雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略仿真

吳佳思，張步涵，李 枚，靳冰潔

（華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074）

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略仿真

吳佳思，張步涵，李 枚，靳冰潔

（華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074）

根據(jù)我國(guó)頒布的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，將電壓跌落深度區(qū)域劃分為三個(gè)，討論了在不同區(qū)域內(nèi)DFIG實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的方法，并且在Matlab／simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：裝設(shè)有撬棒和chopper保護(hù)的DFIG在實(shí)現(xiàn)低電壓穿越問(wèn)題上相比于只有主動(dòng)式撬棒保護(hù)的DFIG更有優(yōu)勢(shì)，并且可以保護(hù)雙饋風(fēng)電機(jī)組在電壓跌落深度在80%以內(nèi)的情況下不被切機(jī)。因此，含有撬棒和chopper保護(hù)的DFIG在較多情況下已經(jīng)具備低電壓穿越能力。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；低電壓穿越；并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；保護(hù)裝置

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，而且在考慮開(kāi)發(fā)費(fèi)用和儲(chǔ)量的基礎(chǔ)上，風(fēng)能又是所有可再生能源中最具商業(yè)價(jià)值的［1］。隨著大規(guī)模風(fēng)電的并網(wǎng)運(yùn)行，電網(wǎng)電壓跌落期間，風(fēng)電場(chǎng)控制及其對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響已成為風(fēng)電發(fā)展的重要課題之一［2］。

目前，國(guó)內(nèi)的主流機(jī)型為1.5MW雙饋式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組（結(jié)構(gòu)如圖1），雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)（double fed induction generator，DFIG）的定子直接接入電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)將引起定子電流的變化。由于電壓跌落較深的時(shí)候，DFIG的功率基本無(wú)法送出，會(huì)造成定子電流的急劇升高，而由于定轉(zhuǎn)子之間的強(qiáng)耦合關(guān)系，會(huì)引起轉(zhuǎn)子電流的急劇上升，進(jìn)而威脅變流器的電力電子器件的安全。如果不采取一定的保護(hù)措施，短路等故障造成的電壓跌落會(huì)直接導(dǎo)致過(guò)電流、直流母線過(guò)電壓、有功功率和無(wú)功功率的振蕩等，而定轉(zhuǎn)子繞組的電阻和漏抗不足以抑制浪涌電流，較大的電流和電壓可能會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁變流器和定轉(zhuǎn)子繞組及母線電容的損壞。

DFIG在外部電網(wǎng)線路發(fā)生短路故障時(shí)候接入電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性，被學(xué)者們廣泛研究，如文獻(xiàn)［3］提到的，電壓跌落會(huì)引起DFIG內(nèi)部定子磁鏈感生出自然磁鏈，和電壓的跌落程度相關(guān)，并且感生出相對(duì)于正常運(yùn)行時(shí)非常大的電壓，對(duì)于DFIG的安全產(chǎn)生非常大的威脅。有學(xué)者關(guān)注了對(duì)稱和不對(duì)稱故障發(fā)生時(shí)，雙饋型風(fēng)電機(jī)組計(jì)及電壓恢復(fù)，相角跳變和跌落參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性，研究總結(jié)了不同類(lèi)型故障發(fā)生時(shí)，DFIG具有不同的特點(diǎn)，當(dāng)對(duì)稱故障發(fā)生時(shí)，故障發(fā)生時(shí)刻的不同不會(huì)引起電壓跌落的相角不同，而故障恢復(fù)時(shí)刻的不同，則會(huì)產(chǎn)生不同的恢復(fù)過(guò)程［4］。并沒(méi)有考慮加入低電壓穿越保護(hù)的情況，在故障發(fā)生的時(shí)候由于撬棒等保護(hù)硬件裝置的動(dòng)作，故障特性會(huì)發(fā)生很大的變化。

圖1 DFIG結(jié)構(gòu)圖

文獻(xiàn)［2］指出，關(guān)于低電壓穿越問(wèn)題的研究多集中于電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱故障時(shí)的撬棒保護(hù)電路及其控制，雖然也有文獻(xiàn)關(guān)注過(guò)雙饋電機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)之間的切換問(wèn)題，但是對(duì)具體的實(shí)現(xiàn)邏輯鮮有涉及，對(duì)撬棒電路的邏輯控制方面的介紹也較少。文獻(xiàn)［5－8］關(guān)注了撬棒保護(hù)的運(yùn)行時(shí)間問(wèn)題以及撬棒保護(hù)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間帶來(lái)的不利影響。文獻(xiàn)［9－10］提到了chopper裝置可以較好的保護(hù)直流母線電壓，并且參數(shù)設(shè)計(jì)合適的情況下，可以減少撬棒保護(hù)電路的多次投切。這些方法都是基于被動(dòng)式撬棒保護(hù)的方法提出的，而且一般撬棒投入時(shí)間比較長(zhǎng)。所以對(duì)于撬棒保護(hù)的控制邏輯以及其和chopper保護(hù)控制邏輯的協(xié)調(diào)配合鮮有討論。

本文基于風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)定的基礎(chǔ)上，討論了三種不同的電壓跌落深度區(qū)域內(nèi)，DFIG的低電壓穿越運(yùn)行控制策略，基于主動(dòng)式撬棒保護(hù)的滯回判斷控制策略，研究了電網(wǎng)電壓深度跌落時(shí)，撬棒保護(hù)和chopper保護(hù)的協(xié)調(diào)配合，并且通過(guò)對(duì)DFIG暫態(tài)過(guò)程的分析推導(dǎo)，得到了判斷撬棒保護(hù)需要投入動(dòng)作的電壓跌落深度臨界值的方法。

1 風(fēng)電接入標(biāo)準(zhǔn)

中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 19963－2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》［11］規(guī)定了風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)必須滿足的低電壓穿越要求。圖2為風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求。發(fā)生故障時(shí)候的考核電壓為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)即PCC點(diǎn)電壓。1）風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%標(biāo)稱電壓時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625ms。2）風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求

本文在MATLAB／Simulink仿真平臺(tái)下建立了雙饋風(fēng)電發(fā)電機(jī)組低電壓穿越仿真模型（圖3）。雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的容量為1.5MW，具體參數(shù)為：風(fēng)機(jī)6臺(tái)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的額定容量1.5MW，功率因數(shù)0.9，額定電壓575V，額定頻率50Hz，定子漏感0.18 p.u，轉(zhuǎn)子漏感0.16p.u，勵(lì)磁電感2.9p.u，極對(duì)數(shù)3，直流母線電壓標(biāo)準(zhǔn)值1 150V，直流母線電容10 000e－6F，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1.2p.u，crowbar電阻0.4 Ω，chopper電阻1.1Ω。本文進(jìn)行了外部電網(wǎng)5s發(fā)生三相對(duì)稱短路故障，150ms后切除，電壓對(duì)稱跌落深度為20%、40%、60%、80%情況下的仿真。仿真得出的所有波形和數(shù)值均為標(biāo)幺值。

圖3 雙饋風(fēng)電發(fā)電機(jī)組低電壓穿越仿真

2 三個(gè)不同電壓跌落深度區(qū)域DFIG的控制策略

2.1 電壓跌落深度較輕

較小的定子電壓對(duì)稱驟降這種狀態(tài)下可以通過(guò)變換器自身的控制調(diào)節(jié)以及槳距控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部過(guò)電壓過(guò)電流的控制，使DFIG、變換器電流和電壓保持在其限額內(nèi)，無(wú)需保護(hù)動(dòng)作。圖4－5為定子電壓對(duì)稱跌落20%下的定子電流Ia和Udc的情況。由圖4、5可知，當(dāng)發(fā)生電壓跌落較輕的外部故障時(shí)，定子電流和直流母線電壓上升得并不十分明顯，在變換器電力電子器件可以忍受的范圍內(nèi)，所以不需要DFIG內(nèi)部保護(hù)動(dòng)作，其內(nèi)部的變流器就會(huì)利用自身控制策略的調(diào)整，使風(fēng)機(jī)度過(guò)低電壓穿越過(guò)程。

圖4 定子電流

圖5 直流母線電壓

2.2 電壓跌落深度較深

較大的定子電壓對(duì)稱驟降發(fā)生時(shí)DFIG轉(zhuǎn)子過(guò)電流是不可避免的，直流環(huán)節(jié)也將出現(xiàn)過(guò)電壓。

2.2.1 只采取撬棒保護(hù)實(shí)現(xiàn)LVRT 這種情況下一般的處理方法是外加撬棒電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子過(guò)電流的控制。撬棒電阻一般選擇20倍的DFIG轉(zhuǎn)子電阻［12］，并且和轉(zhuǎn)子變換器通過(guò)三相橋并聯(lián)。在轉(zhuǎn)子電流超過(guò)1.5pu時(shí)，觸發(fā)撬棒電路中的GTO，使其導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器被阻斷而網(wǎng)側(cè)變換器仍保持對(duì)直流母線電壓的控制。隨后可在交流電網(wǎng)恢復(fù)供電之前、后停止轉(zhuǎn)子撬棒電路工作，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器解除阻斷而重新投入工作。傳統(tǒng)的撬棒電路一般是被動(dòng)式，在整個(gè)故障動(dòng)作期間，撬棒電路持續(xù)動(dòng)作。而現(xiàn)在實(shí)際用得較多的是主動(dòng)式撬棒電路。撬棒控制框圖見(jiàn)圖6，采集的轉(zhuǎn)子電流與一個(gè)滯回環(huán)節(jié)比較，滯回環(huán)節(jié)的上限為1.5p.u.，下限為1.0p.u.，同時(shí)采集直流母線電容兩端電壓，將其與一個(gè)滯回環(huán)節(jié)比較，滯回環(huán)節(jié)的上下限分別為1.1p.u.和1.0p.u.。

圖6 撬棒控制邏輯圖

現(xiàn)階段，DFIG多采用定子磁鏈定向的功率解耦控制策略［13］。采用Park變換在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中分別控制dq軸電流實(shí)現(xiàn)DFIG的有功和無(wú)功解耦控制，且設(shè)定輸出無(wú)功功率為0。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)對(duì)稱短路故障，但電壓跌落不深時(shí)，撬棒保護(hù)不動(dòng)作，DFIG仍在該控制策略下運(yùn)行，轉(zhuǎn)子變換器開(kāi)始動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)DFIG的重新穩(wěn)定運(yùn)行。在轉(zhuǎn)子變換器的作用下，轉(zhuǎn)子電流在經(jīng)歷很短時(shí)間的波動(dòng)后會(huì)很快穩(wěn)定下來(lái)。由于變流器的響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間，并設(shè)PI控制器的帶寬無(wú)窮大，那么可以忽略轉(zhuǎn)子電流波動(dòng)，在原來(lái)控制策略下認(rèn)為在靜止坐標(biāo)系中，現(xiàn)已知DFIG的數(shù)學(xué)模型為

將式（3）帶入式（2），并不計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈對(duì)定子磁鏈的耦合影響，得到

本文仿真采用的是DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)電流達(dá)到轉(zhuǎn)子額定運(yùn)行電流的1.5倍時(shí)啟動(dòng)撬棒保護(hù)裝置。

其余較小都忽略ird較小，也忽略。用到的簡(jiǎn)化包括Lm≈Ls，波動(dòng)值較小，同時(shí)有iqr?idr。此時(shí)，判斷如下不等式

即電壓跌落到低于64.9%的時(shí)候，撬棒保護(hù)就需要投入運(yùn)行，來(lái)保護(hù)DFIG。

以下給出了電壓跌落深度為40%的時(shí)候，主動(dòng)式撬棒保護(hù)對(duì)DFIG轉(zhuǎn)子電流的保護(hù)情況。從圖7、8可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子電流已經(jīng)出現(xiàn)超過(guò)1.5倍的時(shí)刻，主動(dòng)式撬棒保護(hù)在故障發(fā)生時(shí)刻和故障恢復(fù)時(shí)刻，分別投入運(yùn)行，保護(hù)轉(zhuǎn)子變流器。

2.2.2 采取撬棒保護(hù)和chopper保護(hù)配合 若在2.2.1中持續(xù)故障時(shí)直流側(cè)出現(xiàn)超過(guò)網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器中功率開(kāi)關(guān)器件耐壓能力超高過(guò)電壓時(shí)，可設(shè)計(jì)chopper硬件裝置來(lái)消耗過(guò)多的直流母線電壓。

圖7 轉(zhuǎn)子電流

圖8 crowbar動(dòng)作情況

DFIG直流母線斬波器（chopper）示意圖如圖1。IGBT的快速開(kāi)斷功能能迅速投入或切除斬波器電阻。斬波器的動(dòng)作特性遵循滯回特性。本文中搭建的chopper仿真電路的滯回環(huán)節(jié)上下限分別為1.05p.u.和1.03p.u.。其控制邏輯圖如圖9［14－15］。圖10給出了電壓對(duì)稱跌落深度為60%的情況下定子電壓Ia、直流母線電壓Udc、轉(zhuǎn)子電流Ir、crowbar保護(hù)動(dòng)作的圖形。

可見(jiàn)，在直流母線電壓或者轉(zhuǎn)子電流超過(guò)門(mén)限值的時(shí)候，主動(dòng)式撬棒保護(hù)投入運(yùn)行，短接轉(zhuǎn)子變流器，起到保護(hù)轉(zhuǎn)子變流器的作用。Udc在5.005s時(shí)可以達(dá)到1 244V，轉(zhuǎn)子電流最大也在5.002s時(shí)達(dá)到1.51p.u，定子電流幅值在5.028s時(shí)，升至1.3 p.u。并且此時(shí)在故障恢復(fù)階段，由于撬棒保護(hù)采取主動(dòng)式的判別方法會(huì)有撬棒保護(hù)的重復(fù)投切。

圖9 chopper控制邏輯圖

圖10 電壓對(duì)稱跌落深度為60%（crowbar）

電壓對(duì)稱跌落到40%時(shí)采取撬棒保護(hù)和chopper配合的保護(hù)措施：圖11給出了Ia、Udc、Ir、撬棒保護(hù)、chopper保護(hù)動(dòng)作情況的圖形?？梢?jiàn)，直流母線電壓的幅值，最大只是1.06pu比只有撬棒保護(hù)的時(shí)候有所降低。同時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的最大值也有所減少，在5.002s的時(shí)候?yàn)?.5pu。發(fā)現(xiàn)跌落深度不深的情況下，使用兩種保護(hù)的優(yōu)勢(shì)并不明顯。只采用撬棒保護(hù)也可以滿足低電壓穿越的要求。

圖11 電壓對(duì)稱跌落深度為60%（兩種保護(hù)）

以下給出電壓對(duì)稱跌落深度為80%的情況下，只采取撬棒保護(hù)（圖12）和采取兩種保護(hù)協(xié)調(diào)使用（圖13）時(shí)定子短路電流Ia、直流母線電壓Udc、轉(zhuǎn)子電流Ir、撬棒保護(hù)和chopper保護(hù)動(dòng)作的仿真圖形。

圖12 電壓對(duì)稱跌落深度為80%（crowbar）

圖13 電壓對(duì)稱跌落深度為80%（兩種保護(hù)）

在跌落深度達(dá)到80%的時(shí)候，定子短路電流在5.008s的時(shí)候達(dá)到1.255p.u，在5.047的時(shí)候達(dá)到1.75p.u。直流母線電壓在5.01s的時(shí)候出現(xiàn)比較嚴(yán)重的上升，達(dá)到1 453V（1.263p.u）。而轉(zhuǎn)子電流，在5.002s的時(shí)候，達(dá)到1.68p.u。同時(shí)可以看出撬棒保護(hù)的反復(fù)投切十分明顯，會(huì)帶來(lái)一定的沖擊過(guò)程的影響。

在加入chopper保護(hù)裝置后，撬棒保護(hù)的反復(fù)投切明顯減少，減少了對(duì)IGBT器件開(kāi)關(guān)造成的沖擊過(guò)程的影響，并且對(duì)于直流母線電壓的抑制，chopper也起到非常好的作用。在5.007s的時(shí)候，定子電流達(dá)到1.29p.u。直流母線電壓最高在5.009s的時(shí)候只是達(dá)到1.15p.u，而轉(zhuǎn)子電流幅值在5.002s的時(shí)候達(dá)到1.66p.u也比只裝設(shè)撬棒保護(hù)的時(shí)候要小。

2.3 電壓跌落深度超過(guò)80%

在風(fēng)電場(chǎng)外部發(fā)生金屬性短路故障或者跌落深度超過(guò)80%的時(shí)候（圖14），采取兩種保護(hù)措施，直流母線電壓和轉(zhuǎn)子電流依舊分別達(dá)到了1.4p.u和2.03p.u，顯然加裝硬件裝置也不再能保護(hù)風(fēng)機(jī)本身的安全，所以根據(jù)低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)，一旦檢測(cè)到電壓的跌落情況，需要立即切除風(fēng)機(jī)，保護(hù)風(fēng)電場(chǎng)免于遭受非常大的電流沖擊的危險(xiǎn)。

圖14 電壓對(duì)稱跌落深度為100%（兩種保護(hù)）

3 結(jié)論

本文基于風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，討論了外部電網(wǎng)故障時(shí)，造成不同的電壓跌落深度情況下，三個(gè)不同區(qū)域內(nèi)，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越控制策略。通過(guò)對(duì)暫態(tài)過(guò)程的理論推導(dǎo)得到了撬棒保護(hù)需要投入的電壓跌落深度臨界值。同時(shí)基于Matlab／Simulink雙饋風(fēng)電機(jī)組的詳細(xì)模型，搭建了實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的撬棒保護(hù)和chopper硬件裝置模型。仿真對(duì)比表明，基于滯回比較的兩種保護(hù)在實(shí)現(xiàn)低電壓穿越問(wèn)題上相比于只有主動(dòng)式撬棒保護(hù)明顯更有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，含有撬棒和chopper保護(hù)的雙饋風(fēng)電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)在電壓跌落深度在80%以內(nèi)的情況下，不切除風(fēng)機(jī)，使其運(yùn)行在低電壓穿越狀態(tài)。

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［責(zé)任編校：張巖芳］

Simulation Study of Doubly－fed Asynchronous Wind Power System′s LVRT Control Strategy

WU Jia－si，ZHANG Bu－h(huán)an，LI Mei，JIN Bing－jie
（State Key Lab of Advanced Electromagnetic Engin.and Tech.，Huazhong Univ.of Sci.and Tech.，Wuhan 430074，China）

According to China′s wind power integration standards，the paper divides the sag depth of the area into three different voltage areas，and discusses different DFIG LVRT method in each area，and simulates it in Matlab／simulink environment to verify the conclusion.Simulation results show that：DFIG equipped with crowbar and chopper protection has advantage of DFIG only with active crowbar protection on achieving low voltage ride through，and can protect the doubly fed wind turbine not be cut under circumstances of below 80%voltage drop depth.Therefore，DFIG contains crowbar and chopper protection in most cases already have low voltage ride－through capability.

doubly fed induction generator；low voltage ride through；integration standards；protection devices

TM614

A

1003－4684（2014）01－0001－06

2013－11－28

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2012CB215100－G）

吳佳思（1990－），女，河南遂平人，華中科技大學(xué)博士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電