雙饋感應異步風力發電機組的低電壓穿越要求及技術分析

牛晨光，劉觀起

（華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定071003）

近10年來，全球風電裝機容量保持了較快的增長勢頭。截止到2009年底，全球風機裝機容量已經達到159,213 MW，新增裝機容量38 312 MW，增長率為31.7%，全球的金融以及經濟危機并沒有對世界范圍內風能發展產生負面影響，2009年是自2001年以來增長最快的一年，按照這種持續發展的勢頭，裝機容量每3年就會翻一番。截止到2010年3月，全球的裝機容量已經超過200 000 MW，依據目前加速增長的趨勢，世界風能委員會提高了對未來風電裝機總量的預測：預計到2020年底，全球裝機總量至少為1 900 000 MW，全世界的電力消耗將有12%來自風電[1-5]。歐洲、北美以及亞洲是風電產業的3個主要市場，亞洲是發展最快的地區，成為各大洲的領頭羊，而全球關注的重心已逐漸遠離歐洲。中國2009年新增裝機容量13,800 MW，第四次實現超過1倍的增長[6-10]。隨著風電裝機在整個電力系統中所占比重的增大，風電對電力系統影響的研究愈發重要[11-13]。

隨著風電單機容量的增大以及風電場規模的不斷擴大，各地區的電網運營商對風電接入電網提出了更高的標準要求[14-18]，主要包括有功和無功功率輸出、風電場運行范圍、電壓調節、低電壓穿越（Low Voltage Ride Though,LVRT）、電能質量等方面的控制，而其中LVRT被認為是對風電機組設計制造技術的最大挑戰[19-22]。要提高風電場的LVRT能力，必然會增加風電場的工程造價，而且對LVRT能力要求越嚴格則工程造價就越高。因此，根據風電場的風電機組的類型，在風電場規劃階段對風電機組的LVRT功能曲線的定值提出要求，具有很大的經濟意義[23-25]。

目前風力發電機組采用變速風機，因為其與定速風機相比，具有更高的能量捕獲能力，減小機械應力，輸出能量更為固定甚至降低了噪音等優勢。因此現在的主流機型為基于變速恒頻（Variable Speed Constant Fre-quence,VSCF）控制技術的雙饋感應異步風力發電機組 (Doubly-Fed Induction Generator,DFIG)[26]，本文就針對此種機型，依據國內外研究成果，對其LVRT能力要求及技術措施進行探討。

1 風電場接入電網技術規范

在世界范圍，由于電力系統的配置、風電在系統中所占比重以及電網調度對風電的不同要求，目前還沒有關于風電場接入電網的通用標準。為了規范接入系統的風電場，各個地區分別根據自身情況制定了相關的技術規范。文獻[17、18]給出了歐洲、美洲地區的風電接入電網的技術規范。我國國家電網公司于2009年2月制定了《風電場接入電力系統技術規定（修訂版）》，主要要求如下：

1）風電場有功功率。規定中明確要求風電場具有有功功率調節能力，并根據電網調度部門指令控制其有功功率輸出，確保風電場最大輸出功率及功率變化率不超過電網調度部門的給定值。

2）風電場無功功率。要求風電場在任何運行方式下，應保證其無功功率有一定的調節容量，該容量為風電場額定運行時功率因數0.98（超前）～0.9（滯后）所確定的無功功率容量范圍，風電場的無功功率能實現動態連續調節，保證風電場具有在系統事故情況下能夠調節并網點電壓恢復至正常水平的足夠無功容量。

3）風電場電壓范圍。當風電場并網點的電壓偏差在-10%～+10%之間時，風電場內的風電機組應能正常運行。并且風電場應當能夠在其容量范圍內，控制風電場并網點電壓在額定電壓的-3%～+7%。

4）風電場運行頻率。風電場應該在一定的電網頻率偏離下繼續運行：49.5 Hz~50.5 Hz內連續運行；每次頻率低于49.5 Hz時要求至少能在48 Hz～49.5 Hz之間運行10 min；每次頻率高于50.5 Hz時，至少能50.5Hz~51Hz之間運行2min；并且當頻率高于50.5Hz時，風電場須執行電網調度部門下達的高周切機策略，不允許停機狀態的風電機組并網。

5）風電場低電壓穿越。當電網電壓驟降時，要求風力發電機在一定時間內仍并網運行。這個要求就是為了保證在正常可清除故障發生時沒有風機退出運行。太快切除風電機組，尤其對于大型風電場，會對電網產生不利影響。

2 低電壓穿越能力要求

低電壓穿越能力就是當電網故障或擾動引起風電場并網點的電壓跌落時，在一定電壓跌落的范圍內，風電機組能夠不間斷并網運行，只有當電網電壓低于規定曲線以后才允許風電機組脫網，甚至要求風電場在此過程中能提供無功功率以支持電網電壓的恢復。最具代表性的低電壓穿越能力要求是2003年由德國E.On公司提出的，其曲線如圖1所示。之后，許多國家（地區）相繼提出了自己的LVRT曲線，我國的LVRT要求曲線如圖2所示。低電壓穿越能力要求的提出關鍵依據是風電場所連接的電網的具體特征以及配置，此外風電場的容量也起到一定的主導作用。

圖1 德國E.On公司LVRT能力要求曲線

圖2 我國風電場LVRT能力要求曲線

從兩圖可以清晰發現，我國的低電壓穿越曲線要求并網點電壓低至0.2 pu，風電機組可以從電網切除，相比而言，歐洲的標準更為嚴格，他們要求并網點電壓低至0.15 pu才能允許電網切除風電機組。此外，在加拿大等一些國家甚至要求并網點電壓低至0 pu時，仍能并網運行。

下面就我國低電壓穿越要求曲線（圖2）從兩方面進一步說明：首先，風電場內的風電機組具有在并網點電壓跌至并網點額定電壓的20%時能夠保持并網運行625 ms的低電壓穿越能力；其次，風電場并網點電壓在發生跌落后3 s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組保持并網運行。

3 DFIG的LVRT技術

變速恒頻風電機組主要有2種，分別是多極直驅式永磁同步發電機 (permanent-magnet synchoronous generator,PMSG）和雙饋感應異步電機(doubly fed induction generator,DFIG）。雙饋感應異步電機由于具有平滑控制、變流器容量小等優點成為目前使用最廣泛的變速恒頻風力發電機，本文也只針對DFIG的LVRT能力進行研究。

DFIG主要由風輪、雙饋發電機、變流器、勵磁系統、控制檢測系統組成，它的定子側直接與電網連接，轉子側通過背靠背雙PWM變流器與電網連接，其中轉子側變流器調節轉子的電流和轉速，實現變速恒頻運行，并對輸出功率因數進行控制；網側變流器保持直流側電壓的穩定。雙饋感應異步風力發電機組模型如圖3所示。

圖3 雙饋感應異步風力發電機組模型

電網電壓的驟降會引起雙饋發電機定子繞組電流的增加，由于定子和轉子之間存在強耦合關系，這個電流也會涌入轉子回路和變流器，直流側母線電壓升高，機側變流器的電流以及有功、無功功率都會發生振蕩，同時引起轉子回路產生過電壓、過電流。過電流會損壞變流器，而過電壓會損壞發電機的轉子繞組。

現今國內外的研究人員主要采用以下幾種技術實現DFIG的LVRT能力要求[27-28]：1）主動式Crowbar保護電路；2）直流側能量存儲裝置；3）轉子電流控制。現對幾種技術進行分析。

3.1 主動式Crowbar保護電路

主動式Crowbar電路[29-31]（active crowbar）加裝在轉子與轉子變流器之間，當故障發生時轉子側會產生過電流和直流鏈過電壓，Crowbar電路檢測到轉子過電流時動作，短接轉子端部并旁路和阻斷轉子側變流器，從而起到限制轉子過電流和保護變流器的作用。此方法目前應用最為廣泛，采用主動式Crowbar電路的DFIG如圖4所示。

圖4 采用主動式Crowbar電路的DFIG

采用主動式Crowbar保護電路時應主要注意2個問題[32-35]：

1）由于在Crowbar保護電路動作后，變流器的IGBT退出運行，然后DFIG按鼠籠式異步電機運行，DFIG的可控性喪失，在故障消除，Crowbar電路退出工作過程中，可能會再次出現過電流、過電壓的情況，因此需要對網側變流器的控制器進行切換，調整后的控制方案為：以正常情況下的網側電壓為參考值，與檢測到的實際值相比較，經PI環節，得到輸出無功功率的參考值。即為得到平滑的切換過程，必須將個參考值設定為此過程中的實際值，在Crowbar電路動作后，網側變流器能夠最大限度地提供無功功率，從而補償DFIG從電網吸收的無功功率，緩慢過渡到正常狀態。

2）在主動式Crowbar電路設計中，合理的選取放電電阻的阻值比較重要。選取較大阻值可以使暫態分量衰減的更快，但較大的電阻值可能會造成轉子側的過壓，使直流側電容反充電，同時還有可能損壞轉子側變流器。另外較大阻值的瞬態功耗也較大。從散熱角度對放電電阻的體積也有一定要求。

3.2 直流側能量存儲裝置（ESS）

電網發生低電壓故障時，發電機機端電壓比正常情況下低，系統將無法正常向電網輸送能量，但與此同時風力機的慣性較大，風力機自身的調槳系統在短時間內調節的范圍有限，因此所獲的風能將有一部分過剩，因此需要將過剩部分能量存儲起來，故障清除后，再將該部分能量釋放到電網。國內在這方面的研究還很少，國外的一些文獻提到目前的能量存儲裝置[36]主要用到超級電容器，主要是因為超級電容器具有高能量密度以及高效率，該裝置典型拓撲結構如圖5所示。將該裝置接入DFIG如圖6所示。

圖5 直流側能量存儲裝置拓撲結構

圖6 直流側能量存儲裝置接入DFIG

從圖6中可以看出，故障過程中，能量從轉子流出，經過變換器，將所獲得的剩余能量存儲在ESS中。可行措施如下：

1）將能量存儲在連接在直流母線的電阻器中，控制直流電壓在其正常值的±10%范圍內；

2）通過一個電阻短路轉子繞組，并使發電機以傳統感應電機方式運行；

3）最終將存儲在能量存儲裝置中的能量釋放到電網。

該裝置的引入可以解決使用Crowbar在不同運行狀態間切換從而產生工況切換引起的暫態過程，且可以進行持續調控。但該裝置的容量必須滿足LVRT要求，因此需對其容量進行確定。

3.3 轉子電流控制[37]

通過前面的分析，人們自然會想到通過快速半導體變換器迅速限制電流饋入電網，從而限制轉子側變流器過電流。但是在DFIG中，轉子側變流器由于承受過電壓而失去對過電流的限制。國外一些文獻提出了一種控制方法以限制轉子電流，達到LVRT要求。

電網發生電壓跌落故障時，由于風機定子出現的直流分量和負序分量會在轉子感應出較大電動勢，而這個感應電動勢成為阻礙風電場實現LVRT的重要因素。

經過分析可以得到如下關系式：

由此式可以看出，轉子電流與轉子電壓以及感應電動勢有緊密關系，所以對轉子側變換器故障期間電流的控制的最大難點就是對由定子磁鏈決定的感應電動勢的控制。

因此，在故障情況下可以通過對轉子電流的控制，使轉子電流的方向位于定子磁鏈的直流分量和負序分量相反的方向上見圖7，從而可以在一定程度上削弱甚至消除定子磁鏈對轉子磁鏈的影響。其中“0”，“1”，“2”分別代表零序、正序、負序。

圖7 轉子電流控制

該方法就是不增加硬件，通過控制該電動勢以限制故障電流，同時故障清除過程中的暫態過程也得到較好處理。

3.4 各種方法對比分析

以上只是對各種技術方法原理簡單的介紹，通過研究從以下幾方面對3種技術進行對比分析。

1）發電機控制。主動式Crowbar保護電路以及轉子電流控制過程中都會改變風機運行方式，可能會導致故障中風力機的有功和無功控制的喪失，因此在故障恢復過程中這2種方法會需要從電網吸收無功滿足發電機所需的勵磁，而且在一些情況下控制器為滿足新的運行條件須進行調整而引起過電壓，若采用能量存儲裝置，則不會出現類似這種情況。

2）能量控制。不同技術對風機獲取的多余部分能量控制采取不同的處理方法，然而都是在故障以及電壓恢復過程中將該部分能量釋放。第二種方法將能量存儲在能量存儲裝置中；第三種方法則以轉子慣性以及直流側電壓方式存儲；第一種方法同樣將能量儲存在轉子慣性、轉子阻抗還有直流側電容器中。3種方法中，轉子慣性在儲存該部分能量過程中都起到至關重要的作用，因此轉子轉速應該得到有效的監控以防止過速。采用能量存儲裝置對于電網遠程故障可以有效維持轉子轉速，其他兩種方法轉子都要經歷加速過程。

3）轉子電流。靠近風電場的故障最有可能引起大電流，后2種方法都會有大電流，而采用主動式Crowbar保護電路可以快速限制大電流。

4）直流側電壓控制。越靠近風電場的故障引起的直流側電壓變動越大。前2種方法有另外其他途徑將轉子電流有效限制從而較好的防止了此電流對直流側電容產生較大影響，直流側電壓只是有很小的變動。

通過以上對3種技術方法的作用對比分析，不難得出以下結論：

1）對于采用主動式Crowbar保護電路的DFIG。該方法簡單有效，成本較低，便于實現，但實際效果嚴重依賴于內部運行條件和故障特征，對于非對稱故障能起到的作用有限。當Crowbar電路動作時，DFIG以鼠籠異步電機方式運行，運行方式變化比較大。然而，轉子電流得到有效控制，在故障清除，Crowbar退出運行過程中直流側電壓會經歷振蕩。對P-Q控制的喪失會導致風機消耗無功功率，因此機端電壓恢復過程會變慢。

2）采用能量存儲裝置的DFIG受故障嚴重程度的影響較大，除此之外該方法相對于其他兩種技術有明顯的優勢。該方法在故障過程中仍保持對風機的控制，有利于故障清除后風機的恢復。但該方法無法對轉子電流進行有效控制，若要保證變流器不因為轉子電流而損壞，轉子側變流器須選用較大容量的IGBT。

3）采用轉子電流控制技術時，同樣受電網故障嚴重程度的影響較大，故障過程中DFIG只會經歷微小的輸出功率與極端電壓振蕩。與采用Crowbar電路一樣，喪失了P-Q控制，DFIG在故障清除過程中須消耗無功。該方法的電壓恢復過程快于第一種方法但慢于第二種方法。該方法最大的優點就是不需要增加額外的裝置以滿足LVRT要求。

總之，3種技術方法的應用都達到了LVRT的要求。

4 各技術方法的改進以及新技術

經過綜合分析研究，以及考慮到各技術方法的優缺點，對各技術方法做出一定的改進，會改善DFIG的LVRT能力，更好地滿足電網要求。

1）直流側能量存儲裝置。將能量存儲裝置與存儲電阻混合，該電阻不僅釋放能量而且可以用來控制直流側電壓。存儲在能量存儲裝置中的能量可以用來加速電網的恢復過程。此外，能量存儲裝置還可以在穩定情況下應用以減弱由風速變換引起的電網波動。但同時應該考慮它的成本、容量體積大小以及生命周期問題。

2）主動式Crowbar保護電路。對Crowbar電路運行的控制以及作用點的設置的影響應加以考慮，另外須提出新型的Crowbar電路。

3）轉子電路控制。在直流側增加轉出電阻（直流側Crowbar）或者能量存儲裝置來處理直流側的過電壓。

除了前文提到為滿足LVRT要求主要采取的3種技術方法外，還有文獻提到在風電場機端增加電力電子裝置或附加電路來滿足LVRT要求。

1）應用可控串聯補償裝置（TCSC）提高風電場LVRT能力[38]。由于TCSC裝置具有可以通過調節自身觸發角從而快速改變自身阻抗的特性，因此將其接入風電場作為限流器，限制故障時機端輸出電流，提高機端電壓，有效提高風電場LVRT能力。TCSC接入風電場模型如圖8所示。

圖8 TCSC接入風電場模型

2）利用串聯制動電阻（SDBR）提高風電場LVRT能力。SDBR由電阻器、旁路開關和控制器組成，既可以在風電場出口集中安裝，也可以在各機組出口分別安裝。將SDBR串聯接入風電場模型如圖9所示。在電網發生嚴重故障而電壓跌落很低的情況下，利用很大的短路電流在SDBR上產生可觀的壓降進而明顯提升機端電壓，電磁功率會獲得可觀的提高，有效地抑制了轉子加速，提高了風電場的LVRT能力。

圖9 SDBR串聯接入風電場模型

5 結語

本文從風電場接入電網的LVRT要求及其他相關規定出發，依據國內外的研究成果及文獻，對于滿足DFIG的LVRT能力要求的技術進行了較全面的分析對比。

在今后對DFIG的LVRT能力的研究中，需注意以下幾個問題：

1）本文提到的幾種技術方法都可以使DFIG滿足LVRT要求，風電場能夠不間斷并網運行，各變化量均在允許范圍內。但它們各有利弊，都存在一些難以克服的問題。研究過程中可考慮將幾種方法相結合，或改進相應的控制策略。

2）改善控制策略，改進故障分析過程中DFIG模型，它對于輕微故障可以起到一定的作用。將其與其他技術方法相結合，形成一套完整的保護體系。

3）全控型電力電子器件發展及應用的日趨成熟，可以更好地滿足風電場的LVRT能力要求，但由于電力電子器件的容量以及經濟性問題，阻礙了其應用，所以在風電場規劃立項階段就需要針對不同情況進行研究，從技術以及經濟等各方面提出具體的LVRT要求。這其實是更高一層的要求，需要今后進一步加深研究。

4）具有LVRT能力的風電場不但不會給電網帶來不利影響，反而相對于其他傳統電站會在一定程度上改善系統性能。

因此，風電場的LVRT能力研究仍是今后一段時間風電研究難點，同時也是一個重點，需要更多的技術人才研究來加以實現。

[1]申寬育.中國的風能資源與風力發電[J].西北水電，2010（1）：76-81.

[2]趙強.獨立運行風力發電系統功率控制器的研究與設計[J].節能，2006（3）：36-38.

[3]王可,劉士閣,王書芳.兆瓦風力發電機系統可靠性設計理論研究[J].節能,2005(11)：21-24.

[4]孟強,潘建,孟麗.雙饋變速恒頻風電系統矢量控制分析[J].節能，2003(11)：37-39.

[5]王仲勛,沈錦飛.兆瓦級直驅式永磁同步風力發電控制系統研究[J].現代電子技術，2011（4）：201-203.

[6]World Wind Energy Association World Wind Energy report2009 [EB/OL].http://wwindea.org/home/images/stories/worldwinenergyreport2009_s.pdf.,2010-03.

[7]石波.提高風力和光伏發電質量的探索[J].西北水電，2011(2)：39-39.

[8]潘再平,風力發電中的變速恒頻技術[J].能源工程，1993（2）：18-22.

[9]夏曉敏,王坤琳,吳必軍.小型風電系統MPPT模糊/PID控制仿真研究[J].能源工程，2010(1)：26-31.

[10]陳海燕,劉喜辦,高智宇.基于DSP的風力發電逆變電源的研究[J].現代電子技術，2011(2)：205-207.

[11]陸逸,曾慶軍.風力發電用低壓斷路器網絡化智能控制器研制[J].現代電子技術，2010(24)：205-207.

[12]黃應強,蘇憲龍,沈濤，等.基于風力發電系統的電能變換裝置研究[J].現代電子技術，2010(15)：206-208.

[13]黃雅君.風力發電變槳后備電源智能管理系統[J].現代電子技術，2010(6)：203-206.

[14]ACKERMANN T.Wind power in power system[Z].New York,NY,USA:John Wiley&Sons Ltd,2005.

[15]PETERSSON A,LUNDBERG S,THIRINGER T.A DFIF wind turbine ride through system influnce on the energy production[J].Wind Energy,2005,8(3):251-263.

[16]Nordel.Nordic grid code 2007(Nordic collection of rules)[EB/OL].http://www.entsoe.eu/_library/publications/nordic/planning/070115_entsoe_nordic_NordicGridCode.pdf,2009-08-29.

[17]E.ON Notz GmbH.Grid Code:high and extra high voltage[EB/OL].http://www.eon-netzausbau.de/pages/ehn_de/veioeffentlichungen/Netzanschluss/Netzanschlussre.geln/ENENARHS 2006 eng.pdf,2009-08-29.

[18]王偉,孫冬明,朱曉東.雙饋式風力發電機低電壓穿越技術分析[J].電力系統自動化,2007,31(23):84-90.

[19]關宏亮,趙海翔,遲永寧等.電力系統對并網風電機組承受低電壓能力的要求[J].電網技術,2007,31(7):78-82.

[20]丁至屏,許國東,王桂峰.風電機組模型及其在低電壓穿越過程中的有效性認證[J].能源工程，2010(5)：34-36.

[21]肖盛,張建華,郭世繁,等.并網雙饋風電機組低電壓穿越能力研究[J].電網與清潔能源,2010,26(2):69-73.

[22]李輝,唐顯虎,劉志詳,等.5 MW雙饋風電機組低電壓穿越的仿真分析[J].電網與清潔能源,2010,26(12):75-81.

[23]宋卓彥,王錫凡,滕予非等.變速恒頻風力發電機組控制技術綜述[J].電力系統自動化,2010,34(10):8-15.

[24]魏林君,遲永寧,趙建國,等.雙饋變速風電機組低電壓穿越控制[J].電網與清潔能源,2009,25(02):41-45.

[25]閆廣新,李江,張鋒,等.變速雙饋風電機組低電壓穿越功能仿真[J].電網與清潔能源,2009,25(6):49-52.

[26]CHOMPOO-INWAI C,YINGVIVATANAPONG C,MET-HAPRAYOON K,et al.Reactive Compensation Techniques to Improve the RideThroughof Induction Generators during Disturbance[C].Industry Applications Conference,Texas Univ.,2004:2044-2050.

[27]ABBEY C,JOOS G.Effect of low voltage ride through(LVRT)characteristic on voltage stability[C.]IEEE Power Engineering Society General Meeting,SanFrancisco,2005:1902-1907.

[28]ZHOU Peng,HE Yi-kang.Control Strategy of an Active Crowbar for DFIG Based Wind Turbine under Grid VoltageDips [C].ElectricalMachinesand Systems Conference,Hangzhou2007:259-264.

[29]ZHANG Wei,ZHOU Peng,HE Yi-kang.Analysis of the By-Pass Resistance of an Active Crowbar for Doubly-Fed Induction Generator Based Wind Turbines under Grid Faults[C].Electrical Machines and Systems,Hangzhou,2008:2316-2321.

[30]楊濤,遲永寧,鄭濤,等.雙饋變速風電機組低電壓穿越控制方案的研究[J].現代電力,2009,26(4):36-40.

[31]王一剛,賈石峰.電網電壓驟降情況下雙饋風力發電機低電壓穿越技術分析[J].可靠性分析,2009(6):41-42.

[32]胡書舉,李建林,許洪華.變速恒頻風電系統應對電網故障的保護電路分析[J].變流技術與電力牽引,2008(1):45-55.

[33]張學廣,徐殿.電網對稱故障下基于active crowbar雙饋發電機控制[J].電機與控制學報,2009,13(1):99-103.

[34]李建林,趙棟利,李亞西,等.適合于變速恒頻雙饋感應發電機的Crowbar對比分析[J].可再生能源,2006(5):57-60.

[35]CHAD Abbey,Géza Joos.Short-term Energy Storage for Wind Energy Applications [C].Industry Applications Conference,Texas Univ.,2005:2035-2042.

[36]DAWEI Xiang,LI Ran,PETER J.Tavner,et al.Control of a Doubly Fed Induction Generator in a Wind Tur-bine During Grid Fault Ride-Through[C].IEEE Transactions on Energy Conversion,Chongqing,2006:652-662.

[37]朱燕舞,尹忠東,馬曉蕾,等.TCSC提高并網風電場低電壓穿越能力的研究[C].中國高等學校電力系統及其自動化專業第二十四屆學術年會,北京,2008:2086-2089.

[38]王虹富,林國慶,邱家駒,等.利用串聯制動電阻提高風電場低電壓穿越能力[J].電力系統自動化,2008,32(18):81-85.