基于智能卸荷電路的雙饋風(fēng)電機(jī)組故障穿越控制

魯華永，袁越

（1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力調(diào)度控制中心，河南 鄭州450052）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)[1]，可再生能源發(fā)電在電網(wǎng)系統(tǒng)中得到了大力發(fā)展，風(fēng)電因其資源豐富、發(fā)電成本低、建設(shè)周期短的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著電力系統(tǒng)中風(fēng)電滲透率的不斷提高，其對(duì)電網(wǎng)整體穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓下跌或驟升故障時(shí)，一方面電網(wǎng)因風(fēng)機(jī)并網(wǎng)導(dǎo)致電壓支撐能力減弱，另一方面風(fēng)機(jī)為了自我保護(hù)會(huì)主動(dòng)與電網(wǎng)解列，在兩要素的作用下，進(jìn)一步加劇了故障程度，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的故障穿越能力愈發(fā)重要[2，3]。

在風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越（Low-Voltage Ride Through，LVRT）控制上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，提出了撬棒（Crowbar）電路[4，5]。傳統(tǒng)Crowbar保護(hù)雖有效避免了故障期間風(fēng)電脫機(jī)問題，但由于其電阻值固定，電路調(diào)節(jié)能力有限，只能適用于特定故障類型，面對(duì)不同電壓跌落深度時(shí)，難以保證調(diào)節(jié)效果。文獻(xiàn)[6]提出了一種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子Crowbar阻值的LVRT方案，通過自適應(yīng)控制策略對(duì)電阻值進(jìn)行整定，實(shí)現(xiàn)不同故障下的不同電阻值投入。與固定阻值的傳統(tǒng)Crowbar方法相比，其在抑制轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓效果上更加明顯，且Crowbar投入次數(shù)也大大減少。然而Crowbar投入期間轉(zhuǎn)子側(cè)變流器閉鎖，風(fēng)電機(jī)組需從電網(wǎng)吸收大量無功功率進(jìn)行勵(lì)磁，造成系統(tǒng)無功缺額增加、直流電壓升高，不利于電壓恢復(fù)。文獻(xiàn)[7]提出了一種直流卸荷（Chopper）電路和變槳距角的協(xié)調(diào)控制方案，在故障初期通過投入Chopper電路快速吸收盈余功率，同時(shí)調(diào)整槳距角徹底消除盈余功率，切除卸荷回路，有效實(shí)現(xiàn)故障期間的LVRT。文獻(xiàn)[8]采用定子與電網(wǎng)間串聯(lián)電阻、轉(zhuǎn)子變流器輸出無功電流方式支撐電網(wǎng)電壓。文獻(xiàn)[9]則在定子上串聯(lián)電抗來抑制故障時(shí)電流升高，同時(shí)在轉(zhuǎn)子變流器控制中附加無功控制，保證故障期間風(fēng)機(jī)的無功功率支撐和電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。

風(fēng)電機(jī)組LVRT恢復(fù)過程中，由于故障清除或負(fù)荷退出容易引發(fā)電壓驟升現(xiàn)象，并且當(dāng)單相重合閘工況出現(xiàn)和無功補(bǔ)償設(shè)備未及時(shí)撤出造成無功功率過剩時(shí)，也會(huì)造成電網(wǎng)電壓驟升，也就是在風(fēng)電機(jī)組LVRT成功后，仍然面臨著高電壓穿越（High-Voltage Ride Through，HVRT）的風(fēng)險(xiǎn)。目前關(guān)于風(fēng)電機(jī)組HVRT的研究成果較少，解決方案仍集中在改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組變流器控制策略[10-12]和附加硬件設(shè)備[13，14]兩方面。在軟件改進(jìn)上，文獻(xiàn)[10]利用虛擬阻抗控制提高雙饋風(fēng)機(jī)的HVRT能力，然而，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流超過轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的安全裕度時(shí)，硬件部分Crowbar電路仍會(huì)被激活[11]。為避免Crowbar電路的頻繁投切，文獻(xiàn)[12]在轉(zhuǎn)子側(cè)附加轉(zhuǎn)子電流抑制，同時(shí)在網(wǎng)側(cè)附加外環(huán)電壓控制，極大地改善了風(fēng)電機(jī)組的HVRT能力。在附加硬件設(shè)備改進(jìn)方法上，文獻(xiàn)[13]在電壓驟升期間通過啟動(dòng)Chopper電路吸收盈余能量、抑制直流側(cè)過電壓、保護(hù)直流母線電容，不足之處在于卸荷電路的頻繁投切會(huì)使電流波形產(chǎn)生畸變，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定。文獻(xiàn)[14]采用直流電壓協(xié)調(diào)控制方案，通過無功電流控制和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)直流過電壓進(jìn)行了限制，然而儲(chǔ)能的配置使得風(fēng)機(jī)的投資和運(yùn)行成本大大增加。

為了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組高低壓穿越功能需求，同時(shí)解決直流卸荷電路頻繁投切和超級(jí)電容器經(jīng)濟(jì)成本過高的問題，本文提出了基于智能卸荷電路的風(fēng)電機(jī)組故障穿越控制方案。該方法在直流卸荷電路基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將DC/DC控制電路與卸荷電阻相連接，通過在控制電路內(nèi)引入有功功率-直流電壓下垂環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電路電阻吸收功率隨電壓波動(dòng)的平滑調(diào)節(jié)。該策略同時(shí)設(shè)有LVRT和HVRT兩種模式，根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓突變情況自動(dòng)識(shí)別，保證風(fēng)電機(jī)組在電壓突增或驟降故障下均能成功穿越。所提控制方案不僅有效避免卸荷電路頻繁投切引起的電壓、電流波形畸變，還能在保持與超級(jí)電容儲(chǔ)能控制同樣故障穿越性能的前提下大幅度減少經(jīng)濟(jì)投入。

1 國(guó)內(nèi)外故障穿越技術(shù)要求

為避免故障造成風(fēng)電機(jī)組解列、電網(wǎng)崩潰，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性，世界各國(guó)針對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)、風(fēng)電機(jī)組容量和線路耐壓能力提出了相應(yīng)的風(fēng)機(jī)故障穿越能力要求。表1，2分別列出了世界主要國(guó)家風(fēng)機(jī)LVRT和HVRT的并網(wǎng)規(guī)范。風(fēng)機(jī)故障穿越并網(wǎng)規(guī)范主要對(duì)電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致電壓或頻率波動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)維持并網(wǎng)運(yùn)行的最低/高電壓提出了要求，同時(shí)規(guī)定了該工況下風(fēng)機(jī)保持運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)以及恢復(fù)至穩(wěn)定電壓所需的時(shí)間。

表1 部分國(guó)家或地區(qū)的LVRT技術(shù)要求Table 1 Technical requirements for low voltage ride through in some countries or regions

表2 部分國(guó)家或地區(qū)的HVRT技術(shù)要求Table 2 Technical requirements for high voltage ride through in some countries or regions

由表1，2可以看出，針對(duì)LVRT問題，國(guó)外大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)均要求機(jī)組具備零電壓穿越（Zero-Voltage Ride Through，ZVRT）能力，即因故障導(dǎo)致系統(tǒng)電壓突然下降為0時(shí)，風(fēng)電機(jī)組也能在0.12～0.15 s內(nèi)維持并網(wǎng)運(yùn)行，并可以在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定值。而在HVRT問題上，則要求風(fēng)電機(jī)組在系統(tǒng)電壓升高到1.10～1.30 p.u.時(shí)保持一定時(shí)間的并網(wǎng)運(yùn)行[15-17]，平穩(wěn)“穿越”高電壓。不同國(guó)家在電壓升高幅值和保持并網(wǎng)時(shí)間上雖有所差異，但均規(guī)定當(dāng)系統(tǒng)電壓上升到1.1 p.u.及其以下值時(shí)風(fēng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。

對(duì)于我國(guó)風(fēng)電機(jī)組LVRT/HVRT技術(shù)要求如圖1所示。曲線1為L(zhǎng)VRT要求，曲線2為HVRT要求。

圖1 我國(guó)風(fēng)電機(jī)組高LVRT要求Fig.1 Requirements for high and low voltage ride through of wind turbines in China

由圖1可知，當(dāng)并網(wǎng)電壓下跌至0.2 p.u.時(shí)，風(fēng)機(jī)在625 ms內(nèi)能維持安全可靠不脫網(wǎng)運(yùn)行，并且能夠向電網(wǎng)提供無功支撐，且無功電流需在75 ms內(nèi)響應(yīng)、持續(xù)時(shí)間不少于550 ms，進(jìn)而保證并網(wǎng)電壓能夠在2 s內(nèi)恢復(fù)至0.9 p.u.。當(dāng)并網(wǎng)電壓突升至1.3 p.u.時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能在500 ms內(nèi)不脫機(jī)運(yùn)行，并能助力并網(wǎng)電壓升高后10 s內(nèi)恢復(fù)至1.1 p.u.以下。構(gòu)成了故障期間風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行區(qū)域，而在曲線1以上和曲線2以下的區(qū)域內(nèi)，運(yùn)行風(fēng)機(jī)則允許從電網(wǎng)切出[18]。

2 雙饋風(fēng)電機(jī)組故障穿越控制策略研究

雙饋風(fēng)電機(jī)組作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型之一。雙饋風(fēng)機(jī)的定子側(cè)與電網(wǎng)直接連接，轉(zhuǎn)子側(cè)通過PWM變流器與電網(wǎng)相連，該結(jié)構(gòu)雖有效降低變流器容量成本，但相較于采用背靠背變流器與電網(wǎng)相連的直驅(qū)風(fēng)機(jī)，不能獨(dú)立于電網(wǎng)運(yùn)行，受電網(wǎng)狀態(tài)影響大，面對(duì)電網(wǎng)故障時(shí)，LVRT難度更高，控制手段更為復(fù)雜。因此，本文在研究風(fēng)電機(jī)組故障穿越控制策略時(shí)，以雙饋風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生驟升/驟降故障時(shí)，由于雙饋風(fēng)電機(jī)組定子端與電網(wǎng)直連，風(fēng)機(jī)定子電壓受并網(wǎng)點(diǎn)電壓影響突增，依據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣桑ㄗ永@組上將感生出非周期、直流磁鏈，進(jìn)而在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。然而受到雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器容量限制，轉(zhuǎn)子電壓不足以抵消該電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子阻抗上產(chǎn)生較大的壓降，引發(fā)轉(zhuǎn)子電流的驟升和直流母線電壓的抬高。并且在故障時(shí)為防止脫機(jī)事件發(fā)生，風(fēng)電機(jī)組會(huì)通過網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)輸送無功功率，但網(wǎng)側(cè)變流器的容量有限，無功功率輸出量的增加必定會(huì)導(dǎo)致有功功率輸出量的減少，多余能量無法流出致直流母線電壓升高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不受控制，危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 直流卸荷電路控制

為了防止電網(wǎng)故障時(shí)直流母線電壓的過度升高導(dǎo)致雙饋風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，文獻(xiàn)[13]采用Chopper電路解決該問題，其電路原理如圖2所示。

圖2 雙饋風(fēng)電機(jī)組故障穿越控制框圖Fig.2 Block diagram of fault ride through control of doubly fed wind turbine

Chopper電路采用高電壓投入、低電壓返回的滯環(huán)邏輯控制晶體管的通斷，通過將電阻并聯(lián)在風(fēng)機(jī)直流母線上以消耗多余沖擊功率的方式，維持了直流電壓的穩(wěn)定。電阻投入與否則由直流母線電壓決定，當(dāng)電網(wǎng)故障導(dǎo)致直流母線電壓高于門檻值時(shí)，卸荷電路投入運(yùn)行，Chopper電阻并聯(lián)于直流母線處消耗多余能量；當(dāng)直流母線電壓低于門檻值或系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，Chopper電阻不投入運(yùn)行。卸荷電路通過電阻頻繁投切的方式，將直流母線電壓維持在某一固定區(qū)間內(nèi)，有效避免了直流母線電容被擊穿現(xiàn)象的發(fā)生，但其反復(fù)投切容易引起電壓、電流波形的畸變，且無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)功率的平滑調(diào)節(jié)。

2.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能控制

超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能設(shè)備的一種，具有功率密度高、設(shè)備容量大、充放電時(shí)間短、循環(huán)次數(shù)多、適應(yīng)溫度范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，適用于故障穿越的場(chǎng)合[19]。基于超級(jí)電容器的雙饋風(fēng)機(jī)故障穿越控制策略的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。超級(jí)電容器通過雙向DC/DC變換器連接在直流母線側(cè)，通過變流器對(duì)超級(jí)電容器的充放電控制，實(shí)現(xiàn)過剩有功功率的吸收，維持直流母線電壓穩(wěn)定，直到電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，電壓穿越完成。當(dāng)風(fēng)機(jī)直流母線電壓高于設(shè)定值時(shí)，DC/DC變換器工作在降壓電路狀態(tài)，向超級(jí)電容器充電以存儲(chǔ)風(fēng)機(jī)多余能量；當(dāng)直流母線電壓低于設(shè)定值時(shí)，DC/DC變換器工作在升壓電路狀態(tài)，超級(jí)電容器向風(fēng)機(jī)放電，釋放儲(chǔ)能以提高直流母線電壓。超級(jí)電容儲(chǔ)能控制阻止了故障期間直流母線電壓的升高，緩解了風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)間能量流動(dòng)不匹配的問題，也實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)功率的平滑調(diào)節(jié)，但由于成本較高，不利于系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2.3 智能卸荷電路控制

為了改善直流卸荷電路和超級(jí)電容器儲(chǔ)能控制方案的不足，同時(shí)兼顧風(fēng)機(jī)故障穿越能力和系統(tǒng)運(yùn)行成本，本文提出了一種基于智能卸荷電路的風(fēng)機(jī)故障穿越控制方法，通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)故障期間智能卸荷電路吸收功率的大小，實(shí)現(xiàn)不同故障工況下風(fēng)電機(jī)組的電壓平穩(wěn)穿越。智能卸荷電路控制原理如圖3所示。

圖3 基于智能卸荷電路的雙饋風(fēng)電機(jī)組故障穿越控制框圖Fig.3 Fault ride through control block diagram of doubly fed wind turbine based on smart unloading circuit

通過DC/DC變換器將固定值電阻與直流母線電壓相連。當(dāng)電網(wǎng)電壓故障導(dǎo)致直流母線電壓升高時(shí)，并聯(lián)在直流母線側(cè)的智能卸荷電路啟動(dòng)，通過并聯(lián)電阻消耗風(fēng)機(jī)內(nèi)部多余能量，直至電網(wǎng)電壓和風(fēng)機(jī)直流母線電壓恢復(fù)正常，智能卸荷電路退出。智能卸荷電路彌補(bǔ)了直流Chopper電路無法完成有功功率平滑調(diào)節(jié)的缺陷，模擬了虛擬同步發(fā)電機(jī)控制原理，引入下垂控制環(huán)節(jié)，通過對(duì)DC/DC變流器的控制，在電路阻值固定的前提下實(shí)現(xiàn)吸收有功功率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。由于故障期間智能卸荷電路消耗盈余能量的多少主要由風(fēng)機(jī)直流母線電壓值決定，因此建立了以有功功率-直流母線電壓（PSL-Udc）為聯(lián)系的下垂控制，以此動(dòng)態(tài)平衡風(fēng)機(jī)內(nèi)部有功功率，維持直流母線電壓穩(wěn)定。

考慮到LVRT和HVRT均會(huì)使得直流母線電壓Udc升高，又由于兩種情況下直流母線電壓允許最大偏差不同，下垂系數(shù)KD也有所差別，因此智能卸荷電路設(shè)置了LVRT和HVRT兩種模式。在下垂系數(shù)KD選擇上，考慮到HVRT會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)變流器耐高壓調(diào)節(jié)能力達(dá)到上限，引發(fā)變流器過調(diào)制、機(jī)組失穩(wěn)和功率交直流耦合振蕩，因此結(jié)合風(fēng)電機(jī)組HVRT范圍（1.1～1.3 p.u.）及電壓波動(dòng)幅值（0.2 p.u.），在穿越過程中為直流母線電壓留有波動(dòng)裕量，按照Udc最大抬升值為0.2 p.u.設(shè)置下垂系數(shù)，進(jìn)而將調(diào)制比控制在合理范圍內(nèi)。而在LVRT模式下，交流電壓下降，不存在網(wǎng)側(cè)變流器失控情況，故直流母線電壓可盡量維持恒定，下垂系數(shù)以其最大偏差值設(shè)置為0.02 p.u.。本文有功功率-直流母線電壓下垂控制關(guān)系式為

式中：ΔPSL為智能卸荷電路有功功率調(diào)節(jié)值；ΔUdc為風(fēng)機(jī)直流母線電壓偏差值；KD為下垂控制系數(shù)。

本文根據(jù)式（1）不同工況下，以直流母線電壓為控制電路的輸入量時(shí)，確定智能卸荷電路有功功率期望值。

占空比D計(jì)算式為

式中：ΔUSL為智能卸荷電路電壓；RSL為智能卸荷電路電阻。

將功率-電壓下垂控制環(huán)節(jié)輸出的功率指令換算成占空比信號(hào)，與三角載波信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生DC/DC變流器控制電路的脈寬調(diào)制信號(hào)，控制智能卸荷電路電壓USL按期望值實(shí)時(shí)調(diào)整，保證即使在電路電阻固定的情況下，電路吸收有功功率也能依據(jù)直流母線電壓波動(dòng)及時(shí)調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障期間智能卸荷電路有功功率的平滑調(diào)節(jié)。智能卸荷電路運(yùn)行期間，等效電路如圖4所示。變換器開關(guān)管SC1工作于PWM方式時(shí)，開關(guān)管SC2工作于二極管模式，此時(shí)可看做是Buck電路。

圖4 Buck型智能卸荷電路Fig.4 Buck smart unloading circuit

實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組故障穿越功能，除了維持風(fēng)機(jī)內(nèi)部有功功率平衡外，也需要風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)無功支撐、助力電壓恢復(fù)。智能卸荷電路以現(xiàn)有電網(wǎng)對(duì)風(fēng)機(jī)的無功支撐要求為依據(jù)，故障穿越期間對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器采用了如下控制手段。

①系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器采用單位功率因數(shù)方式運(yùn)行，僅向電網(wǎng)輸出有功功率。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至額定電壓的20%～90%時(shí)，風(fēng)機(jī)開啟LVRT模式，網(wǎng)側(cè)變流器由單位功率運(yùn)行切換為無功調(diào)節(jié)狀態(tài)，優(yōu)先發(fā)出無功功率，支撐電壓恢復(fù)。此時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器無功電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，其參考值為

式中：Ug為并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值；IN為網(wǎng)側(cè)變流器額定電流；K1為無功電流動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系數(shù)，一般取值為1.5～3。

②當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升至額定電壓的110%～130%時(shí)，風(fēng)機(jī)開啟HVRT模式，網(wǎng)側(cè)變流器處于無功調(diào)節(jié)狀態(tài)，優(yōu)先吸收無功功率，支撐電壓并網(wǎng)恢復(fù)。此時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器無功電流的參考值為

式中：K2為無功電流動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系數(shù)，其取值應(yīng)大于1.5。

由于變流器容量有限，當(dāng)開啟無功功率優(yōu)先模式時(shí)，無功電流輸出增加，有功電流輸出必然會(huì)減少。因此，為保證變流器安全運(yùn)行，通過式（3）對(duì)有功功率進(jìn)行限制，有功電流參考值為

式中：Imax為變流器允許流過最大電流。

與Chopper電路相比，智能卸荷電路在電阻不變的前提下增設(shè)了DC/DC變流器，而在選擇DC/DC變流器額定功率時(shí)，考慮到重度故障下存在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器均輸出無功功率、盈余有功功率需經(jīng)過DC/DC變流器流入電路電阻的工況，設(shè)置DC/DC變流器參數(shù)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器相同。以1.5 MW雙饋風(fēng)電機(jī)組為例，某廠家采用額定功率為480 kW的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器價(jià)格如表3所示。

表3 超級(jí)電容器和變流器單價(jià)Table 3 Unit price of super capacitor and converter

智能卸荷電路大約需增加經(jīng)濟(jì)成本38.4萬元。相較于超級(jí)電容器控制，智能卸荷電路在控制電路變換器不變的前提下，用固定阻值電阻替代超級(jí)電容器。超級(jí)電容器控制策略選擇參數(shù)時(shí)，考慮到風(fēng)機(jī)故障穿越時(shí)間較短(一般不超過2 s），超級(jí)電容器容量設(shè)為480 kW×2 s，額定功率與變流器相同為480 kW，其經(jīng)濟(jì)投入約為73萬元。智能卸荷電路雖比Chopper多投入了變流器成本，但保證了風(fēng)機(jī)功率的平滑調(diào)節(jié)，并且相較于超級(jí)電容器控制，經(jīng)濟(jì)成本大大降低。

3 仿真驗(yàn)證及分析

本文在Matlab/Simiulink系統(tǒng)中搭建了圖3的雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)模型，對(duì)所提故障穿越控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。雙饋風(fēng)電機(jī)組參數(shù)如下：額定功率為1.5 MW，額定頻率為50 Hz，機(jī)端額定電壓為690 V，直流母線電壓為1 150 V。定子電阻為0.007 06 p.u.，定子漏感為0.171 p.u.，轉(zhuǎn)子電阻為0.005 p.u.，轉(zhuǎn)子漏感為0.156 p.u.，互感為2.9 p.u.。

本文分別設(shè)置了電壓跌落、電壓驟升、輕度故障、重度故障工況進(jìn)行仿真分析，同時(shí)將智能卸荷電路的電壓穿越效果與Chopper電路、超級(jí)電容器儲(chǔ)能控制方案進(jìn)行對(duì)比，從直觀數(shù)據(jù)上驗(yàn)證智能卸荷電路故障穿越控制的可行性與優(yōu)勢(shì)。

3.1 輕度故障

設(shè)置3 s時(shí)電網(wǎng)發(fā)生電壓突增或驟降的輕度故障，故障持續(xù)時(shí)間0.4 s，電壓變化幅度均為15%。圖5顯示了風(fēng)電機(jī)組在輕度LVRT，HVRT時(shí)直流側(cè)母線電壓、網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率、定子功率的仿真結(jié)果。

圖5 輕度LVRT/HVRT風(fēng)電機(jī)組仿真波形Fig.5 DFIG Simulation waveform in mild LVRT/HVRT

由圖5可以看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至0.85 p.u.時(shí)，直流母線電壓上升至1 250 V，直流電壓變化幅度未超過設(shè)定上限值。因此，無論是Chopper電路、超級(jí)電容器控制電路或是智能卸荷電路，均不投入運(yùn)行，并網(wǎng)點(diǎn)電壓和風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)變化曲線完全一致。而當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓抬升至1.15 p.u.時(shí)，直流母線電壓有輕微下跌，但此時(shí)風(fēng)機(jī)故障穿越控制電路仍然不啟動(dòng)。因此，3種控制方案下風(fēng)機(jī)功率、電流參數(shù)基本一致，與風(fēng)電機(jī)組無故障穿越控制相同。由仿真結(jié)果可以看出，在輕度故障下，由于直流母線電壓的變化未超過上限值，因此3種故障穿越控制電路均不啟動(dòng)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況相同。

3.2 重度故障

圖6為系統(tǒng)在3 s時(shí)電網(wǎng)電壓驟降至0.2 p.u.、發(fā)生持續(xù)時(shí)間0.4 s的重度故障時(shí)，雙饋風(fēng)電機(jī)組在Chopper電路、超級(jí)電容器控制和智能卸荷電路控制下的仿真結(jié)果。

圖6 低電壓重度穿越故障仿真波形（電壓跌落至0.2 p.u.）Fig.6 Simulation waveform of low voltage severe ride through fault（voltage drop to 0.2 p.u.）

由圖6可知，在電壓跌落至0.2 p.u.的重度故障下，Chopper電路啟動(dòng)，流經(jīng)電路電阻的功率也隨之增加，最高值可達(dá)0.12 p.u.。故障期間，直流側(cè)母線電壓在1 180～1 320 V波動(dòng)，有效抑制了直流母線電壓大幅度升高，也使得網(wǎng)側(cè)和定子輸出功率較為穩(wěn)定，保證風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)不脫機(jī)運(yùn)行。采用超級(jí)電容器控制策略時(shí)，通過增加超級(jí)電容器電壓及其荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）吸收多余能量，故障結(jié)束后超級(jí)電容器電壓由500 V升高到了505 V，SOC增加了1%，系統(tǒng)通過網(wǎng)側(cè)變流器向超級(jí)電容器充電以平衡風(fēng)機(jī)內(nèi)部有功功率，從而實(shí)現(xiàn)了雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓故障穿越。采用智能卸荷電路控制時(shí)，電路中電阻兩端電壓隨著直流母線電壓的波動(dòng)而變化，其變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)直流母線電壓在3.1 s達(dá)到最大值1 370 V時(shí)，電路電阻電壓為610 V，吸收功率達(dá)到最大值0.71 p.u.，通過電路電阻吸收多余能量，使得風(fēng)機(jī)直流側(cè)母線電壓得到了明顯的抑制，實(shí)現(xiàn)了重度故障下風(fēng)電機(jī)組的LVRT。

設(shè)置電網(wǎng)電壓在3 s時(shí)驟升至1.3 p.u.，故障持續(xù)0.4 s，圖7顯示了重度故障下3種控制方案的仿真結(jié)果。

圖7 高電壓重度穿越故障仿真波形（電壓抬升至1.3 p.u.）Fig.7 Simulation waveform of high voltage severe ride through fault（voltage rises to 1.3 p.u.）

由圖7可知，直流母線電壓峰值超過了1.1 p.u.，為了防止直流母線電壓過高而損壞其他硬件裝置，Chopper電路投入運(yùn)行，通過提高電路中電阻功率來平衡系統(tǒng)能量，增加風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行可靠性，電阻功率最高達(dá)到了0.11 p.u.。3.4 s時(shí)直流母線電壓低于設(shè)定的下限值，Chopper電路自動(dòng)切除，風(fēng)機(jī)故障穿越結(jié)束。超級(jí)電容器在故障導(dǎo)致直流母線電壓超過設(shè)定值即3 s時(shí)啟動(dòng)，其電壓和SOC緩慢增加，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)電機(jī)組的高電壓故障穿越。而在故障切除后，超級(jí)電容器退出運(yùn)行，其電壓和SOC分別在605 V和69.5%保持恒定，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組采用智能卸荷電路實(shí)現(xiàn)機(jī)組故障穿越時(shí)，電阻電壓隨著風(fēng)機(jī)直流母線電壓的上升而增加，流經(jīng)電阻功率隨著電壓波形變化相應(yīng)上升，在3.39 s時(shí)達(dá)到峰值。從仿真波形上看，直流側(cè)母線電壓相較于固定阻值的Chopper電路和超級(jí)電容器控制得到了較為明顯的改善，最大值由1 410 V降到了1 290 V，風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)了高電壓故障穿越的能力。

3.3 對(duì)比分析

為了更為清晰直觀的對(duì)比轉(zhuǎn)子卸荷電路、直流Chopper電路、超級(jí)電容器控制和智能卸荷電路的仿真效果，圖8～10分別給出了上述4種控制策略下風(fēng)電機(jī)組在重度HVRT/LVRT故障過程中并網(wǎng)點(diǎn)電壓Us、定子功率Ps和Qs、網(wǎng)側(cè)功率Pg和Qg以及直流母線電壓Udc等參數(shù)的最大偏差量、平均偏差量和恢復(fù)過程調(diào)節(jié)時(shí)間的對(duì)比。

圖8 不同控制下風(fēng)機(jī)故障穿越參數(shù)最大偏差量Fig.8 Maximum deviation of DFIG fault ride through parameters under different control strategies

由圖8可以看出，無論是重度HVRT或LVRT故障，4種控制方案的網(wǎng)側(cè)無功功率Qs及并網(wǎng)點(diǎn)電壓Us的最大偏差量幾乎相等，HVRT下Qs最大偏差為0.31 p.u.，Us最大偏差為0.28 p.u.，LVRT下Qs最大偏差為0.13 p.u.，Us最大偏差為0.8 p.u.。而對(duì)于直流側(cè)母線電壓Udc，4種控制方案相差較大，HVRT下智能卸荷電路的Qs最大偏差值最小，為0.15 p.u.，相較于轉(zhuǎn)子卸荷電路幾乎下降了50%，調(diào)節(jié)效果大大提高。LVRT下，Qs偏差值最大的仍是轉(zhuǎn)子卸荷電路，為0.21 p.u.，智能卸荷電路和超級(jí)電容器儲(chǔ)能控制效果相當(dāng)，為0.17 p.u.，略高于Chopper電路。對(duì)比說明，在Qs波動(dòng)幅值上，智能卸荷最為穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子卸荷電路變化幅度最大。

圖9顯示了故障穿越過程中風(fēng)機(jī)參數(shù)的平均偏差量。

圖9 不同控制下風(fēng)機(jī)故障穿越參數(shù)平均偏差量Fig.9 Average deviation of DFIG fault ride through parameters under different control strategies

重度HVRT工況下，4種方案的并網(wǎng)點(diǎn)電壓Us和轉(zhuǎn)子側(cè)無功功率Qg平均偏差量相當(dāng)，分別為0.25 p.u.和0.28 p.u.，而在網(wǎng)側(cè)有功功率Ps和轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率Pg上，轉(zhuǎn)子卸荷電路的平均偏差量最大，是其他3種方案的2倍。直流母線電壓Udc和網(wǎng)側(cè)無功功率Qs平均偏差量最少的是智能卸荷電路和超級(jí)電容器控制，分別為0.09 p.u.和0.41 p.u.。重度LVRT工況下，Chopper電路、超級(jí)電容器控制和智能卸荷電路的風(fēng)機(jī)參數(shù)平均偏差量均相等，且Udc和Qs均明顯優(yōu)于轉(zhuǎn)子卸荷電路。從風(fēng)機(jī)參數(shù)的平均偏差量看，智能卸荷電路和超級(jí)電容器控制在故障穿越過程中的整體波動(dòng)較為平穩(wěn)。

圖10對(duì)比了4種電壓穿越控制方案下風(fēng)機(jī)故障后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間。

圖10 不同控制下風(fēng)機(jī)故障穿越恢復(fù)過程的調(diào)節(jié)時(shí)間Fig.10 Adjustment time of DFIG fault through recovery process under different control strategies

重度HVRT下，直流母線電壓Udc恢復(fù)穩(wěn)定用時(shí)最短的是智能卸荷電路和超級(jí)電容器控制，需要0.4 s，優(yōu)于Chopper電路的0.58 s和轉(zhuǎn)子卸荷電路的0.98 s。網(wǎng)側(cè)功率恢復(fù)穩(wěn)定用時(shí)最短的仍是智能卸荷電路，4種方案的轉(zhuǎn)子側(cè)功率用時(shí)相當(dāng)，為0.11 s。重度LVRT工況下，轉(zhuǎn)子卸荷電路的Udc、定子側(cè)功率所需調(diào)節(jié)時(shí)間最短，其次為智能卸荷電路，但在網(wǎng)側(cè)功率參數(shù)上，轉(zhuǎn)子卸荷電路恢復(fù)穩(wěn)態(tài)用時(shí)最長(zhǎng)為0.78 s，其他3種方案用時(shí)在0.58 s左右。

綜合對(duì)比圖8～10重度故障下風(fēng)機(jī)穿越過程中的參數(shù)，智能卸荷電路的直流母線電壓抑制效果最佳，功率波動(dòng)幅值最小，且能在最短時(shí)間內(nèi)完成恢復(fù)調(diào)節(jié)，電壓穿越方案最具優(yōu)勢(shì)，超級(jí)電容器控制其次，且明顯優(yōu)于其他兩種方案。

圖11對(duì)比了重度故障工況下，雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流波形。

圖11 重度故障下DFIG 3種方案轉(zhuǎn)子側(cè)變流器波形對(duì)比Fig.11 DFIG rotor side converter waveform comparison of three schemes under severe fault

由圖11可見，智能卸荷電路和超級(jí)電容儲(chǔ)能方案的轉(zhuǎn)子電流波形較為平緩，故障期間電流波動(dòng)幅值小、次數(shù)少，而Chopper電路控制方案由于頻繁投切產(chǎn)生了直流電壓紋波，進(jìn)而使得電流波形畸變嚴(yán)重。因此，綜合對(duì)比風(fēng)電機(jī)組直流母線電壓抑制效果、電壓恢復(fù)所需調(diào)節(jié)時(shí)間、轉(zhuǎn)子電流畸變程度以及控制方案經(jīng)濟(jì)成本等多種因素，所提基于智能卸荷電路的風(fēng)電機(jī)組故障穿越控制策略最具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合Chopper電路和超級(jí)電容儲(chǔ)能控制的優(yōu)勢(shì)，提出了基于智能卸荷電路的風(fēng)電機(jī)組高低電壓故障穿越技術(shù)方案。所提方法對(duì)Chopper電路進(jìn)行改造，通過DC/DC變換器將卸荷電阻與風(fēng)機(jī)直流母線相連，并在控制電路中設(shè)置有功功率-直流電壓下垂環(huán)節(jié)，使得智能卸荷電路能夠根據(jù)直流母線電壓幅值動(dòng)態(tài)吸收盈余能量，具有平滑調(diào)節(jié)卸荷功率的能力。同時(shí)依據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)情況自動(dòng)開啟LVRT或HVRT模式，保證雙饋風(fēng)電機(jī)組在不同故障下均能成功穿越。本文在仿真系統(tǒng)中搭建了單機(jī)并網(wǎng)場(chǎng)景模型，對(duì)比了3種不同故障穿越方案的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。結(jié)果表明，重度故障下，所提智能卸荷電路方案的故障穿越控制效果可以與超級(jí)電容控制方案相媲美，有效避免了Chopper電路頻繁投切引起的直流母線電壓波動(dòng)以及網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形畸變，也大大降低了經(jīng)濟(jì)成本。