變結構雙饋風機的低電壓穿越能力

鄒文仲，袁 越，2，季澤宇，傅質馨

（1.河海大學能源與電氣學院，南京211100；

2.可再生能源發電技術教育部工程研究中心，南京210098）

21世紀以來，雙饋風機得到了十分廣泛的應用［1］。DFIG不僅可以實現變速恒頻，且變頻器的容量也只有其額定容量的1／4左右，節約了投資。當電網電壓跌落后雙饋風機定轉子電流急劇增加［2］，為了保護雙饋風機，風機通常采取脫網的方法來進行自我保護。然而隨著風電裝機容量的增加，風機脫網將對電力系統穩定造成嚴重威脅，所以要求風機具有低電壓穿越能力［3，4］。

雙饋風機組常用的LVRT措施是當電網電壓輕微跌落后，通過改變控制策略以協調電壓和電流［5～8］，使它們都在允許的范圍內；當出現大值跌落后，通過撬棒保護［9，10］電路（Crowbar）對轉子進行短接保護。這樣雖然保護了變頻器，但是此時的雙饋風機將運行在異步電機狀態，要從電網吸收大量無功［11］。因此，在電網電壓嚴重跌落的情形下，如何控制雙饋風機不出現過電流和過電壓，并讓變頻器發出一定無功以支持電網電壓的恢復成為雙饋風機實現LVRT的關鍵所在。

本文應用網側變頻器新型無功控制策略，在電網電壓大值跌落期間通過網側和機側變頻器的并聯運行，對電網進行無功補償，并且直流側此時投入額外的直流電容來減少振蕩，以穩定變頻器的無功輸出。仿真結果表明本文控制策略的合理性及有效性。

1 雙饋風機模型及其控制策略

圖1是雙饋風機示意圖：

圖1 雙饋風機的結構Fig.1 Configuration of DFIG

雙饋風機主要包括風輪、異步機、變頻器等，為了便于研究，假定DFIG定轉子側電壓、電流正方向按電動機慣例，則DFIG的模型方程可表示為［12，13］：

式中：U、I、Ψ、L分別代表電壓、電流、磁鏈、電感矢量；下標s、r分別表示定轉子側的各電氣量，P為微分算子，ω1為同步角速度，ωr為轉子旋轉的電角速度。

其中轉子側變頻器采用文獻［14］中的定子電壓定向控制策略，基本原理是通過MPPT模塊得出某一風速下的最大有功功率，與實際功率比較后，經PI環節輸出定子有功電流的給定值，再加上前饋解耦補償項，進而得到轉子有功電流的給定值。無功功率的給定值可以根據系統的要求而定，然后和有功電流同樣解耦計算過程，得到轉子無功電流的給定值。

網側變頻器的主要任務是維持直流側電壓的穩定，保持有功無功輸入輸出的平穩，所以控制策略與轉子側變頻器不同，圖2是網側變頻器的拓撲結構圖。

圖2 DFIG網側變頻器主電路Fig.2 Main circuit of DFIG＇s grid－side converter

變頻器在同步旋轉坐標系下的模型：

式中：ud，uq，id，iq為電網電壓和電流的d，q分量；vd，vq為橋壁輸出電壓的d，q分量；udc為直流母線電壓。采用電網電壓定向矢量控制，即將同步旋轉坐標系的d軸定在電網電壓矢量us上，則網側變頻器從電網吸收的有功和無功功率可分別表示為

雙饋風機正常運行時，網側變頻器的無功給定值為0，將導致故障期間雙饋風機運行極不穩定，故在故障期間根據電壓跌落的程度給網側變頻器一個無功給定值。同時為了充分發揮網側變頻器無功補償能力，在電網故障期間網側變頻器采用無功電流優先原則［15］，即當變頻器給定的視在功率超過其額定值時，則優先滿足無功電流。綜合以上原則得到如圖3網側變頻器的控制框圖。

圖3 網側變頻器控制框圖Fig.3 Control block diagram for grid－on converter

正常運行時K3斷開，K1和K2直接接通PI環節，當電網發生故障導致電網電壓跌落后，K1和K2轉向無功電流優先判定環節，K3導通。當電網電壓恢復時，控制策略恢復到初始狀態。

2 新型控制策略分析

當轉子側變頻器閉鎖或是與網側變頻器并聯發無功時，此時沒有負載電流，則：

當新投入一個新的直流側電容C后，則直流側電容變大，從上式可以看出，隨著C的增大，直流側電壓更趨于平緩。

另外，若把IGBT當作理想的通斷開關，則其中一相可以等效成如圖4的電路。

圖4 變頻器某一相等效電路Fig.4 Equivalent circuits of grid－on converter

通過二階電路響應的求解方法，得特征方程為

解出特征根為

特征根可能出現的情況有：（a）兩個不相等的負實根；（b）一對實部為負的共軛復根；（c）一對相等的負實根。可以得出：

傳統控制策略中，轉子側變頻器故障情況下是進行閉鎖控制的，但為了使轉子側變頻器在電網故障后與網側變頻器并聯向電網輸送無功，若同一時刻共用直流母線電容并聯運行的逆變器開關狀態保持一致，理論上不會產生環流［15］。

關于Crowbar電阻的整定問題主要包括：期望的轉子衰減時間常數T′r和轉子側變頻器能承受的最大電壓Urmax。當投入阻值為Rc的撬棒保護電路后，轉子衰減時間常數變為：T′r＝L′r／（Rr＋Rc），所以Rc越大，則轉子電流衰減的越快，但是伴隨著的是保護電阻兩端電壓的升高，可能會對直流側進行逆向充電，所以Rc又受制于Urmax，一般來講Rc最大值的估算式如下［9］：

式中Irmax是轉子變頻器能承受的最大電流。但當把轉子側變頻器與網側并聯時，不必考慮保護電阻的壓降對變頻器的沖擊，保護電阻阻值的選擇更加靈活。

綜合以上措施，得到雙饋風機新型控制策略如圖5所示。

圖5 雙饋風機總體控制框圖Fig.5 Control block diagram for DFIG

電網電壓未跌落前，S1和S3接在A端，S2斷開，K1和K3斷開，K2導通，雙饋風機處在正常運行發電狀態。當控制中心檢測到電網電壓跌落時，發出控制信號將S1和S3接通B端，其它開關反向動作，此時雙饋風機工作在異步機狀態，變頻器則按照指令值對電網進行無功補償。當電網電壓恢復時，控制策略恢復到初始狀態。

3 仿真分析

仿真系統的簡化連接如圖6所示，模擬一臺DFIG接在配電網中，風機出口電壓是575V，經過變壓器T1，線路L和變壓器T2連接無窮大電網。風機出口母線接有一負載。

圖6 DFIG仿真系統示意圖Fig.6 Schematic diagram of simulated system for a DFIG wind power generation system

風機的額定功率1.5MW，極對數P＝3，額定頻率60Hz，轉動慣量5.04kg·m2，直流母線電壓額定值為1200V，風速設為11m／s，電機設為超同步運行，初始轉速為1.09p.u.，電機的其他參數如表1所示。

表1 雙饋風機參數Tab.1 Parameters of DFIG

以上參數均是標幺值，系統120kV 2.5GVA母線在0.2s時發生電壓對稱跌落故障，跌落至正常水平的40%，并在此時網側變頻器給定有功電流0.3p.u.，0.6s 時 電 壓 恢 復 到 正 常 水 平。Crowbar保護電路電阻值R＝0.8Ω。

為了比較以上各種控制策略的效果，現設置如下四種方案：

方案1：風機的控制策略未進行任何改動。

方案2：電網故障時投入Crowbar保護電路，機側變頻器與網側變頻器并網發無功，直流側額外電容未投入。

方案3：電網故障時投入Crowbar保護電路，投入額外的電容，機側變頻器在電網故障時閉鎖。

方案4：電網故障時投入所有保護措施。

圖7～9分別給出了四種方案的直流電壓比較，風機母線電壓比較、風機母線無功功率。

直流側電壓的波形如圖7，可看出方案4在最大電壓和恢復時間方面稍優于方案2（圖7（a）），但是相對于方案3來說，方案4的優勢很明顯，無論是在恢復穩定的時間抑或抑制直流電壓波動方面，方案4都比方案3更加符合要求（圖7（b））。圖7（c）是總的控制效果與初始條件下的比較，可看出方案4減緩了直流電壓對電容的沖擊。

圖7 四種方案直流電壓的比較Fig.7 Contrast for DC－link voltage between four technologies

由圖8（a）和（b）可以看出方案4比方案2有更快的電壓恢復時間，比方案3有更好故障期間運行穩定的能力。圖8（c）表明方案4對機端電壓的提升作用，在沒有任何保護電路的條件下，機端電壓將跌落至0.4p.u.，但是進行無功補償后，電壓僅跌落至0.6p.u.，提高了雙饋風機的LVRT能力。

圖8 四種方案風機母線電壓的比較Fig.8 Contrast for grid voltage between four technologies

圖9表明在方案4的情況下一臺DFIG在故障期間可以穩定提供近0.4p.u.的無功功率，增強了電網電壓的恢復能力。

方案2提供的無功比方案4稍少，并且在電壓恢復階段會有比方案4更大的波動，這也間接說明第2節中增加電容可以減少振蕩分析的正確性。

方案1和方案3都會導致無功的劇烈波動，在工程實際應用中要盡量避免此種情況的發生。

圖9 四種方案下風機母線無功功率Fig.9 Contrast for DFIG＇s reactive power between four technologies

由圖10可以看出，相比方案1、2、3，方案4中的GSC可以提供更加穩定的無功來支持電網電壓的恢復。

圖11表明電網故障期間轉子側變頻器工作在發無功的狀態，也表示了控制策略是有效的。

圖10 四種方案下GSC的無功功率Fig.10 Contrast for GSC＇s reactive power between four technologies

圖11 開關K3的無功功率Fig.11 Reactive power of switch K3

圖12是GSC有功功率示意圖，0.2s以前，雙饋風機工作在超同步速狀態，故雙饋風機定轉子都向電網饋送能量，由圖12可以看出GSC約向電網饋送0.04p.u.的有功功率。當電網電壓跌落后，由于網側變頻器沒有使用無功電流優先的控制策略，所以可能繼續發出有功，但是當使用方案4后，無功電流優先原則發揮作用，由于故障階段定子電流的增大，id和iq也相應增大，由無功電流優先的判定原則可知有功功率會迅速減少，圖12充分支持了以上分析。

圖13可以看出方案2、3、4都會導致轉速的迅速上升，但方案4可使DFIG的轉速加速過程盡早結束，且恢復最快。

圖12 GSC的有功功率Fig.12 Active power of GSC

圖13 雙饋風機轉子轉速比較Fig.13 Contrast for rotation speed between four technologies

圖14和15分別是風機出口母線電流的波形和電壓的頻譜圖。

從圖15（a）中可以看出方案4在改善風機出口母線的電能質量方面比方案2的優勢不是很明顯，僅高次諧波的含量有所減少。

但方案4相對于方案3優勢明顯，從圖14（b）和15（b）中可以清楚的看出無論是電流故障期間的穩定程度還是電壓故障期間的諧波含量，方案4都優于方案3。

圖14（c）和15（c）是初始控制狀態和方案4的比較，可以看出故障期間母線電流的幅值在方案4的控制下和正常時基本一致，方案1則高于正常值50%左右。

從電壓頻譜圖也看出方案4的基波幅值約是方案1的2倍，高次諧波含量也相對較少，方案4對機端電壓的提升效果明顯。

圖14 四種方案下風機母線電流比較Fig.14 Contrast for DFIG＇s busbar current between four technologies

圖15 風機母線電壓頻譜圖比較Fig.15 Contrast for DFIG＇s busbar voltage frequency spectrum between four technologies

以上方案均可提升DFIG的LVRT能力，其中方案4的效果最好，對機端電壓的提升效果明顯，方案2次之，而DFIG在方案3控制下各電氣量會出現較大波動，工程實際應用中應盡量避免。

4 結論

本文對DFIG在電網電壓跌落情形下不同的無功控制策略進行了仿真，在幾乎不增加硬件的情況下，對DFIG的物理結構進行了改動，使其在電網電壓跌落期間不僅不脫網，而且可以充分發揮網側和機側變頻器的無功補償能力對電網進行無功補償，以支持電網電壓的恢復。在此基礎上，本文分析了直流側故障期間振蕩的原因，并提出了改進措施。仿真結果表明，電網故障期間網側和機側變頻器都可以對電網進行無功支撐，提升了機端電壓，增強了雙饋風機的低電壓穿越能力。

［1］ Carrasco J M，Franquelo L G，Bialasiewicz J T，et al.Power－electronic systems for the grid integration of renewable energy sources：a survey［J］.IEEE Trans on Industrial Electronics，2006，53（4）：1002－1016.

［2］ Morren J，de Haan S W H.Short－circuit current of wind turbines with doubly fed induction generator［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2007，22（1）：174－180.

［3］ 張 興，張 龍 云，楊 淑 英，等 （Zhang Xing，Zhang Longyun，Yang Shuying，et al）.風力發電低電壓穿越技術綜述（Low voltage ride－through technologies in wind turbine generation）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU－EPSA），2008，20（2）：1－8.

［4］ Abbey C，Joos G.Effect of low voltage ride through（LVRT）characteristic on voltage stability［C］／／IEEE Power Engineering Society General Meeting，San Francisco，USA：2005.

［5］ 張開明（Zhang Kaiming）.基于 PSCAD／EMTDC 變速恒頻風電機組控制系統仿真（Simulation of the variable－speed constant－frequency wind turbine control system based on PSCAD／EMTDC）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU－EPSA），2008，20（3）：70－76.

［6］ 向 大為，楊 順 昌，冉立 （Xiang Dawei，Yang Shunchang，Ran Li）.電網對稱故障時雙饋感應發電機不脫網運行的勵磁控制策略（Ride－through control strategy of a doubly fed induction generator for symmetrical grid fault）［J］.中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2006，26（3）：164－170.

［7］ He Yikangh，Hu Jiabing，Zhao Rende.Modeling and control of wind－turbine used DFIG under network fault conditions［C］／／the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems，Nanjing，China：2005.

［8］ Kasem A H，El－Saadany E F，El－Tamaly H H，et al.An improved fault ride－through strategy for doubly fed induction generator－based wind turbines［J］.IET Renewable Power Generation，2008，2（4）：201－214.

［9］ 朱曉東，石磊，陳寧，等（Zhu Xiaodong，Shi Lei，Chen Ning，et al）.考慮Crowbar阻值和退出時間的雙饋風電機組低電壓穿越（An analysis on low voltage ride through of wind turbine driven doubly fed induction generator with different resistances and quitting time of Crowbar）［J］.電力系統自動化（Automation of E－lectric Power Systems），2010，34（18）：84－89.

［10］ 朱穎，李建林，趙斌（Zhu Ying，Li Jianlin，Zhao Bin）.雙饋型風力發電系統低電壓穿越策略仿真（Simulation of LVRT strategy for DFIG wind power system）［J］.電力自動化設備（Electric Power Automation E－quipment），2010，30（6）：20－24.

［11］ 黃 漢 奇，毛 承 雄，王 丹，等 （Huang Hanqi，Mao Chengxiong，Wang Dan，et al）.可再生能源分布式發電系統建模綜述（Modeling summarizing of distributed renewable energy power generation system）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU－EPSA），2010，22（5）：1－18，24.

［12］ 胡家兵，孫丹，賀益康，等（Hu Jiabing，Sun Dan，He Yikang，et al）.電網電壓驟降故障下雙饋風力發電機建模與控制（Modeling and control of DFIG wind energy generation system under grid voltage dip）［J］.電力系統自動化（Automation of Electric Power Systems），2006，30（8）：21－26.

［13］Ledesma Pablo，Usaola Julio.Doubly fed induction generator model for transient stability analysis［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2005，20（2）：388－397.

［14］ 梁亮，李建林，許洪華（Liang Liang，Li Jianlin，Xu Honghua）.電網故障下雙饋感應式風力發電系統的無功功率控制策略（Reactive power control strategy for doubly－fed induction wind power generation system under fault in power network）［J］.電網技術（Power System Technology），2008，32（11）：70－73.

［15］ 鄧文浪，陳智勇，段斌（Deng Wenlang，Chen Zhiyong，Duan Bin）.提高雙饋式風電系統故障穿越能力的控制策略（Control strategy improved fault ride－through for doubly－fed wind－power generation system）［J］.電機 與 控 制 學 報 （Electric Machines and Control），2010，14（12）：15－22.