雙饋型風電系統電網故障不間斷運行的研究

黨存祿 宮有民 周明星

(1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省工業過程先進控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

風力發電在整個電力生產中所占的比重越來越大，因此風電系統對電網的影響已經不能忽略，提高雙饋型感應發電機(DFIG)在外部電網故障下的不間斷運行能力變得更加重要。在電網故障中，電網電壓跌落是最常見的一種，研究雙饋型感應發電機(DFIG)在這種故障下的行為特性，提高其對這種故障的適應能力，已成為目前國內外風電技術研究的熱點問題。電網規范要求，當電網發生故障如電壓跌落時，風力發電系統需要保持與電網的連接，只在故障嚴重時才允許離網，這就要求風力發電系統具有較強的低電壓穿越(LVRT)能力［1，2，3］。

本文針對2MW變頻器的功率管(IGBT)爆炸情況，重新對雙饋感應發電機的定子電流暫態變化的DFIG數學模型進行分析，對變流器的控制方式進行設計，并在雙饋電機的轉子側加入了Crowbar電路，使得在電網電壓跌落和恢復時系統有好的運行效果。通過對電網故障不脫網運行的測量，可以知道該設計能達到很好的效果，并運用于變頻器。

1 雙饋型風力發電機組的電壓跌落特性

對于變速風力發電機來說，雙饋發電機是一種流行的主要風力發電機結構。一個主要原因是電力電子變流器只需要控制總電能的一小部分(20%-30%)，也就是轉差功率。因此，和變流器需要控制總功率的系統相比，電力電子變流器的損耗可以減小，此外變流器的造價也將降低。

為了研究雙饋型感應發電機(DFIG)定子電壓跌落，需要知道暫態數學模型［4，5，6］。由于電網電壓跌落情況下雙饋型感應發電機(DFIG)系統轉子電路被Crowbar電路短路，利用電路的疊加原理對雙饋發電機轉子短路情況下定子電壓跌落情況進行分析，定子三相電壓對稱驟降的過程可以看作在定子端突然加一組與原端電壓方向相反、幅值為跌落幅值電壓的過程。轉子回路被簡化為短路狀態。定子短路電流的空間矢量is為

is0—定子電壓跌落前定子穩態電流的空間矢量;

is1—定子端突然加反向的三相電壓時所產生的定子電流空間矢量;

設定子電壓的空間矢量為us=-jUmej(ω1t+φ)，在轉子坐標系中，u's=use-jωrt=-jUmej(ωst+φ)，則定子跌落前的電流矢量 i's0為

式中:Xs—定子電抗;ω1—定子同步旋轉角速度;ωr—轉子旋轉電角速度;ωs—轉差角速度;

由于Xs遠遠大于Rs，(2)式可寫成

而在轉子坐標系中，當定、轉子的磁鏈初始值為0時，定子電壓方程和拉氏變換為

式中，Ls(s)為在轉子坐標系中定子的運算電抗，Ls(s)=Ls(1+T'r)/1+sTr;Tr為轉子的時間常數，Tr=Lr/Rr;T'r為瞬態時間常數 T'r=L'r/Rr。得 I's1為

式中，α為定子直流分量的衰減系數，α≈Rs/L's。

將運算電感的倒數展開成部分分式，得

取拉氏變換后由 α?ωr、-1/Tr+ α?ωr、(s-jωs)(s+ α +jω1)≈s(s+α +jωr)，因此

于是可以得到

最終可以得到定子坐標系中定子電流的空間矢量為

定子A相得電流為

AUm是交流分量，以瞬態時間常數T'r衰減。

通過數學模型的推導結果看出，定子故障暫態電流受到電壓跌落幅值、時間和發電機定轉子電感、電阻的影響。從而知道改變發電機在電網電壓故障情況下的定轉子電感、電阻的辦法可行。

2 DFIG系統的控制策略

圖1為變速恒頻雙饋型感應發電機(DFIG)風力發電系統原理圖。為了要研究電網故障下機側變流器的控制策略，建立同步轉速ω1旋轉dq坐標系下的雙饋型感應發電機(DFIG)電壓方程和磁鏈方程

令

由(11)、(12)、(13)得

Im0定子勵磁電流矢量，ωslip滑差電角度，Us、Ur分別為定、轉子端電壓矢量，Is、Ir分別為定、轉子繞組電流矢量，ψs、分別為定磁鏈矢量。

考慮暫態下定子電流的變化，轉子側變流器采用了定子電壓定向功率外環、電流內環的雙閉環矢量控制方式，把定子勵磁電流的微分項引入，使得在故障情況下能更準確的控制雙饋感應發電機，調節定子側的有功和無功，所要調制d、q分量的轉子電壓模型如下

圖1 DFIG風力發電系統示意圖

定子勵磁電流的微分項為

定子輸出地有功、無功功率與dq軸電流之間的關系為

根據上面的模型對機側變流器進行控制，控制框圖如圖2所，在圖中主要比正常情況下多加入了定子勵磁電流變化的補償量，以此對解耦電路作了必要的修正，這樣使得控制更具有準確性。

3 電網LVRT故障不脫網運行

低電壓穿越(LVRT)，指在風機并網點電壓跌落的時候，風機能夠保持并網，甚至向電網提供一定的無功功率，支持電網恢復，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間(區域)。低電壓穿越技術是風力發電系統中的一個非常關鍵的技術之一，關系著風力發電的大規模應用［7］。

電壓跌落的過程分為兩個階段:一是電壓跌落期間，風力發電機從正常運行過渡到故障運行;二是電壓恢復后，發電機從故障狀況恢復到正常運行。

3.1 電網“故障不脫網運行”的標準

在電網故障(電壓突降dips)期間，LVRT可保證風力發電機連續的電網連接。由LVRT恢復的故障時段和深度是由可適用的電網標準定義的。

圖3為電網允許的低電壓穿越能力曲線。在圖中實線以上部分所示的區域不允許風力發電機脫離電網，只有在實線以下區域才允許風力發電機脫離，并且風力發電機組需要根據圖中實線上升的斜率相對應的時間來向系統發出無功功率，加快系統恢復的速度。圖4為電壓跌落700 ms電網電壓保留15%時，不允許風力發電機脫離電網，而且要根據圖中的實現來向系統發出無功功率，以至促使系統恢復。這表明在電網電壓發生故障的情況下風力發電機不能像以往一樣可以隨意脫離電網，需要像傳統的火力發電機組一樣，在電網故障時為電網提供支撐。

英國電網允許的故障 (100%對應于發電機終端電壓660 V):

不采用LVRT，風力發電機將停機，至少60秒以后才能重新啟動。

3.2 電網“故障不脫網運行”系統

3.2.1 Crowbar電路的功能

由前面知道改變發電機在電網電壓故障情況下的定轉子電感、電阻的辦法可行，所以把Crowbar電路接在雙饋感應發電機(DFIG)的轉子上如圖1所示。在轉子側接Crowbar電路，使得轉子側變流器在電網故障時可以與轉子保持連接，當故障消除后通過切除該電路，使風力發電系統快速恢復正常運行，因而具有更大的靈活性。

轉子Crowbar電路有兩個主要功能:一是抑制雙饋型感應發電機(DFIG)系統電網電壓瞬間跌落情況下出現的暫態過程:二是防止直流母線電壓上升。在電網電壓跌落時增加發電機轉子電阻，可以抑制暫態故障電流的交流分量，達到保持變流器正常工作、使得雙饋型感應發電機(DFIG)系統運行低電壓故障的目的。此外，還能抑制定子電壓發生驟升的情況，使系統更加迅速的恢復穩定運行，對電網進行無功功率補償。但是由于增加Crowbar電路中的電阻可能會導致變流器直流母線電壓上升，因此選擇恰當的Crowbar電路電阻值。而電阻是根據故障時的最大電壓來選擇;并且阻值還必須考慮防止轉子側電壓超過直流側電壓，以及故障持續時間電阻發熱問題。

3.2.2 LVRT操作原理

· 電網故障偵查時，發電機的定子電流通過電子開關和定子(“撬杠”，“保護短路”，“消弧”)而中斷;

· 發電機通過定子和轉子“撬杠”強制消磁;

· 發電機通過邊變頻器重新與當前電網電壓電平同步;

· 在再同步期間，反應電流通過線形邊變頻器并入電網;

· 在完成再同步以后，定子再連接到電網恢復發電;

· 線電壓的回歸后采用了相似的程序;

3.2.3 LVRT技術數據

參數的意義:電網電壓觸發LVRT回路的電壓;電網電壓能重新恢復正常工作的電流;電壓不對稱觸發LVRT回路的時間;電網不對稱重新回到正常工作的時間;最大允許電壓突降持續的時間;對于LVRT最小保留的電壓。數據表如下

保留電壓IVBI ＞5%U＜2.5電壓短路同步時間 ＜280ms電壓恢復同步時間 ＜230ms電流響應時間 ＜30ms電壓短路到同步的電流瞬間短路電流＜0.5

4 電網LVRT故障不脫網運行的測量

以下是測量故障不脫網運行的線電壓和線電流的波形，從圖形可以看出電壓突降的范圍和突降時對電壓和電流的影響。

以下各波形顯示Crowbar電路在電網跌落持續的時間較短時仍然能夠快速阻尼系統振蕩過程;同時也顯示系統電壓跌落持續時間較短，在電網電壓恢復時系統能很好的處理暫態振蕩過程，減少了電壓恢復時系統定、轉子電流受到的沖擊;此外還顯示電網電壓跌落期間定子電流的頻率和跌落之前保持一致，這是因為電壓跌落發生時雙饋電機的轉速和同步轉速十分接近。

圖5是電壓突降到保留電壓的5%的線電壓波形，跌落發生時，輸出電壓從600 V跌倒30 V，跌落至原來電壓的5%左右。圖7是電壓突降到保留電壓的60%的線電壓波形，跌落時，輸出電壓從600 V跌倒360 V，跌落至原來電壓的60%左右。從這兩個波形可以看出，電壓跌落發生及恢復時，電壓在過零點銜接的很好，沒有出現電壓中斷、電壓尖峰等，跌落時間為130 ms。

圖8 電壓突降到60%的線電流波形

圖6是電壓突降到保留電壓的5%的線電流的波形，圖8是電壓突降到保留電壓的60%的線電流波形，跌落發生時，從兩圖可以看出電流變大(這主要是為了維持功率平衡)，但仍然基本維持和電壓同相，電壓恢復后，電流恢復正常，整個過程顯示雙閉環控制對系統有較好的控制效果。

5 結束語

(1)采用Crowbar可以迅速抑制電壓跌落下的轉子浪涌電流，保護勵磁變頻器。

(2)網側變換器在電網電壓跌落期間可以一直向電網提供無功，以利于在DFIG失控狀態下對穩定電網電壓發揮有效作用。

(3)在長時間電壓跌落的情況下，Crowbar在轉子電流穩定之后應及時切除，以便讓DFIG回到可控狀態，提供無功幫助電網電壓恢復。當然Crowbar切除時刻的選擇十分重要，過早會因故障電流未衰減至要求值而再次動作，過遲則不利于電網電壓的恢復，因此Crowbar投入及切除的時間將是一個難點。

(4)采用Crowbar電路可以抑制電壓恢復時發生驟升的情況，使得電壓快速穩定下來，對電網進行無功補償。

［1］Schlabbach J.Low voltage fault ride through criteria for grid connection of wind turbine generator［C］the 5th International Conference on the European Electricity Market.Lisbon，Portugal:IEEE，2008:18-21.

［2］張學廣，徐殿國.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，2009，1(13):99-103.

［3］朱穎，李建林，趙斌.雙饋型風力發電系統低電壓穿越策略仿真［J］.電力自動化設備，2007，30(6):20-24.

［4］姚駿，廖勇.基于Crowbar保護控制的交流勵磁風電系統運行分析［J］.電力系統自動化，2007，31(23):79-83.

［5］胡家兵，賀益康.雙饋風力發電系統的低壓穿越運行與控制［J］.電力系統自動化，2008，1(2):49-52.

［6］王偉，孫明冬，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):84-89.

［7］張興，張龍云，楊淑英，等.風力發電低電壓穿越技術綜述［J］.電力系統及其自動化學報，2008，20(2):1-8.