風電雙饋機組基于協(xié)同控制的低電壓穿越策略研究

／大唐洱源鳳羽風電有限責任公司 周維賓／

風電雙饋機組基于協(xié)同控制的低電壓穿越策略研究

／大唐洱源鳳羽風電有限責任公司 周維賓／

本文首先分析了作為目前國內(nèi)主流機型的變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組在實現(xiàn)低電壓穿越功能上采用的轉(zhuǎn)子撬棒（Crowbar）和直流卸荷電路（Chopper）兩種方案的原理和優(yōu)缺點。隨后提出了協(xié)同控制的策略，根據(jù)風電機組的不同工況采用不同的控制方式，通過協(xié)調(diào)Crowbar和Chopper的動作來實現(xiàn)LVRT控制，同時提出了故障期間以單閉環(huán)取代傳統(tǒng)雙閉環(huán)模式的電機側(cè)變流器控制策略，以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。最后通過Matlab/Simulink系統(tǒng)建模仿真、風場LVRT實測對波形進行對比分析，證明了該策略的有效性，并展望了該策略在今后加入故障穿越概念后的進一步優(yōu)化空間。

風力發(fā)電；雙饋發(fā)電機；低電壓穿越；協(xié)同控制

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)風力發(fā)電裝機容量不斷加大，其間歇性、不穩(wěn)定性的固有缺點對電網(wǎng)產(chǎn)生的消極影響也被越來越多地提及。國標GB/T 19963—2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的頒布，標志著風電設(shè)備供應商在設(shè)計制造過程中，必須考慮風電場在電能質(zhì)量、耐受電壓頻率波動以及低電壓穿越方面的能力。在這些技術(shù)要求中，低電壓穿越（Low-Voltage Ride Through， LVRT）能力相對而言較難實現(xiàn)，從而也成為了風電領(lǐng)域?qū)W術(shù)界討論的熱點之一。

雙饋感應發(fā)電機（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）由于其轉(zhuǎn)子和定子間的電磁關(guān)系，配套變流器僅需提供轉(zhuǎn)差功率即可實現(xiàn)有功無功的解耦控制與最大風能跟蹤，其高效率、低成本所帶來的獨特優(yōu)勢，使得它成為了國內(nèi)風電市場的主流機型。然而，正是因為它使用了小容量的變流器，在電網(wǎng)電壓跌落時將產(chǎn)生較大的暫態(tài)直流分量，進而導致轉(zhuǎn)子電壓電流、直流母線電壓泵升，若不加任何控制策略強行運行，極端情況下將會損毀變流器。因此，必須增加相應的硬件設(shè)備配置控制策略，才能實現(xiàn)對DFIG在電網(wǎng)故障狀態(tài)下的不間斷運行，并對電網(wǎng)進行一定的無功支撐。

目前，有兩種主流的應對方案，分別是利用轉(zhuǎn)子撬棒（Crowbar）和直流卸荷電路（Chopper）。兩種方案各自的優(yōu)缺點將在下面章節(jié)進行闡述，針對這些問題，本文提出了一種同時采用Crowbar和Chopper，根據(jù)不同工況進行協(xié)同控制的解決方案，從而提高整機的穩(wěn)定性，并在LVRT過程中調(diào)整控制策略，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應時間以及加快電壓恢復后的功率恢復時間。最后給出了Matlab/Simulink建模仿真結(jié)果與風場認證實測波形，證明了控制策略的有效性。

1 基于Crowbar的LVRT控制策略

Crowbar作為最早提出的LVRT保護設(shè)備，其有效性和可靠性已得到了驗證[1]。它的工作原理非常簡單，即通過在電網(wǎng)故障時刻短路發(fā)電機轉(zhuǎn)子，來抑制能量倒灌入變流器，從而起到限制過壓過流、實現(xiàn)故障不間斷運行的效果。可分為被動型（Passive Crowbar）和主動型（Active Crowbar）兩種。

典型的Passive Crowbar如圖1所示，其拓撲一般由晶閘管、二極管等組件構(gòu)成，屬于最早期的方案之一。其控制策略就是在故障狀態(tài)持續(xù)投入裝置，故障結(jié)束后退出。由于晶閘管是一種“半控型”器件，因此無法有效迅速地控制裝置的切出，一般這種方案僅作為保護裝置使用，故障后需要重新并網(wǎng)，響應時間、無功支撐等根本無從談起，難以實現(xiàn)國標的相關(guān)要求。另外，由于其在故障期間必須持續(xù)投入，在LVRT持續(xù)時間內(nèi)雙饋電機相當于作為鼠籠式異步電機接入電網(wǎng)，因此將會吸收大量無功，導致電網(wǎng)電壓更加難以恢復[2]。所以目前此類設(shè)備基本已被棄用。

圖1 典型的Passive Crowbar拓撲

典型的Active Crowbar如圖2所示，與Passive Crowbar相比，其最大的改進是采用了IGBT、GTO等“全控型”器件代替原先的晶閘管，從而能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的快速投切，無需在整個故障時間內(nèi)持續(xù)投入，控制更為靈活。但是即便如此，其投入期間短路轉(zhuǎn)子，使得電機變?yōu)槭蠡\式異步電機，大量吸無功的本質(zhì)并未改變，因此絕不能長時間投入，否則將無法對電網(wǎng)進行必要的無功支撐。

圖2 典型的Active Crowbar拓撲

2 基于Chopper的LVRT控制策略

典型的Chopper電路如圖3所示，它直接并接于變流器直流母線上。該裝置通過間接保護的方式進行工作，其原理如下：當電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，根據(jù)磁鏈守恒定則，定子繞組會感生一衰減直流磁鏈，該磁鏈交鏈轉(zhuǎn)子繞組感生的轉(zhuǎn)子電壓瞬時升高，而變流器不足以提供如此高壓，因此轉(zhuǎn)子回路會產(chǎn)生很大的暫態(tài)沖擊電流，為保護設(shè)備，通常將控制脈沖封鎖，于是沖擊電流會經(jīng)IGBT 反向并聯(lián)的大容量續(xù)流二極管導通，導致直流母線電壓不斷升高，若不加以控制，電力電容器將會因過壓而擊穿炸毀，因此必須通過Chopper進行卸荷[3]。

圖3 典型的Chopper電路拓撲

控制策略上，一般通過斬波控制方式（即母線電壓高于上限值即投入，恢復至下限值切出）抑制直流母線電壓的泵升，起到保護設(shè)備的作用。

與Crowbar方案相比，Chopper方案的優(yōu)勢在于控制靈活，成本低廉，易改造，無須改變轉(zhuǎn)子驅(qū)動鏈。但是缺點也十分明顯，即容量有限，無法泄放大量能量，對于深度跌落和不對稱跌落的工況較為無力，經(jīng)常由于達到Chopper本身的溫升限值而被迫切出。

3 協(xié)同控制策略

3.1 協(xié)同控制原理

前文的分析可知，基于Crowbar和Chopper的LVRT控制策略各有優(yōu)劣，那么如果考慮將兩者配合使用，并根據(jù)不同的工況進行控制策略調(diào)整，或許可以提高整個系統(tǒng)的低穿能力和穩(wěn)定性。

圖4為協(xié)同控制策略的變流器系統(tǒng)框圖。

圖4 協(xié)同控制變流器系統(tǒng)框圖

根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度、平衡與不平衡跌落和電壓跌落時刻機組的有功功率等外部條件將控制策略劃分為以下三種：

（1） 嚴苛

這類工況一般為超同步狀態(tài)、大功率、深度跌落、不平衡跌落。此時由于定子磁鏈暫態(tài)直流分量很大，將會產(chǎn)生較高的轉(zhuǎn)子過壓和過流，投入Chopper不足以卸荷，還可能會導致Chopper回路電阻溫度突升，加速老化甚至燒毀的問題。因此，可以考慮在電壓跌落發(fā)生時刻不使能Chopper，強制切入Crowbar一小段時間，使得系統(tǒng)能避開最劇烈的動態(tài)過程，然后馬上切出Crowbar，同時使能Chopper控制、開通電機側(cè)變流器控制無功支撐，以滿足故障期間的容性無功要求。

（2）適中

這類工況一般為接近同步速狀態(tài)、中等功率、中等跌落深度、平衡跌落。此時轉(zhuǎn)子瞬時過壓過流并不太劇烈，無需強制切入Crowbar，在整個故障過程中可以用Chopper來實現(xiàn)直流母線過壓的保護，同時開通電機側(cè)變流器控制無功支撐，發(fā)出容性無功。

（3） 輕度

這類工況一般為亞同步狀態(tài)、低功率、低跌落深度、平衡跌落。此時轉(zhuǎn)子瞬時僅有輕微的過壓過流，可以不使能Crowbar、Chopper投切，正常使能無功功率控制，同時通過微調(diào)控制器的參數(shù)以改善動態(tài)響應。

采用這種互相配合協(xié)同的控制策略后，Crowbar和Chopper的優(yōu)勢得到了充分利用，又有效彌補了各自的缺陷，從而減少了整個系統(tǒng)的失控時間，提高了系統(tǒng)的相應時間和穩(wěn)定性。

3.2 電機側(cè)變流器動態(tài)響應控制

傳統(tǒng)的電機側(cè)變流器控制策略如圖5所示，一般是采用基于定子磁鏈定向的電壓電流雙閉環(huán)的控制方式[4]。但這種控制方式的缺點在于動態(tài)性能較弱，這就體現(xiàn)在電壓跌落后，系統(tǒng)無法盡快地通過轉(zhuǎn)子勵磁控制發(fā)出容性無功支撐電網(wǎng)，使得故障恢復時間變長。為了解決此問題，可以在故障期間采用單環(huán)控制的方式替代正常運行時的雙閉環(huán)方式，即在LVRT期間去掉功率外環(huán)的控制，直接給定轉(zhuǎn)子電流有功分量Ird和無功分量Irq。這樣可以加快系統(tǒng)動態(tài)響應時間，在最短的時間內(nèi)發(fā)出容性無功支撐電網(wǎng)，在故障恢復后在切回雙閉環(huán)模式，繼續(xù)執(zhí)行有功功率加載。

圖5 電機側(cè)變流器控制策略

4 仿真與實測結(jié)果

4.1 Matlab/Simulink系統(tǒng)建模仿真結(jié)果

筆者根據(jù)圖4所示系統(tǒng)配置搭建了2MW雙饋風電機組LVRT控制模型。

通過電抗器分壓的電網(wǎng)短路裝置，執(zhí)行了額定功率（以2MW進行標幺）運行下75%跌落幅度（三相平衡）、50%跌落幅度（三相不平衡）和20%跌落幅度（三相平衡）三種工況的電壓跌落，仿真得出系統(tǒng)有功無功功率波形如圖6～8所示。

圖6 仿真電壓跌落至75%（三相平衡）

圖7 仿真電壓跌落至50% （三相不平衡）

圖8 仿真電壓跌落至20% （三相平衡）

從仿真結(jié)果可知，這種協(xié)同控制的方式理論上可以實現(xiàn)各種工況下的LVRT控制，同時相應速度快，能夠及時進行必要的無功支撐，并能在故障結(jié)束后迅速恢復正常運行。

4.2 1.25MW雙饋風電變流器風場實測實驗結(jié)果

筆者將此控制策略應用于2MW風力發(fā)電變流器機型中，并于風場進行了LVRT實測，實驗設(shè)備采中國電科院的標準電抗器分壓模式的模擬跌落裝置進行，測得4.1三種工況下的波形如圖9～11所示。

圖9 實測電壓跌落至75%（三相平衡）

圖10 實測電壓跌落至50% （三相不平衡）

圖11 實測電壓跌落至20%（三相平衡）

5 結(jié)束語

經(jīng)過波形擬合對比分析，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和實測波形基本一致，誤差帶保持在可接受范圍內(nèi)，證明這種協(xié)同控制的策略可以滿足LVRT相關(guān)的技術(shù)要求，同時擁有較快的動態(tài)響應速度。另外，目前國內(nèi)仍處于理論研究階段的高電壓穿越、頻率穿越（與低電壓穿越一起并稱為“故障穿越”），今后國家可能會提出新的技術(shù)要求，而這種Crowbar和Chopper相結(jié)合的結(jié)構(gòu)可以在滿足新指標的同時盡可能減少二次改造所帶來的不便，或?qū)⒊蔀殡p饋式機型的標準配置之一。

[1]趙靜. 雙饋異步風力發(fā)電機低電壓穿越時的Crowbar保護技術(shù)[D].杭州：浙江大學，2010.

[2]胡娜. 基于CROWBAR電路的雙饋風電機組低電壓穿越控制策略研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2010.

[3]唐浩，等. 考慮Chopper 動作的雙饋風電機組三相短路電流分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2015（2）.

[4]黎芹. 雙饋風力發(fā)電機低電壓穿越技術(shù)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2010.