基于耗能型Crowbar的風電機組低電壓穿越能力研究

牛進才 王正創 唐瑞華 丁為民

（1.巢湖學院 電子工程學院，安徽 巢湖 238000；2.巢湖學院 信息工程學院，安徽 巢湖 238000）

0 引言

風能已成為我國發展最快的可再生能源，因其出色的低碳、綠色、節能、環保等優點得到大力的發展。目前，風力發電的總裝機容量正在逐年增加，風力發電“十三五”規劃將原規劃的2020年風電總裝機容量上調至2.1億千瓦以上，“十三五”規劃綱要明確提出將繼續推進風力發電的發展。隨著風電的快速發展，減少棄風限電現象的發生，大規模風電的并網運行已成為發展趨勢。從電網運行的安全角度考慮，要求并網運行的風電機組具有低電壓穿越能力。風電機組的低電壓穿越（LVRT）能力，是指當電網故障或擾動引起風電場并網點的電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍之內，風電機組能夠不間斷并網運行，穿越電壓跌落區，直至電網恢復正常運行。世界各國均對風電機組的低電壓穿越能力提出了相關標準和技術要求。中國國家電網公司規定的風電場低電壓穿越要求為[1]：

（1）要求風電場內的風電機組具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時，能夠保持并網運行625 ms的低電壓穿越能力；

（2）風電場并網點電壓在發生電壓跌后3 s內能夠快速恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組仍能夠保持并網運行。

除上述規定外，當電網電壓發生電壓跌落時，風電機組的低電壓穿越能力要求風電機組能夠不間斷對電網提供一定的無功功率，以支撐電網電壓[2]。由風電機組并網點電壓跌落的程度決定其提供無功功率的大小。一般情況下，風電場內的風電機組不參與電網系統的頻率調整，但在需要時要求其根據電網的調度指令合理分配風電機組的有功功率。

1 電壓跌落對直流母線的影響

風力發電系統按照發電方式的不同可分為恒速恒頻系統（CSCF）和變速恒頻系統（VSCF）兩大類。目前，VSCF風電系統己逐步代替CSCF風電系統，其應用范圍更加廣泛。雙饋型機組和永磁直驅型機組在VSCF發電系統中運用較多，發電效率較高。在雙饋型風電機組中，風力機通過增速齒輪箱與發電機藕合，雙饋異步發電機轉子通過功率變流器與電網耦合。發電機定子直接與電網連接，可實現功率的雙向流動，發電機通過轉子變流器和定子繞組將所發電能饋入電網，同時電網也可以向其輸入一定的無功功率。針對雙饋型風電機組，由于受電力電子功率器件的過流能力限制，其是否能夠實現低電壓穿越，一直被學術界研究和關注。永磁直驅型風電機組通過背靠背全功率變流器與電網隔離，風電機組與電網之間不是直接相連，而是通過全功率變流器與電網耦合，因此永磁直驅型風電機組對電網的沖擊較小，低電壓穿越能力具有一定的優勢，并能對電網進行無功功率補償[3-4]。由于其機側變流器未直接和電網連接，因此當電網發生故障時，功率將繼續從風力發電機傳送到機側變流器。網側變流器由于受電網故障的影響，同時又受到額定電流的限制，不能將機側變流器輸出的功率全部輸送至電網，多余的能量將存儲在直流環節的母線電容器之中，使直流側母線電壓驟升，甚至危害全功率變流器的安全運行。為避免對電網產生諧波污染，同時要在網側變流器交流端加裝濾波裝置。

直流側母線電容主要起能量緩沖的作用，當電網系統正常運行時，風電機組能夠并網運行，直流側母線電壓能夠維持平衡，流過直流母線電容的電流近似為零，且不會產生大的電壓波動。若忽略功率開關器件和線路的功率損耗，可近似認為背靠背變流器兩側的瞬時功率相等，即機側變流器的輸入功率等于網側變流器的輸出功率。

當電網發生短路故障時，電網電壓egd階躍跌落至，機側變流器輸出的功率保持不變，由于全功率變流器的瞬時功率保持平衡，此時網側變流器的有功電流從igd階躍上升至，即機側變流器輸出的有功功率為：

由公式（3～6）可知，機側變流器輸出的剩余功率ΔP將存儲于直流環節的電容器當中，勢必電容器端電壓Udc將高于電容器的起始電壓，直至滿足。因此為防止過電流損壞全功率變流器，必須對其進行限流保護[5-6]。假設過電流限流幅值用標幺值進行表示，取1.5 p.u，若電網發生短路故障前全功率變流器以額定功率運行，電網故障后電網電壓跌落至額定電壓的20%，則，顯然此時的電流必須達到5 p.u才能實現功率平衡，遠大于限流幅值的1.5 p.u。此時大量的能量將存儲于直流母線側的電容器當中，使直流母線電壓驟升，進而損壞變流器，甚至造成風電機組和電網的解列運行，失去低電壓穿越能力。因此必須采取措施消除直流側母線過電壓。

2 基于耗能型Crowbar的低電壓穿越控制策略

為減少直流側母線過電壓，增強風電機組的低電壓穿越能力，文獻[7-11]對風電機組的低電壓穿越技術進行了研究，其主要策略為：

（1）在發電機定子側加裝基于能量卸荷單元的撬棒電路，卸荷電阻經過晶閘管與風力發電機定子側連接；

（2）在電網側加裝基于交流開關的保護電路，通過控制交流開關的狀態來確定風電機組和電網的連接狀況；

（3）在DC-link上加裝耗能單元，當檢測到直流母線電壓過高時，通過卸荷電阻釋放多余的能量；其電路結構簡單，經濟可靠，在風電系統中得到廣泛應用。

（4）在DC-link上加裝儲能單元，當檢測到直流母線電壓過高時，將多余的能量存儲在儲能單元中，故障消除后再將存儲的能量回饋至電網；

（5）額外加裝一套備用網側變流器，當檢測到電網電壓跌落時，利用備用變流器轉移多余的能量。

針對控制策略（3），本文采用基于耗能型Crowbar電路的低電壓穿越控制策略，其由兩種拓撲結構組成，如圖1和圖2所示。在圖1的機側變流器和網側變流器之間，加裝耗能單元，卸荷電阻通過絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）與直流母線并聯，通過控制電路對IGBT的導通和關斷進行控制，維持直流側母線電壓恒定。圖2的卸荷電阻與電感器串聯，經過晶體管和IGBT以及直流母線側電容器后，組成Buck電路。由Buck變換器消耗掉直流母線側多余的能量。引入Buck變換器后，降低了功率開關管導通時的沖激電流。延緩了直流母線側電容電壓的上升和下降速度，最終維持直流側母線電壓恒定。

圖1 基于卸荷電阻的耗能型Crowbar電路圖

圖2 基于Buck電路的耗能型Crowbar電路圖

利用脈沖寬度調制技術，采用合理的控制方式，實時調節IGBT的占空比，進而維持直流母線恒定。系統正常運行時，耗能型Crowbar電路不會被切入運行，當電網發生故障，發生電壓跌落時，進入低電壓區域后，切入保護電路。直流母線側功率發生波動時，通過卸荷電阻消耗掉多余的功率，以此來抑制直流側母線過電壓。當電網故障解除后，系統恢復正常運行，Crowbar保護電路隨即自動切除。卸荷電阻的阻值取決于消耗的功變化量和直流母線的峰值電壓，若忽略電路元件的非線性作用，則有：

Crowbar電路的控制方程為：

其中，Udc_max為直流母線側所允許的最大峰值電壓，ΔP為機側變流器的輸出功率與網側變流器的輸入功率之差，Idc_max為直流側母線所允許的最大峰值電流，C為直流側母線電容。

3 控制策略的仿真分析

基于上述的控制策略和分析方法，建立起耗能型Crowbar風電機組的低電壓穿越能力控制模型，利用matlab/simulink仿真工具箱，對其進行仿真分析。以電力系統的故障類型中概率最大的單相接地短路故障為例，分析由此引起的電壓跌落現象。假設電網發生單相接地短路故障，電網系統在0.33 s時發生電壓跌落事故，電壓跌落深度為50%左右，在0.43 s后系統恢復正常運行。基于此假設，系統在0.33 s時發生電壓跌落，進入低電壓區域后，切入耗能型Crowbar電路，功率偏差通過耗能電阻消耗掉。0.43 s后系統恢復正常運行時自動切除該電路。其基于Buck電路的耗能型Crowbar電路低電壓穿越控制策略仿真參數選擇為：

電阻R=0.005 Ω，電感L=0.01 mH，直流母線峰值電壓Udc_max=1.1 p.u。風電機組輸出的電壓、電流波形如圖3所示，電壓和電流的幅值用標幺值進行表示。

風電機組輸出的有功功率和無功功率如圖4所示。通過其波形可以看出，當電網發生電壓跌落時，風電機組輸出的有功功率降低，并向系統提供一定的無功功率。當電網故障排除后，機組輸出的有功功率和無功功率恢復正常。仿真結果也表明直流母線電壓較為平穩，當電網發生電壓跌落時，其電壓發生波動，但其波動幅度不超過4%。

4 結論

由仿真結果來看，采用耗能型Crowbar電路作為風電機組的低電壓穿越控制策略，其電路結構簡單，可靠性較高，易于數字化實現，電壓跌落時，一部分能量被耗能電阻單元所消耗。系統的有功功率恢復較快，但無功功率恢復較慢，可采用一些無功補償裝置，例如采用并聯移相電容，靜止無功補償器和靜止無功發生器等對其進行補償。

圖3 電壓、電流波形圖（標幺值）

圖4 有功、無功功率（標幺值）

為增強風電機組的低電壓穿越能力，可在機側變流器串聯或并聯耗能電阻，也可在直流母線上串接耗能電阻，以此來限制直流側過電流。通過電力系統負荷預測等手段，合理規劃電源的分布情況，將大數據與電網相結合，通過建設堅強智能電網，減少電網的電壓跌事故。采用超級電容器，超導儲能以及飛輪儲能等新的儲能技術，讓風電機組穿越電壓跌落區，實現低電壓穿越。