雙饋風機低電壓穿越的改進技術

齊桓若，劉其輝

（新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學），北京 102206）

隨著能源問題的不斷突出，世界范圍內、尤其是我國，風力發電蓬勃發展[1-4]。雙饋風力發電系統因其具有獨立的有功、無功調節能力[5-6]，易于實現變速恒頻發電，機側變換器所需容量小等優點受到了業界的青睞，但正因為它機側變換器容量小，也造成其對電網故障敏感、脆弱的特性[7]。當電網電壓突然跌落時，定子側電壓跌落，而根據磁鏈守恒定律定子磁鏈不會突變，定子磁鏈不僅包含周期分量還有暫態直流分量，此暫態分量以定子時間常數衰減，其最大值與電網電壓降落的大小和電壓降落發生的時間有關。定子磁鏈暫態直流分量感生出反電動勢暫態直流分量，它除了與電網電壓降落的大小和電壓降落發生的時間有關外，還與滑差率s成正比。由于雙饋風力發電機（DFIG）運行時滑差率一般較小，故反電動勢周期分量一般比較小。與此同時，由定子磁鏈周期分量感生出的反電動勢暫態直流分量的幅值與（s-1）成正比，其大小遠超過反電動勢周期分量。反電動勢暫態與周期分量又分別作用于轉子產生轉子電流暫態和周期分量。由以上分析可知，轉子電流中的暫態分量往往可以很大[8]。DFIG的機側和網側變流器是由電力電子器件組成的，過流對他們造成的損害是毀滅性的，因此低電壓穿越一直是雙饋風力發電重點研究課題之一。電網電壓跌落對DFIG的影響不僅僅是轉子電流升高。由于電網電壓較低網側變流器功率輸送不出去，會引起直流母線過電壓，進而可能引起直流環節電容被損毀。除了以上2點，風力機俘獲的能量與發電機發出的功率不平衡還可能會引起轉子轉速的升高引發飛車危險。故成功的低電壓穿越，需要滿足轉子側變流器不過流，直流母線不過壓以及轉子轉速不過限，只有這3方面都滿足要求才稱為實現了成功的低電壓穿越[9-10]。

目前轉子corwbar技術[11-12]是低穿的主流解決方案，即在檢測到電網故障引起轉子電流過高時，用電阻短接DFIG的轉子并將機側變流器旁路，為轉子側的浪涌電流提供一條大阻尼通道，這樣可以有效地控制流過機側變流器的電流不過限，避免燒毀機側變流器的電力電子器件。也有研究提出chopper[13]解決方案，即在背靠背變流器的直流母線電容旁并聯一個電阻，此電阻的通斷由與其串聯的IGBT控制，當直流母線電壓過高，投入chopper來卸荷。

本文在PSCAD仿真平臺上將crowbar與chopper共同納入主電路拓撲結構中，通過理論分析與仿真發現chopper的加入不僅減小了電網電壓波動過程中轉子電流的振蕩；另一方面chopper的加入大大提高了crowbar電阻阻值整定上限，可以有效減小定子無功功率振蕩以及恢復過程的過渡時間。在crowbar與chopper配合的硬件電路基礎之上，本文還提出低電壓穿越過程中機側變流器的無擾切換控制方法，最后通過仿真驗證了這種方法可以大大減少crowbar投切次數與低穿過渡時間，并且控制實現較簡單可行。

1 Crowbar與chopper配合的改進方式

Crowbar與chopper共同配合的DFIG主電路拓撲結構如圖1所示[14-15]。

圖1 crowbar與chopper共同配合的DFIG主電路拓撲結構Fig. 1 The main structure of the DFIG main circuit combined with crowbar and chopper

Crowbar的投切控制信號由采集到的轉子電流信號決定，crowbar投切判據采用：當三相轉子電流任意一相超過轉子電流上限Irlimt+時，crowbar投入；當三相轉子電流都不大于轉子電流下限Irlimit-時，crowbar切出。Chopper的投切控制信號由采集到的直流母線電壓決定，chopper投切判據為：當直流母線電壓超過直流母線電壓上限Ulimit+時投入；當直流母線電壓不超過直流母線電壓下限Ulimit-時切出。Irlimt+、Irlimit-與Ulimit+、Ulimit-分別為轉子電流和直流母線電壓的閾值，之所以大小不同是為了實現一定的延時，減少不必要的投切。通過控制crowbar與chopper的投切確保流過轉子側變流器的電流與直流母線電壓不過限，兩者分開控制，可以有效確保機側變流器與直流側電容的安全。

值得注意的是，轉子電流的閾值與機側變流器的額定電流有密切關系，若機側變流器采用的IGBT容量大，則Irlimit可以相對大一些，這對減少crowbar的投切次數和過渡時間很有幫助，但會造成IGBT的資金投入較大。直流側電壓一般不允許超過額定電壓Un的10%[16]，在仿真中將閾值設置為1.1Un。

仿真中雙饋風力發電系統參數如表1所示。

表1 雙饋風力發電系統參數Tab. 1 Parameters of the DFIG system

電壓跌落后引發的一系列不良后果究其本質是由于能量不平衡引起的，單一crowbar只能提供一條能量泄流通道，而crowbar與chopper配合可以提供兩條能量泄流通道，這必然會起到更好的效果[17]。Crowbar單獨作用與crowbar、chopper配合作用的低電壓穿越仿真結果如圖2所示。圖2中左、右曲線分別為crowbar單獨作用與crowbar、chopper配合作用的仿真曲線。電網電壓在8～8.625 s跌落80%，兩種方案crowbar阻值相同都為0.3 Ω。從圖中可以看到，crowbar單獨作用與crowbar、chopper配合作用仿真結果的主要區別體現在直流母線電壓上：crowbar、chopper配合作用的直流母線電壓增量被可靠限制在額定電壓的10%（即1.1 kV×1.1=1.21 kV）。其他結果基本相似。

chopper的加入，還可以大大減小電網電壓恢復后的過渡時間與電網電壓突變時的無功功率振蕩。具體分析如下。

圖2 crowbar單獨作用與crowbar、chopper配合作用的低電壓穿越仿真結果Fig. 2 Simulation results of LVRT under the use of the single crowbar and the crowbar cooperated with chopper

許多文獻致力于研究crowbar阻值R整定問題，如文獻[18-19]，研究普遍認為若R值太小，對轉子電流的阻尼作用不夠明顯，將大大延長crowbar的投入時間。因此R值越大越有利于快速有效的低穿。但是，若R值過大，電壓突變時較大的轉子電流流過crowbar將產生很大的電壓降落，這部分電壓同時加在了變流器與直流環節上，過大的電壓可能會引起網側變流器與直流母線電容的損毀。Crowbar與chopper配合的低穿方式可以大大提高crowbar阻值整定上限，當直流母線電壓超過了設定值后，chopper投入卸荷，可以有效保護網側變流器與直流母線電容不過壓。

在Crowbar投入期間機側變流器被電阻短接，DFIG相當于一個異步電機，crowbar阻值較大等效于轉子電阻大，提高了轉子側的功率因數，減少了定子無功需求，這對減弱定子無功的震蕩也有積極作用。

crowbar與chopper配合作用下不同crowbar阻值（左側曲線為0.3 Ω、右側1 Ω）的低穿仿真結果如圖3所示。電網電壓在8.000～8.625 s跌落80%。參考文獻[5]中crowbar阻值整定方程與仿真用雙饋風力發電系統參數，單獨crowbar作用時R值上限為0.3 Ω，而圖3仿真結果表明，加入chopper后crowbar阻值增大，并且隨著crowbar阻值的增大，故障時crowbar投入時間減短、投切次數減少、轉子電流波動減小、電網電壓突變時定子無功沖擊也減小，直流母線電壓并沒有隨crowbar阻值增大而升高。

有了chopper的配合，crowbar的阻值理論上可以無限增大，且阻值越大效果越好。但實際仿真中發現，當crowbar阻值增大到一定程度后，投切次數不減反增，這是由于每一次crowbar的投切，相當于單刀雙擲開關在電阻與變流器之間切換，必然會引起過渡過程，當電阻過大時，切換的擾動過大，反而會引起過渡過程加劇、過度時間增長不利于低電壓穿越。故即使有了chopper的配合，crowbar阻值也不能無限增大。

圖3 Crowbar與chopper配合作用下不同crowbar阻值的低穿仿真結果Fig. 3 Simulation results of the LVRT under different resistances under the use of the crowbar together with chopper

2 電網電壓跌落時機側變流器無擾切換控制策略

低電壓穿越過程中，crowbar投入時機側變流器被短接，故有觀點認為此時機側變流器的控制策略不會影響低穿過程也不用做改變（簡稱為方案1）。還有一種觀點認為，電網電壓跌落導致發電機發出的有功功率無法輸送到電網，此時令發電機有功指令為0（簡稱為方案2）可以減弱因功率不平衡引起的振蕩。方案1忽略了在機側變流器被短路時，其功率環中PI控制器仍在運算，實際功率與功率指令的較大差值可能引起PI控制器的飽和，導致crowbar切除、機側變流器重新投入電路后短時間內變流器不能對功率進行有效的控制。方案2忽略了有功指令突變為0引起的變動又成為一個潛在擾動增強了過渡過程、增加了過渡時間。基于以上分析，本文提出電網電壓跌落時機側變流器無擾切換控制策略（簡稱為方案3），即在檢測到電網電壓跌落時，令機側變流器的有功指令和無功指令分別取其有功功率、無功功率實際值，這樣避免了功率指令值與實際值懸殊引起的PI控制器的飽和，在故障切除后可以快速有效地對功率實現再控制[20-21]。電網電壓跌落時機側變流器無擾切換控制框圖如圖4所示。電網電壓在8.000～8.625 s跌落80%并且采用crowbar與chopper配合的硬件措施，3種方案的低穿仿真結果如圖5所示。圖5中曲線從上而下依次為方案1、2、3的仿真結果，Ⅰ為電壓跌落時刻、Ⅱ為電壓恢復時刻、Ⅲ為方案1過渡過程結束（即crowbar與chopper均不再投入）時刻、Ⅳ為方案2過渡過程結束時刻、Ⅴ為方案3過渡過程結束時刻。從圖中可以看出，方案3在機側變流器不過流、直流母線電壓不過壓、轉子轉速不過限的基礎上大大減少了crowbar的投切次數和過渡時間，減小了轉速的波動，這有利于風電機組實現快速有效的低電壓穿越，仿真結果證明了機側變流器無擾切換的改進控制方法的有效性與優越性。

圖4 低電壓穿越無擾切換DFIG控制框圖Fig. 4 The control block diagram of the non-disturbing LVRT switching of DFIGs

圖5 3種方案的低穿仿真結果Fig. 5 Simulation g results of the three LVRT strategies

3 結論

本文通過理論分析與仿真驗證發現crowbar與chopper 配合的低電壓穿越方法可以大大提高crowbar阻值整定的上限，進而減小轉子電流與定子無功功率的波動，減少電壓恢復后的過渡時間。在crowbar與chopper共同作用的硬件電路基礎之上，配合本文提出的無擾切換的控制策略，可以快速、有效地實現低電壓穿越。

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