基于PSCAD的雙饋風力發電機組低電壓穿越的研究

周 蕓，李志華

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 210000）

隨著風力發電在電力能源中所占比例的增大，風力發電系統對電網的影響已經不能忽視。常規的風力發電系統，當電網電壓降低到一定值時，風力發電機組便會自動脫網，這種情況對于風力發電容量較大的電力系統而言可能會造成電網電壓和頻率的崩潰。為了使風力發電機組在電網電壓瞬間跌落時仍能保持并網，電網安全運行準則要求風力發電機組具有一定的低電壓穿越（LVRT）能力[1]。我國根據實際電網結構及風電發展情況對風力機組LVRT能力做出了具體的規定[2]：風電機組在并網點電壓跌落到20%額定電壓時能夠持續并網運行625 ms；風電機組在并網點電壓在發生跌落3s內能夠恢復到額定電壓的90%，風電機組保持并網運行。

雙饋異步發電機（DFIG）以其較好的調速性能，有功和無功功率可獨立調節以及變流器容量、投資和損耗小等優點，成為目前風電場的主流機型。目前，雙饋異步風力發電系統實現低電壓穿越更為普遍和有效地方法是在轉子側增加保護電路（即Crowbar電路）和直流側卸荷電路，從而使得風機在不脫網的情況下轉子變流器可以重新開始工作，滿足LVRT的要求。

本文研究了轉子Crowbar保護電路和直流側卸荷電路的控制策略，并且在PSCAD仿真軟件中搭建了一臺2MW雙饋異步風力發電機模型，仿真對比了轉子Crowbar和直流側卸荷電路組成的組合電路與僅接入轉子Crowbar保護電路的LVRT效果，驗證了組合保護電路控制策略能夠更好地實現低電壓穿越。

1 風力發電系統低電壓穿越研究現狀

為了保證電網電壓跌落故障時雙饋異步發電機及其勵磁變流器安全不脫網運行，國內外學術界和工程界對電網電壓跌落故障時雙饋異步發電機的保護原理與控制策略進行了大量研究。目前相關研究大體上可分為兩個方向：一是改進控制策略；二是增加硬件輔助電路。

通過控制策略的改進，只適用于電壓跌落不很嚴重的情況，一旦出現很嚴重的電壓跌落，無論怎樣控制都將出現過電流或是過電壓。這時，需增加硬件輔助電路實現LVRT。

文獻[3-4]對轉子側Crowbar電路和直流側卸荷電路的控制進行了仿真，但是該文獻中的 Crowbar電路是被動的，不能主動切除，失去了對 DFIG在電網故障情況下的主動控制。文獻[5]在機組直流側加入能量儲存系統（ESS），該系統在電網故障時將多余的能量存儲起來，故障結束時又將儲存的能量送回電網，但在直流側加入ESS系統加大了設計的難度，同時也增加了成本。文獻[6-7]在發電機轉子側和變流器之間增加Crowbar電路，當電網電壓跌落引起轉子側過電流時，投入 Crowbar電路，利用Crowbar電路吸收轉子側過電流，保證變流器避開過電流的沖擊，起到保護作用。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，使風力發電系統快速恢復正常運行，因而具有更大的靈活性。文獻[8]在雙饋風力發電機組直流母線側加入卸荷電路，當檢測到直流環節電壓過高時投入卸荷電路，消耗直流側多余能量，保持電壓穩定，該方法簡單有效。

Crowbar電路中的電阻R的選取是一個難點[9]，R值過小則起不到限制轉子過電流的作用；R值選擇越大，轉子電流衰減越快，但R值過大則會導致直流母線和網側變流器功率開關器件上產生過電壓。因此本文采用Crowbar和直流側卸荷電路組成的組合電路，兼顧限制轉子側過電流和直流母線上過電壓。

2 雙饋風力發電機組LVRT實現

圖1為雙饋風力發電機組結構圖，其中雙饋異步發電機的定子通過變壓器直接與電網相連，轉子通過變換器與電網相連。

圖1 雙饋風力發電機組結構圖Fig.1 Structure diagram of the doubly fed wind turbine

由于DFIG定子直接與電網相連，當電網電壓瞬間跌落引起機端電壓驟降時，雙饋發電機定子電壓跌落，根據磁鏈守恒定律，定子磁鏈不能隨定子端電壓突變，從而產生直流分量，定子磁鏈幾乎不發生變化，而轉子繼續旋轉，會導致轉子電流迅速上升。轉子側電流迅速升高，同時機組不能正常向電網輸出能量，會導致勵磁變流器直流側電壓升高[10]。因此，需要采用一些控制策略，來限制轉子電流上升，并減小直流母線側電壓，抑制電磁轉矩的振蕩。

2.1 主動式轉子Crowbar電路控制策略

主動式Crowbar保護電路如圖2所示，以不可控整流橋配合一個IGBT全控器件與電阻R串聯組成了Crowbar電路，其中電阻R用以限制故障期間轉子過電流，Crowbar電路與轉子變流器之間用斷路器相連，當投入Crowbar電路時開通斷路器，切除時斷開斷路器。

圖3為主動式轉子Crowbar電路投切原理圖，圖中i*rotor為設定的轉子電流限定值；irotor為轉子電流實際值。在電網電壓跌落期間Crowbar電路中的IGBT的控制信號與轉子側變流器的控制信號是互鎖的，即當IGBT導通時封鎖轉子側變流器控制脈沖，當IGBT斷開時恢復轉子側變流器控制。

圖2 主動式轉子Crowbar保護電路Fig.2 Active Crowbar protection circuit

圖3 轉子Crowbar電路投切原理圖Fig.3 Principle diagram of Crowbar circuit

當電壓檢測電路檢測到電網發生故障導致電壓跌落時，即開通斷路器，投入Crowbar電路，同時DFIG定、轉子將會出現過電流。當與的差值大于限定值時，不是一直導通Crowbar電路中的IGBT，而是給IGBT斬波控制信號，因為當IGBT導通時轉子側變流器是不工作的，因此無法向外部輸出有功，所以應該在限定轉子電流的前提下盡可能多的外部輸出有功，防止電網發生更為嚴重的故障；根據具體設置斷開斷路器，切除轉子Crowbar電路，同時恢復轉子變流器正常工作。

R阻值的選取是一個難點，因此在轉子Crowbar電路的基礎上再加上直流側卸荷電路，兼顧限制轉子側過電流和直流母線上過電壓。

2.2 直流側卸荷電路

直流側卸荷電路如圖4所示，由IGBT和卸載電阻R構成，當電網電壓跌落時，直流母線側電壓高于給定值時投入直流側卸荷電路，利用電阻R消耗多余的能量，則可保持直流側電壓穩定[8]。

圖4 直流側保護電路Fig.4 DC dumping combination projection circuit

如圖5為直流側卸荷電路的控制原理圖，直流母線側卸荷電路動作設定值與直流母線側實際電壓的差值經過滯環比較器后得出IGBT的控制信號S，當差值大于滯環比較器上上限時開通IGBT，小于滯環比較器下限是斷開IGBT。

2.3 LVRT組合保護電路控制策略的實現

LVRT組合保護電路將保護轉子側變流器、直流母線側電容并且使機組持續運行不致從電網脫離。系統采用組合保護電路控制策略的控制過程如下：

1）在電網電壓跌落瞬間立即開通斷路器，投入Crowbar電路，當檢測到轉子電流超過限定值（本文中取額定值的1.5倍）時，給Crowbar電路中IGBT斬波控制脈沖；同時當直流母線側電壓超過設定值時，直流側卸荷電路投入運行。

圖5 直流卸荷電路控制原理圖Fig.5 Principle diagram of DC dumping combination projection circuit

2）電網電壓恢復時立即切除轉子Crowbar和直流側卸荷電路，系統恢復正常運行。

3 雙饋風力發電機組LVRT建模與仿真

基于PSCAD仿真軟件，建立了雙饋風力發電機組仿真模型，如圖6所示。轉子側變流器為電流滯環控制、網側變流器為SPWM控制[11-12]。

仿真參數如下：

1）雙饋異步發電機參數：額定容量為900 kVA，額定角速度為104.72 rad/s，極對數為3，定子額定電壓為 690 V，定子電阻為0.005 4 p.u，轉子電阻為0.006 07 p.u，定子漏感為0.1 p.u，轉子漏感為 0.11p.u；2）電網參數：線電壓 20 kV，50 Hz，電阻為 2.5，電感為 0.04 H；3）風機參數：葉片半徑 R為40 m，槳距角為0度，空氣密度為1.225 kg/m3，齒輪變比n為 67，額定功率為 2 MW；4）額定直流母線電壓 800 V，直流側電容7 800 μF，網側變流器和轉子側變流器無功給定值為0；5）轉子Crowbar電路中的電阻取2，IGBT斬波頻率選擇5 kHz、占空比選擇90%，直流側卸荷電阻取1.5 Ω。

為了驗證DFIG的低電壓穿越能力，選定風電并網低電壓穿越標準中最嚴重的電網電壓驟降：電網電壓在6 s時母線電壓發生三相對稱短路故障，跌落至額定電壓的20%，在6.2 s時恢復正常。

圖7為電網電壓跌落期間接入組合保護電路和單獨接入Crowbar電路的DFIG風力發電系統的各物理量仿真結果的對比。

圖6 雙饋風力發電機組低電壓穿越仿真模型Fig.6 Simulation model of low voltage ride-through of doubly fed wind turbine

如圖 7 （a）、（b）所示，在僅接入 Crowbar電路的情況下直流母線側電壓是超過額定值的二倍；當接入卸荷電路的情況下，直流母線的峰值限定在1 kV以下，減少了對直流母線側電容的沖擊。說明直流母線側卸荷電路與轉子Crowbar電路的組合保護電路更好的保護了直流母線側電容。圖7（c）、（d）對比可得電網電壓跌落期間接入組合保護電路時有功功率波形振蕩比僅接入Crowbar電路時有功功率波形振蕩小。從圖 7（e）、（f）看出電網電壓跌落期間僅接入轉子 Crowbar電路時轉子電流有效值比接入組合保護電路時轉子電流有效值要大，說明結合轉子Crowbar和直流卸荷電路的組合保護電路能更好的限制電網電壓跌落期間引起的轉子過電流。綜上，組合保護電路能更加有利于DFIG風力發電系統低電壓穿越。

4 結 論

文中對比分析了轉子Crowbar電路與轉子Crowbar和直流卸荷電路組成的組合保護電路的DFIG低電壓穿越控制策略。組合電路控制策略是對轉子Crowbar電路控制策略的改進，該控制策略在電網故障時投入使用，限制轉子電流過高，并卸除多余能量，保護變流器和DFIG等器件。通過仿真驗證了即使在電網電壓嚴重跌落時，組合保護電路控制策略能很好地抑制轉子側電流和直流側電壓的上升，并減小輸出功率的振蕩，保證電網安全穩定運行。

[1]李建林，許洪華.風力發電系統低電壓運行技術[M].北京:機械工業出版社，2008.

[2]風電場接入電網技術規定(Q/GDW 392-2009)[S].2009.

[3]Erlich I，Wilch M，Feltes C，et al.Reactive power generation by DFIG based wind farms with AC grid connection[C]//the 2007 European Conference on PowerElectronicsand Applications.Aalbg,Denmark:IEEE，2007:34-43.

[4]Erlich I，Wrede H ，Feltes C ，et al.Dynamic behavior of DFIG-based wind turbines during grid faults[C]//the 4th Power Conversion Conference (PCC-Nagoya 2007).Nagoya Japan:IEEE，2007:1162-1167.

[5]Chi Jin，Peng Wang.Enhancement of Low Voltage Ride，Through Capability for Wind Turbine Driven DFIG with Active Crowbar and Battery Energy Storage System[J].Power and Energy Society General Meeting，2010IEEE，2010:1-8.

[6]杜強，張惠娟，張同慶.雙饋風力發電機組撬棒電路保護技術的研究[J].電力電子技術,2011,45(8):48-50.

DU Qiang，ZHANG Hui-juan，ZHANG Tong-qing.Crowbar circuitprotection technology ofdouble-FED induction generators[J].Power Electronics，2011，45（8）:48-50.

[7]秦原偉，劉爽.基于Crowbar的雙饋風力發電低電壓穿越研究[J].電力電子技術，2011，45（8）:51-53.

QIN Yuan-wei，LIU Shuang.Doubly-fed induction generator low voltage ride through based on crowbar circuit[J].Power Electronics，2011，45（8）:51-53.

[8]凌禹，程孟曾，蔡旭，等.雙饋風電機組低電壓穿越實驗平臺設計[J].電力電子技術，2011，45（8）:37-38.

LING Yu，CHENG Meng-zeng，CAI Xu，et al.The design of experimental platform for low voltage ride through of sind turbine with doubly-fed induction generator[J].Power Electronics，2011，45（8）:37-38.

[9]車倩，陸于平.采用Crowbar實現低電壓穿越的風電場繼電保護定值整定研究[J].電力系統保護與控制，2013，41（2）:97-102.

CHE Qian，LU Yu-ping.Research on wind farm relay protection value setting based on Crowbar circuit LVRT technology[J].Power System Protection and Control，2013，41（2）:97-102.

[10]賀益康，周鵬.變速恒頻雙饋異步風力發電系統低電壓穿越技術綜述[J].電工技術學報，2009，24（9）:140-146.

HE Yi-kang，ZHOU Peng.Overview of the low voltage ridethrough technology for variable speed constant frequency doubly fed wind power generation systems[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24（9）:140-146.

[11]潘庭龍，紀志成.基于PSCAD的變速恒頻雙饋風電系統建模與仿真[J].控制工程，2009，16（6）:771-774.

PAN Ting-long，JI Zhi-cheng.Modeling and simulation of variable speed constant frequency eoubly fed wind power generation system based on PSCAD[J].Control Engineering of China，2009，16（6）:771-774.

[12]王金行，趙生傳，王澤眾，等.PSCAD/EMTDC環境下雙饋風力發電機組的建模與仿真[J].可再生能源，2012，30（3）:22-26.

WANG Jin-xing，ZHAO Sheng-chuan，WANG Ze-zhong，et al.Modeling and simulation of doubly fed induction generators usingPSCAD/EMTDC[J].RenewableEnergyResources，2012，30（3）:22-26.

圖7 接入組合保護電路與僅接入Crowbar電路系統各物理量響應Fig.7 System response of combination projection circuit and crowbar circuit