雙饋異步風力發電系統低電壓穿越控制策略仿真

吳佳思，張步涵，李 枚，靳冰潔

（華中科技大學強電磁工程與新技術國家重點實驗室，湖北武漢 430074）

雙饋異步風力發電系統低電壓穿越控制策略仿真

吳佳思，張步涵，李 枚，靳冰潔

（華中科技大學強電磁工程與新技術國家重點實驗室，湖北武漢 430074）

根據我國頒布的風電并網標準，將電壓跌落深度區域劃分為三個，討論了在不同區域內DFIG實現低電壓穿越的方法，并且在Matlab／simulink環境下進行了仿真驗證。仿真結果表明：裝設有撬棒和chopper保護的DFIG在實現低電壓穿越問題上相比于只有主動式撬棒保護的DFIG更有優勢，并且可以保護雙饋風電機組在電壓跌落深度在80%以內的情況下不被切機。因此，含有撬棒和chopper保護的DFIG在較多情況下已經具備低電壓穿越能力。

雙饋感應發電機；低電壓穿越；并網標準；保護裝置

風能是一種清潔的可再生能源，而且在考慮開發費用和儲量的基礎上，風能又是所有可再生能源中最具商業價值的［1］。隨著大規模風電的并網運行，電網電壓跌落期間，風電場控制及其對電網安全穩定的影響已成為風電發展的重要課題之一［2］。

目前，國內的主流機型為1.5MW雙饋式變速恒頻風電機組（結構如圖1），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。由于電壓跌落較深的時候，DFIG的功率基本無法送出，會造成定子電流的急劇升高，而由于定轉子之間的強耦合關系，會引起轉子電流的急劇上升，進而威脅變流器的電力電子器件的安全。如果不采取一定的保護措施，短路等故障造成的電壓跌落會直接導致過電流、直流母線過電壓、有功功率和無功功率的振蕩等，而定轉子繞組的電阻和漏抗不足以抑制浪涌電流，較大的電流和電壓可能會導致勵磁變流器和定轉子繞組及母線電容的損壞。

DFIG在外部電網線路發生短路故障時候接入電網的動態特性，被學者們廣泛研究，如文獻［3］提到的，電壓跌落會引起DFIG內部定子磁鏈感生出自然磁鏈，和電壓的跌落程度相關，并且感生出相對于正常運行時非常大的電壓，對于DFIG的安全產生非常大的威脅。有學者關注了對稱和不對稱故障發生時，雙饋型風電機組計及電壓恢復，相角跳變和跌落參數的動態特性，研究總結了不同類型故障發生時，DFIG具有不同的特點，當對稱故障發生時，故障發生時刻的不同不會引起電壓跌落的相角不同，而故障恢復時刻的不同，則會產生不同的恢復過程［4］。并沒有考慮加入低電壓穿越保護的情況，在故障發生的時候由于撬棒等保護硬件裝置的動作，故障特性會發生很大的變化。

圖1 DFIG結構圖

文獻［2］指出，關于低電壓穿越問題的研究多集中于電網發生對稱故障時的撬棒保護電路及其控制，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，對撬棒電路的邏輯控制方面的介紹也較少。文獻［5－8］關注了撬棒保護的運行時間問題以及撬棒保護運行較長時間帶來的不利影響。文獻［9－10］提到了chopper裝置可以較好的保護直流母線電壓，并且參數設計合適的情況下，可以減少撬棒保護電路的多次投切。這些方法都是基于被動式撬棒保護的方法提出的，而且一般撬棒投入時間比較長。所以對于撬棒保護的控制邏輯以及其和chopper保護控制邏輯的協調配合鮮有討論。

本文基于風電并網規定的基礎上，討論了三種不同的電壓跌落深度區域內，DFIG的低電壓穿越運行控制策略，基于主動式撬棒保護的滯回判斷控制策略，研究了電網電壓深度跌落時，撬棒保護和chopper保護的協調配合，并且通過對DFIG暫態過程的分析推導，得到了判斷撬棒保護需要投入動作的電壓跌落深度臨界值的方法。

1 風電接入標準

中華人民共和國國家標準GB／T 19963－2011《風電場接入電力系統技術規定》［11］規定了風電場接入電網必須滿足的低電壓穿越要求。圖2為風電場低電壓穿越要求。發生故障時候的考核電壓為風電場并網點即PCC點電壓。1）風電場并網點電壓跌至20%標稱電壓時，風電場內的風電機組應保證不脫網連續運行625ms。2）風電場并網點電壓在發生跌落后2s內能夠恢復到標稱電壓的90%時，風電場內的風電機組應保證不脫網連續運行。

圖2 風電場低電壓穿越要求

本文在MATLAB／Simulink仿真平臺下建立了雙饋風電發電機組低電壓穿越仿真模型（圖3）。雙饋風電系統的容量為1.5MW，具體參數為：風機6臺，每臺風機的額定容量1.5MW，功率因數0.9，額定電壓575V，額定頻率50Hz，定子漏感0.18 p.u，轉子漏感0.16p.u，勵磁電感2.9p.u，極對數3，直流母線電壓標準值1 150V，直流母線電容10 000e－6F，轉子轉速1.2p.u，crowbar電阻0.4 Ω，chopper電阻1.1Ω。本文進行了外部電網5s發生三相對稱短路故障，150ms后切除，電壓對稱跌落深度為20%、40%、60%、80%情況下的仿真。仿真得出的所有波形和數值均為標幺值。

圖3 雙饋風電發電機組低電壓穿越仿真

2 三個不同電壓跌落深度區域DFIG的控制策略

2.1 電壓跌落深度較輕

較小的定子電壓對稱驟降這種狀態下可以通過變換器自身的控制調節以及槳距控制，來實現對風機內部過電壓過電流的控制，使DFIG、變換器電流和電壓保持在其限額內，無需保護動作。圖4－5為定子電壓對稱跌落20%下的定子電流Ia和Udc的情況。由圖4、5可知，當發生電壓跌落較輕的外部故障時，定子電流和直流母線電壓上升得并不十分明顯，在變換器電力電子器件可以忍受的范圍內，所以不需要DFIG內部保護動作，其內部的變流器就會利用自身控制策略的調整，使風機度過低電壓穿越過程。

圖4 定子電流

圖5 直流母線電壓

2.2 電壓跌落深度較深

較大的定子電壓對稱驟降發生時DFIG轉子過電流是不可避免的，直流環節也將出現過電壓。

2.2.1 只采取撬棒保護實現LVRT 這種情況下一般的處理方法是外加撬棒電路來實現對轉子過電流的控制。撬棒電阻一般選擇20倍的DFIG轉子電阻［12］，并且和轉子變換器通過三相橋并聯。在轉子電流超過1.5pu時，觸發撬棒電路中的GTO，使其導通，轉子側變換器被阻斷而網側變換器仍保持對直流母線電壓的控制。隨后可在交流電網恢復供電之前、后停止轉子撬棒電路工作，轉子側變換器解除阻斷而重新投入工作。傳統的撬棒電路一般是被動式，在整個故障動作期間，撬棒電路持續動作。而現在實際用得較多的是主動式撬棒電路。撬棒控制框圖見圖6，采集的轉子電流與一個滯回環節比較，滯回環節的上限為1.5p.u.，下限為1.0p.u.，同時采集直流母線電容兩端電壓，將其與一個滯回環節比較，滯回環節的上下限分別為1.1p.u.和1.0p.u.。

圖6 撬棒控制邏輯圖

現階段，DFIG多采用定子磁鏈定向的功率解耦控制策略［13］。采用Park變換在同步旋轉坐標系中分別控制dq軸電流實現DFIG的有功和無功解耦控制，且設定輸出無功功率為0。當電網出現對稱短路故障，但電壓跌落不深時，撬棒保護不動作，DFIG仍在該控制策略下運行，轉子變換器開始動作以實現DFIG的重新穩定運行。在轉子變換器的作用下，轉子電流在經歷很短時間的波動后會很快穩定下來。由于變流器的響應時間遠小于電機的響應時間，并設PI控制器的帶寬無窮大，那么可以忽略轉子電流波動，在原來控制策略下認為在靜止坐標系中，現已知DFIG的數學模型為

將式（3）帶入式（2），并不計轉子磁鏈對定子磁鏈的耦合影響，得到

本文仿真采用的是DFIG的轉子側電流達到轉子額定運行電流的1.5倍時啟動撬棒保護裝置。

其余較小都忽略ird較小，也忽略。用到的簡化包括Lm≈Ls，波動值較小，同時有iqr?idr。此時，判斷如下不等式

即電壓跌落到低于64.9%的時候，撬棒保護就需要投入運行，來保護DFIG。

以下給出了電壓跌落深度為40%的時候，主動式撬棒保護對DFIG轉子電流的保護情況。從圖7、8可見，轉子電流已經出現超過1.5倍的時刻，主動式撬棒保護在故障發生時刻和故障恢復時刻，分別投入運行，保護轉子變流器。

2.2.2 采取撬棒保護和chopper保護配合 若在2.2.1中持續故障時直流側出現超過網側、轉子側變換器中功率開關器件耐壓能力超高過電壓時，可設計chopper硬件裝置來消耗過多的直流母線電壓。

圖7 轉子電流

圖8 crowbar動作情況

DFIG直流母線斬波器（chopper）示意圖如圖1。IGBT的快速開斷功能能迅速投入或切除斬波器電阻。斬波器的動作特性遵循滯回特性。本文中搭建的chopper仿真電路的滯回環節上下限分別為1.05p.u.和1.03p.u.。其控制邏輯圖如圖9［14－15］。圖10給出了電壓對稱跌落深度為60%的情況下定子電壓Ia、直流母線電壓Udc、轉子電流Ir、crowbar保護動作的圖形。

可見，在直流母線電壓或者轉子電流超過門限值的時候，主動式撬棒保護投入運行，短接轉子變流器，起到保護轉子變流器的作用。Udc在5.005s時可以達到1 244V，轉子電流最大也在5.002s時達到1.51p.u，定子電流幅值在5.028s時，升至1.3 p.u。并且此時在故障恢復階段，由于撬棒保護采取主動式的判別方法會有撬棒保護的重復投切。

圖9 chopper控制邏輯圖

圖10 電壓對稱跌落深度為60%（crowbar）

電壓對稱跌落到40%時采取撬棒保護和chopper配合的保護措施：圖11給出了Ia、Udc、Ir、撬棒保護、chopper保護動作情況的圖形。可見，直流母線電壓的幅值，最大只是1.06pu比只有撬棒保護的時候有所降低。同時，轉子電流的最大值也有所減少，在5.002s的時候為1.5pu。發現跌落深度不深的情況下，使用兩種保護的優勢并不明顯。只采用撬棒保護也可以滿足低電壓穿越的要求。

圖11 電壓對稱跌落深度為60%（兩種保護）

以下給出電壓對稱跌落深度為80%的情況下，只采取撬棒保護（圖12）和采取兩種保護協調使用（圖13）時定子短路電流Ia、直流母線電壓Udc、轉子電流Ir、撬棒保護和chopper保護動作的仿真圖形。

圖12 電壓對稱跌落深度為80%（crowbar）

圖13 電壓對稱跌落深度為80%（兩種保護）

在跌落深度達到80%的時候，定子短路電流在5.008s的時候達到1.255p.u，在5.047的時候達到1.75p.u。直流母線電壓在5.01s的時候出現比較嚴重的上升，達到1 453V（1.263p.u）。而轉子電流，在5.002s的時候，達到1.68p.u。同時可以看出撬棒保護的反復投切十分明顯，會帶來一定的沖擊過程的影響。

在加入chopper保護裝置后，撬棒保護的反復投切明顯減少，減少了對IGBT器件開關造成的沖擊過程的影響，并且對于直流母線電壓的抑制，chopper也起到非常好的作用。在5.007s的時候，定子電流達到1.29p.u。直流母線電壓最高在5.009s的時候只是達到1.15p.u，而轉子電流幅值在5.002s的時候達到1.66p.u也比只裝設撬棒保護的時候要小。

2.3 電壓跌落深度超過80%

在風電場外部發生金屬性短路故障或者跌落深度超過80%的時候（圖14），采取兩種保護措施，直流母線電壓和轉子電流依舊分別達到了1.4p.u和2.03p.u，顯然加裝硬件裝置也不再能保護風機本身的安全，所以根據低電壓穿越標準，一旦檢測到電壓的跌落情況，需要立即切除風機，保護風電場免于遭受非常大的電流沖擊的危險。

圖14 電壓對稱跌落深度為100%（兩種保護）

3 結論

本文基于風電并網標準，討論了外部電網故障時，造成不同的電壓跌落深度情況下，三個不同區域內，雙饋異步風力發電系統的低電壓穿越控制策略。通過對暫態過程的理論推導得到了撬棒保護需要投入的電壓跌落深度臨界值。同時基于Matlab／Simulink雙饋風電機組的詳細模型，搭建了實現低電壓穿越的撬棒保護和chopper硬件裝置模型。仿真對比表明，基于滯回比較的兩種保護在實現低電壓穿越問題上相比于只有主動式撬棒保護明顯更有優勢，同時，含有撬棒和chopper保護的雙饋風電機組能夠實現在電壓跌落深度在80%以內的情況下，不切除風機，使其運行在低電壓穿越狀態。

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［責任編校：張巖芳］

Simulation Study of Doubly－fed Asynchronous Wind Power System′s LVRT Control Strategy

WU Jia－si，ZHANG Bu－han，LI Mei，JIN Bing－jie
（State Key Lab of Advanced Electromagnetic Engin.and Tech.，Huazhong Univ.of Sci.and Tech.，Wuhan 430074，China）

According to China′s wind power integration standards，the paper divides the sag depth of the area into three different voltage areas，and discusses different DFIG LVRT method in each area，and simulates it in Matlab／simulink environment to verify the conclusion.Simulation results show that：DFIG equipped with crowbar and chopper protection has advantage of DFIG only with active crowbar protection on achieving low voltage ride through，and can protect the doubly fed wind turbine not be cut under circumstances of below 80%voltage drop depth.Therefore，DFIG contains crowbar and chopper protection in most cases already have low voltage ride－through capability.

doubly fed induction generator；low voltage ride through；integration standards；protection devices

TM614

A

1003－4684（2014）01－0001－06

2013－11－28

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）資助項目（2012CB215100－G）

吳佳思（1990－），女，河南遂平人，華中科技大學博士研究生，研究方向為風力發電