風電系統電壓跌落故障的解決方案研究

王致杰，周 園，劉三明

(1.上海電機學院，上海 201100;2.華東理工大學，上海 200030)

隨著風電場容量在整個電網中所占比例的不斷增長，風電場故障后對整個電網的影響也不斷增強。2011年甘肅省某風力發電公司第一風電場開關間隔電纜頭絕緣擊穿，造成三相短路，造成包括第一風電場在內10座風電場中的274臺風電機組全部脫網。由于風電場無功補償裝置電容器組不具備自動投切功能，大量風電機組脫網后，系統無功補償失衡，電壓迅速升高，進一步導致多個風電場中幾百臺風電機組因保護動作脫網。本次風機脫網事故共損失風電800多MW，占事故前酒泉地區風電出力的一半［1］。

造成類似事件的原因主要包括［2－3］:①系統無功不平衡，造成的電壓無法恢復;②轉子電流過大造成的風機保護動作，風機被迫脫網。針對問題①文獻［5－7］提出使用改進型控制策略改善風機的無功輸出。文獻 ［8］通過使用儲能元件來提高風電暫態穩定性。文獻 ［9］通過勵磁控制策略實現無功補償，但此方法在crowbar開啟后，風機仍無法輸出無功。如果遇到長時間電壓跌落，無功補償仍無法滿足。文獻 ［10］提出STATCOM主電路的正序基波動態和穩態的數學模型。針對問題②，文獻 ［11－12］提出使用crowbar來消除轉子側的過電流，但是文中并未分析crowbar對轉子電流的影響，也未說明crowbar的選取以及控制要求。

本文針對DFIG開啟crowbar后無法進行無功補償的缺點提出使用STATCOM及其相應的控制策略來維持電網無功平衡。針對轉子側電流與轉子側電阻的關系進行了深入的數學分析，分析中用簡單表達式代替與轉子側電阻無關的復雜表達式，從而直觀反映出crowbar對轉子電流的影響，并對crowbar的控制要求進行深入探討。

1 STATCOM模型及控制策略

STATCOM的工作原理是將自換相橋式電路直接并聯在電網上或通過電阻、電抗器與電網相連，再通過調節交流側電流大小和相位使STATCOM吸收或發出滿足系統要求的無功。亦可通過調節STATCOM交流側輸出電壓的幅值及相位來改變無功輸出。

利用d－q變換可得STATCOM輸入輸出的數學模型:

式中:ω為電網角頻率;m為逆變器調制比;R、L分別代表STATCOM的阻值及電感;C為STATCOM直流側電容;δ為電網電壓與STATCOM輸出電壓的相角差;U為電網電壓有效值;udc為直流電容兩端電壓。

STATCOM的控制方法主要分為直接電流控制和間接電流控制。本文采用間接電流控制，通過控制STATCOM交流側輸出電壓相位α，從而改變STATCOM交流側輸出電壓相位與系統電壓的相位差δ來控制STATCOM的無功補償容量。控制器結構圖如圖1所示。圖中Uref是母線節點電壓的期望值，Ut是系統電壓的反饋值，兩者之差經調節后得到電流調節信號Iref。再與STATCOM的輸出電流反饋值進行比較，比較后經過PI調節得出交流側輸出電壓與所接入系統電壓的相位差 δ。再由PWM變頻器得出STATCOM主電路中各開關器件的導通信號。

圖1 STATCOM控制框圖

2 Crowbar低壓穿越

crowbar的主要作用是用來消除轉子上的過電流，保護轉子電子元件。當電網發生對稱故障時，雙饋發電機定子端電壓突然跌落，crowbar電路啟動后，電路中的電流一部分是由磁鏈所引起的，一部分則是由定子電壓所引起。

圖2 crowbar保護電路圖

首先對由磁鏈引起的轉子電流進行分析。在任意旋轉坐標系下，DFIG的電壓方程與磁鏈方程為

將式 (4)反解可得轉子電流與磁鏈的關系:

由于定子與轉子電感電阻的存在，定轉子磁鏈將會衰減。其衰減時間可以認為基本由定轉子電阻及短路時的定轉子等效電抗決定，即:

所以磁鏈可以用下式表示:

Ψ0代表電壓跌落瞬間的磁鏈大小，由于磁鏈大小不可突變，所以磁鏈可用穩態時的值。即可視為與crowbar無關。在此用表達式C1、C2代表。

其中:

接入crowbar后可增大轉子側電阻，Rr將變大。從式 (6)可以看出轉子側電阻的增大可導致轉子暫態電流的衰減速度，有利于雙饋電機迅速恢復到可控運行狀態。

在接通crowbar電路后，雙饋電機可等效為異步電機。則帶有crowbar電路的DFIG在穩態運行狀態下定子電流可表示為

式中:Zs為從定子側看的等效電阻。

轉子電流為

從式 (9)可以看出穩態電流主要受Us的影響，即受電壓跌落情況的影響。電路接入crowbar后可以增大Zs與Rr，從而可以增大Ir的分母，限制穩態電流的大小。

最終轉子電流由暫態電流與穩態電流疊加而成，即ir+Ir。通過數學模型的推導結果可以看出，定子故障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。從而得出在電網電壓故障情況下接入crowbar電路有助于限制轉子電流，進而達到保護轉子電力電子器件的作用。

以上分析主要針對轉子電流對crowbar阻值的要求，但是在轉子側電壓對crowbar也有要求。如果crowbar電阻過大會導致電阻上的電壓高于直流母線電壓，這樣會損壞轉子側的變換器和母線電容。已有文獻對上述情況進行探討，本文不做詳解。另外crowbar電路的切入與切除時機對電網也有影響。電路切入太晚容易使電力電子器件面臨過流的危險，切入太早容易使風電機組產生不必要的功率流失。本文以1.5倍額定電流為限，當轉子電流大于限額時開啟crowbar電路。crowbar電路的切除不可以簡單的以1.5倍電流為限，因為crowbar一旦切除，消耗在crowbar上的功率會立即加載到轉子側電路，使得轉子電流瞬間變大。這樣會導致crowbar頻繁切換，阻礙電流的穩定。本文會在轉子電流降到額定值后等待一定的延時，再切除crowbar電路。

3 仿真結果及分析

為驗證前面理論分析的結果，用暫態仿真軟件PSCAD對雙饋風力發電機單元無窮大系統進行仿真研究，仿真電路圖如圖3所示。仿真參數:電機額定功率:P=0.9 MW，額定電壓V=0.69 kV，定子電阻R=0.005 4 pu，定子漏感為0.10 pu，轉子電阻R=0.006 1 pu，轉子漏感為0.11 pu，激磁電感為4.5 pu。在仿真進行到1.0 s時變壓器右端發生三相短路，故障持續0.2 s，1.2 s時故障清除。整個過程保持風速不變。

圖3 單元無窮大仿真模型

圖4為電網三相電壓，在1.0 s時圖3中的部分用戶發生三相短路，造成80%的電壓跌落，跌落過程持續0.2 s。

圖4 電網電壓

圖5反映了雙饋電機對電網的無功輸出，從中可看出雙饋電機在低壓穿越的時候無法向電網進行無功輸出，反而從電網吸收無功。圖6表示將STATCOM接入雙饋電機后風機的無功輸出，從中可看出，故障發生前風電機組可發出無功供應圖3中的感性用戶。在電壓跌落時風電機組仍持續向電網輸送無功。在故障消除后，風電機組輸出大量無功以保證電網電壓的穩定。

圖7反映了接入crowbar后轉子電流的變化過程。1 s時用戶發生短路造成電壓跌落，同時轉子電流急速上升。當轉子電流大于額定值的1.5倍時接入crowbar電路，電流開始衰減。衰減過程和式(6)的推導結果近似。衰減的同時電機從STATCOM中吸收無功功率。當電流衰減到額定值后等待延時20 ms。延時過后切除crowbar電路，轉子電流恢復穩定。整個過程電機始終與電網相連，實現了低壓穿越。

圖7 轉子電流

4 結論

a． 首先指出電路三相對稱短路時存在兩個主要問題。一是由無功補償造成的電壓穩定問題，二是由轉子過流造成的風電機組脫網問題。針對無功補償問題，通過分析STATCOM的無功補償原理，提出相應的控制策略，進而解決了電壓穿越時風電機組從電網吸收無功的問題。與此同時，由于crowbar從電路中可能切除過晚而造成的風電機組大量消耗無功問題也得以解決。

b． 具體分析了電壓穿越時影響轉子電流的主要因素，得出了轉子電流的數學表達式。在數學分析時用簡單表達式代替與轉子阻值無關的復雜表達式，簡化推導過程，使推導過程簡單易懂。最后得出轉子電流與轉子電阻的數學關系式。這對低壓穿越時crowbar阻值的選取建立了一定的理論依據。

c． 通過電磁暫態仿真軟件PSCAD對理論分析結果進行驗證，從仿真結果可以看出，運用STATCOM及本文中的控制策略可以很好地平衡低壓穿越時的無功功率，crowbar電路合理的投入與切除也有效地抑制了轉子電流。

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