考慮三重因素的雙饋風電機組撬棒電路保護控制策略分析

郭 志 ，陳冠彪 ，詹仲強 ，趙 明 ，林 松

（1.國網淮南供電公司，安徽 淮南 232000；2.國網新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

隨著風力發電技術的發展，并網風電場規模、風電裝機容量逐漸增加，風電將成為電力系統的重要組成部分。然而，在電網故障時風電機組動態特性會對電網產生較大影響，因此研究如何提高風電機組低電壓穿越能力十分必要。針對由DFIG組成風電場而言，在電網故障時一般采用在轉子側并入撬棒（Crowbar）電路來提高機組低電壓穿越能力，然而Crowbar電路不同控制策略對機組低電壓穿越影響較大。

目前，國內外學者針對Crowbar電路控制策略做了大量研究：文獻［1］提出了Crowbar在故障發生時投入，在故障清除后1～2個周波內退出的控制策略；文獻［2］指出機端電壓跌落程度和故障持續時間不同時，Crowbar應在故障清除時刻前不同周波內退出；文獻［3］采取磁鏈阻尼控制以減小磁鏈及電磁轉矩暫態振蕩幅值，但振蕩時間過長；文獻［4］提出了評價機組動態相應的指標函數，并給出了不同電壓跌落時Crowbar的控制策略。

然而在實際電網中，故障發生時刻和持續時間不可預測，難以在故障消除時刻提前幾個周波內使Crowbar退出。此外Crowbar控制策略的選取不但與故障持續時間、機端電壓跌落深度有關，而且與故障時刻風機運行狀態也有關系，然而這一問題很少有文獻提及研究。因此，在選取Crowbar控制策略時應多方面考慮。搭建含Crowbar電路的雙饋風電機組模型，通過在不同故障持續時間、機端電壓跌落深度和風機運行狀況下仿真，并分析轉子側暫態電流，驗證了故障持續時間、機端電壓跌落深度和風機運行狀況對Crowbar保護退出時刻的影響，初步得到了為較好實現風機低電壓穿越時的Crowbar控制策略。

1 基于Crowbar保護的雙饋風電機組發電系統

根據雙饋風電機組的運行原理［5］， 在 Matlab/Simulink平臺上搭建含Crowbar電路的1.5 MW雙饋風電系統模型，如圖1所示。其具體參數為：額定功率9 MW，額定電壓575 V，額定頻率60 Hz，定子電阻 0.023 pu，轉子電阻0.016 pu，定子漏感0.18 pu，轉子漏感0.16 pu，定、轉子互感2.9 pu，直流側額定電壓 1 150 V，轉動慣量 0.685 kg·m2。Crowbar控制電路由三相整流橋、絕緣柵雙極晶體管IGBT和放電電阻構成，放電電阻阻值按照文獻［6］進行選取。當檢測到轉子電流為正常值1.5倍時投入Crowbar電路，同時切除轉子變流器，系統進入異步狀態運行，此時分別在不同故障持續時間、機端電壓跌落深度和風機運行狀況三重因素下討論Crowbar控制策略。

圖1 基于Crowbar保護的雙饋風電機組發電系統拓撲結構

2 Crowbar控制策略分析

2.1 DFIG轉子側電流分析

將DFIG在三相靜止坐標系下方程轉換到以定子軸為參考系的坐標軸中，則電壓磁鏈方程為

式中：us、is、Ψs分別為定子軸坐標系中定子電壓、電流及磁鏈；ur、ir、Ψr分別為轉子電壓、電流及磁鏈。

由式（1）可得轉子電流與磁鏈關系式為

式中：Ls、Lr、Lm分別為定子電感、轉子電感及定子轉子互感。當電網發生故障時，DFIG機端電壓瞬間跌落，而磁鏈根據守恒定律不能突變，此時轉子磁鏈Ψr將有直流磁鏈分量Ψr1和交流磁鏈分量Ψr2共同組成，且有 Ψr1＞＞Ψr2，忽略交流分量，轉子磁鏈表達式為

將式（3）故障時刻轉子磁鏈表達式轉換到時域中為

式中：｜Ψr1｜為故障瞬間轉子磁鏈有效值；Tr為轉子磁鏈直流分量衰減時間，Tr=（Lls+Llr）/Rr；ωr為轉子旋轉速度。

同理可得故障瞬間定子磁鏈有效值｜Ψs1｜及定子磁鏈直流分量衰減時間Ts，由于DFIG的勵磁電感Lm遠大于其勵磁漏感 Lls、Llr，忽略勵磁漏感，將式（4）代入式（2）可得時域下故障時轉子暫態電流表達式為

從式（5）中可以看出，轉子暫態電流由定子、轉子磁鏈決定，而故障瞬間定子、轉子磁鏈與DFIG機端電壓有關，因此可以得出轉子暫態電流與DFIG運行狀況有關。

2.2 Crowbar控制策略分析

目前Crowbar電路控制策略主要分為兩種：當檢測到風機機端電壓或轉子電流超出預設上限閾值時Crowbar投入，故障清除后延時退出；當轉子電流超過預設上限閾值時Crowbar投入，直接延時較短時間后退出［7］或低于預設下線閾值時延時較短時間后退出［8］。相比較第一種控制策略而言，第二種控制策略既能減少Crowbar投入時間，又能有效避免二次投切。然而在故障持續時間較長、電壓跌落較深或者風機大功率運行情況下仍會出現Crowbar多次投切，對系統造成不利影響，后續仿真結果也證明了這點。

3 仿真分析

3.1 故障持續時間對LVRT的影響

設置雙饋機組運行功率 Pe=0.875 pu，Qe=0.038 pu，在0～0.4 s內機組進入穩定運行狀態，電網0.5 s發生三相接地短路，機端電壓跌落至0.31 pu，采用第二種控制策略，當轉子電流達到1.5 pu時投入，低于1 pu時延時切出。延時時間為0.03 s，分別在故障持續時間 0.2 s（短時）、0.625 s（長時）進行仿真，其結果如圖2所示。

圖2 故障持續時間不同時風電機組的動態響應仿真

從仿真結果可以看到：當故障持續時間為0.2 s時，轉子電流在極短時間內達到1.5 pu，Crowbar電路投入，并在0.507 6 s時首次達到Crowbar延時切出閾值1 pu，延時0.03 s后切出，在故障清除后未再次投切，風電機組吸收較少的無功功率；而當故障持續時間為0.625 s時，轉子電流首次達到Crowbar延時切出閾值的時間幾乎不變，即Crowbar電路投入和延時切出時間幾乎不變，在故障清除時所產生的暫態分量超過Crowbar切入閾值1.5 pu，Crowbar在1.187 s二次投入，同時直流側電壓快速升高，危害直流母線電容安全，不利于電網穩定。分析可知：電網故障持續時間不同時，將會對Crowbar控制策略產生影響，這是由于故障持續時間較長時將導致系統無功功率進一步不足，在故障切除時轉子電流產生較高的暫態分量。因此在實際電網中，應盡量縮短故障持續時間，提高繼電保護裝置在故障時的可靠性和速動性。

3.2 風機運行狀況對LVRT的影響

為探討風機運行狀況對LVRT的影響，分別設置風機不同的運行點：輸入風速分別為8 m/s和14 m/s，電網0.5 s發生三相接地短路，機端電壓跌落至0.24 pu，持續時間0.6 s，仍采用第二種控制策略，其結果如圖3所示。

圖3 風機運行點不同時風電機組的動態響應仿真

從圖3中可以看出，風機運行點較低時，Crowbar電路在故障清除后未二次投切，風電機組吸收較少的無功功率；而風機運行點較高時，若依然采用第二種控制策略，在故障清除時所產生的暫態分量超過Crowbar切入閾值1.5pu，Crowbar電路分別在1.181 s、1.210 s時兩次投入，同時直流側電壓快速升高至1.3 pu，危害直流母線電容安全，不利于低電壓穿越。故而Crowbar策略的制定必須考慮風電機組運行狀況，即在故障時刻風機運行點不同時應采取不同的控制策略。

3.3 電壓跌落深度和風機運行狀況對Crowbar控制策略選取的影響

機端電壓跌落深度不同將對LVRT產生影響［2］。為探討在不同電壓跌落深度和風機運行狀況對Crowbar控制策略選取的影響，將電壓跌落至0.24 pu，風機大功率運行時的Crowbar控制策略改為第一種控制策略，延時退出時間為0.05 s，其仿真結果如圖4所示。

圖4 在DFIG大功率運行、電壓跌落至0.24 pu狀況下采用第一種控制策略的DFIG動態響應仿真

由仿真結果可以看出，采用Crowbar閾值投入故障清除后延時退出的控制策略，能夠有效避免Crowbar電路再次動作，且直流側電壓與圖3（b）中相比較，在故障清除后直流側電壓僅小幅度的波動，因此在DFIG運行點較高、電壓跌落較深時采用第一種控制策略能夠有效避免Crowbar電路再次投切。表明兩種控制策略均有一定的適用范圍。

3.4 考慮三重因素的Crowbar控制策略優化分析

在機端電壓跌落程度、故障時風機運行狀況不同的情況下，需要采用不同的控制策略來避免Crowbar電路多次動作，為了進一步研究兩種控制策略的適用范圍，在故障時刻選擇最優的Crowbar電路控制策略，在Matlab/Simulink平臺上搭建DFIG短路仿真系統模型，如圖5所示。通過改變接地電阻Rg及Ron、線路阻抗Zm和風機輸入風速，獲得不同的電壓跌落程度及對應狀況下的風機運行點，并分析此時采用兩種不同Crowbar控制策略給系統帶來的影響，最后分別獲得了Crowbar動作區域曲線和Crowbar控制策略選擇區域曲線，如圖6所示。

圖5 DFIG短路仿真系統示意圖

圖6中虛線為Crowbar動作區域曲線，曲線上各點是該輸入風速及對應電壓跌落程度下Crowbar發生動作的臨界點，只有在該曲線下方Crowbar才發生動作。從圖6虛線可得，Crowbar動作區域曲線隨著風速的增加呈上升趨勢，也就是說當風電機組運行狀況不一致時，風電機組即使處于同一機端電壓跌落深度下也會出現Crowbar電路動作和不動作兩種情況，且隨著輸入風速的升高，風電機組Crowbar電路更容易發生動作，其原因主要是在故障時刻風電機組運行點越高，越容易產生較大的轉子電流，從而越容易觸發Crowbar電路。

圖6 Crowbar控制策略曲線

而6圖中實線為Crowbar控制策略選擇區域曲線，曲線上方區域選取第二種控制策略，下方區域選取第一種控制策略，曲線上各點則為采取第二種控制策略時Crowbar剛好發生二次動作而采取第一種控制策略未發生二次動作的點，由于風電機組運行點與風機輸入風速有關，可以看出隨著運行點的升高，Crowbar控制策略選擇區域曲線同樣處于上升趨勢，也就是說第一種控制策略隨著輸入風速的升高，其適用范圍不斷增大，這是因為運行點較高時，第二種控制策略控制Crowbar短時投入后雖在一定程度上減少無功功率的損耗，但在切出時會發生多次動作，給電網帶來不利影響，引起系統電壓、功率等波動，不利于雙饋機組的低電壓穿越。根據區域曲線可以判斷故障時刻風電機組Crowbar電路是否動作以及需采用何種控制策略，由此得到考慮風電機組運行狀況及機端電壓跌落程度在較長故障時間下的Crowbar控制策略。

4 結語

建立了含Crowbar電路的雙饋機組模型，通過分析雙饋機組故障狀態下的轉子側電流，得出轉子側暫態電流與DFIG運行狀況有關的結論。

在實際電網中故障持續時間未知，分析和優化Crowbar控制策略時，應盡量考慮故障時間較長條件下LVRT效果，仿真表明第二種控制策略能夠有效減少Crowbar電路投入時間，但是卻有一定的局限性。

通過對比分析得出兩種控制策略的局限性和適用范圍，給出了Crowbar動作區域曲線和Crowbar控制策略選擇區域曲線，根據區域曲線可以判斷故障時刻風電機組Crowbar電路是否動作以及需采用何種控制策略，為進一步研究風電機組Crowbar電路對風電場建模的影響提供理論基礎。