基于撬棒保護電路的雙饋風電機組的無功協調控制方法研究

孫麗玲，　孟娜娜

(華北電力大學 電氣工程學院,河北 保定　071003)

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基于撬棒保護電路的雙饋風電機組的無功協調控制方法研究

孫麗玲，孟娜娜

(華北電力大學 電氣工程學院,河北 保定071003)

摘要：電網故障下撬棒(Crowbar)保護電路能夠幫助風電機組實現低電壓穿越，為轉子故障電流提供旁路并限制其幅值。在Crowbar保護電路退出運行時，風電機組需要吸收大量的無功功率，這大大影響了風電系統恢復穩定運行的能力。針對以上問題，根據Crowbar保護電路的動作情況，提出了一種利用雙饋風機網側變換器進行無功補償的控制策略，并進行了仿真分析。仿真結果表明，通過雙饋風機網側變換器為電網提供無功支持，Crowbar保護電路退出時刻吸收的無功功率明顯減小，增強了系統恢復穩定運行的能力。

關鍵詞：Crowbar保護電路； 電網故障； 無功補償； 雙饋風機； 網側變換器

0引言

雙饋異步風力發電機組(Double-Fed Induction Generation， DFIG)因具有可變速恒頻運行、有功與無功功率解耦控制和風能轉換率高等優點成為風電市場的主流機型。但是，DFIG定子繞組直接與電網相連，使其對電網故障，尤其是電壓故障相當敏感。同時，轉子側勵磁變頻器的額定容量限制了轉子過電流的承受能力。

對于嚴重的電壓故障，目前較為成熟和有效的方法是在雙饋電機轉子電路中接入撬棒(Crowbar)保護電路，為轉子故障電流提供旁路，從而抑制轉子過電流、直流母線過電壓。該方法能夠滿足現代電網規范對風電機組故障穿越能力的要求。文獻在電網三相對稱短路故障下提出IGBT型Crowbar的投切策略，通過仿真驗證了Crowbar電路以及控制策略的有效性。文獻研究了以Active Crowbar保護措施的電網對稱故障下雙饋風力發電機控制策略。

然而，應用Crowbar保護電路存在的最大問題是，投入后雙饋風機的轉子側變流器被封鎖，相當于異步感應電機，在發出少量有功功率的同時需要吸收大量的無功功率。已有大量文獻就如何減小Crowbar保護電路投入帶來的負面影響進行了研究。文獻中利用轉子電流，在比較器的基礎上利用邊緣觸發D型觸發器產生Crowbar控制信號；文獻研究了基于母線電壓的PWM控制方法；文獻提出根據定子故障期間直流分量的衰減時間常數決定Crowbar保護電路的退出時刻；文獻[10]提出了減短Crowbar運行時間以減小DFIG失控的時間；文獻[11]提出了轉子快速短接IGBT型Crowbar在不同的時刻切除對故障電網恢復和變頻器保護的影響。但是，上述文獻均是從研究Crowbar電路退出運行控制信號的角度出發，并未考慮到Crowbar投入后進行無功補償的必要性。

文獻[12]研究了利用無功補償設備STATCOM來滿足Crowbar動作后的電壓恢復和DFIG的無功需求，提出一種故障時風電場無功電壓控制策略。但該方法補償成本較高，沒有考慮利用現有的硬件條件對風電場提供無功支持。通常情況下網側變換器運行在單位功率因數下，不發出無功功率，主要作用是維持直流母線電壓穩定，在系統故障發生Crowbar保護電路投入后，網側變換器運行在STATCOM狀態下，可以作為一個獨立的無功源向風電場提供無功功率。

本文針對Crowbar保護電路退出需要吸收大量無功功率的情況，提出了一種利用雙饋風機網側變換器進行無功補償的控制策略，減少風電機組從系統吸收的無功功率，從而幫助系統恢復穩定運行。通過MATLAB/Simulink仿真平臺，分別對雙饋風機組保持單位功率因數運行和利用網側變換器進行無功補償的控制策略進行了仿真分析。最后研究了網側變換器在不同時刻向風電場提供無功補償時，對直流母線電壓的影響，確定出更加行之有效的無功補償方法。

1風電系統仿真

含Crowbar保護電路的DFIG系統結構圖進行仿真如圖1所示。轉子繞組通過背靠背式雙PWM整流器(轉子側變換器和網側變換器)與電網相連[13]。考慮到電網故障情況下保持對雙饋型發電機的主動控制能力，Crowbar保護電路的電力電子開關器件采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。Crowbar保護電路由三相整流橋、IGBT和旁路電阻組成，裝設在轉子和轉子側變流器的連接電路上。

圖1　含Crowbar保護電路的DFIG系統結構圖

1.1DFIG轉子側變換器控制策略

圖2　轉子側變換器控制框圖

2網側變換器無功控制策略

DFIG組的網側變換器實際上是一個電壓型PWM整流器，結構如圖3所示，交流側具有獨特的受控電流源特性，可以實現四象限運行。網側變換器在電網正常運行時，通常運行在單位功率因數狀態下以維持直流電壓穩定。當電網因遭受大擾動而使電壓跌落時，通過投入Crowbar保護電路使DFIG的轉子側變換器免遭過電流損壞。但是在Crowbar電路動作后，轉子側變換器被旁路，此時DFIG相當于一臺異步發電機，失去了作為DFIG的運行優點，在發出少量有功功率的同時還要吸收大量的無功功率，尤其表現在Crowbar保護電路退出運行時刻，給電網帶來更大的危害。

圖3　網側變換器結構圖

當Crowbar保護電路動作后，網側變換器與STATCOM具有相同的結構，不需要運行在單位功率狀態下。此時，可以利用網側變換器能夠發出無功功率的能力[14]，通過一定的控制方法讓其參與系統的無功功率調節，減少風電機組從系統吸收的無功功率，甚至可以向系統輸送無功功率。

網側變換器的功率一般按照風電系統的最大轉差有功功率設計。設網側變換器的最大功率為Scmax，則其發出或吸收的無功功率能力Qc由式(1)計算[15]：

(1)

由于故障期間系統的電壓較低，會影響網側變換器發出無功功率的能力。如果設置的參考無功功率較高，會使流過網側變換器的電流過大，所以該無功功率參考值應由式(2)得到[14]：

Scset=ULminIGSC

(2)

式中：ULmin——低電壓穿越電網運行導則規定的最低電壓；

IGSC——網側變換器額定電流。

網側變換器根據Crowbar的動作情況采用雙模式控制： Crowbar未投入運行時選擇模式1，Crowbar動作后在合適的時間選擇模式2。Crowbar保護電路的動作情況是網側無功控制的關鍵指令。

模式1： 網側換流器的無功功率參考值Qset為0，保持其維持直流電壓穩定的作用。

模式2： 網側換流器的無功功率參考值Qset=6Scset，使其發出無功功率。

網側變換器的控制結構圖如圖4所示。控制系統采用了雙閉環控制結構，其中外環為直流母線電壓控制環，內環為電流控制環。

圖4　網側變換器控制框圖

3仿真驗證及結果分析

3.1仿真條件

假設風電場由6臺同一型號的DFIG組成。

DFIG參數： 額定功率為1.5MW，額定頻率為50Hz，極對數為3，定子額定線電壓為690V，直流母線額定電壓為1200V，定子電阻為0.00706p.u.，轉子電阻為0.005p.u.，定子漏感為0.171p.u.，轉子漏感為0.156p.u.，定轉子間的互感為2.9p.u.。

電力系統參數： 系統故障發生在1.5s，110kV母線跌落到額定電壓的35%，故障共持續300ms，1.8s時電壓恢復正常。

其他參數： 電網發生故障的300ms內風速的變化很小，因此風速變化對仿真結果的影響可以忽略，設風速恒為11m/s。

3.2網側變換器無功補償策略對DFIG系統的影響

Crowbar保護電路在故障發生時刻投入，故障結束時刻退出運行，取阻抗值為5Ω[17-18]。圖5(a)和圖6(a)為發電機網側變換器保持運行在單位功率因數下的仿真圖形，圖5(b)和圖6(b)為網側變換器在1.6s向系統發送無功功率的仿真圖形。

圖5　轉子三相電流

圖6　定子三相電流

由圖5可知： 在Crowbar保護電路退出運行時刻，利用網側變換器進行無功補償的控制策略減小了轉子三相電流的幅值，并且縮短了其恢復到穩定值的時間。從圖6同樣可以得到，網側變換器提供無功支持后，定子三相電流的幅值也減小了。

圖7(a)中，實線表示網側變換器運行于單位功率因數狀態下的無功功率波形，無功功率在1.5s電網電壓跌落時出現了正向尖峰，說明電網故障時發電機組向電網輸送了無功功率；在1.8s Crowbar保護電路退出時，無功功率出現了較大的負向尖峰，說明發電機組從電網吸收了大量的無功功率，嚴重影響了系統的恢復穩定。圖7(a)中，虛線表示網側變換器提供無功支持后的無功功率波形，在1.8sCrowbar保護電路退出時，發電機吸收的無功功率明顯減小了，其數值為未補償無功功率時的1/3，同時加快了電網恢復到穩定狀態的速度。這是由于網側變換器提供的無功功率抵消掉一部分風電機組從電網吸收的無功功率。

圖7　DFIG

圖7(b)表示風電場輸出的有功功率，有無網側變換器提供無功補償對其值基本沒有影響，因為并網點的電壓基本不變；從圖7(c)中可知，直流母線電壓在1.8s時增加到2.6p.u.。這是因為網側變換器不再運行在單位功率因數狀態下，不能發揮維持直流母線電壓穩定的作用，這會對直流側的電容器造成損害，需要采取措施抑制直流母線電壓的升高。電磁轉矩在Crowbar電路退出時最小值均略有減小，可以從圖7(d)中看出。

3.3網側變換器在不同時刻提供無功補償對母線電壓的影響

針對3.2中直流母線電壓過高的缺點，研究了網側變換器在不同時刻提供無功補償對直流母線電壓的影響。網側換流器分別在1.75、1.6、1.55s發出無功功率，0.2s后網側變換器重新運行在單位功率因數狀態以維持直流母線電壓。從圖8(a)可知： 提供無功功率的時間越接近Crowbar退出運行的時間，直流母線電壓增加幅度越小，在1.75s提供無功支持時直流母線電壓值控制在2p.u.以下，在正常接受的范圍內。從圖8(b)可知： 網側變換器發出無功功率的時間越早，DFIG機組從系統吸收的無功功率越小，但是數值相差不大。綜合考慮，與直流母線電壓增加程度相比，網側變換器無功補償投入時間接近Crowbar保護電路退出的時刻更有利于風電系統的運行。

圖8　網側變流器提供無功補償對母線電壓影響

4結語

通過以上分析，驗證了網側變換器無功補償控制策略的有效性。在Crowbar保護電路退出運行時，通過網側變換器的無功支持，風電場從系統吸收的無功功率明顯減小，并且使風電系統更快地恢復穩定運行。網側變換器提供無功補償時刻的不同對抑制直流母線電壓增加的能力不同，在接近Crowbar保護電路退出時刻提供無功支持更有利于風電系統的穩定運行。利用網側變換器代替無功補償設備提供無功支持也節約了成本，但是因為網側變換器的容量有限，所提供的無功功率也是有限的，今后可以研究將網側變換器與無功補償設備相結合的方法來提供無功功率。

【參 考 文 獻】

[1]NIIRANEN J. Voltage dip ride through of doubly-fed generator equipped with active crowbar// Proceed of Nordic Wind Power Conference, Gothen-burg, Sweden, 2004： 1-2.

[2]李賓賓，丁明，韓平平.雙饋感應風力發電機故障穿越特性及其控制.中國電力，2011,44(9)： 10-16.

[3]馬文龍.Crowbar保護在雙饋異步風力發電系統電網故障穿越中的應用.電力自動化設備，2011,31(7)： 127-130.

[4]蘇平，張靠社.基于主動式IGBT型Crowbar的雙饋風力發電系統LVRT仿真研究.電力系統保護與控制，2010,38(23)： 164-171.

[5]張學廣，徐殿國.電網對稱故障下基于Active Crowbar雙饋發電機控制.電機與控制學報，2009,13(1)： 99-103.

[6]遲永寧，關宏亮,王偉勝，等.SVC與槳距角控制改善異步機風電場暫態電壓穩定性.電力系統自動化，2007,31(3)： 95-100.

[7]ZHOU P， HE Y K. Control strategy of an active crowbar for DFIG based wind turbine under grid voltage dips// 2007 International Conference on Electrical Machines and Systems, ICEMS, 2007： 259-264.

[8]MOHSENIA M,ISLAMB S M. Review of international grid codes for wind power integration： diversity, technology and a case for global standard. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012,16(6)： 3876-3890.

[9]ZHANG L,JIN X, ZHAN L. A novel LVRT control strategy of DFIG based rotor active crowbar// 2011 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference, APPEEC,25～28 March 2011： 1-6, Wuhan, China.

[10]PANNELL G, ATKINSON DJ, ZAHAWI B, et al. Minimum-threshold crowbar for a fault-ride-through grid-code-compliant DFIG wind turbine. IEEE Transaction on Energy Conversion, 2010,25(3)： 750-759.

[11]郎永強.雙饋電機風電場無功功率分析及控制策略.中國電機工程學報，2007,27(9)： 77-82.

[12]MEEGAHAPOLA L G.Decoupled-DFIG fault ride-through strategy for enhanced stability performance during grid faults.IEEE Transaction on Sustainable Energy,2010,1(3)： 152-162.

[13]劉其輝.變速恒頻風力發電系統運行與控制研究.杭州： 浙江大學，2005.

[14]王松巖，朱凌志，陳寧,等.基于分層原則的風電場無功控制策略.電力系統自動化，2009,33(13)： 83-85.

[15]王成福，梁軍，馮江霞.故障時刻風電系統無功電壓協調控制策略.電力自動化設備，2011,31(9)： 14-17.

[16]凌禹，高強，蔡旭.緊急變槳與撬棒協調控制改善雙饋風電機組低電壓穿越能力.電力自動化設備，2013,33(4)： 18-23.

[17]朱曉東，石磊，陳寧,等.考慮Crowbar阻值和退出時間的雙饋風電機組低電壓穿越.電力系統自動化，2010,34(18)： 84-89.

[18]王松，李庚銀.雙饋風力發電機組無功調節機理及無功控制策略.電機工程學報，2014,34(16)： 2714-2720.

作者簡介：孫麗玲(1972—)，女，博士，副教授，研究方向為電機設計及大型電機的狀態監測與故障診斷。 孟娜娜(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為電網故障下雙饋風電機組的無功補償技術。

中圖分類號：TM 614

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)06- 0064- 05

收稿日期：2015-12-04

Analysis of Reactive Power Coordinated Control Method for Double-fed Wind Power Generator Based on Crowbar Circuit

SUNLiling，MENGNana

(North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Abstract：Crowbar circuit could help wind turbines to achieve the low voltage ride through (LVRT) under fault in power network, which provided a bypass for the fault current in the rotor and limits its amplitude. However, wind farms need to absorb a large number of reactive power when the Crowbar protection circuit was out of service , which will greatly affect the ability of wind power system to resume normal operation. In view of this situation, proposes a control strategy of reactive power compensation based on the grid side converter of doubly fed induction generator was according to the action of Crowbar circuit and the simulation analysis was carried out .Simulation results showed that the grid side converter that could provide the reactive power support could significantly enhance the ability of the system to restore the stable operation at the exit of the Crowbar circuit.

Key words：crowbar circuit; grid fault; reactive power compensation; double-fed wind power generator(DFIG)