大型風電機組低電壓穿越技術分析

（1. 華儀風能有限公司，浙江 樂清 325600；2. 清華大學自動化系，北京 100084）

（1. 華儀風能有限公司，浙江 樂清 325600；2. 清華大學自動化系，北京 100084）

本文首先介紹了當前風電市場主流的雙饋式風力發電系統和直驅式風力發電系統的拓撲結構，并分析了不同的拓撲對電壓跌落的不同動態響應；其次，本文分別對雙饋式機組和直驅式機組的電機側和網側變換器的矢量控制算法進行了分析和總結。同時，分別對這兩種機型的卸荷電路做了分析和比較；最后，通過對某1.5MW雙饋機組進行低電壓穿越的驗證，不僅成功完成了符合我國電網要求的低電壓穿越測試，更進一步完成了德國標準的零電壓穿越測試。

雙饋式風電系統；直驅式風電系統；矢量控制；低電壓穿越；crowbar 電路

0 引言

我國風電機組的單機容量不斷增大,風電場規模也不斷擴大。如果電網發生故障，出現電壓跌落情況，將會給風電機組帶來一系列如過電壓、過電流或葉輪速度快速上升等暫態過程，嚴重危害風電機組本身及其控制系統的安全運行。如果電網發生故障時風電機組實施被動式自我保護而解列，這樣雖然能夠最大限度保證機組自身的安全，但是增加了整個系統的恢復難度，甚至可能加劇故障，最終導致系統其它機組全部解列，對電力系統的穩定運行造成極大破壞。因此，低電壓穿越能力已逐步成為風電場的必然要求。

當前，市場主流的雙饋式風電機組和直驅式風電機組由于運行原理和結構的差異，電網電壓跌落對其暫態過程的影響不盡相同，它們的低電壓運行解決措施也就不一樣。

1 電壓跌落對不同類型風電機組的影響

1.1 風電機組系統結構

1.1.1 雙饋式風力發電系統拓撲結構

圖1是雙饋式風力發電系統原理圖[1]。雙饋感應電機定子側直接連接電網，轉子側通過由網側變換器和轉子側變換器組成的雙PWM型變換器與電網相連。網側變換器由進線電感與電網相連，在保持直流母線電壓恒定，保證輸入電流波形諧波含量少的同時，保證雙饋電機在亞同步運行時從電網吸收電能，在超同步運行時向電網饋電；轉子側變換器與雙饋電機轉子相連，通過轉子側饋電，即通過施加三相交流電進行勵磁，調節勵磁電流的幅值、頻率和相位，實現定子側輸出電壓的恒頻恒壓，同時實現無沖擊并網，并且通過轉子側變換器的解耦實現有功功率、無功功率的獨立控制，實現最大風能追蹤和功率因數的調節。

1.1.2 直驅式風力發電系統拓撲結構

由于電力電子變流器拓撲的多樣性，直驅式風力發電系統中間的交流到交流的變流器環節可以采用不同的結構。

圖2是兩種常用的直驅式風力發電系統原理圖[2]。

其中，圖2（a）變流器采用的是不控整流+DC / DC變換+逆變拓撲結構,中間的 DC/DC變換器采用Boost 升壓斬波電路,可以實現輸入側功率因數的調節, 提高發電機的運行效率；同時，當風速變化時, 不控整流得到的電壓也在變化, 通過Boost升壓環節提高并穩定直流母線電壓。

通過控制逆變器的輸出來調制電壓的相位和幅值，以調節有功功率和無功功率的輸出，對永磁同步電機的電磁轉矩和轉速進行控制,使其工作于最佳葉尖速比狀態，完成風電機組的最大風能追蹤控制，并且實現變速恒頻運行。

圖1 雙饋式風力發電系統拓撲結構

圖2 直驅型風力發電系統拓撲結構

圖2（b）采用的是背靠背雙 PWM變換器拓撲的結構。發電機定子通過背靠背變流器和電網連接。電機側變換器的主要作用是實現對風電機組有功功率和無功功率的解耦控制，通過控制發電機電磁轉矩使得機組在額定風速以內實現最佳風能跟蹤控制；網側 PWM變換器用于實現無功功率與直流環節直流電壓的解耦控制，在保持直流側電壓穩定的同時，實現網側無功功率的控制。

1.2 風電機組暫態效應

1.2.1 雙饋式風電機組暫態效應

雙饋式感應發電機定子側直接聯接電網，這種直接耦合使得電網電壓的降落直接反映在電機定子端電壓上。在電網電壓跌落瞬間，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，導致定子磁鏈中不但含有正序分量，還將出現衰減的直流分量。由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發生變化，而轉子繼續旋轉，產生較大的滑差，引起轉子繞組的過壓、過流。如果電網出現不對稱故障，定子電壓中就會含有負序分量，而負序分量會產生很高的滑差，轉子過壓與過流的現象會更加嚴重[3]。轉子側電流的迅速增加導致轉子勵磁變換器直流側電壓升高。過電流會燒毀轉子勵磁變換流器，而過電壓則導致發電機轉子繞組絕緣體被擊穿。此外，電網故障時發電機勵磁變換器的電流以及有功和無功都會產生振蕩。

1.2.2 直驅式風電系統暫態效應

對于全功率永磁同步電機系統，電機定子經由機側變換器、直流環節以及網側變換器組成的變流器與電網相接，發電機和電網不存在直接耦合。電網電壓跌落瞬間會導致輸出功率的減小，而發電機的輸出功率瞬時不變，顯然功率不匹配將導致直流母線電壓上升，這勢必會威脅到電力電子器件安全。如采取控制措施穩定直流母線電壓，必然會導致輸出到電網的電流增大，過大的電流同樣會威脅變流器的安全。

當變流器直流側電壓在一定范圍波動時，電機側變流器能對其保持可控性，在電網電壓跌落期間，電機仍可以保持很好的電磁控制。所以直驅式風電機組相對于雙饋式風電機組，實現低電壓穿越較為容易。

2 低電壓穿越技術分析

2.1 雙饋式機組低電壓穿越技術分析

要實現低電壓穿越功能，在電網故障期間機組需要滿足以下要求：

（1）機組不脫網，保持持續并網運行；

（2）有功功率的有效控制；

（3）發出一定的無功電流以支撐電網。

由于雙饋式發電機組的變流器容量只占系統額定功率的 30 %(滑差功率)左右，變流器能力有限。要完成機組的低電壓穿越功能，除了變流器實現解耦，完成對有功功率和無功功率的有效控制外，還需要增加卸荷負載的crowbar電路，釋放出電機的多余能量。

2.1.1 解耦控制[4-5]

雙饋電機是一個多變量、強耦合、非線性時變參數系統。其主流控制技術是矢量控制技術，即以電機某一旋轉的空間矢量為參考坐標（見圖3），利用坐標變換技術，將定子電流中的有功分量和勵磁分量獨立開來，加以適當的補償，達到有功功率和無功功率解耦的控制目的。

雙饋電機的運行控制是通過與之相連的雙向PWM電流變換器來實現的。雙向PWM變換器根據風電機組的轉速來調節轉子電流的頻率，實現變速恒頻輸出。并且通過控制轉子電流，實現雙饋電機的有功功率和無功功率的解耦控制。

2.1.1.1 網側變換器矢量控制

根據發電機組的功率流向，網側變換器可以在整流狀態工作，也可以在逆變狀態工作。

如圖4所示，流經電容的電流為：

電網輸入的瞬時功率為：

轉子側勵磁吸收的瞬時功率為：

圖3 靜止α-β坐標系和任意坐標系下矢量圖

其中，C為母線支撐電容容量，udc為直流母線電壓，i1為轉子變換器的輸入電流，i2為網側變換器輸出電流。要使Pg=Pr， 應為常值，需對udc采用閉環控制。

網側變換器傳遞的有功功率和無功功率為：

其中，udg，uqg，udg，uqg分別為網側旋轉坐標系下網側d 、q軸電壓和電流。

將電網電壓綜合矢量定向在d軸上，有：

式中，ug為電網電壓綜合矢量。則此時得：

這樣即實現了有功和無功的解耦，Pg受idg控制，Qg受iqg控制。

2.1.1.2 轉子側變換器矢量控制

根據廣義PARK方程：

在定子磁鏈定向方式下，d軸沿定子磁場方向，定子磁通的q軸分量為零，此時有：

在靜止坐標系（α－β坐標系）下，定子電壓矢量以固定的幅度和同步轉速在旋轉。定子電阻壓降遠小于電機反電動勢，可忽略定子電阻的影響，定子電壓在定子磁通定向坐標軸上面的分量是常量。 電機電壓方程簡化為：

定子的角速度，ω為轉子轉動角速度，Rr為轉子電阻。

圖4 有功功率的協調控制框圖

usd，usq為旋轉坐標系下定子d軸和q軸電壓；

urd，urq為旋轉坐標系下轉子d軸和q軸電壓；

isd，isq為旋轉坐標系下定子d軸和q軸電流；

ird，irq為旋轉坐標系下轉子d軸和q軸電流；

ψsd，ψsq為旋轉坐標系下定子d軸和q軸磁鏈；

ψrd，ψrq為旋轉坐標系下轉子d軸和q軸磁鏈；

Lm為旋轉坐標系同軸等效定子、轉子繞組互感；

Ls為旋轉坐標系等效兩相定子繞組自感；

國內女性主義翻譯研究主題多樣、視角豐富、成果顯著,為便于分析與描述,下面按照研究主題將筆者整理出的559篇期刊論文大致分為理論研究、實證研究和譯史研究三種類型,見表4。

Lr為旋轉坐標系等效兩相轉子繞組自感。

轉矩方程為：

式中，Pn為電機極對數。

如果忽略定子側的損耗，定子有功功率Ps和無功功率Qs為：

從式（10）中可以看出，通過調節力矩電流irq可以實現對發電機定子有功功率的控制，通過ird控制定子側從電網吸收的勵磁電流，調節無功功率。力矩電流和轉子側勵磁電流在定子磁場定向坐標系下，控制力矩電流不會影響無功功率，控制無功功率不會影響力矩電流，從而實現解耦控制。

2.1.2 卸荷電路的實現

電壓跌落時定子磁鏈的直流分量和負序分量的出現，感生出大幅增加的轉子電流，而與轉子側連接的ACDC－AC變換器，其電力電子器件的過壓、過流能力有限。如果在連接變流器轉子側變換器和網側變換器的直流母線上接上儲能系統，能夠存儲多余的能量并維持母線電壓的穩定，但是畢竟存儲能量的能力有限，同時也增加了大量的硬件成本。

本文采用軟件控制策略和硬件卸荷電路相結合的方案來完成低電壓穿越功能。

軟件方面，根據電網電壓跌落時雙饋感應電機的暫態電磁關系，采用雙饋電機定子電壓動態補償的控制策略，通過控制雙饋電機的漏磁鏈來抵消或者是減少定子磁鏈中的直流分量和負序分量對轉子的影響。定、轉子間磁鏈的關系如式（11）所示[6-7]：

控制轉子電流，使轉子電流定向于定子磁鏈直流分量和負序分量相反的方向上，可以減少甚至消除磁定子磁鏈對轉子磁鏈的影響。

硬件部分增加了兩部分內容，即與轉子相連的卸荷負載的電路（crowbar電路）和直流側母線過電流保護電路（chopper電路），如圖5所示。其中，轉子側crowbar電路由功率開關器件和放電電阻組成，功率開關器件用來控制crowbar電路的開通與關斷。直流側chopper電路由一個單管IGBT和一個放電電阻組成，通過IGBT來控制電路的通斷。

電網跌落發生時，如果跌落的幅度不大，可以只通過直流側chopper電路動作來穩定母線電壓，完成穿越過程。如果跌落的幅度大，僅僅利用chopper電路的動作不能完成穿越，需要轉子側crowbar電路連接到轉子回路中，使電機磁鏈中的暫態分量通過定轉子電阻及crowbar放電電阻迅速衰減，來共同完成穿越過程。

也有些變流器的設計沒有直流側chopper電路環節，只在發電機轉子和轉子側變換器之間接入crowbar電路。當機組檢測到電網系統故障出現電壓跌落時，閉鎖雙饋感應發電機勵磁變流器，同時投入crowbar電路，通過放電電阻把多余能量以熱能的形式釋放出去，以此來維持發電機不脫網運行。

要完成機組低電壓穿越時多余能量的釋放，crowbar電路除了圖5中的結構外，文獻[8]中還給出了混合橋型crowbar電路方案和功率開關型crowbar電路方案。混合橋型crowbar電路的每個橋臂由控制器件和二極管串聯而成，通過控制器件控制crowbar電路連接到轉子回路中（如圖6所示）。而功率開關型crowbar電路，其每個橋臂由兩個二極管串聯，直流側串入一個功率開關器件和一個放電電阻，由功率開關完成crowbar電路的導通（如圖7所示）。

采用卸荷負載的crowbar電路可以迅速釋放出多余的能量，以此來維持發電機不脫網運行。但此時雙饋感應發電機按感應電動機方式運行，機組不但不能向電網提供無功，支撐電網電壓，而且還要從電網中吸收大量的無功進行勵磁，這將導致電網電壓穩定性的進一步惡化，而且crowbar電路的投切操作也會對系統產生暫態沖擊。所以，crowbar電路的短接需要控制在很短的時間范圍內，當轉子磁鏈衰減后就可以退出，此時穩態短路電流已不是很大。crowbar退出后，變流器重新同步，控制能力得以恢復。

2.2 直驅式機組低電壓穿越技術分析

直驅式風電機組由于背靠背全功率變流器的隔離，發電機和電網不直接耦合。在電網跌落期間，只要變流器的直流母線電壓控制在一定范圍內，電機側變流器仍然可以保持對電機電磁的良好控制。

相比雙饋機型，雖然直驅機型的低電壓穿越功能更容易實現，但是和雙饋機型一樣，在電網故障期間也需要對機組的有功功率進行有效的控制，同時發出一定的無功電流以支撐電網。

圖5 增加crowbar和chopper電路的系統結構

圖6 混合橋型crowbar電路

圖7 功率開關型crowbar電路

2.2.1 解耦控制[9-11]

通過對電機側變換器的解耦控制，調節發電機有功功率輸出。而電網側變換器除了要控制直流電容電壓恒定，同時還要實現網側功率因數調整。

變流器拓撲不同，其控制方式也不一樣。下面以背靠背雙PWM變流器為例來分析矢量的解耦控制。

2.2.1.1 電機側變換器矢量控制

電機側變換器主要功能是要實現發電機有功功率和無功功率的解耦控制，調節發電機有功功率輸出。在d－q同步旋轉坐標系中， d、q坐標以同步速旋轉，在轉子磁場定向方式下，即d軸定位于轉子永磁體磁鏈方向，定子 d軸和 q 軸的磁鏈方程如下所示:

式中，Ld、Lq分別為發電機的d軸和q軸電感；

ψsd、ψsq分別為定子d軸和q軸磁鏈；

ψ為轉子永磁體磁鏈。

因為定子電阻壓降遠小于電機反電動勢，可忽略定子電阻的影響， 定子 d 軸和 q 軸的電壓方程如下所示:

式中， usd、usq分別為定子 d 軸和 q 軸的電壓；isd、isq分別為定子 d 軸和 q 軸的電流；

Rs為定子電阻；

ωs為發電機電角速度。

聯立式（12）（13）可得：

PMSG的電磁轉矩表達式為：

pn為電機的極對數。

由于轉子的對稱特性，可假設電機d軸和q軸電感相等，即Ld=Lq，式（15）簡化為：

從式（16）中可以看出，電磁轉矩Te不受d軸分量isd的影響。通過控制q軸電流分量isq，就可以控制電磁轉矩，進而控制有功功率，實現機組有功功率輸出的調節。

但是根據式（14）可知，d軸和q軸電壓矢量存在耦合項 -ωsLqisq和 ωsLdisd。

如果在d軸和q軸電壓控制過程中分別增加前饋輸入-ωsLqisq和ωsLdisd，即可實現電壓分量usd和usq的解耦。

2.2.1.2 電網側變換器控制

作為直驅永磁同步風電機組與電網相連的重要組成部分，電網側變換器除了要控制直流電容電壓恒定，同時還要實現網側功率因數調整，即需要對并網無功功率進行控制。

在d－q 同步旋轉坐標系下，采用電網電壓定向的矢量控制技術，將電網電壓綜合矢量定向在d軸上。此時有：

網側變換器有功功率和無功功率表達式：

式中，Ug為電網電壓綜合矢量；

igd、igq為電網電流在d軸和q軸的分量；

egd、egq為電網電壓在d軸和q軸的分量。

由式（18）可知，通過控制電網電流的d軸分量igd和q軸分量igq，可分別控制有功功率Pg和無功功率Qg；通過對有功功率的調節實現直流側電壓的穩定控制。

網側變換器在d－q坐標系下電壓方程：

式中，ugd、ugq為網側變換器d軸電壓分量和q軸電壓分量；

ωg為電網電壓電角速度；

Rg、Lg為與網側變換器相串聯電抗器的電阻和電感。

由式（19）可知，d軸和q軸之間存在耦合項 和 ，對這兩個耦合項通過前饋補償的方法可消除它們之間的耦合，實現解耦控制。

2.2.2 卸荷電路的實現

電壓跌落瞬間，發電機的瞬時輸出功率不變，而機組輸出到電網的功率減小，這兩種能量的不匹配導致直流母線電壓的上升，威脅到變流器電力電子器件的安全。

如果通過提高變流器功率器件的電流等級, 當電壓跌落時,通過承受一定量的過電流，網側變換器仍能輸出和故障前一樣的功率, 保持直流側電壓平衡，也可以適當增大直流側電容的容量。當功率不平衡時, 過剩的能量能在電容上得到存儲和緩沖。這種通過器件容量增大的方式，可以在一定程度上提高低電壓穿越能力，但是提高的水平有限，只適用于電壓跌落幅度較少的情況。當電壓跌落幅值較大時，需要投入卸荷負載消耗掉多余的能量，以保證電網故障時機組低電壓穿越能力的實現。

直驅式機組卸荷電路的實現可以采用多種形式。文獻[12][13]闡述了定子側增加卸荷負載的crowbar電路（如圖8所示）和電網側增加卸荷負載的crowbar電路方案（如圖9所示）。這兩種方案都可以通過投入卸荷電阻消耗掉多余的能量, 使變流器輸入和輸出功率保持平衡。

但是在這兩種方案里，定子側增加卸荷負載的方案對發電機輸出有較大影響。crowbar 動作期間，變流器失去了對發電機轉矩的控制能力，只有在crowbar退出，變流器重新同步后，才能恢復對發電機的控制能力。而電網側增加卸荷負載方案的缺點是，風力發電的輸出直接給負載供電，負載功率與風電系統功率相匹配,構成了一個獨立的微網供電系統。這就要求電網電壓跌落發生時,靜態換向開關能夠準確實現并網運行和微網運行之間的平滑轉換，機組的控制策略要兼顧好并網和微網兩種運行狀態。

圖10是目前常用在直流側增加卸荷電路的方式[12]。其中，圖10 (a) 的卸荷電阻通過功率器件（通常是IGBT）與直流側相連,卸荷電阻投入時, 直接并入直流母線。圖10(b) 的卸荷電阻通過 Buck 電路與直流側相連,通過 Buck電路降壓。當電網電壓跌落時，投入卸荷電阻, 消耗直流側多余的能量, 保持電容電壓穩定在一定范圍內。

在直流側增加卸荷電路的方式下，當電網電壓跌落時，電機側變換器仍然可以對電機保持良好的電磁控制。機組低電壓穿越能力實現起來更為容易和方便。

2.3 低電壓穿越技術小結

無論是雙饋式機組還是直驅式機組，要解決低電壓穿越問題，關鍵點之一就是要解決好有功功率和無功功率的有效控制，以最有利于風電機組實現低電壓穿越來進行動態電磁轉矩控制，并有效控制好無功電流以支撐電網電壓。另一個關鍵點就是要解決好多余能量的消耗和能量的存儲問題，多余能量的消耗通過卸荷電路的放電電阻以熱能的形式釋放出去，而能量的存儲體現在兩種形式，一種是以電能的形式儲存于儲能系統，另外一種是因為電磁轉矩的減少導致葉輪轉速上升，以動能形式存在的部分。以上是基于風電機組本身的低電壓穿越特性來考慮的，假設機組的輸入機械功率維持不變。

圖8 定子側接入卸荷負載的crowbar電路

圖9 電網側接入卸荷負載的crowbar電路

圖10 直流側接入卸荷負載的crowbar電路

在風電機組的實際運行過程中，解決低電壓穿越的問題時往往會輔助采用降低機械輸入功率的手段，也就是當判斷出電網電壓跌落時，通過快速變槳來減小輸入的機械轉矩，輸入功率的減少有利于電壓跌落時功率的平衡。但是僅僅通過變槳來降低輸入機械載荷的手段，無法提供無功功率來支撐電網電壓，所以只能起到輔助作用。

3 低電壓穿越技術的實現

根據我國風電場接入電力系統技術規定的國家標準（GB/T 19963—200）的要求，分別對電網三相短路故障和兩相短路故障進行了電壓跌至原電壓90%、75%、50%、35%、20%的穿越測試，無論是跌落過程中支撐電網恢復的動態無功電流控制，還是電網故障清除后的有功恢復，均很好地滿足了相關標準要求。同時，依據德國的低電壓穿越能力規定（高短路電流）的標準，多次進行了150ms的零電壓穿越測試，在整個穿越和恢復過程中，機組的有功、無功得到有效控制。

圖11是低電壓穿越測試（三相電壓跌至20%）過程中直流母線電壓的控制波形圖。圖中顯示，當電壓跌落時，直流側電壓瞬間跳變增大（綠色線），當超出限定值時，crowbar放電電阻動作（藍色線），直流則電壓恢復正常直至整個低電壓穿越過程（625ms）。

圖12是在測試過程中，在高壓側紀錄的測試波形圖。其中，圖12（a）是測試給出的電壓跌至20%的信號。機組檢測到電網故障后進行低電壓穿越控制，圖12（b）顯示了低電壓穿越過程及電網故障恢復后的功率恢復整個過程的有功和無功波形（黑色線代表有功功率，紅色線代表無功電流）。從圖中可以看出，當電網電壓跌至正常值的20%時，機組保持不脫網運行。低穿過程，機組迅速發出一定量的無功功率用以支撐電網電壓的恢復，當電壓恢復正常后，有功功率以穩定的增量快速恢復到正常水平，最后保持平穩。

4 結論

隨著我國風電機組單機容量的不斷增大和風電場規模的不斷擴大，風電機組是否具備低電壓穿越功能對電網安全造成很大的影響。本文對目前廣泛運用的雙饋式機組和全功率直驅式機組的有功和無功的矢量控制技術及卸荷電路的實現進行了分析，并在一些風電機組上得到成功運用。隨著我國風力發電低電壓穿越技術的日趨成熟，前期因風電機組不具備低電壓穿越能力而對電力系統的穩定運行造成極大破壞的困擾將得到根本解決。

圖11 電網電壓跌落至20%時的直流母線電壓波形

圖12 三相電壓平衡跌落至20% 時的功率控制

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大型風電機組低電壓穿越技術分析

胡春松1，支道躍1，王淼1，王文靜1，練嵐香2

Analysis of Low Voltage Ride Through Technology of Large-scale Wind Turbines

Hu Chunsong1, Zhi Daoyue1, Wang Miao1, Wang Wenjing1, Lian Lanxiang2
(1. HuaYi Wind Energy Co., Ltd., Yueqing, Zhejiang 325600, China;2. Automation Department of Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Firstly, this paper described the topologic structures of doubly-fed wind power system and direct-drive wind power system,and made a comparative analysis of the dynamic response with grid voltage drop fault．Furthermore，this paper analyzed and summarized vector control algorithm of generator side converter and grid side converter of doubly-fed wind turbine and directdrive wind turbine, and made analysis and comparison about crowbar circuit of these two types of wind turbine．Finally，the author performed low voltage ride through test with 1.5MW doubly-fed wind turbine. Testing result not only met the standards of state grid but also met the zero voltage ride through standards of Germany.

doubly-fed wind power system; direct-drive wind power system; vector control; low voltage ride through; crowbar circuit

TM614

A

1674-9219(2013)07-0084-09

2013-06-17。

胡春松（1974-），男，碩士，高級工程師，主要從事大型風力發電系統控制算法和控制策略的研究。