嚴重故障下DFIG風電場低電壓穿越改進控制研究*

邊曉燕,　田春筍,　符　楊

(上海電力學院 電氣工程學院，上海　200090)

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嚴重故障下DFIG風電場低電壓穿越改進控制研究*

邊曉燕,田春筍,符楊

(上海電力學院 電氣工程學院，上海200090)

摘要：增加Crowbar電阻起動時，DFIG將工作于普通異步機模式，從系統中吸收大量無功功率。為改變這種情況，提出了一種更能充分利用雙饋風機無功容量的協調控制方式，為系統提供無功功率，從而提高系統的暫態電壓穩定性。仿真結果驗證了交直流保護電路配合使用的優點及可行性，所提出的無功協調控制不僅有利于系統電壓快速恢復，還能減少風電場動態無功補償裝置的安裝容量，從而節省投資。

關鍵詞：雙饋異步發電機(DFIC)； Crowbar； 低電壓穿越； 靜止同步補償器； 直流卸荷電路

0引言

近年來，雙饋異步發電機(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)憑借其效率高、可變速運行、具有一定無功功率控制能力等優點，成為風力發電機的主流機型[1]。然而，隨著風電的滲透率逐年增加，其對電力系統的影響已不容忽視，特別是，允許風力發電機組在低壓條件下從電網斷開已經不再可能。世界各個國家風電立足于本國電網的實際情況，陸續制定了風電機組低電壓穿越標準。中國于2011年制定的《風電場接入電力系統技術規定》,詳細嚴格的規定了風電場關于低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)的要求： 要求風電場并網點電壓運行在實線以內部分，風電機組必須保證不脫網運行，并能在并網點電壓跌至20%額定電壓時不脫網運行625ms[2]，我國風電能量在目前的能源結構中所占的比例并不是很高，相對于北歐、德國等風電大國，我國制定的相關標準相對偏低。

DFIG風機轉子側經一背靠背的變頻器通過變壓器接入電網。該變頻器由一個轉子側變流器(RSC)，一個網側變流器(GSC)以及連接兩者的電容器組成，定子側經變壓器直接接入電網。系統發生故障時，常引起轉子過電流、電容器直流母線過電壓[3]，嚴重威脅電力系統的安全運行。針對此問題，研究者提出了不少風電機組的改進控制策略和保護方案。文獻[4-6]通過改進雙饋風電機組的控制策略來應對故障穿越，其中文獻[6]提出一種在系統故障時，通過改進的控制策略，使得故障功率暫時儲存在轉子中，等故障切除后再將能量釋放到系統中。但這些方式調節能力有限，并不能滿足系統嚴重故障時的低電壓穿越要求。系統發生嚴重故障時，在轉子側增加Crowbar電阻能夠有效地限制轉子過電流[7-9]，但是RSC會臨時的退出運行，失去了對有功功率和無功功率的控制，DFIG運行于普通異步機模式，定子側從系統將吸收大量的無功功率，不利于故障切除后系統電壓的恢復，并有可能造成電壓崩潰。針對Crowbar裝置的LVRT技術存在著能量浪費的問題，也有學者采取在直流側并聯儲能裝置的方法，不僅能有效的限制直流過電壓及電壓過低，也能實現對功率波動的抑制，但儲能裝置往往價格昂貴[10-11]。也有學者提出采用動態無功補償器來實現LVRT的方案[12-13]，然而并沒有充分利用DFIG的無功控制能力，使得補償裝置容量過大，一般為風電場容量的三分之一，現有常見的動態無功補償裝置，價格又較高，從而大大增加了投資。

鑒于此，本文首先分析Crowbar電阻值對風電機組低電壓穿越的影響，進而討論采用轉子Crowbar與直流卸荷電路配合使用的方式，并分析其對直流母線電壓的改善情況。最后，提出采用DFIG網側變流器協調STATCOM為系統提供無功功率的控制策略，并通過仿真驗證其可行性。

1DFIG風力發電系統LVRT控制方案

DFIG風力發電系統如圖1所示。風力機通過傳動系統連接到DFIG，DFIG定子側通過一個升壓變壓器連接到電網，轉子側通過一個變頻器經升壓變壓器連接到電網，并能實現交流勵磁。該變頻器由一個轉子側變流器(RSC),一個直流電容和一個網側變流器(GSC)組成，直流電容作為PWM變頻器的電源，并將電網與轉子繞組隔開。

圖1　DFIG風力發電系統

1.1主動型Crowbar保護技術

本文采用的Crowbar由三相交流開關和旁路電阻組成。其工作原理為用來控制Crowbar電路的開通或關斷，當電網發生故障時，轉子繞組因與定子繞組的強耦合，引起轉子電流驟升，轉子轉速上升，直流母線兩端功率不平衡導致直流母線電壓升高；通過檢測直流母線電壓、轉子電流、轉子轉速是否越界來決定是否投入Crowbar電路。Crowbar的控制框圖如圖2所示。

圖2　Crowbar的控制框圖

1.2直流卸荷電路

系統故障期間，網側變流器不能及時的將能量輸送到電網內，導致直流電容兩端功率不平衡，過剩能量給直流母線充電，從而直流電壓升高，并產生波動。忽視變換器的功率損耗，可得

(1)

在雙饋變流器中間直流環節加裝卸荷電路能夠限制母線電壓上升及波動，提升電容器的使用壽命,并能降低Crowbar的動作幾率。直流卸荷電路DC-chopper由半導體功率器件和電阻并聯后與全控性器件IGBT串聯組成。DC-chopper的結構及控制框圖如圖3所示。其工作原理為可根據直流側電壓是否超過規定范圍控制電阻投入或切除，即當Udc超過規定的上限時，控制全控性器件投入電阻，Udc低于規定的下限時，將電阻切出。

圖3　DC-chopper的控制框圖

1.3STATCOM與GSC的協調控制策略

在電網電壓對稱跌落期間,為了充分利用DFIG的無功控制能力，采用GSC與STATCOM協同為系統提供無功功率。考慮到STATCOM具有一定的超調能力，并且有文獻指出網側變流器無功調整會引起功率波動，不利于機組的穩定控制[14]，選擇STATCOM優先級高于網側變流器，不足部分有網側變流器承擔。控制框圖如圖4所示。電壓測量環節時刻檢測并網點電壓,并與參考電壓作比較,電壓偏差信號經過PI控制器,得到系統所需無功的參考量,再經過邏輯判斷環節,比較Qref與STATCOM容量的大小。若QrefQSTAT_max<0,則表示STATCOM能夠滿足系統無功需求;若QrefQSTAT_max>0,則STATCOM滿發,剩余部分有網側變流器來承擔。

圖4　STATCOM與GSC的協調控制框圖

2仿真結果分析

本文采用的是風電場接入三機九節點的系統。風電場由10臺容量為5MW的DFIG組成。DFIG參數為： 額定功率5MW，額定電壓3.3kV，定子電阻0.003p.u.，定子電抗0.125p.u.，轉子電阻0.004p.u.，轉子電抗0.05p.u.。網側變流器參數為： 額定功率2MW，額定交流電壓 0.704kv 額定直流電壓1.15kV，交流電抗容量 2MVA，直流電容容量0.667Mvar。為了提高系統的穩定性，容量為10MW的動態無功補償裝置STATCOM裝設在并網點PCC母線上。

2.1交直流保護裝置對低電壓穿越的影響

本文算例中，仿真條件設置為，雙饋風電機組工作在單位功率因數模式，即故障期間，DFIG定子側及GSC并不為系統提供無功功率，STATCOM未工作；t=1s時，系統側Bus5電力系統發生三相交流短路故障，DFIG風電場并網PCC母線電壓跌至0.4p.u.，并在1.625s時刻被切除。交流Crowbar裝置動作時間為0，并在t=1.6s時刻切除故障，防止發電機持續從電網吸收無功功率，致使交流電壓難以恢復。

方案一： Crowbar裝置電阻值設為0.1p.u.

方案二： Crowbar裝置電阻值設為1.0p.u.

方案三： Crowbar裝置電阻值設為1.0p.u.，并在直流母線裝置dc-chopper裝置。

方案一、二的仿真結果如圖5所示。從中我們看出，隨著電阻值的增加，風電機組從電網吸收的無功功率在顯著的減少，并網點電壓跌落相對來說較輕。這是因為轉子電阻的增加，使DFIG轉子內功率因數得到了改善，并且有助于電網電壓的恢復，轉子電流及電磁轉矩也能快速的得到抑制。但是Crowbar電阻值的增加，電網電壓恢復期間，直流母線電壓因Crowbar電阻值的增加產生過電壓。

在方案二的基礎上，本文采取方案三，針來解決直流母線過電壓的問題，直流母線電壓的上限設置為1.1p.u.，下限設置為0.95p.u.。通過仿真可知，增加直流卸荷電路后，對風電場并網點電壓、轉子電流等并沒有特別明顯的效果，但能有效地限制電壓恢復時，因Crowbar電阻值選擇過大引起直流母線過電壓的問題。直流母線電壓如圖6所示。

2.2協調控制工作下的仿真

本文算例在2.1方案三的基礎上啟動了協調控制環節，控制GSC和STATCOM為風電場提供無功功率。當t=1s時，圖6中系統側Bus5電力系統發生三相交流短路故障，DFIG風電場并網PCC母線電壓跌至0.2p.u.，并在1.2s時刻被切除，并與方案三進行對比。由圖7可知，系統故

圖5　方案一、二的運行結果

障期間，通過增加無功協調措施，電壓跌落有所減輕，網側變流器發出的無功功率為8MW,STATCOM

圖6　方案三直流母線電壓

發出的無功功率約為10MW。故障切除后，電壓開始恢復，STATCOM具有2.5倍的超調量，系統提供足夠的無功功率，發出的無功功率約為24MW,使得電壓在0.5s內恢復正常值。所提出的協調裝置對轉子電流及直流母線電壓都有所改善，但其作用主要體現在對并網點電壓的快速恢復上面，防止引起暫態電壓不穩定的發生。

3結語

本文具體分析了Crowbar電阻值對風電機組故障穿越的影響，進而采用交直流Crowbar配合使用的方式，實現風電場低電壓穿越，在此基礎上提出了基于協調網側變流器及STATCOM的無功控制方式，得到如下結論：

(1) 故障期間，增加Crowbar電阻值有利于提高系統電壓的恢復，并能減少風電場吸收的無功功率，然而電阻值過大往往引起直流母線過電壓；

(2) 采用Crowbar配合直流卸荷電阻的使用方式，不僅能夠限制轉子過電流，又能防止直流母線過電壓；

(3) 提出的無功協調控制方式，充分利用了DFIG的無功控制能力，故障時為系統提供足夠的無功支撐，有效地減輕電壓跌落，有利于電壓的快速恢復，并能減少風電場動態無功配置容量，從而節約了系統投資。

【參 考 文 獻】

[1]郭金東,趙棟利,林資旭,等.兆瓦級變速恒頻風力發電機組控制系統[J].中國電機工程學報,2007,27(6)： 1-6.

[2]風電場接入電力系統技術規定： GT/T 19963—2011[S].2011.

[3]徐海亮，章瑋，賀益康，等.雙饋型風電機組低電壓穿越技術要點及展望[J].電力系統自動化，2013,37(20)： 103-106.

圖7　采用協調控制運行結果

[4]LIMA F K A, LUNA A, RODRIGUEZ P, et al. Rotor voltage dynamics in the doubly fed induction generator during grid faults. IEEE Transactions on Power Electronics， 2010,25 (1)： 118-130.

[5]張艷霞,童銳,趙杰,等.雙饋風電機組暫態特性分析及低電壓穿越方案[J].電力系統自動化,2013,37(6)： 7-11.

[6]YANG L H, XU Z, OSTERGAARD J, et al. Advanced control strategy of DFIG wind turbines for power system fault ride through. IEEE Transactions on Power Systems， 2012,27 (2)： 713-722.

[7]徐殿國,王偉,陳寧.基于撬棒保護的雙饋電機風電場低電壓穿越動態特性分析[J].中國電機工程學報,2010,30(23)： 29-36.

[8]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[J].電力自動化設備,2011,31(7)： 127-130.

[9]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[J].電力系統保護與控制,2010,38(23)： 164-171.

[10]IBRAHIMA K, ZHAO C Y. Modeling of Wind Energy Conversion System Using Doubly Fed Induction Generator Equipped Batteries Energy Storage System. IEEE Trans Power Electron, 2011： 1780-1787.

[11]MUYEEN S M, TAKAHASHI R, ALI M H, et al. Transient stability augmentation of power system inclu-ding wind farms by using ECS. IEEE Transactions on Power Systems， 2008,23(3)： 1179-1187.

[12]CHONG H， HUANG A Q， BARAN M E， et al. STATCOM impact study on the integration of a large wind farm into a weak loop power system [J]. IEEE Trans on Energy Conversion， 2008，23(1)： 226-233.

[13]吳杰,孫偉,顏秉超.應用STATCOM提高風電場低電壓穿越能力[J].電力系統保護與控制,2011,39(24)： 23-27.

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

*基金項目：上海市科委科技創新項目(14DZ1200905);上海市教委科研創新項目資助(12ZZ172)

作者簡介：邊曉燕(1976—)，女，博士，教授，研究方向為電力系統穩定與控制，新能源發電技術。 田春筍(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為風電機組故障穿越。

中圖分類號：TM 614

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)06- 0069- 05

收稿日期：2015-07-29

A Improved Control Strategy of DFIG Wind Farm for Low Voltage Ride Through During Serious Fault*

BIANXiaoyan,TIANChunsun,FUYang

(College of electrical engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Abstract：The DFIG becomes a conventional induction generator and starts to absorb reactive power, delaying the process of rebuilding the grid voltage.A new fast coordinated control scheme of STATCOM and DFIG was proposed for minimizing the capacity of centralized reactive power compensation device and making the best use of the reactive power control capability of DFIG. Simulation results show that the feasibility and advantage of the AC/DC protection for Low Voltage Ride Through during serious fault. The proposed coordinated control scheme can not only improve the transient voltage stability, but also help reducing the capacity of STATCOM so that the cost of investments in wind farms would be reduced.

Key words：doubly fed induction generator(DFIG)； crowbar; low voltage ride through(LVRT)； static synchronous compensator(STATCOM); DC-chopper

符楊(1970—)，男，博士，教授，研究方向為風力發電技術。