子電阻為0.010 21 p.u.；定子漏感為0.102 p.u.；轉子漏感為0.11 p.u.；互感為3.362 p.u.；極對數為2；轉動慣量為3 s，摩擦因子為0.1 p.u.。結合上文公式 （6）和 （7），這里選取撬棒電路的限流電阻值Rcb為10Ω，對于直流側卸荷電路的卸荷電阻Rdc這里取值為1Ω。

假設電網側母線發生三相電壓大值跌落故障，在1.5 s時故障發生，1.8 s時故障清除，持續0.3 s，且故障使得定子電壓跌落至0.1 p.u.。考慮到電網故障過程較為短暫，這里設發電機在故障過程中轉速基本保持恒定。下面將對撬棒采用不同的投切方案時，系統的工作狀況進行分析。

3.1 故障期間不投入撬棒時系統的工作狀況

在無任何保護情況下DFIG的動態響應如圖6所示。由圖可以看出，故障發生之前，電網電壓保持恒定，DFIG工作在額定狀況下，發電機定轉子電流波形良好，變流器直流母線的電壓保持恒定，無功功率基本為零。

在1.5 s時刻系統發生故障引起風電場出口電壓瞬間跌落，機端電壓如圖6（a）所示降至0.1 p.u.。此時，DFIG定、轉子電流迅速變大；直流母線電壓也出現嚴重過電壓，這和前文的理論分析基本相符。由圖6（d）和 （e）可以看出定轉子故障電流最大可達到正常值的數倍，如此大的電流將對定、轉子繞組特別是變流器產生極大的損害。圖6（f）為故障時的直流母線電壓，因定子電壓的突然減小而在轉子側感生出的過電流，會流過反向二極管給直流電容充電，進而造成直流側電壓升高，其數值隨著故障時間不斷升高，嚴重的過電壓會對直流母線電容產生損壞。圖6（g）為無功功率波形，在電壓跌落時，由于控制系統中給定值與實際值的差別變大，導致大部分PI調節器輸出深度飽和，難以恢復到有效調節狀態，使電壓下降和恢復之后的一段時間內機組實際上處于失控狀態，無功功率無法穩定，波形波動較大。由于故障期間撬棒電路和直流側卸荷電路均未投入，如圖6（b）和 （c）所示流經撬棒電阻的撬棒電流和流經直流側卸荷電阻的卸荷電流都保持為零。總體來說，在沒有撬棒保護的DFIG系統中，電壓跌落深度越深，故障電流越大，直流母線過電壓越高。

圖6 無撬棒保護的DFIG動態響應Fig.6 Dynamic response of DFIG without protection

3.2 故障期間投入撬棒時系統的工作狀況

圖7是系統發生故障期間，投入撬棒保護后的結果。當系統檢測到定子電壓在1.5 s時刻發生大值跌落后，隨即投入轉子撬棒保護電路，關閉轉子側變流器。由圖7（b）和 （c）可以看出，卸荷電流在1.5 s時刻突升至最大值后隨時間快速衰減，大概在1.55 s時刻降為零，這說明直流卸荷電路只持續了0.05 s；撬棒電流也在1.5 s時刻突升，隨后下降，當直流卸荷電路切除后電流再次上升。

圖7（d）和 （e）顯示撬棒電阻的投入對定轉子最大故障電流有很好的抑制作用，被限制在DFIG的可接受范圍內。與圖6（d）和 （e）相比較可以看出，故障期間有撬棒電路作用時，當機端電壓恢復正常后系統可以更快的恢復穩定運行，與故障期間沒有撬棒保護相比大概提前0.35 s。由圖7（f）可以看出，此時直流母線過電壓得到了很好的限制，與圖6（f）相比直流母線電壓大概可以提前0.2 s恢復正常。由于撬棒投入期間RSC停止工作，使DFIG處于異步運行而開始從系統吸收無功，增加了電網的無功負擔。考慮到故障期間一直保持網側變流器 （GSC）與電網相連，本系統采用通過控制GSC向電網提供無功支持，由圖7（g）可以看出在電網發生故障過程中無功功率震蕩相應比較平穩，恢復比較迅速。總體來說，由于撬棒保護電阻的投入，定轉子故障電流和直流母線過電壓都有了明顯的改善，故障消除后DFIG系統可以更迅速的恢復正常運行。

圖7 有撬棒保護的DFIG動態響應Fig.6 Dynamic response of DFIG with protection

4 結論

（1）當機端電壓出現大幅跌落時，需要投入撬棒電路和直流卸荷電路來有效抑制定轉子故障電流和直流母線過電壓，并保護變流器功率器件和直流母線電容免受過電流和過電壓的損害。

（2）撬棒電阻最優阻值的選取要同時考慮定轉子最大故障電流和直流母線鉗位效應兩個因素。由于撬棒電阻的阻值越大，轉子故障電流的最大幅值越小，因此撬棒電阻值在合理范圍內取較大值，而直流卸荷電阻取值盡量小比較好。

（3）電網電壓跌落期間，可以通過網側變流器和定子側向電網提供無功，但達不到預期效果。如何增加無功功率控制措施，來加強電壓跌落期間DFIG機組對電網的無功支持能力，將在以后的研究中繼續進行。

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Simulation Research of Doubly Fed Induction Wind Generator to Achieve LVRT

Yang Pu，Sun Liling，Wu Na
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

For the doubly-fed induction generator（DFIG）based wind turbines，crowbar is a commonly used protection method to implement the low voltage ride-through（LVRT）capability.In the case of deepand short voltage dip，DC dampcircuit can be used at the same time in order to enhance the LVRT performance better.Considering the importance of the value of crowbar resistor in this process，a crowbar resistance design method based on the faulty rotor current and the dc-link voltage was proposed，and the specific LVRT control strategy was discussed in this paper.A typical 2 MWDFIG system was used，the analysis and simulation results show that，with the helpof appropriate protective resistor and the reasonable control strategy，the additional protection devices can effectively helpwind generator provide LVRT capability.

DFIG；low voltage ride-through（LVRT）；protection；active crowbar；DC dampcircuit

T M614

A

2012－05－23。

中央高校基本科研業務費專項資金資助。

楊普 （1985-），男，碩士研究生，研究方向為風力發電系統的電壓穩定性，E-mail：yangpu743＠126.com。