雙饋風電機組的低電壓穿越影響因素分析

邵 錕， 李培強， 歐陽惠， 朱 琳， 劉衛健

(湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082)

雙饋風電機組的低電壓穿越影響因素分析

邵 錕， 李培強， 歐陽惠， 朱 琳， 劉衛健

(湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082)

隨著風力發電量的急劇增加，近年對DFIG低電壓穿越保護方案的研究文獻甚多，對系統自身低電壓穿越能力的影響因素報道卻很少。通過DFIG的數學模型，在Matlab/Simulink中建立并網仿真模型，通過仿真探討了網側變頻器最大限值電流和控制網測變頻器不同無功補償時刻對DFIG低電壓穿越能力影響，仿真結果表明合理的限流值能穩定直流側母線電壓，而及時控制網側變頻器進行無功補償則能減少DFIG系統的暫態振蕩，這兩方面都直接或間接地改善了系統的LVRT能力。

風力發電；低電壓穿越；網側變頻器；無功補償；直流母線電壓

隨著國家新能源發展線路的明確，風電行業的發展正在被越來越多的人所關注。在風電技術的選擇方面，雙饋風機已經成為主流，但并網時也存在一些問題。由于雙饋風機的定子側直接與電網相連，對電網電壓的擾動十分敏感，電網故障導致定子側出現直流成分，當不對稱電網電壓跌落時還會出現負序分量。此時雙饋發電機的轉速通常較高，相對于定子磁鏈的直流分量與負序分量而言，轉差率均較大，因而導致了轉子回路的過電壓或過電流，由于DFIG轉子側變頻器和網側變頻器的電力電子過壓、過流能力有限，較高的暫態轉子電流和直流側電壓會對脆弱的電力電子器件構成威脅。因此，轉子側變換器最大電流和網側直流母線最大電壓是制約低電壓穿越能力的兩個主要因素。

針對以上低電壓穿越問題，最常用的方法是在轉子側加入Crowbar電路，即所謂的撬棒保護電路，文獻[1-2]針對傳統的被動式Crowbar的不足，采用主動式Crowbar電路的控制方法實現雙饋風力發電機的低電壓穿越。文獻 [3-4]分析了Crowbar阻值與最大短路電流及其出現時間之間的關系和Crowbar阻值以及投切時間對DFIG的LVRT效果的影響。文獻[5-6]通過裝有Crowbar電路裝置的實驗平臺驗證了其低電壓穿越能力。

以上文獻都得出了很多有價值的結論，但對系統自身低電壓穿越能力的影響因素以及在此基礎上改善抵御故障的能力方面卻很少提及。本文以Matlab/Simulink建立的仿真算例為基礎，探討了網側變頻器不同最大限值電流對直流母線電壓和不同無功補償時刻對雙饋風機系統的影響，仿真結果表明合理的網側變頻器限值電流和無功補償時刻能改善系統本身抵御低電壓故障的能力，恢復風力發電機組的穩定運行。

1 低電壓穿越要求

當風力發電容量相對較小時，在電網發生擾動時，風電機組所采取的大多是自我保護的措施，即在Crowbar電路動作后，風電機組脫離電網，直到電網電壓恢復正常時，風電機組再次投入運行。然而，當風力發電容量很大時，在電網出現故障的情況下，所有的風電機組都同時脫離電網，而不能像常規能源那樣在電網故障的情況下對電網提供頻率和電壓的支撐，那么將會給電網的安全運行帶來不利的影響。為此電力部門針對風力發電機組并網發電，已經開始出臺了一些相關的法規，但目前不同國家甚至同一國家的不同地區可能有不同的規定。在這些標準中，德國的E.ON標準是影響最大的標準之一[7-9]，如圖1所示。

圖1 E.ON公司低電壓穿越能力要求

圖1 中，僅當電網電壓值處于圖示折線下方才允許風機脫網，而在折線以上區域，風機應繼續保持并網，等待電網恢復。且當電壓位于圖中虛線框區域時，還要求風機向電網提供無功功率支撐以協助電網電壓恢復。當電壓跌落至額定電壓的15%時，要求風機提供無功支持并保持并網至少625 ms，而在電壓跌落到90%以上時風機應一直保持并網，且要求風力發電系統在電網故障后20 ms之內對電網進行無功補償。

2 DFIG數學模型

雙饋感應發電機的基本結構與繞線式轉子異步電機相似。圖2給出了DFIG等效電路。

圖2 Crowbar激活時DFIG等效電路

按照電動機慣例，由圖2可得到DFIG在同步坐標系下定、轉子電壓方程：

定、轉子磁鏈方程：

忽略定子側電阻，DFIG定子側發出的有功和無功功率為：

電磁轉矩方程為：

3 DFIG低電壓穿越仿真分析

為驗證上述提出的低電壓控制策略的有效性[10]，在Matlab/Simulink中建立如下風機并網仿真結構圖(圖3)。風電場總裝機容量為9 MW，包含6臺1.5 MW并聯的雙饋風電機組，通過575 V/25 kV升壓變，輸電線路連接到無窮大電網。在并網處高壓側25 kV母線上設置一個500 ms的85%電壓跌落。風機系統仿真參數見表1。

表1 雙饋風機系統參數

3.1 電網電壓三相電壓跌落發生器的模擬

三相等幅電壓跌落是典型的故障類型，而Simulink/Sim-PowerSystems里并沒有用于任意三相等幅電壓跌落的仿真模塊，本文采用升-降變壓器組合形式來模擬三相電壓跌落，如圖4所示。

圖4 升-降變壓器組合模擬器

三相電壓跌落模擬通過設置變壓器不同的電壓比來模擬不同等級的電壓跌落，升壓變壓器和降壓變壓器的電壓比相反。正常運行時，三相斷路器2斷開，同時三相斷路器1閉合，電網電壓經降壓變壓器先降壓后經升壓變器向負載供電，當需要電壓跌落時，三相斷路器2閉合且三相斷路器1斷開，則負載電壓跌至降壓變壓器的二次側電壓，當三相斷路器2斷開同時斷路器1閉合時，負載電壓恢復正常。圖5顯示采用升-降變壓器組合形式模擬85%的電壓跌落，跌落深度和仿真設定情況完全吻合，且沒有波形的畸變。

圖5 定子側85%的三相電壓跌落

3.2 網側變頻器限值電流對直流側母線電壓的影響

網側變頻器采用直流電壓外環、交流側電流內環的雙閉環串級結構控制器，主要功能之一就是穩定直流母線電壓。電壓外環控制輸出直流電壓，電壓控制器的輸出作為電流內環的給定。電網電壓嚴重跌落時，網側變頻器為了維持輸出功率恒定，電流值突增，可能會造成變流器功率器件的損壞。因此，對網側變頻器采取限流措施是非常有必要的。

由DFIG的數學模型可推導出風機直流母線側電容電壓的表達式如下：

圖6 網側變流器不同電流限值時的直流側電壓

從圖6中可以看出，三種不同網側變頻器限值電流下直流母線電壓都會突增。越大，網側控制作用越強，直流母線電壓振蕩幅值越小。反之，越小，控制作用越弱，直流母線電壓振蕩幅值則越大，系統的暫態過程也越長。可見，DFIG網側變頻器本身具有一定的抵御故障的能力，如果電流限值選擇恰當的話，還可以盡可能地縮減直流側母線電壓的峰值，在一定電壓范圍內避免外加保護電路的必要。

3.3 網側變頻器不同無功功率補償時刻對DFIG系統的影響

E.ON標準中規定風力發電系統需要在電網故障后20 ms之內對電網進行無功補償。但是在電壓跌落初期DFIG系統中存在著暫態浪涌電流，此時對系統進行無功補償有可能會加劇系統的暫態過程。故障各分量的暫態衰減時間一般為60～120 ms[18]。在暫態過程消除之后再進行無功功率補償明顯無法滿足E.ON標準中對無功功率補償時間的要求。因此需要研究電壓跌落后不同無功功率補償時刻對DFIG系統穩定運行的影響，為制定雙饋感應發電機系統無功功率補償方法提供參考依據。

圖7 網側變頻器不同補償時刻對DFIG系統的影響

圖7中的波形顯示了DFIG使用網側變流器進行無功功率補償和滯后100 ms無功補償的響應情況。其中實線(藍線)波形是網側變流器無功電流在0.3 s電網電壓跌落時立即發送0.3 pu無功電流的仿真結果。虛線(紅線)波形是網側變流器在0.3 s電網電壓跌落后延遲100 ms發送0.3 pu無功電流的仿真結果。

圖7(a)和(b)中的波形顯示故障發生后立即進行無功功率補償和延遲100 ms進行無功功率補償對風電場輸出的有功和無功功率并沒有產生明顯的差異。圖(a)中有功功率的情況基本相同，圖(b)中的波形顯示在電壓跌落發生之后立即進行無功功率補償比延遲100 ms進行無功功率補償會產生稍小的無功功率波動，但曲線形態基本一致。說明在電網電壓跌落之后盡快進行無功功率補償并不會由于系統中存在著暫態浪涌電流而加劇系統的振蕩，反而會由于及時向系統輸送了無功功率而減少系統的暫態過程。圖(c)是變頻器直流母線電壓變化情況，可以看出，立即進行無功功率補償比延后進行無功功率補償的峰值稍大，但兩條曲線形態一致，實線和虛線之間的差異很少。圖(d)和圖(e)是網側變頻器有功和無功電流的波形。和圖(a)和圖(b)情況相同，實線和虛線差異很小，表明無功功率補償時刻對網側變頻器的影響較小。圖(e)中，故障前網側變頻器以單位功率因素運行，故障后在給定的時刻向電網滯后100 ms輸送了0.3 pu的無功電流，這與仿真的設定是相符的。

由此可以得知，在電網電壓跌落之后盡快進行無功功率補償并不會由于系統中存在著暫態浪涌電流而加劇系統的振蕩，應該盡快對系統進行無功功率補償。

4 結論

本文通過仿真，探討了網側變頻器最大限值電流對直流母線電壓的影響和不同無功補償時刻對雙饋風機系統的影響，結果表明：適當提高網側最大限值電流能夠提高DFIG自身的低電壓穿越能力，輕微電壓跌落時可減少低電壓保護電路的使用；滯后無功補償不會減少系統的暫態振蕩，因此必須盡快對系統進行無功功率補償來滿足E.ON標準中對風力發電系統無功功率補償時間的要求。

[1]蘇平，張靠社.基于主動式IGBT型Crowbar的雙饋風力發電系統LVRT仿真研究[J].電力系統保護與控制，2010，38(23)：164-171.

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[3]朱曉東，石磊，陳寧，等.考慮Crowbar阻值和退出時間的雙饋風電機組低電壓穿越[J].電力系統自動化，2010，34(18)：84-89.

[4]馬文龍.Crowbar保護在雙饋異步風力發電系統電網故障穿越中的應用[J].電力自動化設備，2011，31(7)：127-130.

[5]凌禹，程孟曾，蔡旭，等.雙饋風電機組低電壓穿越實驗平臺設計[J].電力電子技術，2011，45(8)：37-38.

[6]杜強，張惠娟，張同慶.雙饋風力發電機組撬棒電路保護技術的研究[J].電力電子技術，2011，45(8)：48-92.

[7]蔣雪冬，趙舫.應對電網電壓驟降的雙饋感應風力發電機Crowbar控制策略[J].電網技術，2008，32(12)：84-89.

[8]張學廣，徐殿國.電網對稱故障下基于activecrowbar雙饋發電機控制[J].電機與控制學報，2009，13(l)：99-103.

[9]李建林，許洪華.風力發電系統低電壓運行技術[M].北京：機械工業出版社，2008：176-180.

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Analysis on low voltage ride through influencing factors of doubly-fed wind turbines

With the dramatic increase of the proportion of wind power in the power system,in recent years much of literature researchs about the protection schemes of LVRT of DFIG were made,less on the factors of the system itself.Through the mathematical model of DFIG,the grid-model was built up in Matlab/simulink.Then the effect factors of DFIG low voltage ride-through ability were simulated,and the influence of grid-side converter maximum current to the DC bus voltage and different reactive power compensation time to DFIG system were disscussed.Finally the conclusion of reasonable limiting value was obtained and the LVRT ability of system itself could be improved by compensation time.

wind power generation;low voltage ride through;grid side converter;reactive power compensation;DC bus voltage

TM 743

A

1002-087 X(2016)03-0684-03

2015-08-16

國家自然科學基金資助項目(51277055)

邵錕(1987—)，男，湖北省人，碩士生，主要研究方向為風力發電低電壓穿越技術。