基于SDR的雙饋異步風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越方案研究

趙　鵬，賈　晶，王瑞琪，于　芃，毛慶波

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南　250003）

基于SDR的雙饋異步風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越方案研究

趙鵬，賈晶，王瑞琪，于芃，毛慶波

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003）

隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的快速增加，電力系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的要求也越來(lái)越高。提出基于串聯(lián)動(dòng)態(tài)電阻（SDR）的雙饋異步風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越新方法，介紹了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理，通過(guò)電網(wǎng)正常運(yùn)行和發(fā)生低電壓故障情況下雙饋異步風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型論證了方法的可行性。在Matlab/Simulink中建立了風(fēng)電機(jī)組的仿真分析模型以驗(yàn)證其有效性，仿真結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)電壓跌落期間雙饋異步風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)選擇SDR電阻時(shí)既要保證轉(zhuǎn)子電流在安全范圍內(nèi)，還要考慮限制故障過(guò)程中的過(guò)電壓。

雙饋異步風(fēng)電機(jī)組；低電壓穿越；SDR；開(kāi)關(guān)；仿真

0　引言

風(fēng)能因?yàn)槠淝鍧嵭裕艿皆絹?lái)越多的關(guān)注。截至2014年底，全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到9 637萬(wàn)kW，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的比例達(dá)7%，風(fēng)電發(fā)電量已占全國(guó)規(guī)模以上發(fā)電量的2.82%［1］。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)電占整個(gè)電網(wǎng)容量的比例將越來(lái)越大，但2011年以來(lái)全國(guó)共發(fā)生脫網(wǎng)容量500 MW以上的風(fēng)電脫網(wǎng)故障10余次，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。歷次大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故分析結(jié)果表明，風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力或低電壓穿越能力不可靠是造成風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模連鎖脫網(wǎng)的主要原因［2］。特別是雙饋異步風(fēng)電機(jī)組由于定子側(cè)直流連接電網(wǎng)，且所用變流器容量較小，相對(duì)于采用全功率變流器的永磁同步風(fēng)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越（LVRT）較為復(fù)雜［3-4］。

目前雙饋異步風(fēng)電機(jī)組LVRT的解決措施主要有兩種類(lèi)型，一種是不增加硬件設(shè)備，僅改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組變流器或變槳系統(tǒng)控制策略［5］；另一種方法是增加硬件電路，如網(wǎng)側(cè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置、柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTSs）、輔助電阻等［6-10］。第1種解決措施中，變流器需要增加變流容量以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，但在正常運(yùn)行情況下，大部分容量將閑置；對(duì)于控制變槳系統(tǒng)，由于槳距角調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，有時(shí)槳距角不能根據(jù)需要迅速做出響應(yīng)。第2種解決措施中，Crowbar電路保護(hù)方案最為常見(jiàn)，但在Crowbar動(dòng)作后，轉(zhuǎn)子變流器停止工作，增加了電網(wǎng)無(wú)功負(fù)擔(dān)，不利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)［11］，同時(shí)故障前后雙饋電機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)間的切換，需要復(fù)雜的控制邏輯［12］。

介紹基于串聯(lián)動(dòng)態(tài)電阻（SDR）的雙饋異步風(fēng)電機(jī)組LVRT新方法，在直流電容和轉(zhuǎn)子逆變器之間串聯(lián)動(dòng)態(tài)電阻，動(dòng)態(tài)電阻由雙向可控硅開(kāi)關(guān)和電阻并聯(lián)構(gòu)成。首先闡述新LVRT方法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，然后建立了新型逆變器的數(shù)學(xué)模型，最后基于Matlab/Simulink建立了1.5 MW的雙饋異步風(fēng)電機(jī)組（DFIG）仿真模型，對(duì)比分析有無(wú)SDR的雙饋異步風(fēng)電機(jī)組故障特性，并分析了不同阻值的SDR對(duì)電壓跌落情況下雙饋異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀況的影響以此證明新方法的正確性和有效性。

1　基于SDR的LVRT新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及理論分析

1.1包含SDR的DFIG拓?fù)錂C(jī)構(gòu)

電網(wǎng)電壓驟降之后，DFIG的定、轉(zhuǎn)子繞組中感生很大的故障電流，轉(zhuǎn)子故障電流流過(guò)變流器直流電容，引起直流母線(xiàn)電壓的波動(dòng)，同時(shí)電網(wǎng)電壓降低導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)變流器控制直流母線(xiàn)電壓的能力減弱，不能及時(shí)將轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)剩的能量傳遞到電網(wǎng)上，導(dǎo)致直流母線(xiàn)電壓快速泵升，危害直流母線(xiàn)電容安全。因此，電壓驟降時(shí)必須采取措施消耗轉(zhuǎn)子側(cè)多余能量，防止直流母線(xiàn)電壓過(guò)高。采用一種基于SDR的DFIG低電壓穿越拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子變流器與直流母線(xiàn)之間串聯(lián)SDR回路，SDR回路由SDR電阻和雙向可控硅開(kāi)關(guān)組成。通過(guò)軟件指令控制SDR回路中雙向可控硅導(dǎo)通或斷開(kāi)，風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，雙向可控硅閉合，電流不流經(jīng)SDR電阻，而電網(wǎng)發(fā)生故障運(yùn)行時(shí)，變流器直流母線(xiàn)大幅度波動(dòng)，采用遲滯環(huán)原理（遲滯環(huán)門(mén)限電壓Udc≥U1im）斷開(kāi)雙向可控硅開(kāi)關(guān)，電流將流經(jīng)SDR電阻，SDR電阻根據(jù)遲滯環(huán)工作原理持續(xù)地消耗從發(fā)電機(jī)側(cè)傳遞到直流母線(xiàn)上的能力，維持直流母線(xiàn)Udc電壓穩(wěn)定直到電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常。

圖1　基于SDR的低電壓穿越方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2DFIG新型變流器數(shù)學(xué)模型與分析

圖2為包含SDR的新型變流器結(jié)構(gòu)圖。假定圖2中功率器件均為理想開(kāi)關(guān)器件，則當(dāng)SDR回路雙向可控硅開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，由基爾霍夫定律可得電壓方程：

圖2　新型轉(zhuǎn)子變流器結(jié)構(gòu)

式中：Udc為變流器直流母線(xiàn)電壓；UON為轉(zhuǎn)子繞組中性點(diǎn)O與直流母線(xiàn)負(fù)極N之間的電壓；RSDR、iSDR分別為 SDR回路電阻、電流；Rra、Rrb、Rrc，ira、irb、irc分別為轉(zhuǎn)子繞組三相電阻、電流；ψar、ψbr、ψcr分別為轉(zhuǎn)子繞組三相磁鏈；Sk（k=a，b，c）為理想功率器件的開(kāi)關(guān)函數(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器上橋臂導(dǎo)通，下橋臂斷開(kāi)，則Sk（k=a，b，c）=1，當(dāng)上橋臂斷開(kāi)，下橋臂導(dǎo)通則Sk（k=a，b，c）=0。在正常和對(duì)稱(chēng)故障條件下，發(fā)電機(jī)處于對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，合并式（1）、（2）可得：

將式 （3）代入式 （1），則得：

將轉(zhuǎn)子變流器在靜止坐標(biāo)系統(tǒng)下的式（4）轉(zhuǎn)化為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)下的表達(dá)式：

將新型轉(zhuǎn)子變流器數(shù)學(xué)模型式（5）與轉(zhuǎn)子變流不包含SDR回路（RSDR=0）時(shí)轉(zhuǎn)子變流器的數(shù)學(xué)模型對(duì)比可知，轉(zhuǎn)子變流器與直流母線(xiàn)之間串聯(lián)SDR回路后，轉(zhuǎn)子變流器的數(shù)學(xué)模型并沒(méi)有改變，即轉(zhuǎn)子逆變器的控制目標(biāo)不改變，因此，包含SDR回路的轉(zhuǎn)子逆變器的控制策略能夠使DFIG在故障條件不改變控制器算法就能控制轉(zhuǎn)子電流。

1.3基于SDR的LVRT控制策略

通過(guò)上述詳細(xì)分析電壓跌落對(duì)變流器直流電容的影響以及新型LVRT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，基于此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LVRT控制策略為：電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，轉(zhuǎn)子能量流經(jīng)轉(zhuǎn)子變換器之后，一部分被電網(wǎng)側(cè)變流器傳遞到電網(wǎng)，其余為直流母線(xiàn)電容充電，導(dǎo)致母線(xiàn)電壓快速升過(guò)高，當(dāng)Udc≥U1im時(shí)，SDR回路雙向可控硅開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，SDR回路電阻接入直流母線(xiàn)回路釋放能量；當(dāng)Udc恢復(fù)正常時(shí)，SDR回路雙向可控硅開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，隔離SDR回路電阻，轉(zhuǎn)子變換器恢復(fù)原始狀態(tài)。

2　仿真分析

為驗(yàn)證所提方案的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境搭建仿真模型，模型參數(shù)如表1所示。

表1　雙饋異步風(fēng)電機(jī)組參數(shù)

2.1數(shù)學(xué)模型仿真分析

假定定子電壓在0.4 s跌落至20%額定電壓，故障期間電機(jī)轉(zhuǎn)速（40 Hz）保持不變，轉(zhuǎn)子直軸和交軸電流分別為idr=295 A和iqr=75 A，SDR回路雙向可控硅開(kāi)關(guān)0.402 1 s斷開(kāi)，SDR回路電阻 （RSDR=1 Ω）投入電路，并在0.5 s停用。圖3為SDR回路的動(dòng)作情況，圖4為轉(zhuǎn)子直軸電流idr和交軸電流iqr曲線(xiàn)。

圖3　SDR回路動(dòng)作信號(hào)（1表示雙向可控硅開(kāi)關(guān)斷開(kāi)）

圖4　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直軸電流idr和交軸電流iqr

從圖3、4可以看出，SDR回路導(dǎo)通和斷開(kāi)后，轉(zhuǎn)子電流幾乎沒(méi)有改變，這是因?yàn)镾DR回路導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)變流器的控制算法沒(méi)有改變，由此可知，所提新的變流器數(shù)學(xué)模型是可行的。

2.2LVRT方案仿真

為驗(yàn)證所提LVRT控制策略的有效性，假設(shè)故障條件為：定子電壓在0.4 s跌落至0，0.6 s恢復(fù)正常，故障持續(xù)200 ms，故障期間電機(jī)轉(zhuǎn)速（40 Hz）保持不變，轉(zhuǎn)子直軸和交軸初始電流分別為idr=295 A和iqr=75 A。對(duì)以下兩種情況進(jìn)行仿真對(duì)比分析：1）電壓跌落時(shí)，不作任何保護(hù)措施，直到仿真進(jìn)行完畢；2）SDR回路電阻RSDR=1 Ω，檢測(cè)到電壓跌落時(shí)，SDR雙向可控硅開(kāi)關(guān)在0.402 s斷開(kāi)、0.500 s導(dǎo)通，電壓恢復(fù)正常后，SDR雙向可控硅開(kāi)關(guān)在 0.602 s導(dǎo)通、0.800 s斷開(kāi)，故障期間變流器電容電壓基本保持在400 V。電網(wǎng)電壓驟降下無(wú)低電壓穿越保護(hù)措施，雙饋異步風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子電流如圖5所示，采用SDR回路時(shí)轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電壓如圖6所示。由圖5可見(jiàn)，在電網(wǎng)電壓驟降的情況下，不采取任何保護(hù)措施，風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子電流的峰值可達(dá)正常值的3～4倍；更為嚴(yán)重的是在電壓恢復(fù)時(shí)刻，轉(zhuǎn)子電流更是產(chǎn)生了高于正常電流10～20倍的沖擊值，這將對(duì)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組以及轉(zhuǎn)子變換器產(chǎn)生極大的危害。

圖5　未采用LVRT策略時(shí)的轉(zhuǎn)子電流

圖6　采用SDR回路時(shí)的轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電壓

由圖6可以看出，在電網(wǎng)電壓跌落期間，變流器采用SDR回路時(shí)，轉(zhuǎn)子電流達(dá)到的峰值均處于安全范圍內(nèi)，SDR回路電阻投入后，轉(zhuǎn)子電流很快衰減至正常值；在電壓恢復(fù)時(shí)，轉(zhuǎn)子電流最大峰值電壓僅為正常值的2倍左右，且在故障排除后的0.1 s左右恢復(fù)至正常狀態(tài)。與此同時(shí)，由于直流母線(xiàn)電壓保持恒定，風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率在故障期間基本不變且非常穩(wěn)定，可控制網(wǎng)側(cè)變換器向電網(wǎng)提供無(wú)功，以保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定［8］。

SDR電阻回路投入后，變流器直流回路電壓有所升高，如圖6所示，這就意味著，采用串聯(lián)SDR回路LVRT控制策略需適當(dāng)提高變流器的短時(shí)過(guò)壓能力，即便如此，該方法與需要增加電容器電壓來(lái)控制轉(zhuǎn)子電流其他方法相比卻更為經(jīng)濟(jì)，而且SDR回路雙向可控硅開(kāi)關(guān)動(dòng)作前后，轉(zhuǎn)子變流器的控制器參數(shù)不需要改變，降低了變流器控制邏輯的復(fù)雜性，同時(shí)故障情況下雙饋異步風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)沒(méi)有改變，有效避開(kāi)電機(jī)振蕩過(guò)程和消耗電網(wǎng)無(wú)功功率的不利影響。

2.3不同SDR電阻對(duì)LVRT效果影響分析

應(yīng)用SDR回路實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組LVRTR的效果與電壓的跌落程度以及回路電阻的大小密切相關(guān)。

2.3.1電網(wǎng)電壓跌落至20%時(shí)風(fēng)機(jī)LVRT特性

設(shè)定定子電壓在0.4 s跌落至20%額定電壓，0.6 s恢復(fù)正常，故障持續(xù)200 ms，故障期間電機(jī)轉(zhuǎn)速（40 Hz）保持不變，轉(zhuǎn)子直軸和交軸電流分別為idr=295 A和iqr=75 A在電壓下降后，設(shè)定SDR雙向可控硅開(kāi)關(guān)在0.402s導(dǎo)通和0.500s斷開(kāi)；電壓恢復(fù)后，設(shè)定SDR雙向可控硅開(kāi)關(guān)在0.602s導(dǎo)通和0.800s斷開(kāi)，同時(shí)故障期間，變流器電容器電壓保持在400 V基本不變，定子電壓如圖7所示。當(dāng)SDR回路電阻RSDR= 0.5Ω、RSDR=1Ω時(shí)，轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電壓如圖8所示。

圖7　定子電壓跌落至20%時(shí)的波形

圖8　定子電壓跌落至20%，不同SDR阻值的DFIG轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電壓

從圖8中可知，當(dāng)電壓跌落幅值一定時(shí)，隨著SDR回路RSDR阻值增大，轉(zhuǎn)子電流的峰值將減小，但轉(zhuǎn)子電壓的峰值將增大，同時(shí)諧波增大，轉(zhuǎn)子電壓和電流恢復(fù)正常時(shí)所需時(shí)間變長(zhǎng)。

2.3.2電網(wǎng)電壓跌落至0%時(shí)風(fēng)機(jī)LVRT特性

設(shè)定定子電壓在0.4 s跌落至0，其他條件與上節(jié)所述一致，定子電壓如圖9所示。當(dāng)SDR回路電阻RSDR=0.5Ω時(shí)，轉(zhuǎn)子電流和SDR回路電壓如圖10所示。

圖9　定子電壓跌落至0時(shí)的波形

圖10　轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電壓

對(duì)比圖6、圖8、圖10可知，當(dāng)SDR電阻一定時(shí)，隨著定子電壓跌落程度的加大，轉(zhuǎn)子最大峰值電流和電壓均變大，且諧波增大，系統(tǒng)振蕩程度加大，即SDR回路的保護(hù)效果也逐步變差。

因此，基于SDR的新型LVRT方法，選擇SDR回路電阻時(shí)既要確保轉(zhuǎn)子電流在安全范圍以?xún)?nèi)，也要能限制故障過(guò)程中的轉(zhuǎn)子電壓；需綜合考慮轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓和DFIG的穩(wěn)定性等因素選擇最優(yōu)電阻。

3　結(jié)語(yǔ)

在基于SDR的雙饋風(fēng)電機(jī)組新型LVRT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行了電網(wǎng)故障下風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況仿真分析，發(fā)現(xiàn)在電網(wǎng)電壓深度跌落情況下，變流器加裝SDR電路能夠很好實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越；SDR回路電阻既不能太大也不能太小，需綜合考慮轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓和DFIG的穩(wěn)定性等因素選擇最優(yōu)電阻。為提高基于SDR的雙饋異步風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力，應(yīng)適當(dāng)提高變流器的短時(shí)過(guò)壓能力。

［1］國(guó)家能源局.2014年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)監(jiān)測(cè)情況［R］.北京：國(guó)家能源局，2014.

［2］何世恩，董新洲.大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)原因分析及對(duì)策［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（1）：131-137，144.

［3］賀益康，周鵬.變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（9）：140-146.

［4］李輝，廖勇，姚駿，等.不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)方案比較研究［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（11）：77-86.

［5］王勇，張純江，柴秀慧，等.電網(wǎng)電壓跌落情況下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁過(guò)渡過(guò)程及控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（12）：14-19.

［6］秦原偉，劉爽.基于Crowbar的雙饋風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越研究［J］.電力電子技術(shù)，2011，45（7）：127-130.

［7］朱曉東，石磊，陳寧，等.考慮Crowbar阻值和退出時(shí)間的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（18）：84-89.

［8］馬文龍.Crowbar保護(hù)在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)故障穿越中的應(yīng)用［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（7）：127-130.

［9］Jin Yang，John E.Fletcher，and John O'Reilly，“A seriesdynamic-resistor-based converter protection scheme for doublyfed induction generator during various fault conditions，”IEEE Trans.Energy Conversion，vol.25，no.2，pp.422-431，Jun.2010.

［10］ChristianWessels，F(xiàn)abianGebhardt，andFriedrichWillhelm Fuchs.“Fault ride-through of a DFIG wind turbine using a dynamic voltage restorer during symmetrical and asymmetrical grid faults”，IEEE Trans.Power Systems，vol.26，no.3，pp.807-815，Mar.2011.

［11］W.J.Chen，David Atkinson，Hamza Chaal，and Milutin Jovanovic，“Experimental and simulation comparison for timer action crowbar of doubly-fed induction generator”，in 2011 IEEE Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conf.

［12］OkeduKE，MuyeenSM，RionTakahashi，andTamuraJ，“Participation of facts in stabilizing DFIG with crowbar during grid fault based on grid codes”，In 2011 IEEE conference and exhibition，Dubai，pp.365-368.

Study on the LVRT Scheme of DFIG Based on SDR

ZHAOPeng，JIAJing，WANGRuiqi，YUPeng，MAOQingbo
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

For the increasing rate of the wind generation capacity，demands of low voltage ride through capability（LVRT）of grid connected wind turbines become higher increasingly.The new LVRT scheme which based on SDR is presented.The new LVRT topological structures of DFIG with SDR circuit topology and the operating principle are analyzed.Through analyzing mathematical models of DFIG power system during normal voltage and grid voltage dip，the feasibility of the new LVRT scheme is verified.The DFIG power system mode is built with Matlab/Simulink to validate its effectiveness.Simulative results show that DFIG can operate in connection with grid to stabilize the grid voltage during fault，and the selection of SDR resistance should guarantee to limit the rotor current and rotor overvoltage.

DFIG；low voltage ride through（LVRT）；series dynamic resistor（SDR）；switches；computer simulation

TM315

A

1007-9904（2015）11-0006-05

2005-09-29

趙鵬（1985），男，工程師/技師，主要從事新能源并網(wǎng)、電力系統(tǒng)安全與穩(wěn)定研究工作。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61503216）