雙饋型風機低電壓穿越改造中對變槳系統的改進

袁野，艾利盛

(1.國網吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春市 130021；2.國網吉林省電力有限公司白城供電公司，吉林省白城市 137000)

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雙饋型風機低電壓穿越改造中對變槳系統的改進

袁野1，艾利盛2

(1.國網吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春市 130021；2.國網吉林省電力有限公司白城供電公司，吉林省白城市 137000)

隨著我國風電領域相關標準的發布，國內的雙饋型風機(doubly-fed induction generator，DFIG)發電機組都已具備電網故障時不脫網的能力。其中部分風機是經過技術改造才具備低電壓穿越(low voltage ride through， LVRT)能力的，因此各個廠家的風機LVRT策略多種多樣，很多風機廠家的控制策略并不完善，使得風機在故障后的功率恢復速率并不能滿足要求。同時某些風機的控制策略使風機在功率恢復過程中發生功率突變，若風場的大量風機都應用該程序進行LVRT，則會使得該地區的電網由于有功功率突變而導致電網電壓瞬間升高，對電網造成二次沖擊，使風機又處在外部電壓高于標準電壓的狀態，而目前國內的風機還不具備高電壓穿越功能，從而發生更大規模的風機脫網事件。為此提出了一種在對雙饋風機進行LVRT改造時既能保證其撬棒系統不被損壞，同時又具備LVRT能力的新型精細化控制策略。

低電壓穿越(LVRT)；撬棒；控制策略；雙饋型風機(DFIG)

0 引 言

我國在GB/T 19963—2011《風電場接入電力系統技術規定》中明確規定，要求風電機組必須具備低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)能力[1]。其中對有功功率恢復的要求如下：對電力系統故障期間沒有切出的風電場，其有功功率在故障清除后應快速恢復，自故障清除時刻開始，以至少10%額定功率/s的功率變化率恢復至故障前的值。隨著我國風電機組總裝機容量的不斷增加，大部分風機廠商的雙饋型風機(doubly-fed induction generator，DFIG)發電機組LVRT控制策略都比較成熟，在電網電壓跌落期間，大部分風電場都具備LVRT能力。

但是通過對風電機組LVRT能力的檢測，發現很多廠商在保證風電機組LVRT過程中不脫網的情況下，往往都忽略了風電機組在LVRT過程結束后對功率恢復速率的要求。目前，大多數廠家的控制策略都是通過進行變槳或者偏航動作來消耗一部分LVRT過程中產生的多余能量，同時通過轉子側的撬棒電路進行能量釋放[2]。但是有部分廠家將變槳和偏航動作設置的時間過長，這樣做的確能消耗LVRT過程中的多余能量，減輕撬棒的負擔，但是造成的后果卻是大大降低了風電機組在LVRT過程結束后功率恢復的速率。

風機廠商為了保護撬棒系統，在LVRT過程中在原有變槳動作的基礎上又進行了額外的變槳或者偏航動作，使得風機改變了正常發電情況下機頭的朝向或者葉片的槳距角。在外部電壓恢復正常后，風機需要進行相應的變槳或者偏航動作來重新使風機處在最大的發電狀態，這樣風機就需要更長的時間來恢復到LVRT前的功率狀態[3-5]。因此，在編寫控制策略時，應根據外部電壓跌落情況，正確選擇撬棒動作投入的時間，同時控制變槳動作的次數，盡可能保證風機既能在LVRT過程中不脫網，同時功率恢復速率也能達到要求。

本文首先概述雙饋型風電機組的結構，包括變槳系統、偏航系統及部分風機廠家對各自風機撬棒系統的控制策略，同時分析在LVRT過程中雙饋型風機的運行過程以及LVRT功能的必要性。然后通過實際檢測得到的數據，分析風機在電網故障時的各項性能，提出一種在對雙饋型風電機組進行LVRT改造時既能保證其撬棒系統不被損壞，同時又具備LVRT能力的新型精細化控制策略。

1 雙饋型風力發電機工作原理

雙饋型風力發電機的定子和轉子均與電網相連，其中定子通過并網開關直接連接到電網，轉子通過機側變流器與網側變流器與電網相連，如圖1所示。由于雙饋型風力發電機中轉子的勵磁繞組為三相對稱繞組，且勵磁電壓的頻率、相位、幅值和相序均可調節，從而很容易對風機有功和無功輸出進行控制[6-8]。

圖1 常規雙饋型風力發電機電路結構Fig.1 Circuit structure of common DFIG

雙饋型風力發電機通過定子和轉子分別發電，當電網外部電壓發生跌落時，由于定子側直接與電網相連，定子電壓瞬時下降，且電流不能突變，導致轉子電流發生突變，超過轉子電流的保護定值。同時在“背靠背”的直流部分引起較大直流母排過電壓，導致直流母排電壓報警[9-10]，引起發電機脫網。若這種現象不能得到有效抑制，會使電網電壓進一步跌落，進而造成大面積的電網電壓跌落，對電網的安全穩定運行造成危害[11]。因此，我國在《風電場接入電力系統技術規定》中明確規定：風電場并網點電壓跌落至20%標稱電壓時，風電場內的風電機組應保證不脫網連續運行625 ms，如圖2所示；風電場并網點電壓在發生跌落后2 s內能夠恢復到標稱電壓的90%時，風電場內的風電機組應保證不脫網連續運行；對電力系統故障期間沒有切出的風電場，其有功功率在故障清除后應快速恢復，自故障清除時刻開始，以至少10%額定功率/s的功率變化率恢復至故障前的值。

圖2 風電場LVRT功能要求Fig.2 LVRT functional requirements of wind farm

風電機組檢測到電壓故障時，風機進入到LVRT過程。此時，由于網側變流器的電流不能突變，因此輸出功率減小，但是風電機向機側變流器輸入的功率并沒有減小，因而需要有額外的能量釋放通道，此時風機的撬棒系統開啟，同時風機進行變槳動作，減小風機捕獲的風能[11]。但是有的廠商為了保護風機撬棒中的釋放電阻，將這部分能量全部通過額外的變槳或偏航動作來進行釋放[4，11]。同時，當風機進行偏航和變槳動作時，風機轉子向機側變流器輸入的功率也會減小，此時需要釋放的多余能量也會有一定程度的減小。

風機處于LVRT過程中時的能量關系如下：

Pout=Pin-Ploss-Pcrowbar-Ppitch-Pyaw

(1)

式中：Pout為風機的輸出能量；Pin為向風機輸入的總能量；Ploss為風機內部的銅耗、鐵耗及其他能量損失；Pcrowbar為風機通過撬棒系統電路釋放的能量；Ppitch為風機進行額外變槳動作消耗的能量；Pyaw為風機進行額外偏航動作消耗的能量。

由式(1)可知，在LVRT過程中，風機進行變槳和偏航所消耗的能量越多，風機通過撬棒系統進行消耗的能量越少，則該部分所需要承擔的負擔越小。因此，有的風機廠商為了保護該部分電路，將變槳和偏航的時間設置得很長，以此來減輕撬棒系統的負擔，導致風機LVRT后功率恢復速率遠遠達不到標準所要求的速率[12-13]。

2 雙饋型風機實測LVRT過程

圖3、4為某機型經過LVRT改造之后的LVRT過程功率曲線和電壓曲線。

圖3 某雙饋型風電機組LVRT過程功率曲線Fig.3 Power curve of DFIG during LVRT process

圖4 某雙饋型風電機組LVRT過程電壓曲線Fig.4 Voltage curve of DFIG during LVRT process

由圖3、4可知，該機型的輸出功率在電壓恢復正常后有一個明顯的功率恢復 “停滯期”，該期間內風機的功率恢復速率基本停止，持續時間為2 s左右，同時伴隨著有明顯的功率波動。當這段“停滯期”結束后，輸出功率在1 s內由1 283 kW突變為1 538 kW，并且在恢復到正常功率水平之后仍然有明顯的功率波動期，最低為1 479 kW，最高為1 515 kW，相差36 kW，共持續10.4 s，而正常風機運行時功率上下浮動不會超過5 kW。詳細波形如圖5、6所示。

圖5 該風機正常情況下輸出功率曲線Fig.5 Power curve of DFIG during normal condition

圖6 該風機LVRT過程中功率突變曲線Fig.6 Saltation in power curve of DFIG during LVRT process

3 新型雙饋型風電機LVRT控制策略

經分析，圖3中所示產生“停滯期”的原因是該風機廠家在LVRT控制策略中將變槳過程投入時間設置過長。當檢測到外部電壓故障時，第一時間就進行了變槳動作，而且變槳動作持續時間較長，從檢測到外部故障后開始，一直持續了12 s，幾乎全部利用變槳系統進行能量釋放，通過撬棒系統釋放的能量很少。這就直接導致在電壓恢復正常之后，功率仍然不能恢復到正常水平，且風機的輸出功率隨著槳距角的變化一直在波動。當風機功率恢復到LVRT過程之前的水平時，風機的變槳動作仍然在繼續，因此導致風機的輸出功率仍然出現了一定幅度的波動。產生這種情況的直接原因就是風機廠家將公式(1)中的Pcrowbar(風機通過撬棒電路釋放的能量)設置盡可能小，而將大部分能量通過Ppitch(風機進行額外變槳動作消耗的能量)的形式釋放。

當風電機組配備的撬棒系統無法完全消納LVRT過程多余的全部能量時，的確需要通過風機的變槳或者偏航動作來消耗多余的能量，但是不能完全通過這2項動作來進行能量釋放。因此，這里就涉及到什么情況下需要變槳動作或者偏航動作，需要持續多長時間等問題。需要考慮的是所配置的撬棒系統能夠消耗的最大能量是多少，同時還要考慮風機的電壓跌落幅度。參考式(1)，風機需要釋放的能量總和P總為

P總=Pcrowbar+Ppitch+Pyaw

(2)

同時，要考慮到所用的釋放電阻的材料特性，由于LVRT過程時間短，因此在短時間內要釋放的能量較大，所要釋放的總能量計算公式如下：

(3)

式中：W為LVRT過程中總的釋放能量；I為LVRT過程中的電流；R為撬棒系統中釋放電阻的值；t為LVRT所經歷的時間；t1和t2分別為LVRT過程開始和停止時間。

同時，根據風機廠家所采用的釋放電阻的值以及流過的最大電流值，可以計算出該電阻能釋放的最大能量限值Wmax。這里的時間設定為625 ms，最大承受能量計算公式如下：

Wmax=I2Rt

(4)

若風機在LVRT過程中需要釋放的能量W>Wmax時，不僅需要通過撬棒系統釋放能量，同時還需要通過額外的變槳動作來釋放。若W

(5)

因此，在風機的LVRT過程中，應該加入一個初步判斷的步驟，可以分為幾個區間，如風機處于小風期時，此時電壓跌落幅值，如表1所示。表中類型1為僅撬棒系統動作；不進行變槳動作，類型2為撬棒和變槳同時動作。

表1 風機跌落情況判斷

Table 1 Estimate of wind turbine falling condition

當檢測到外部電壓有跌落情況時，首先判斷該幅度的跌落所產生的多余能量是否能夠完全通過撬棒系統進行釋放，若能夠完全釋放，則不啟動變槳動作進行能量釋放；若不能夠完全釋放，則啟動變槳動作進行能量釋放，同時指定變槳系統的動作次數，避免多次變槳而導致功率恢復速率不達標。

下面以某雙饋型風機輸出功率處于20%～40%區間時，發生三相電壓跌落至20%的情況為例，計算該風機需要進行變槳次數。根據表1中跌落情況判斷，該LVRT控制策略應為類型2，即撬棒與變槳同時動作。圖7、8、9分別為該風機LVRT過程中的電壓、功率以及三相電流曲線圖，圖中黑色豎實線為電壓恢復至正常水平時刻的參考點。

從圖8可以看出，該風機在LVRT過程中有2個功率波動現象，即所進行變槳次數為2次。第1次為功率由正常功率降低到最低輸出功率，此時風機進行了1次變槳動作，第2次為風機輸出功率開始恢復過程中，出現1次功率的回落，此時進行第2次變槳動作。

圖7 修改后風機LVRT過程電壓曲線Fig.7 Power curve of modified DFIG during LVRT process

圖8 修改后風機LVRT過程功率曲線Fig.8 Power curve of modified DFIG during LVRT process

圖9 修改后風機LVRT過程相電流曲線Fig.9 Power curve of modified DFIG during LVRT process

風機功率出現變化的起始時間為8.616 s，風機電壓恢復正常的時間為10.216 s，中間經歷時間1.6 s，風機正常輸出功率為406 kW，正常應該輸出能量為649.6 kJ。根據陰影面積計算法，風機在LVRT過程中輸出的實際能量為341.7 kJ，因此撬棒和變槳系統一共需要消耗的總能量為307.9 kJ。

根據公式(4)，已知故障前輸出電流各相分別為335，332，334 A，該撬棒每相阻抗值為1 Ω，根據已設時間0.625 s，可計算出撬棒電路消耗的總能量為208.8 kJ，還剩99.1 kJ的能量需要通過變槳動作進行消耗。根據廠家提供數據，風機每進行1次變槳所需要的能量約為100 kJ，該數據根據實時的風況會有變化，但是上下不會超過10 kJ。根據公式(5)可知，s=1.99，取s為2，因此要消耗這部分多余的能量需要進行2次變槳動作。

可見該控制策略可以幫助風機判斷當故障發生時是處在哪種區域，應當進行什么樣的動作，這樣既能正確地進行LVRT動作，同時還能保證在故障后功率恢復速率滿足相關標準的要求。圖10、11為經過修改控制程序后的風機LVRT兩相跌落曲線，此時風機處在大功率階段，即風機輸出功率處在額定功率的90%以上，同時電壓跌落幅度為額定電壓的20%～40%，因此所屬LVRT過程應該是類型2，即通過撬棒系統和變槳系統同時進行能量的釋放。

圖10 修改后風機LVRT過程功率曲線Fig.10 Power curve of modified DFIG during LVRT process

圖11 修改后風機LVRT過程中相間電壓曲線Fig.11 Voltage curve of modified DFIG during LVRT process

由圖10、11可知，變槳動作并不是一直在進行，而是在恢復到電壓跌落前的水平后才開始進行調整，并不存在圖3中的功率“停滯”階段，僅經過1 s就從72 kW恢復到1 463 kW，因此這種功率恢復速率是滿足國家標準要求的，滿足了《風電場接入電力系統技術規定》中關于功率恢復速率的要求。這證明上述理論是可以實現的，并且可以滿足國標中的相關要求。

4 結 論

(1)對雙饋風電機組進行LVRT功能改造時應該充分考慮原有撬棒系統所能承受最大的能量釋放，在盡可能用撬棒系統進行能量釋放的基礎上再考慮利用變槳動作進行額外的能量釋放的控制策略，而不應該籠統的盡可能使用變槳或者偏航動作來進行殘余能量的消耗。

(2)在原有主控程序的基礎上，應該加入一個優先判據來判斷風機此時所處的區間，并且能判斷需要進行變槳動作的次數，避免風機進行長時間的變槳，進而達到精細化控制風機的目標。

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(編輯：張小飛)

Pitch System Improvement of DFIG in LVRT Transforming Process

YUAN Ye1, AI Lisheng2

(1.Electric Power Research Institute of State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Changchun 130021, China; 2.Baicheng Power Supply Company of tate Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Baicheng 137000, Jilin Province, China)

With the standards of wind power in China are published, all the doubly-fed induction generator (DFIG) wind turbines manufacturers in China are equipped with low voltage ride through(LVRT) ability.But some of the wind turbines are born with LVRT ability, the others are reformed by the manufacturers.So that the LVRT strategies of different wind turbines are all unlike, which make some of control strategies of wind turbines are not perfect, so that these turbines cannot meet the requires of recover power rate after the low voltage fault.In the same time, some control strategies of wind turbines may cause power saltation condition.If lots of wind turbines in a wind farm all use this strategy to proceed the LVRT, the voltage of this area will increase suddenly because of the power saltation, which will bring a secondary impact to the grid, and cause the wind turbines of this area into voltage-overtop status.But the wind turbines in China are not equipped with high voltage ride through(HVRT) ability, so that it will result in more wind turbines out of work.This paper proposed an elaborate control strategy for DFIG, which could both protect the crowbar system and get LVRT application.

low voltage ride through; crowbar; control strategy; doubly-fed induction generator

TM 614

A

1000-7229(2015)03-0099-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.017

2014-09-11

2014-10-09

袁野(1984)，男，碩士，主要從事風電場并網檢測工作；

艾利盛(1960)，男，碩士，主要從事電力系統管理工作。