電網不同故障下DFIG特性分析及保護措施建議

韓華玲，魏磊，葛路明，賈宏剛，周鄴飛，孫川永

（1.中國電力科學研究院，江蘇南京 210003；2.西北電網有限公司，陜西西安 710048）

隨著風力發電技術的日趨成熟，風力發電得到了迅猛的發展，在電力能源中所占的比例越來越大。截至2011年底，我國風電裝機并網容量突破6200萬kW，且單一風電場規模呈現日益增加的趨勢[1]。大規模風力發電并網對電網也帶來了新的問題和挑戰。由于大規模風電場一般直接接入輸電網，電網對風電場的要求也由電能質量逐步擴展到電壓調節、有功控制、安全穩定與調度等許多方面[2]。其中，電力系統存在各種擾動及故障，導致風電機組的特性與在正常情況下會存在一定差異，會對電網安全穩定產生影響。目前，由于具備有功和無功功率獨立控制、可變速運行及勵磁變流器容量較小等特點，雙饋感應發電機（DFIG）已在兆瓦級并網風力發電機組中得到較為廣泛的應用，如何進一步提高DFIG風電系統在電網異常或故障情況下的不間斷運行能力也已成為當前研究的熱點問題。綜上，有必要分析電網不同故障下DFIG的運行特性，研究相應的應對措施，為大型風電場的運行控制提供參考。

目前，國內外對電網發生故障情況時電網所受風電場的影響進行了大量的研究。文獻[3-5]從不同角度分析建立了DFIG的動態模型，并分析了DFIG的不同控制策略。文獻[6]對不同電壓跌落水平的DFIG運行特性進行了仿真，但只對仿真波形進行了描述，并未進行深入分析。文獻[2]重點研究了普通異步發電機與DFIG對系統短路電流的貢獻，對風電機組的其他運行特性未做深入研究。對于DFIG的研究大多側重于電機本身的控制策略方面，對電網不同故障下DFIG運行特性的分析較少。鑒于此，本文在DIgSILENT/PowerFactory下建立了DFIG模型，利用含風電場的WSCC三機九節點仿真系統，進行了電網不同故障情況下的一系列仿真，重點分析了電網不同故障情況下DFIG的運行特性，研究了風電場與電網之間的交互影響及相應的應對措施，為大規模風電接入電網的運行控制提供依據。

1 基于DIgSILENT/PowerFactory的DFIG模型

DFIG的基本結構如圖1所示，DFIG的定子直接接入電網，轉子通過雙PWM變流器與電網相連[7]。

圖1 DFIG的基本結構Fig.1 Basic structure of doubly fed induction generator

利用DIgSILENT/PowerFactory中的DSL（Dynamic Simulation Language）建立DFIG的仿真模型，包括風力機模型(風速模塊，空氣動力學模快，槳距角控制模塊，傳動系統模塊)，轉子側變流器控制模型（功率外環控制模塊，電流內環控制模塊，MPT控制模塊），網側變流器控制模型（電壓外環控制模塊，電流內環控制模塊）以及保護模型（過電壓保護，Crowbar保護）。其中，轉子側變流器控制采用傳統的定子磁鏈定向的矢量控制方法，實現DFIG的有功無功解耦控制，最大風能捕獲和定子無功功率調節。網側變流器采用Udc-Q控制方式，在實現能量雙向流動的同時，控制著直流母線電壓的穩定，并調節網側的功率因數。

槳距角控制器基本原理如圖2所示。槳距角在不同情況下采用不同的策略，在風速低于額定風速時，槳距角控制用于風電機組功率的尋優，已獲得最大風功率；在風速超過風速限值，或者功率超過額定功率時，槳距角控制器動作，調節槳距角以限制風力機的出力，將功率限制在恒功率區，維持風力機的安全運行。由于槳距角控制器類似于同步發電機的快關氣門功能，可用于電網故障時風電場的穩定控制。

當電網發生暫態擾動，暫態過程中的過電流將很容易燒壞DFIG變流器。當要求風電機組具備故障穿越能力或低電壓穿越能力時，此時將采用轉子短路器保護（Crowbar Protection），在轉子側電流超過設定值時，旁路DFIG轉子回路，保護變流器不被過電流損壞。

2 電網不同故障時的仿真分析

電壓跌落是電網中最為常見的故障之一，引起電壓跌落的故障類型包括單相接地故障、兩相接地故障、相間故障和三相故障等。其中，單相接地故障占故障類型的70%，兩相接地故障占到15%，相間故障占到10%，三相故障占到5%。上述故障類型還可以分為對稱故障和不對稱故障，大部分電壓跌落故障屬于不對稱故障。一般情況下，系統故障以三相短路故障時電壓跌落最為嚴重。本文針對在三相短路故障和單相短路故障情況下，DFIG的運行特性進行仿真分析，驗證其控制策略和保護措施的有效性。仿真系統如圖3所示，50 MW風電場接入WSCC三機九節點系統。

圖2 槳距角控制器的框圖Fig.2 Block diagram of blade angle controller

2.1 三相短路故障仿真分析

風速為14 m/s，故障前，風電場出力為45 MW。1 s風電場并網點母線PCC發生三相短路故障，短路接地阻抗為0，1.2 s故障清除，仿真時間5 s，Crowbar電阻和電抗均為0.1 pu，Crowbar在1.005 s時投入，1.509 s時退出運行。仿真波形如圖4所示。仿真分析如下：

1）在故障發生瞬間，由于電壓瞬間跌落造成發電機端電壓突變，而定子磁鏈不能隨定子端電壓突變，從而產生直流分量并衰減，使得發電機電磁轉矩減小。由于風速沒有變化，風力機機械轉矩不能突變，只能逐漸減少，轉矩的不平衡導致風力機轉速增大，見圖4（a），當轉速增加到超過給定值時，通過變槳距機構增大槳距角來限制氣動功率捕獲，降低輸入機械轉矩，限制轉速增加。最終隨著電壓的恢復，風力機的轉速和槳距角又逐漸恢復到初始值。

2）圖4（c）、（d）分別為風電場定子側、網側變流器輸出的有功功率和無功功率變化曲線。故障瞬間由于定子電壓跌落至0，轉子轉速增大，產生較大滑差，感生較大轉子電勢并產生較大轉子電流。為了彌補轉子電流的增加，轉子側變流器增加了轉子電壓的參考值，所以通過變流器注入電網的功率將會激增。同時，并網母線的電壓在故障瞬間跌至0，網側變流器無法輸送所有功率到電網。網側控制器的直流電壓將很快達到其限值，余下的有功將會對電容充電，直流側電容電壓激增。

圖3 仿真系統Fig.3 Simulation system

圖4 三相短路仿真分析Fig.4 Simulation waveform of three-phase short circuit

3）電壓跌落產生的過電流導致轉子勵磁變流器直流側電壓升高，會損害變流器，過電壓則會損壞發電機轉子繞組，必須采用過電壓過電流保護措施。當其中一個監測變量，超過設定值，保護系統激活，Crowbar動作，旁路轉子側變流器，轉子繞組相當于經過電阻短路，這時轉子側變流器的有功無功解耦控制作用消失。同時，在Crowbar動作瞬間，電容器開始放電，網側變流器控制電容電壓至其參考值。雙饋電機完全失去了勵磁控制，轉子變流器電壓輸出為0，相當于普通異步發電機運行。

4）1.2 s故障清除瞬間，定子電壓開始恢復，有功功率和電磁轉矩開始增加。隨著電網電壓和磁鏈的增加，轉子電流和定子電流增加。注意到，當故障清除后，電壓沒有立即恢復，只是在故障清除后達到某一個低于其額定值的電壓值，在Crowbar斷開后，才恢復到其額定值。這是因為故障清除Crowbar未斷開時，DFIG依然以普通異步發電機運行，仍然需要吸收無功功率。此時，轉子側變流器不起作用，無法為發電機提供足夠的無功功率進行勵磁。這樣，發電機只能從電網吸收無功功率，電網電壓將很快恢復到額定值。當電網電壓恢復到一定值時，Crowbar斷開。機側變流器開始發揮有功無功解耦控制的作用，電壓快速恢復，發電機電流和電壓恢復到故障前值。

2.2 單相短路故障仿真分析

仿真基于單機無窮大系統，即風電場接入無窮大電網。風電場風速為14 m/s，故障前，風電場出力為45 MW。0.1 s風電場并網點母線PCC發生a相短路故障，短路阻抗為0，0.2 s故障清除，仿真時間1 s，Crowbar電阻和電抗均為0.1 pu，Crowbar在0.105 s時投入，0.605 s時退出。仿真波形如圖5所示。

仿真分析如下：

1）由圖5單相短路故障仿真波形可以看出，從0.1 s故障發生到0.2 s故障清除期間，風電場定子側a相電壓為0，有短路沖擊電流，風電場有功功率和無功功率輸出出現較大波動，發電機d、q轉子電流和轉子三相電流不對稱，故障對轉速的影響較小，槳距角不變。對比圖5（e）與圖5（g），故障對定子側功率輸出的影響比對網側變流器功率輸出的影響大。

2）由于Crowbar是在轉子上接入短路電阻，Crowbar投運期間，DFIG相當于鼠籠型異步機運行。在0.6 s左右，Crowbar退出運行后，電壓、功率等才恢復到故障前的值。

3）由于電網電壓的不對稱跌落，故不僅存在正序分量也存在負序分量，負序分量在網側變換器的控制中，表現為以電網角速度同步旋轉的坐標系下的2倍頻波動分量，而在轉子側變換器的控制中體現為電機的同步速旋轉坐標系下的2倍頻波動分量。以圖5（f）風電場定子側有功、無功功率波形的FFT分析為例，其中可見100 Hz左右的功率波動。

4）電網電壓不平衡不但引起了三相交流電流的高度不平衡，易于發生過電流現象，而且造成了變換器輸出有功、無功功率與直流環節電壓的2倍電網頻率（100 Hz）波動。其中直流電壓的2倍頻波動不僅會引起轉子勵磁電流諧波并影響轉子側變換器控制實施的準確性，且會對整個PWM勵磁變頻器構成過電壓、過電流的危害，特別是影響直流母線電容的使用壽命，進而嚴重危及整個發電系統運行的穩定性和安全性。

圖5 單相短路故障仿真分析Fig.5 Simulation analysis of single-phase short circuit

2.3 仿真結論

由于DFIG定子直接接入電網，電網故障將直接引起定子電流的變化，當發生短路故障時，電壓發生不同程度的驟降，DFIG的定子側會有很大的故障電流。由于定轉子之間的強耦合，會產生很大的轉子電流，又由于電壓驟降使得電磁轉矩減低，發電機轉速增加，會使得雙PWM傳遞的轉差功率增大，引起轉子回路過電壓和過電流。由于DFIG的變流器容量較小，其對于風力發電系統的控制效果較小。因此，在研究相應的應對措施時應從轉子側變流器保護控制方面進行考慮，研究轉子過電流、電容電壓等的保護控制措施。

文中采用Crowbar電路配合雙PWM變流器運行，可有效對變流器提供保護，但是在Crowbar退出運行時，會給系統帶來暫態沖擊，且在Crowbar投入運行期間，DFIG作為感應發電機運行，會從電網吸收大量無功使得電壓進一步惡化。

3 保護措施建議

由于DFIG的定子直接與電網相連，當電網出現故障時，發電機轉子極容易產生過電壓和過電流，因此應采取有效措施避免電網故障時轉子過電流問題，提高DFIG風電系統的故障穿越能力。目前對于電網故障下DFIG保護控制方案可分為兩大類：一類是硬件方面，增加風電機組配置；一類是軟件方面，研究改進變流器控制策略。

增加風電機組配置的保護控制方案主要有：

1）增加Crowbar電路；

2）轉子側串聯電阻；

3）定子側加裝串聯網側變流器[8]；

4）網側變流器帶有卸載電阻；

5）增大直流側電容；

6）在直流側安裝蓄電池、飛輪等儲能裝置。

改進變流器控制策略的保護控制方案主要有：

1）改進傳統發電機數學模型；

2）針對故障期間定子磁鏈出現的負序和直流分量制定控制策略[9-13]；

3）采用現代控制理論中的H∞及μ-analysis方法設計全新的控制器[14]。

各種方法都存在優缺點，在制定保護方案的時候，有必要針對電網故障特點和嚴重程度，對各保護方案的應用范圍和控制效果進行綜合評估，選擇最優方案，暫未見這方面的深入研究。例如，一般而言，只有在故障較為嚴重時考慮使用Crowbar保護，在故障相對不嚴重時，采用改進變流器控制策略或增大電容儲能的保護控制方案。

4 結論

通過國家“863”科技項目《電網友好型新能源發電關鍵技術及示范應用》的研究工作，本文在DIgSILENT/PowerFactory下建立了DFIG模型，利用含風電場的IEEE三機九節點仿真系統，進行了電網三相短路故障和單相短路故障的仿真，重點分析了電網不同故障情況下DFIG的運行特性，研究了風電場與電網之間的交互影響及相應的應對措施，為大規模風電接入電網的運行控制提供了依據。

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