雙饋異步風力發電機組電網故障穿越技術研究

董鵬程 華青松 張洪偉 隋宗強 李立偉

摘要： 針對風力發電機在電網故障后持續并網運行與調控能力亟待加強的問題，本文對雙饋異步風力發電機組電網故障穿越技術進行研究。在建立雙饋異步風力發電機（double fed induction generator，DFIG）轉矩補充虛擬慣量控制的基礎上，引入設定初始值的槳距角控制，建立DFIG的復合頻率控制策略，實現頻率穿越，在轉子側添加主動式Crowbar電路實現低電壓穿越，從而提升DFIG的電網故障穿越能力，并通過DIgSILENT/PowerFactory實驗平臺進行仿真分析。仿真結果表明，通過補充轉矩增加DFIG的虛擬慣量，設置初始槳距角增加備用有功，兩者共同作用的復合頻率策略在提升跌落度與穩態值兩方面改善DFIG的調頻能力；主動式Crowbar電路投切速度迅速，將其模塊引入Protection策略后，在電網故障消除后可立即向電網輸送有功，并在故障期間可向電網輸送無功。該研究有利于電力系統安全穩定運行。

關鍵詞： 雙饋異步風力發電機； 頻率穿越； 低電壓穿越； DIgSILENT/PowerFactory

中圖分類號： TM614； TM343文獻標識碼： A

收稿日期： 20170518； 修回日期： 20170822

基金項目： 863計劃項目資助（2014AA052303）； 山東省自然科學基金項目資助（Y2008F23）；山東省科技發展計劃項目資助（2011GGB01123）；山東省自主創新及成果轉化專項（2014ZZCX05501）

作者簡介： 董鵬程（1990），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統在線監測及故障診斷。

通訊作者： 李立偉（1970），男，山東人，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向為電力系統的智能監測和狀態維修，可再生能源接入與智能配電網技術，電能質量調節與控制，高速列車運行監測、控制系統及新能源汽車電控系統開發等。Email： ytllw@163.com 近年來，風力發電在我國快速發展，截止到2016年上半年，我國累計并網裝機容量達137億千瓦[1]。在成為風力發電大國的同時，快速增加的風電滲透率增大了電力系統的安全隱患，電網故障后，傳統的風機切機模式已不能滿足電力系統的運行要求[23]。目前，DFIG由于容量大、可實現有功和無功解耦等優點，成為我國風力發電機的主流機型。電網故障穿越可分為電壓穿越和頻率穿越[4]。常規同步發電機、風機轉速與電網頻率存在耦合關系，當電網頻率波動時，轉子轉速也會隨之變化，進而引起轉子動能改變，通過吸收或釋放轉子動能，阻止系統頻率的快速變化。而DFIG采用電力電子變換器能夠靈活的調節有功、無功，實現有功、無功解耦，失去常規同步發電機組所具備的調頻能力[46]。自2011年以來，國內外發生了多起大規模風電機組脫網事故，通過對事故進行研究，根本原因是風力發電機組沒有電網故障穿越能力。鑒于此，國內外學者為研究DFIG電網故障穿越措施進行了大量的工作。賀益康等人[2]通過在網側變換器處添加蓄電池儲能環節，建立帶有儲能設備的虛擬同步發電機，當電網發生頻率跌落時，向電網輸送有功功率來穩定電網頻率，實現同步發電機的調頻特性，但是成本高，而且風力發電機組所受風力實時變化，所以等值模型不固定，控制策略繁瑣；劉東霖等人[5]提出為增大備用容量，可使風機不運行在最大功率追蹤模式（maximum power point tracking，MPPT），而是沿次優功率曲線運行，當電網頻率跌落時，風機運行方式向最優功率曲線方式變換；徐殿國等人[7]提出了基于被動式Crowbar電路的DIFG低電壓穿越技術。上述研究方法在一定程度上提升了風力發電機組的持續并網與調節能力，但其成本和實踐結果還不能滿足電網對日益增加的風電機組的依賴要求。因此，本文對原有風力發電機控制系統與原理進行研究，結合DFIG系統原有控制策略的特點，提出了一種新的復合頻率控制策略，提升了DFIG的調頻能力；添加主動式Crowbar電路；提升了DFIG低電壓穿越能力，仿真結果驗證了所提方案的有效性。該研究對電力系統的安全穩定運行具有重要意義。

1頻率穿越

頻率穿越[8]被提出后還沒有明確定義，但很多國家對于電網故障后的風機持續運行和頻率偏差都做了要求。目前，頻率穿越工作是研究風力發電機組的一次調頻，實現風機持續并網，主要幫助恢復電網頻率。

1.1虛擬慣量響應控制

雖然雙饋發電機轉速與電網頻率之間失去了耦合關系，但DFIG釋放動能的潛力巨大，對DFIG系統轉動慣量不容忽視[910]。傳統的風力發電機虛擬慣量響應控制直接引入有功功率補充，將有功功率差值引入到DFIG控制策略的功頻特性對應的OverFreq Pwr Reduction模塊。通過觀察DFIG控制原理圖，當直接進行有功功率補充后，還需聯系PQ控制模塊、轉子電流控制模塊等到達DFIG電磁控制模塊，相對繁瑣且當某一控制模塊發

由于P=wT，又因為DFIG系統的變頻器可以控制交流勵磁電流改變瞬時轉子轉矩，且在DFIG控制策略中機械轉矩控制模塊直接與DFIG電磁控制模塊相連。因此，本文提出補充轉矩的虛擬慣量響應控制，當獲得轉矩補充控制目標后，可將其引入風機原有控制策略中。轉矩補充控制框圖如圖1所示，將圖1中紅線框所示的轉矩補充控制策略引入原有DFIG控制策略的功頻特性對應的Mechanics模塊。

圖1中，紅線框內為轉矩補充控制策略框圖，其中上支路為引入Δf的轉矩補充方式，下支路為引入df/dt的轉矩補充方式，C為電網額定頻率。上、下支路轉矩補充控制目標函數T1和T2分別為

T1=KpΔf=Kp（fmeas-fc）， T2=9 550n×Ksdfdt（1）

式中，Δf為電網頻率偏差；fc為電網額定頻率，fc=50 Hz；fmeas為電網頻率實際測量值；Kp、Ks為控制系數；n為轉子轉速。為獲得更好的頻率控制效果，本文將同時引入Δf和df/dt，并進行仿真驗證。

1.2槳距角控制

風力發電機一般以最大功率追蹤的方式運行，使風機放棄最大功率追蹤運行模式[10]，以次優功率追蹤運行模式，實現有功功率備用。然而此方法獲得有功功率備用是以風力發電機轉子超速減載來實現，由于轉子轉速上限值的控制，這種方法只適合風機額定轉速以下的情況。為實現DFIG系統便捷的具備有功功率備用容量，對風力發電機的功率方程進行分析。風力機的輸入功率[2]為

Pv=12（ρSwv）v2=12ρSwv3（2）

風能利用系數[2]為

Cp=PoPv（3）

所以，風力機輸出機械功率[2]為

Po=12ρSwCpv3=12ρπR2Cp（λ，β）v3（4）

式中，ρ為空氣密度；Sw為風力機葉片迎風掃掠面積；v為進入風力機掃掠面之前的空氣流速（即未擾動風速）；λ為葉尖速比；β為槳距角。

由式（5）可知，可改變的是與風機輸出功率相關的槳距角β，槳距角β與風能利用系數的關系如圖2所示。當λ為定值時，β越大，Cp越小，因此Po越小，風力發電機的槳距角為0°時，Po最大。因此，通過設定風機葉片槳距角初始值，降低機組有功出力，使風機留有一定的備用有功容量，當電網頻率發生偏移時起到有功功率補充的作用，可實現頻率調節。槳距角控制框圖如圖3所示。

2低電壓穿越

低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）能力是指當電網發生故障或擾動引起風電場并網點的電壓跌落時，在電壓跌落的范圍內，風電機組能不間斷并網運行[2]。同時，在電網故障期間，電網可以輸送一定的無功功率，以幫助電網電壓的恢復，當電網故障消除后，需立即向電網輸送有功功率[1215]。部分國家對LVRT技術基本要求如表1所示。圖535 kV無窮大電網仿真模型為實現Crowbar電路的快速投切，通過添加絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）器件構成主動式Crowbar電路，主動式Crowbar電路如圖4所示。電網故障一旦消除，就可以分別對機側變換器與主動式Crowbar裝置的IGBT觸發信號，前者IGBT導通，后者IGBT關斷，實現了及時向電網輸送有功功率。同時，故障期間直流母線電容與網側變換器構成靜止無功補充器，向電網輸送無功[1920]。

3仿真結果

在DIgSILENT/PowerFactory平臺下，搭建1臺5 MW的等值雙饋異步風力發電機及35 kV無窮大電網的仿真模型，無窮大電網仿真模型如圖5所示。

對于虛擬慣量響應控制，分別引入和同時引入頻率偏差Δf和頻率變化率df/dt，不同控制策略仿真結果如圖6所示。本文提出虛擬慣量響應控制和槳距角控制組成的復合頻率控制，為獲得附加不同控制策略時的對比結果，明晰何種策略更優，對不同控制策略進行仿真測試，轉矩補充控制仿真結果如圖7所示。

對于低電壓穿越，設置電網在3 s時發生三相短路故障，并網點電壓跌落至02 p.u持續05 s，加主動式Crowbar前后輸出有功如圖8所示；加主動式Crowbar前后輸出無功如圖9所示。

圖9加主動式Crowbar前后輸出無功由圖8和圖9可以得出，通過補充轉矩增加DFIG的虛擬慣量及設置初始槳距角增加備用有功兩者共同作用的復合頻率策略，在提升跌落度與穩態值方面改善DFIG的調頻能力；主動式Crowbar電路投切速度迅速，將其模塊引入Protection策略后，在電網故障消除后可立即向電網輸送有功，而在故障期間可向電網輸送無功。

4結束語

本文對雙饋異步風力發電機組的頻率穿越（電網故障后頻率調控）和低電壓穿越進行了研究，利用DIgSILENT/PowerFactory軟件，對電網發生短路故障后引起的電網電壓跌落過程及頻率跌落過程進行仿真，驗證了當電網發生故障后，引起電網頻率跌落時復合頻率控制策略具有更好的頻率穩定控制性能，主動式Crowbar電路可以使DFIG在電網故障期間持續運行并可功率支撐的作用。復合頻率控制策略是建立在風力發電機組本身的控制策略基礎上，只需要優化控制策略，而不需要添加外部硬件電路，在起到頻率調節功能的基礎上節約了成本，具有良好工程實踐應用前景；主動式Crowbar電路，在原先被動式Crowbar電路的基礎上添加IGBT器件，易于實現。但是隨著風力發電機組并網容量的快速增加，電力系統對于風力發電機組的頻率調節響應速度也產生更高的要求，如何使DFIG快速響應電網頻率的偏移，并實現無差調節。同時，使DFIG在電網故障期間也能向電網輸送有功是下一步需要研究的重點。

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