雙饋風電場故障下低電壓穿越控制研究

張欽智　楊夢寧　趙亭亭

摘 要：當雙饋風電場接入交流電網時，若電網側發生故障，風電場需要具有低電壓穿越的能力。為此本文提出在風電場內利用風電機組撬棒保護電路抑制轉子回路過流以及斬波電路保護穩定直流母線電壓來實現故障穿越的控制策略，并基于PSCAD軟件建立仿真模型，在交流電網側發生三相短路故障下進行控制策略仿真分析，對綜合保護控制策略進行了驗證。

關鍵詞：雙饋風力發電;低電壓穿越;撬棒保護;斬波電路保護

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.138

1 雙饋風電場系統結構及運行原理

雙饋風電系統的組成部分主要為葉片、風力機、雙饋感應發電機、背靠背式換流器、變壓器及線性等值器等組成。根據其結構，發現其使用纏繞式異步發電機，且轉子側連接到背靠背換流器。定子側直接與電網相連，這使得電能可以通過定子直接輸送給電網，有功或無功功率則可以通過轉子經過背靠背式變流器向電網輸送[1]。

在背靠背換流器中，直接連接到電網的部件稱為電網側換流器（grid side converter，GSC）。另一個連接到雙饋感應發電機轉子的是轉子側換流器（rotor side convert，RSC）。GSC可以保持風電系統直流電壓恒定并控制電網側無功功率。RSC則能夠調節勵磁電流幅值、相位、頻率，維持并網電壓頻率和電壓的恒定，同時保證能夠無沖擊并網。本文在傳統研究上對風電場內部控制進行了改進，在轉子側應用Crowbar保護電路，在直流母線并聯了Chopper保護電路。

2 低電壓穿越控制方案

2.1 風場內Crowbar電路保護控制

Crowbar電路由一個單管IGBT和放電電阻組成。其中，三相整流橋連接到發電機轉子，IGBT的功能是控制Crowbar電路的斷開或閉合。采用單管IGBT的結構，適合簡化Crowbar的控制。當轉子轉換器需要保護時，分流電阻器通過二極管整流橋和關斷裝置等效地連接到風電場內轉子回路上[2]。

當電網電壓下降時，會導致轉子過流，并且在檢測到直流母線過電壓或轉子過電流后，Crowbar電路將輸入。防止發電機轉子電路的涌入電流流入變流器，并且抑制DC線路電壓的上升以保護換流器。在原始Crowbar電路中，提出了轉子過電流檢測控制，即，在下降到極限值一段時間后，Crowbar電路斷開并且轉子側換流器恢復。

2.2 風場內Crowbar電路保護控制

如上所述，當電網電壓下降時，將引起轉子過電流，并且轉子回路過電流將容易導致直流總線電容器充電，這極大地增加了直流總線電容器將被擊穿的可能性。因此，在故障時保持直流總線電壓恒定尤為重要。Chopper保護電路通過不斷的投切將直流電壓保持在合理的范圍內。風電場中的Chopper保護是在直流母線側的并聯耗能電阻電路，它反復改變投入或切出的狀態，從而消耗風電場故障中的過大沖擊功率。

3 仿真驗證

為了驗證雙饋風電場在電網側發生故障擾動時具備故障穿越的能力，本文在PSCAD軟件搭建雙饋風電場并網系統模型，4s時在交流電網側設置三相接地故障，電壓下降至20%左右，故障在0.15s后消失，模型的仿真結果如圖1所示。

雙饋發電機參數：額定功率為5MW，額定電壓為0.69kV，額定頻率為50Hz;定子側電阻為0.0054p.u.，轉子側電阻為0.0061p.u.;定轉子互感為0.02p.u.，定子側自感為0.10p.u.，轉子側自感為0.11p.u.;轉動慣量為4s，機械阻尼為0.0001p.u。

單臺雙饋發電機的額定功率為5MW，模型中為單臺風機組成的500MW雙饋風電場。模在雙饋風場內加入Crowbar和Chopper保護電路，Crowbar電阻值為1，Chopper電阻值為0.4;Crowbar起始電流為3kA，Chopper投入上下限電壓分別為1.7kV和1.5kV。

圖中對比了有無Crowbar電路下的轉子電流大小。可以看出，Crowbar電路在故障發生時進入輸入狀態，并且可以在故障結束后快速切斷。而在無Crowbar電路的情況下，發生故障后，轉子電流達到接近4kA，此時導致機側變流器電流、有功和無功都會產生振蕩，風電系統將存在被電網切除的可能。加入Crowbar電路后，使轉子電流在故障期間不會超過設定值3kA，有效地控制住轉子電流從而達到降低轉子電壓的目的。

圖中分析了有無Chopper電路下的風機換流器直流電壓的大小。可以看出，斬波器保護電路采用滯后控制切換策略，該策略檢測直流母線電壓，當其過高時輸入，并在過低時切斷，從而使直流母線電壓維持在一個合理的運行區間，所以在運行過程中，一直保持投切的狀態。仿真結果有效的驗證了Chopper電路的保護作用，在無故障期間，使電壓一直維持在設定的1.5kV-1.7kV范圍內波動，并且在發生故障時，保持直流電壓不會超過設定值，有效地限制住了直流母線過電壓的產生。在無Chopper保護電路投入時，發生故障后直流母線電壓瞬間增大，極易導致直流母線電容被擊穿，并且在故障切除后，不能快速恢復到穩定值，對風機系統造成很大的負面影響。

4 結論

雙饋風電場的低電壓穿越能力對系統的安全穩定運行具有重要意義。本文提出了一種新的綜合故障穿越控制策略，即在風電場交流電網側發生三相短路故障。在風電場中，撬棍保護電路用于抑制轉子電路的過電流，斬波保護電路穩定直流母線電壓，實現故障穿越控制策略。它可以穩定直流電壓，滿足故障穿越的要求。控制策略可以有效提高系統低電壓穿越能力。最后，使用PSCAD進行的仿真驗證證明了控制策略的有效性。

參考文獻：

[1]王紫薇，肖繁，王友懷，張哲，尹項根.適用于雙饋風電場聯絡線故障選相方法[J].電力系統自動化，2018，42（08）：170-176.

[2]蔡文超，楊炳元，李超，李佳琪.Crowbar優化控制策略下的雙饋風機無功調節能力研究[J].水電能源科學，2018，36（07）：140-144.

作者簡介：張欽智（1995-），男，山東濟南人，碩士研究生，研究方向：配電網及其自動化、新能源發電技術。