基于DFIG風電場聯合保護的低電壓穿越研究

黃 晶 朱 武

（上海電力學院，上海 200000）

近年來，雙饋風力發電機（DFIG）憑借其可變速運行、電機造價低、發電效率高以及有功和無功功率可獨立調節等諸多優點，占據了國際最主要的市場[1]。DFIG機組定子側與電網直接相連，對電網電壓波動非常的敏感，并且隨著基于 DFIG風電機組的風電場容量的逐年增大，其對電網的影響已不可忽視。為了保證電網穩定，世界風電各國均要求DFIG風電機組具備低電壓穿越（LVRT）的能力[2]。中國制定的《風電場接入電力系統技術規定》（GB/T 19963—2011）已于 2012年 6月正式實施[3]。因此相關研究也成為熱點。

系統發生故障時，由于DFIG變流器容量較小，一般為1/3額定容量，對DFIG系統提供的控制能力有限，抗電網電壓擾動能力不強。因此電網發生故障時，必須關注故障引起的轉子過電流以及隨之而來的直流母線過電壓[4]。為了改進DFIG風電機組在故障下不脫網運行，不少學者提出了不少改進控制策略，文獻[5-6]通過改進的內外環PI控制策略，通過引入前饋補償的防止，實現風電場低電壓穿越，這種方法局限于電壓跌落較輕的情況，并且其控制效果受到變流器容量的限制；文獻[7-8]采用定子磁鏈去磁法等，這類方法的優點是不僅能應對三相對稱故障，并且對不對稱故障也能起到有效的作用。然而這些方法往往算法比較復雜，增加了在工程的實現難度。目前，行之有效的辦法大多需要在轉子側加入撬棒保護（Crowbar）電路[9-10]，也是GE，ABB等風機制造商普遍采用的方法，從而確保勵磁變流器的運行安全，并能加快故障電流及定子暫態磁鏈的衰減，然而，撬棒保護動作期間，DFIG與普通異步機無異，將吸收大量的無功功率，不利于電壓恢復。Crowbar電阻值的選擇也是影響低電壓穿越的重要參數[11]。

為此，首先分析了我國制定的風電場低電壓穿越的要求。通過仿真研究不同阻值對低電壓穿越的影響，在此基礎上，針對Crowbar動作后產生的直流母線過電壓及風機吸收無功功率的問題，提出一種聯合主動Crowbar保護和直流側卸荷電路方法，并用STATCOM為系統提供無功功率。仿真結果驗證了所提出的低電壓穿越方案的有效性及可行性。

1 低電壓穿越要求

隨著風電機組單機容量以及風電場規模的不管增大，風電接入及運行對電力系統的影響越來越不可忽視。由于各國電力系統配置，風電的比重等各不相同，目前國際上還沒有通用的風電接入系統標準。我國也于2011年，制定了的《風電場接入電力系統技術規定》，其中明確要求風電場應具備低電壓穿越能力，其基本要求如圖1所示，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；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625ms[2]。并且，針對風電場發生三相短路引起的電壓跌落問題，為了故障電壓的快速恢復，總裝機容量在百萬千瓦級規模及以上的風電場群，每個風電場在低電壓穿越過程中應具有一定的動態無功支撐能力。我國風力資源豐富，風電裝機容量偏小，并且常常處于電力系統末端，我國制定的風電低電壓穿越標準相對歐美風電大國偏低，但符合我國的國情。

圖1 低電壓穿越曲線

2 LVRT技術方案

本文采用的是雙饋異步風力發電系統（DFIG），如圖2所示，風力機通過一個多級齒輪箱連接到風力機。DFIG的定子側通過一個升壓變壓器直接連接到電網，轉子側通過三相交-直-交變頻器實現交流勵磁，并經升壓變壓器連接到電網，該變頻器采用的是電壓型 PWM 變頻器，可分為轉子側變流器（RSC）和一個網側變流器（GSC），二者由電容器連接。其中RSC用于DFIG的運行控制，其控制效果直接影響DFIG的運行性能，而GSC主要是控制直流母線電壓的恒定。為了減少風電場內部的功率損耗，二者均運行在恒功率運行模式，即穩態運行時與電網沒有無功功率的交換。該系統采用Crowbar電路保護轉子側變流器及直流母線卸荷電路DC-chopper聯合保護的方式，實現風電場低電壓穿越。在并網點并聯動態無功補償裝置 STATCOM，實現對風電場無功功率的連續迅速調節。

圖2 雙饋風電系統接線圖

2.1 主動型Crowbar保護電路

本文采用的主動型Crowbar保護電路是整流橋式Active crowbar 電路，它由交流開關、二極管整流橋和旁路電阻構成，如圖3所示。該保護電路相比被動型Crowbar可以根據轉子電流、轉子轉速、直流側電壓作為撬棒電路的切入、切出，并能靈活快速得實現切入、切出。

圖3 主動型Crowbar電路

旁路電阻的選取至關重要，電阻值要足夠大以限制雙饋發電機的轉子電流，使暫態分量快速地衰減。然而，電阻值過大，由可能會造成轉子側的過壓，使直流母線電容反充電，同時還有可能損壞轉子側變換器。旁路電阻應優先考慮限制轉子電流，進而在考慮引起的定子及直流母線過電壓問題。

2.2 直流卸荷電路

直流卸荷電路（DC-Chopper）由半導體功率器件和卸荷電阻R并聯后與全控性器件IGBT串聯組成。故障期間，由于網側變流器不能及時的將能量輸送到電網內，導致直流電容兩端功率不平衡，過剩能量將引起直流母線電壓升高并產生波動。忽視網側變換器內部的的功率損耗，可得

式中，PRSC為轉子側變流器輸出的有功功率；PGSC為網側變流器輸出的有功功率；Vdc為直流母線電壓；C為直流電容值大小。

通過在雙饋變流器直流母線安裝加裝DC-Chopper，可將直流母線兩端故障功率吸收，從而能夠限制母線電壓上升及波動，并能降低crowbar的動作幾率。本文采用的DC-chopper的控制框圖如圖4所示。可通過控制功率器件的投入和切出電阻來調節直流側電壓，從而降低直流環節過電壓及電壓波動。當電網電壓產生跌落時，功率偏差信號ΔP通過PI調節器，得到PWM信號控制功率器件的占空比，直流電壓作為輔助判斷條件，彌補PI控制不夠快的缺點。

圖4 直流卸荷電路控制框圖

2.3 STATCOM控制模型

STATCOM 裝置由一個變壓器、一個電壓源變流器、一個電容器及其控制器組成，其主要功能是通過向電網輸出動態無功功率實現對電壓的控制及支撐。其典型結構及控制框圖如圖5所示，控制器主要包括外環電壓、直流電壓控制及內環電流控制，系統發生故障時，并網點電壓及直流電壓偏差信號分別經過各自外環的PI控制器，可得到給自內環電流控制的輸入信號isq_ref、isd_ref，進而得到PWM的觸發信號，STATCOM 開始短時間內向電網輸出無功功率，從而有利于支撐電網電壓及故障切除后并網點電壓的快速恢復。

圖5 STATCOM控制框圖

3 仿真分析

本文使用Digsilent仿真軟件對DFIG系統的低電壓穿越能力展開研究，采用的是三機九節點系統，原系統的G3同步發電機組，由10臺額定容量為雙饋風電機組代替，不考慮風電場內部風機的接線形式，風電場通過升壓變壓器連接至電網。單臺DFIG風機及網側變流器的參數數見表 1。按照我國《風電場接入電力系統技術規定標準》中風力發電機組低電壓運行能力的要求，仿真步驟簡要如下：仿真系統從t=0開始運行，輸入風速13.8m/s；t=1s時雙饋風機并網處母線發生80%的三相對稱電壓跌落；t=1.625s恢復正常，仿真時間持續4s。

圖6 仿真系統結構

表1 雙饋風電機組及網側變流器參數

3.1 Cowwbar不同旁路電阻時對低電壓穿越性能比較

為了研究Crowbar旁路電阻對風電場低電壓穿越的影響，仿真在三種情況下進行，情況一：Rc=0.1pu，情況二：Rc=0.4pu，情況三：Rc=1.0pu。仿真結果如圖7—圖11所示，在該電壓跌落的情況下，DFIG定子有功功率、無功功率、轉子電流及直流母線電壓，均有出現尖峰，在工程中，這種尖峰就表現為震蕩。并且隨著Rc阻值的增加，并網點電壓相對來講有更好的恢復，并且從電網吸收的無功功率在減小。并且在Crowbar旁路電阻的投入，使得故障功率被消耗，轉子電流得到快速抑制。然而，旁路電阻值選擇過大，不僅起不到明顯的效果，反而導致故障切除時刻的直流母線電壓過高。本文建議電阻值選取為0.4pu左右。

圖7 并網點電壓

圖8 DFIG定子有功功率

圖9 定子無功功率

圖10 轉子繞組電流

圖11 直流母線電壓

3.2 采用聯合保護方式實現低電壓穿越

針對章節3.1出現的問題，在其基礎上，在直流側加入了卸荷電路，并在風電場并網點并聯容量為15MVar的STATCOM為系統提供無功功率。仿真結果如圖12—圖14所示。由圖12可知，引入STATCOM后，故障期間，并網點電壓被提升至0.3pu，這是因為STATCOM在故障期間為系統提供了13Mvar的無功功率，如圖13所示。故障切除瞬間，并網點電壓能夠瞬間被提升至較高的水平，并能更快的恢復正常運行水平狀態，由圖14可知，并且采用交直流聯合保護的防止，不僅能有效的限制轉子過電流，直流環節過電壓也能得到較好的抑制。

圖12 并網點電壓

圖13 STATCOM無功功率

圖14 轉子繞組電流

4 結論

本文對提高基于雙饋風力發電機的并網風電場低電壓穿越問題進行了研究，提出了一種協調轉子撬棒保護和直流卸荷電路聯合控制方案，并利用STATCOM為系統提供無功功率，支撐并網點電壓，以改善雙饋風電機組的低電壓穿越能力，解決因撬棒保護投入運行引起的風電場無功需求以及直流母線過電壓問題。通過含風電場的電力系統仿真計算驗證了所提出低電壓穿越方案的可行性及有效性。研究結果表明，隨著Crowbar旁路電阻增加，轉子過電流被抑制的越明顯，然而，旁路電路選擇過大之后，其并不太明顯，反而會引起直流母線過電壓；在直流側增加卸荷電阻之后能有效的解決直流母線過電壓問題；利用STATCOM可提高風電場的暫態電壓穩定性。

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