電網故障時雙饋風力發電機無功電流分配及控制策略

高 陽

(天津國投津能發電有限公司，天津 300480)

電網故障時雙饋風力發電機無功電流分配及控制策略

高 陽

(天津國投津能發電有限公司，天津 300480)

為滿足風電機組低電壓穿越的要求，提出向電網注入無功電流的故障穿越控制策略。利用雙饋風力發電機等效電路圖推導定子側和網側無功電流極限，得出定子側無功電流發生能力優于網側。根據電網電壓跌落程度對無功電流極限的影響，提出電網故障時無功電流的分配原則，在保證無功調節不越限的基礎上提高系統的無功處理能力。不同于常規研究中只給出無功極限的理論推導，還對電網電壓跌落不同程度時無功電流極限進行仿真分析，結果表明所提無功電流分配及控制策略的有效性，在為系統提供無功支撐的同時提升并網點電壓，有利于系統穩定性的恢復，完成低電壓穿越。

無功電流； 電流極限； 分配原則； 低電壓穿越

0 引言

風能作為一種清潔、無污染的綠色能源，受到世界各國的廣泛關注。我國2016年新增風電裝機容量為2 337萬kW，累計裝機容量達1.69億kW[1]?？稍偕茉窗l展“十三五”規劃要求，到2020年，風電裝機規模達到2.1億kW以上，風電裝備技術創新能力達到國際先進水平[2]。隨著并網風力發電規模的不斷擴大，風力發電機組的安全穩定運行對系統的影響已不容忽視。雙饋感應風力發電機(Double-Fed Induction Generation，DFIG)以其風能轉換率高、有功無功解耦控制等諸多優點，逐漸取代恒速恒頻風力發電機，成為風電市場的主流機型[3]。DFIG定子側直接并網，使其對電壓故障尤為敏感。電網電壓驟降引起定子側過電流，由于定、轉子磁鏈的相互耦合，轉子側也會出現過電壓和過電流現象，損壞變頻器和電機本身[4-6]。此外，故障期間輸出功率和負荷功率的嚴重不平衡甚至可能導致電網崩潰。因此，各國的風電并網導則要求雙饋風力發電機應具備一定的故障穿越能力。

電網電壓跌落時，不僅要求風電機組能夠并網運行一段時間，而且在故障期間能夠對電網有一定的動態無功支撐能力，在電網故障切除后，風電機組可以迅速恢復至正常的工作狀態[7-8]。電網電壓跌落故障嚴重威脅雙饋風機和電網的安全穩定運行，因此，研究DFIG的無功控制策略，利用雙饋機組自身的無功調節能力，對系統的穩定運行有非常重要的意義。

文獻[9]對雙饋風力發電機的無功功率機制及特性進行研究，但其著重討論了轉差率和定子無功對轉子無功的影響；文獻[10]總結了DFIG固有無功調節容量，簡述了功角特性、靜態穩定、電網導則對雙饋風電機組無功調節容量的約束；文獻[11]推導雙饋風力發電機組在不同風速下的無功調節能力，建立了面向并網點電壓要求的風電機組無功功率控制策略；文獻[12]分析了雙饋風機的無功極限，定子側輸出無功功率對電機損耗的影響，提出2種無功功率參考值的確定方法。文獻[13]根據無功調節能力提出無功控制策略，可通過減小有功出力來擴大雙饋風力發電機的無功范圍。但以上文獻均未涉及電網電壓跌落不同程度時無功電流極限的相關問題。文獻[14]為充分利用風電場自身的無功調節能力，根據有功出力指令確定風電場發出的無功極限；文獻[15]優先利用網側換流器輸出無功功率，不同于本文優先利用轉子側換流器輸出無功功率。

DFIG在電網故障時運行于單位功率因素狀態沒有充分利用機組自身的無功調節能力，本文提出一種電網故障時無功電流的分配及控制策略。根據雙饋風機的等效電路圖得出定子側和網側無功電流極限表達式，其無功電流極限除與雙饋風機本身的參數有關外，還與電壓跌落程度和定子發出有功功率的大小有關。推導出定子側無功電流發生能力優于網側換流器。給出在電網故障時無功電流的分配原則，優先考慮利用轉子側換流器通過定子為電網提供無功電流；在超過其無功功率極限時，讓網側換流器工作于非單位功率因素模式下，提高系統的無功處理能力，緩解定子側的壓力，使無功調節不越限。不同于常規研究中只給出無功極限的理論推導，還對電網電壓跌落不同程度時的無功電流極限進行了仿真分析，仿真結果驗證了所提無功電流的分配及控制策略的有效性。

1 無功電流極限分析

1.1 定子輸出無功電流極限

雙饋風力發電機定子側和轉子側都采用電動機慣例，且將轉子側參數折算到定子側，在同步旋轉坐標系下的T型等效電路如圖1所示。

圖1 雙饋風力發電機等效T型電路圖

根據等效電路圖可得電壓、磁鏈、定子側功率為：

(1)

(2)

(3)

式中：Us、Ur為定、轉子電壓矢量，Us=usd+jusq、Ur=urd+jurq；Is、Ir為定、轉子電流矢量，Is=isd+jisq，Ir=ird+jirq；ψs、ψr為定、轉子磁鏈矢量，ψs=ψsd+jψsq，ψr=ψrd+jψrq；R為電阻；L為電感；Lm為定轉子間互感；ω1為同步旋轉角速度；ωs為轉差角速度。

Us=jω1ψs

(4)

將式(4)代入式(2)可得定、轉子電流關系為：

(5)

據此得出轉子dq軸電流分量與定子側有功功率和無功功率的表達式為：

(6)

(7)

當轉子電流取其最大幅值Ir_max時，由式(7)可知轉子側輸出最大無功電流極限為：

(8)

可以看出，轉子側輸出最大無功電流除與雙饋風力發電機本身的參數即定子電感、定轉子間的互感、轉子側換流器允許最大電流值有關外，還與電網電壓跌落程度和定子輸出有功功率相關。轉子側最大電流隨有功功率輸出的增加而減小，這是因為當有功功率增加時，轉子電流的有功分量增加，此時用于勵磁的無功分量減小，從而DFIG的無功輸出能力變小。

1.2 網側輸出無功電流極限

通常情況下網側換流器運行在單位功率因數下，即igq=0，此時不發出無功功率，主要用于維持直流母線電壓的穩定。網側換流器是一個電壓型PWM整流器，可以實現四象限運行。當系統需要無功功率時，可以考慮由網側換流器在其功率允許情況下提供無功支持。忽略各種損耗(線路損耗、開關損耗等)后，當網側換流器和轉子側換流器有功功率相平衡時，Pg=Pr=-sPs，此時，網側換流器瞬時有功功率和無功功率分別為：

(9)

在網側換流器電流取其最大幅值Ig_max時，得到其輸出最大無功電流的極限：

(10)

網側換流器輸出最大無功電流與轉差率、網側換流器允許最大電流值有關外，還與電網電壓跌落程度和定子輸出有功功率相關，隨有功功率輸出的增加而減小，并且隨電網電壓跌落程度的增大而增加。因此同時考慮定子側和網側換流器無功電流輸出能力時，雙饋風力發電機組的無功電流最大調控能力為：

Iq_max=igq_max+isq_max

(11)

在雙饋風機參數一定，取轉子側換流器的電流最大值為額定轉子電流的120%，網側換流器電流最大值也取為額定轉子電流的120%來設計，根據式(8)、式(10)可得DFIG的無功電流調節能力，在風速一定的情況下即有功輸出一定時，若取轉差率為-0.2，當電網電壓跌落為額定值的20%時，此時定子側輸出最大無功電流為0.98 p.u.，網側輸出最大無功電流為0.2 p.u.，僅占總無功電流的17%；而定子側輸出無功電流占83%。由此可以看出，定子側無功電流輸出能力遠大于網側換流器無功輸出能力。

2 無功電流分配及控制

目前，雙饋異步風力發電機大多運行在最大風能捕獲狀態，其有功功率不能任意調節，為了充分挖掘其無功補償能力，DFIG定子繞組和網側換流器均具有一定的無功電流輸出能力，通過對轉子側換流器和網側換流器的控制以及二者之間的協調配合實現系統的無功需求。

由上一節的分析可以看出，定子側輸出無功電流極限要遠大于網側輸出無功電流極限。因此在電網故障期間，定子側向電網提供無功電流的能力要優于網側換流器。所以，提出優先利用轉子側的無功電流控制來實現定子側向電網注入無功電流，提升并網點電壓。當電網所需的無功電流未超出定子側輸出無功電流極限時，利用定子側換流器向電網提供無功電流；當電網所需的無功電流超出定子側輸出無功電流極限時，利用網側和定子側換流器共同向電網提供無功電流。此時，采取最大無功電流發生能力的比值進行無功電流分配，轉子側換流器和網側換流器的無功指令為：

(12)

式中：itotal為總的無功電流需求；itotal_lim為總的無功電流極限，itotal_lim=isq_max+igq_max，isq_max、igq_max為定子和網側最大輸出無功電流。此時轉子側和網側換流器的控制策略如圖2和圖3所示。其中，1均為電網電壓正常時的控制方式；2為電網電壓跌落時的控制方式。

在此種調節模式下，可以充分利用轉子側和網側換流器的無功調節能力，緩解定子側無功調節的壓力。

圖2 雙饋風力發電機轉子側換流器控制框圖

圖3 雙饋風力發電機網側換流器控制框圖

3 仿真驗證及結果分析

在MATLAB/SIMULINK仿真平臺上搭建如圖4所示的仿真系統圖，雙饋風電場經升壓變壓器將電壓等級提升至25 kV，經過30 km的傳輸線路后經變壓器接入120 kV大電網中。

圖4 雙饋風電場仿真系統圖

風電場由6臺相同型號的雙饋感應發電機組成9 MW的仿真平臺，DFIG的仿真參數：額定功率為1.5 MW，額定頻率為50 Hz，極對數為3，定子額定線電壓為575 V，直流母線額定電壓為1 200 V，定子電阻為0.010 8 p.u.，轉子電阻為0.0102 p.u.，定子漏感為0.102 p.u.，轉子漏感為0.11 p.u.，定轉子間的互感為3.362 p.u.，風速恒為11 m/s。

3.1 電壓跌落40%仿真分析

電網電壓在1.5 s時跌落到額定值的40%，故障持續300 ms，1.8 s時電網電壓恢復正常。圖5給出了轉子電流、直流母線電壓、并網點電壓、定子側和網側輸出無功電流及其無功電流極限、無功功率的動態響應波形。

圖5 電壓跌落40%雙饋風機瞬態響應

可以看出，在電壓跌落為額定值的40%時，定子無功電流沒有超出無功電流極限，僅利用定子側輸出無功電流就可以滿足總無功電流的需求，此時不需要網側提供無功電流。并網點電壓較傳統控制策略有所提升，轉子電流在安全限值2 p.u.以內，直流母線電壓也在1.2 p.u.以內，沒有發生轉子側過電流和直流母線過電壓現象，滿足低電壓穿越的要求，且與理論分析相一致，驗證了所提控制策略的有效性。

3.2 電壓跌落80%仿真分析

電網電壓在1.5 s時跌落至額定值的20%，故障共持續300 ms，1.8 s時電網電壓恢復正常。圖6給出了若只利用定子側提供無功電流時定子側無功電流極限波形。

圖6 定子無功電流及無功電流極限

可以看出，此時定子側需要提供的總無功電流超出其無功電流極限，所以在電網電壓跌落到額定值的20%時，需要由定子側和網側共同為系統提供所需的無功電流。

圖7給出了在采用本文所提的無功電流分配策略下轉子電流、直流母線電壓、并網點電壓、定子側和網側輸出無功電流及其無功電流極限、無功功率的動態響應波形?？梢钥闯?，在電壓跌落為額定值的20%時，定子側所提供的無功電流超過0.8 p.u.；而網側提供的無功電流在0.1 p.u.左右，證明了定子側無功電流的發生能力優于網側變流器。并網點電壓有所提高，有利于系統的穩定。轉子電流和直流母線電壓也限制在安全限值以內，并沒有發生轉子過電流和直流母線過電壓現象，滿足低電壓穿越的要求。

圖7 電壓跌落800%雙饋風機瞬態響應

4 結論

本文提出的電網故障時無功電流的分配及控制策略，根據定子側無功電流發生能力優于網側，在電網故障時優先考慮利用轉子側換流器通過定子為電網提供無功電流；在超過其無功功率極限時，讓網側換流器工作于非單位功率因素模式下，提高系統的無功輸出能力，此時由定子側和網側共同為系統提供無功電流，緩解定子側的壓力，使無功調節不越限。不同電網電壓跌落程度時無功電流極限的仿真結果表明，所提出的無功電流分配及控制策略的有效性，在為系統提供無功支撐的同時提升并網點電壓，有利于系統穩定性的恢復，改善機組的瞬態響應，完成低電壓穿越運行。

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Reactive Current Distribution and Control Strategy of Doubly-fed Induction Generator in Grid Fault

GAO Yang

(Tianjin SDIC Tianjin Power Generation Co. Ltd., Tianjin 300480, China)

In order to meet the requirements of low voltage ride through of wind turbines, a control strategy is proposed to inject the reactive current into the grid. Using the equivalent circuit of doubly fed wind generator, the reactive current limit of the stator and the grid sides are deduced, and the ability of reactive current generation on stator side is better than that on the grid side. According to the influence of the degree of voltage drop on the reactive current limit, the distribution principle of reactive current is then put forward. On ensuring not to limit the reactive power regulation, the reactive power of the system is improved. Differing from the theoretical derivation of the reactive power limit in the conventional research, we also analyze the reactive current limit at different levels of the grid voltage drop. The results verify the effectiveness of the proposed reactive current allocation and control strategy, which boosts the voltage while providing reactive support for the system. And meanwhile, the proposed strategy is conducive to the restoration of system stability as well as completing the low voltage ride through.

reactive current; current limit; distribution principle; low voltage ride through

2017-07-24。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.12.005

TM614

A

1672-0792(2017)12-0028-06

高陽(1993-)，男，助理工程師，主要研究方向為發電運行。