DFIG風機低電壓穿越能力的現場測試與驗證

曾 輝，朱 鈺，劉勁松

(遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

能源需求和發展低碳技術促進了中國風力發電事業蓬勃發展。到2020年中國風電裝機總量將達到230 GW，年風電輸出總量將達到464.9 TWh［1］。中國領跑世界風電裝機總量也帶來了風電機組低電壓穿越問題。2011年2月，經歷了一系列風電場斷電事故后，中國電監會 (SERC)于2011年11月決定制定新型風電并網標準，要求風機具備在電網電壓跌落期間保持持續運行的能力，即低電壓穿越能力，同時要求新建風場只采用具有低電壓穿越能力的風機［2］。

通過使用仿真軟件研究風電機組LVRT的控制理論，如Lima等人提出一種新型DFIG轉子側變頻器控制策略，并通過PSCAD/EMTDC軟件進行驗證［3］;Trilla等人開發出一種3 MW DFIG模型，并通過 Matlab/Simulink中的 Bogacki－Shampine Solver分別在平衡和不平衡電壓跌落情況下驗證了風機的控制策略［4］;此外，Mansour等人調查了轉子電流和DC－link電壓中存在的暫態和波動情況，并在Matlab/Simulink軟件中對其進行研究［5］。

本文論述第一次在東北地區7家風電場上驗證不同種類風電機組的控制策略。首先，討論了雙饋異步風力發電機 (DFIG風機)的基本原理及其LVRT控制策略;其次，展示了對于單臺風機的LVRT現場測試過程與結果，對風機的多種控制策略進行驗證;最后，探討并對比了不同無功功率補償方法。

1 DFIG風機的原理及其控制策略

DFIG風機與永磁直驅風力發電機 (PMSG)都在中國風電場上得到廣泛應用。在DFIG風機中，僅有發電機轉子發出的功率 (額定功率的25%～30%)饋入到電力電子變頻器中。所以，相比裝備全功率變頻器的PMSG，DFIG風機擁有更低的功率變頻器且成本較低［5－7］。

在電網故障情況下，Crowbar(撬棍)是一種可以通過釋放轉子側的能量減小轉子中的過電流和過電壓的電阻［8］。被動Crowbar運用二極管整流電路或非平行晶閘管通過短路轉子端。將被動Crow-bar中的二極管用半導體開關IGBT器件替換，就可以轉換為主動 Crowbar結構［9］。不同于Crowbar的原理，直流斬波器由開關和電阻組成，并與DC－link電容器平行連接到直流側［10］。

2 風力發電機組的LVRT現場測試

低電壓穿越LVRT現場測試是通過使用一種小型電網故障模擬器進行的。這種模擬器方便運輸到風電場，是一種集成、緊湊的LVRT測試解決方案。

圖1為電網故障模擬器的現場外部視圖。圖2為電網故障模擬器內部的控制單元。

這種電網故障模擬器擁有1 770多種配置，可以模擬出3相平衡、2相或1相不平衡的電網電壓跌落情況。電壓跌落深度和時間由電腦自動配置。控制室內的開關單元通過Ethernet與電網故障模擬器相連。

3相平衡、2相或1相不平衡的電壓跌落運行范圍為0～100%。這些電壓跌落可以通過星角變壓器連接在風機的690 V低壓側。圖3為擁有Crowbar的DFIG系統結構以及電壓跌落發生器連接的位置。圖4為LVRT現場測試的照片，可見風機、電網故障模擬器與控制室的具體位置。

2011年，在東北地區7個風電場對至少6種DFIG與PMSG風機機型進行了低電壓穿越測試。這些風機具有不同類型的Crowbar保護結構，所以具有不同的控制策略。A、B和C都是DFIG風機，A風機運用斬波器作為主要的Crowbar部件，B和C風機分別運用主動和被動Crowbar保護結構。

2.1 主動Crowbar、被動Crowbar和斬波器對DFIG的LVRT過程影響

為了研究不同Crowbar保護類型對LVRT過程的影響，測試的A(斬波器結構)、B(主動Crowbar結構)和C(被動Crowbar結構)風機的波形如圖5(a)、(b)、(c)所示。A、B和C風機都是在相同的三相50%電壓跌落深度，大負荷 (P＞0.9Pn)電網故障情況下進行的。圖5從上至下分別為機端線電壓、機端相電流和有功功率及無功功率波形。

對比裝備Crowbar的B、C風機，裝備變頻器與斬波器組合的A風機得到的電壓、電流和功率波形更為平滑。因此，直流斬波器具有平順DC－link電壓的功能和減小轉子線路中過電流、過電壓的功能得到驗證。

表1總結了A、B和C風機的性能參數，可知B風機 (裝備主動Crowbar)跌落時間比C風機(裝備被動Crowbar)長10 ms。相對波動Crowbar，主動Crowbar幫助風機延長了穿越時間。

表1 A、B和C風機性能參數

圖5 A、B、C風機的電壓、電流和功率波形

此外，主動Crowbar的IGBT在電壓跌落期間產生了無功功率。經計算，跌落期間B風機產生了0.38 p.u.的無功功率，遠大于C風機的無功功率 (0.18 p.u.)，證明主動Crowbar有效提高了風機的可控性、穩定性和應對電壓突然跌落的反應能力［10］。另外，B、C 2種風機電流和有功功率的恢復時間也不同。圖5(b)中電流與有功功率的恢復時間約為2 s，圖5(c)中恢復時間則最少用了4 s，所以主動Crowbar能更快消除轉子的暫態量，進而重新獲得對DFIG的控制［10］。

2.2 LVRT其它解決方案

設計用于補償故障電壓的動態電壓恢復器(DVR)可從根本上解決LVRT問題。DVR是一種串聯在電網上的電壓源變頻器，可以用來為沒有足夠低電壓穿越能力的風機提供電壓補償。根據文獻［11］的描述，當風機系統被DVR保護后，風機機端的電壓跌落可以被補償到電壓跌落前的值。DFIG的反應變得不敏感，所以產生更低的定子和轉子過電流，從而無需觸發Crowbar。DVR將風機從非對稱故障產生的負序電壓成分中隔離，DVR清除負序電壓成分的能力為風機帶來了在非對稱電壓跌落下更好的性能。

3 中國低電壓穿越電網的要求

根據中國電監會 (SERC)的最新并網要求，新風機必須在一定范圍內的電網故障期間保持與電網連接并穩定運行，必須在電網跌落到額定電壓的20%時具有在625 ms內不脫網運行的能力。最新風機并網LVRT要求如圖6所示。

對于跌落時間大于625 ms的電網，風機需要在圖6中黑線以上的位置保持不脫網運行，即在電壓跌落以及故障恢復期間，風電場必須向電網提供無功功率，用以支持并網耦合點PCC電壓的恢復。在電網電壓故障恢復后，風機必須在幾百ms內為電網提供有功功率。

由表1可知，A、B、C風機經歷的電壓跌落時間分別為1 211 ms、1 226 ms、1 216 ms，可以推斷所有風機都能滿足圖6中的低電壓穿越標準。圖7將實際波形與LVRT國標進行對比，可見所有風機電壓曲線都沒有超越SERC規定的黑色實線。

4 風電場的無功功率補償

風電場的低電壓穿越能力與風電場內部無功功率補償裝置密切相關，無功功率補償裝置可以維持電壓穩定。被測試的風電場使用SVC作為無功功率補償器，SVC利用晶體管控制的電抗器和電容器獲得動態無功功率控制。

為進一步提高風電場的低電壓穿越能力，可以使用靜態同步補償器 (STATCOM)。對比已經安裝在被測試風電場的SVC，STATCOM可以提供更快的響應、更小的波動，并提高在低電壓情況下的穿越能力。如果STATCOM與SVC擁有同樣的功率，那么安裝STATCOM的風電場會有更好的低電壓穿越表現［12］。

5 結論

為滿足中國電監會 (SERC)提出的風電機組低電壓穿越并網要求，應用多種低電壓穿越方案，包括主動Crowbar、被動Crowbar、直流斬波器和DVR補償器。裝備主動Crowbar的風機能更快恢復控制，直流斬波器和交流Crowbar的組合可以平復DC－link電壓，進而提高DFIG風機的低電壓穿越能力。

對稱和非對稱故障給風機帶來暫態轉子過電流和嚴重的電流振蕩，但無論發生哪種電壓跌落，跌落開始和結束時都存在電流峰值。

DVR補償故障電壓的功能表明它可從根本上解決單臺風機的低電壓穿越難題。和SVC相比，STATCOM能更有效提高整個風電場的低電壓穿越能力。STATCOM可以和DVR變頻器聯合使用，共同幫助風電場處理多種未知的電網電壓跌落。

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［12］ Marta M，Jon A and Tore U，“Low Voltage Ride through of Wind Farms with Cage Generators:STATCOM Versus SVC”IEEE Transactions on power electronics，vol．23，No．3，pp．1 104－1 117．May 2008．