電網不對稱故障下雙饋式風電機組低電壓穿越技術

劉廣東，高寧，王東，趙雙喜 ，魯志平

(1.保定天威風電科技有限公司，河北省 保定市，071051;2.保定天威保變電氣股份有限公司，河北省 保定市，071056)

0 引言

隨著國內風電裝機容量的逐年增大，風電機組與電網之間的相互影響愈加顯著，尤其是電網發生電壓跌落時，如果風電場整體切出電網會給電網造成嚴重的功率沖擊，在這種情況下要求并網風力發電機組應具備低電壓穿越能力，以避免對電網的沖擊［1］。其實，風電技術較為先進的國家(如德國、丹麥、美國等)早在2003年前后就根據電網的實際運行狀況制定了相應的風電并網導則，對接入電網的風電場提出了嚴格的技術要求。我國國家電網公司也在2009年根據國內電網的實際情況提出了相應的并網導則，該導則主要包括風電場有功無功功率控制、風電場運行頻率、電能質量及低電壓穿越能力等相關要求。其中風電機組的低電穿越(low voltage ride through，LVRT)能力是風電大規模并網運行必不可少的條件及要求，是風電機組在外部故障條件下不間斷運行能力的保證［2］。

目前，國內的主流機型為1.5 MW雙饋式變速恒頻風電機組，其中雙饋式感應發電機(double fed induction generator，DFIG)的定子直接接入電網，電網電壓的波動將引起定子電流的變化。在電網電壓跌落情況下，DFIG發出的功率不能及時送出，導致定子電流急劇增加，由于定、轉子之間的強耦合，急劇增加的定子電流將導致轉子電流急劇上升，急劇上升的轉子電流通過電力電子電路耦合到變流器，導致過電流、直流母線過電壓、有功功率和無功功率發生振蕩等故障。此時如果不采取相應的保護措施，定、轉子繞組僅靠其自身電阻和漏抗不足以抑制浪涌電流，過大的電流和電壓將導致勵磁變流器、定轉子繞組以及母線電容損壞。因此，電網電壓跌落時雙饋式風電機組的LVRT能力成了風電領域的研究熱點。很明顯，雙饋式風電機組LVRT控制策略的主要目標是限制轉子過電流和直流母線過電壓［3］。

目前，關于低電壓穿越的研究多集中于電網電壓對稱故障情況下的Crowbar電路及其控制，雖然也有文獻關注過雙饋電機在不同運行狀態之間的切換問題，但是對具體的實現邏輯鮮有涉及［4］，對Crowbar電路的邏輯控制方面的介紹也較少。然而Crowbar電路控制邏輯的研究相當重要，若在電網故障清除前退出，則可能會導致變流器再次過流而引起Crowbar電路的再次保護動作。若在電網故障清除后退出，因轉子被短接時的雙饋感應發電機相當于鼠籠式異步發電機，運行滑差很大，將從電網中吸收大量無功功率，致使電網難以迅速恢復正常。所以Crowbar電路的投入與切出時間的控制尤為重要。

隨著電網容量的不斷增大，電網不對稱故障發生的幾率也越來越大，國家電網公司首次在風電并網導則中提出了風電機組在不對稱故障下仍能保證良好的穿越能力。因此，研究雙饋式風電機組在不對稱故障情況下的LVRT技術更具實際應用價值。

本文將分析電網電壓不對稱故障情況下的DFIG運行狀態的影響，并針對目前比較流行的Crowbar電路來實現LVRT的解決方案，提出一套完整的控制邏輯，并在電網不對稱故障的情況下進行了實驗研究。

1 風電機組低電壓穿越能力要求

1.1 概述

風電機組的LVRT能力是指風電場在電網故障期間，保持不間斷并網運行的能力，并能在故障后的電網恢復期間向電網提供一定的無功支持，以便盡快支撐電網電壓的恢復［5］。國家電網公司關于LVRT的基本要求如圖1所示。

圖1 風力發電機組不間斷運行標準Fig.1 Standard for uninterrupted operation of wind turbine unit

圖1中所示的電壓輪廓線是指風電場并網點的電壓而言。電壓跌落前風電場并網點電壓維持在額定水平。電網發生故障引起電壓跌落的時間假定為0 s，當電壓不低于額定電壓的20%時，在625 ms時間范圍內風電場必須保持并網運行。當風電場并網點電壓在電網故障后2 s時間內能夠始終保持在圖1中電壓輪廓線以上，并且在2 s后恢復至額定電壓的90%以上，在此過程中風電場必須保持并網運行。

1.2 不同故障類型的考核要求

當電網發生不同類型的故障時，對機組低電壓穿越的要求如下:

(1)當電網發生三相短路故障引起并網點電壓跌落、風電場并網點各線電壓在圖1中輪廓線及以上的區域內時，場內風電機組必須保證不脫網連續運行;風電場并網點任一線電壓低于或部分低于圖1中輪廓線時，場內風電機組允許從電網切出。

(2)當電網發生兩相短路故障引起并網點電壓跌落、風電場并網點各線電壓在圖1中輪廓線及以上的區域內時，場內風電機組必須保證不脫網連續運行;風電場并網點任一線電壓低于或部分低于圖1中輪廓線時，場內風電機組允許從電網切出。

(3)當電網發生單相短路故障引起并網點電壓跌落、風電場并網點各相電壓在圖1中輪廓線及以上的區域內時，場內風電機組必須保證不脫網連續運行;風電場并網點任一相電壓低于或部分低于圖1中輪廓線時，場內風電機組允許從電網切出。

1.3 有功恢復

對電網故障期間沒有切出電網的風電場，其有功功率在電網故障清除后應快速恢復，以至少0.1 PN/s(PN為額定功率)的功率變化率恢復至故障前的值。

1.4 動態無功支撐能力

對于百萬kW以上風電基地內的風電場，其場內風電機組應具有低電壓穿越過程中的動態無功支撐能力，要求如下:

(1)電網發生故障或擾動，機組出口電壓跌落處于額定電壓的20% ～90%區間內，機組需通過向電網注入無功電流支撐電網電壓，該動態無功控制應在電壓跌落出現后的30 ms內響應，并能持續300 ms的時間。

(2)機組注入電網的動態無功電流幅值為K(1.0-UT)IN，其中IN為機組的額定電流，UT為故障期間機組出口電壓標么值，K≥2。

2 不對稱故障下DIFG的數學模型

電網電壓的跌落通常是指電力系統中某個點的電壓突然跌落10% ～90%，并且持續0.5個周波到1 min的時間［6］。引起電壓跌落的原因主要包括電網故障、大電機起動、電機再加速等［7］。其中電網故障引起的電壓跌落故障恢復時間較短，幾乎瞬時發生，而且常常伴隨電壓相位的突變，以及三相電壓的不對稱問題。電機起動造成的電壓跌落，電壓恢復所需時間較長，通常需要數百ms到數s的時間。電機加速時引起電壓跌落的起始階段，由于電機的慣性作用類似于電壓源，從而阻止了電網電壓的跌落速度;而在電網電壓需要恢復時由于電機在加速過程中所吸收的無功功率增加，從而阻礙了電網電壓的恢復。本文所分析的電網不對稱故障是指電網故障引起的不對稱電壓跌落的情況。

不對稱電壓跌落的情況與對稱電壓跌落的情況相比，不但種類多樣而且理論推導也較為復雜。總的來說，不對稱故障主要包括單相跌落故障、兩相跌落故障、相間短路故障等。不對稱跌落使得電網電壓矢量中不僅含有基波分量，還含有負序分量甚至零序分量［8］。為了簡化起見，假定電網正序分量、零序分量和負序分量的線路阻抗均相等。由于雙饋電機通常不含有中線，可不考慮零序分量的影響。在電網發生不對稱跌落故障時，為了簡化分析過程，引入了電網電壓不平衡度εV，雙饋電機的定子電壓可表述為

式中:us為故障后電機定子電壓;up為故障后正序電壓矢量;εV為故障后電網電壓不平衡度;φn為故障后負序電壓矢量的起始相角。

由雙饋電機的數學模型可知雙饋電機的磁鏈方程為

式中:ψs和ψr為電機定子和轉子磁鏈;Lss和Lrr為電機定子和轉子自感;Lsr和Lrs為電機定子和轉子間的互感。雙饋電機在dq坐標系中的電壓方程為

式中:usd和usq分別為定子電壓在dq坐標系中的d軸和q軸分量;urd和urq分別為定轉子電壓在dq坐標系中的d軸和q軸分量;isd和isq分別為定子電壓在dq坐標系中的d軸和q軸分量;ird和irq分別為定轉子電壓在dq坐標系中的d軸和q軸分量;Rs和Rr分別為定轉子繞組電阻;Ls和Lr分別為定轉子繞組在dq坐標系中的自感;Lm為在dq坐標系中定轉子繞組間的互感;ωs為同步角頻率;ωzc為轉差角頻率;p為微分算子。

結合上述式(1)～(3)可到定子電壓的矢量表達式為

由于［up+RsLmIr/Ls］/(Rs/Ls+jωs)≈upΨs0/us0，其中:us0為故障發生時刻定子電壓矢量;Ψs0為故障發生時刻定子磁鏈矢量，對式(4)求解可得

從式(5)可以看出，當電網發生不對稱故障時，在雙饋電機的定子磁鏈中不但含有正序分量，還含有負序分量以及因負序分量而引起的直流分量，這些量的增加勢必會增大過渡過程中定子磁鏈的幅值。

3 LVRT結構與控制

通過以上的分析可知，在電網電壓跌落過程中，雙饋電機定子磁通出現衰減的直流分量，若發生不對稱跌落故障時還會出現負序分量。直流分量和負序分量的存在會導致雙饋電機形成較大的轉差率，從而在轉子電路中感生出較大的轉子電壓和轉子電流［9］。本文采用改進控制策略和硬件保護電路相結合的方案，來應對不對稱故障情況下的惡劣工況。軟件方面，根據電網不對稱故障情況下雙饋式感應電機的暫態電磁關系，通過對發電機轉子勵磁電流的合理控制，來抵消定子磁鏈暫態直流分量和負序分量對電機的影響，避免出現轉子過電壓和過電流。硬件部分主要由2部分組成，包括轉子側Crowbar電路和直流側Chopper電路。其中轉子側Crowbar電路由1個二極管整流橋、單管IGBT及放電電阻組成。其中二極管整流橋與發電機轉子連接，IGBT用來控制Crowbar電路的開通與關斷，直流側Chopper電路由1個單管IGBT和1個放電電阻組成。通過IGBT來控制電路的開通與關斷，如圖2所示。

圖2 常用主動式Crowbar電路結構Fig.2 Circuit structure of common active Crowbar

在Crowbar電路設計中，合理地選取放電電阻的阻值比較重要［10］。選取較大的阻值可以使暫態分量衰減得更快，但較大的電阻值可能會造成轉子側的過壓，使直流母線電容反充電，同時還有可能損壞轉子側變換器。另外，較大阻值的瞬態功耗也比較大，從散熱角度對放電電阻的體積也有一定要求。經綜合考慮及仿真比較，放電電阻阻值選為0.07 pu。當機組控制系統檢測到電網跌落時，如果跌落的程度不深，造成母線過電壓，而轉子側的電流通過合適的控制策略，保持在允許的范圍內，此時可以只利用直流側Chopper電路動作來完成穿越過程，如果跌落的程度大，僅僅利用Chopper電路的動作不能完成穿越，這時需要轉子側Crowbar電路來動作，讓電機磁鏈中的暫態分量通過定轉子電阻及Crowbar放電電阻迅速衰減，共同完成穿越過程，由于轉子電流中包括部分振蕩的分量，因此需要在轉子電流值下降到限定值以下一定時間后，才能關斷Crowbar電路并同時使轉子側變換器恢復工作。本文中設定Chopper電路的起動電壓為額定直流母線電壓的1.3倍，Crowbar電路的起動電流為1.5倍的轉子額定電流。

4 試驗結果及分析

為了驗證前面的理論分析的正確性和合理性，以1臺1.5 MW雙饋式風力發電組為例進行了實驗研究。試驗參數如下:額定功率P=1.5 MW;額定電壓U=690 V;額定轉速v=1 800 r/min;定子電阻R1=2.3 mΩ;轉子電阻R2=2.4 mΩ;定子電抗X1=2.1 mΩ;轉子電抗X2=4.2 mΩ;激磁電抗XH=1.11 Ω。

試驗過程中的電網不對稱故障由2 MW全功率試驗平臺來模擬，電網不對稱跌落的幅度設定為A相79%、B相71%、C相18%，跌落時間為650 ms，比國家電網公司要求的625 ms的時間略長，更能檢驗控制邏輯的適應性和合理性。

圖3 LVRT故障下電網電壓波形Fig.3 Grid voltage waveform under LVRT fault

LVRT故障下電壓波形如圖3所示。從圖3中可以看出在整個穿越過程中，電網電壓A相UA的跌落幅度為80%左右，B相UB的電壓跌落幅度為75%左右，C相UC的跌落幅度為18%左右，為典型的不對稱跌落故障，且跌落幅度較陡，較好地模擬了現實中電網的瞬間跌落現象，這更能考驗控制策略和電路的正確性和合理性。

LVRT故障下電網電流波形如圖4所示。

圖4 LVRT故障下電網電流波形Fig.4 Grid current waveform under LVRT fault

從圖4可以看出，在穿越過程中A相電流IA、B相電流IB穿越開始時，突然上沖隨后逐漸降低，在穿越過程結束時有一個快速的下探，隨后按已設定的速率恢復正常。而C相電流在故障開始時，瞬間沖高后快速的下探，然后緩慢上升，在故障結束時快速的下探之后，按設定的速率恢復正常。

經過分析可以看出，在穿越過程中所設計的LVRT電路能很好地控制電網電流，把電網電流限制在電機、功率模塊容許的范圍內，起到了保護風電機組的作用。

LVRT故障下電網有功和無功功率波形如圖5所示。

圖5 LVRT故障下電網有功、無功功率波形Fig.5 Grid active power and reactive power waveform under LVRT faultt

從圖5中可以看出，在穿越過程中有功出力快速降低，而在跌落故障判斷后能快速地提供無功支撐，且在整個穿越過程中能不斷地提供無功支撐，符合國家電網公司的要求;在穿越結束后有功出力快速恢復，能快速恢復故障前的有功功率。符合國家電網公司有功功率恢復的速度要求。

5 結語

本文分析了電網電壓不對稱跌落情況下雙饋電機定子磁鏈的暫態過程，并根據上述分析，針對目前比較流行的基于Crowbar電阻的短路電機轉子的LVRT控制策略提出了一套比較完整的控制邏輯，用試驗的方式驗證了控制邏輯的有效性和可行性。

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