雙饋風電機組低電壓穿越綜合控制策略研究

朱月潔，郭 志，詹仲強，侯繼光，李廣場

（1.國網新疆電力有限公司檢修公司，新疆 烏魯木齊 830001；2.國網安徽省電力有限公司淮南供電公司，安徽 淮南 232000；3.國網新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

電網發生短路故障導致風電機組的端電壓下降，當電壓降到某一值且無其他有效措施時，考慮到風電機組本身安全，將切除風機，因此為不影響電網運行，要求風電機組具備適當的低電壓穿越能力［1］。在電網故障導致風電機組機端電壓跌落較輕時，雙饋風電機組通過一定的控制策略能夠持續并網運行［2］。但在電網電壓跌落嚴重時，轉子側電流及直流母線電壓均會急劇增大，僅依靠風電機組自身控制策略難以滿足并網要求，易造成變流器及直流母線電容損壞，因此必須借助其他措施進行保護。

目前國內通常借助撬棒（Crowbar）電路和直流卸荷（Chopper）電路來達到保護風電機組的目的。文獻［3］從理論上分析轉子故障電流，并驗證Crowbar電路不同退出時刻的影響；文獻［4］提出利用Chopper 電路可完成風電機組高電壓穿越；文獻［5］提出了通過控制Crowbar 電路在不同時刻投入不同電阻值的思路來提高風電機組低電壓穿越能力，但未考慮Crowbar 電路電阻值較大時直流母線側過電壓問題；文獻［6］分析了Crowbar 電路兩種類型，即被動式與主動式，但振蕩時間過長；文獻［7］提出了電阻串聯電容的改進Crowbar 電路結構，但未考慮轉子側及母線側過電壓問題。

針對上述問題，在分析電網故障時DFIG 暫態特性的基礎上，提出了一種“電阻串聯電容Crowbar 電路+Chopper 電路”的改進雙饋機組結構，借助串聯電容補償故障期間DFIG 從電網吸收的無功功率，同時利用Chopper 電路防止直流母線過電壓，并給出了Crowbar 電路電阻值與電容值的選取方法。

1 電網故障時DFIG 暫態特性分析

1.1 DFIG 數學模型

采用電動機慣例，忽略磁飽和現象，將雙饋風機在ABC 靜止坐標系下磁鏈方程轉換到以定子軸為參考系的坐標軸中，如式（1）所示。

式中：us、is、Ψs是指以定子軸為參考系的坐標系下的定子電壓、電流及磁鏈；ur、ir、Ψr是指以定子軸為參考系的坐標系下的轉子電壓、電流及磁鏈；ωr為轉子旋轉角速度；Ls、Lr、Lm分別為定子電感、轉子電感與定子轉子互感；Rs為定子電阻；Rr為轉子電阻；p 為微分算子。

1.2 轉子側電流分析

由式（1）可得轉子電流與磁鏈關系式為

當電網發生故障時，DFIG 機端電壓瞬間跌落，而磁鏈根據守恒定律不能突變，此時轉子磁鏈Ψr將有直流磁鏈分量Ψr1和交流磁鏈分量Ψr2共同組成，且有Ψr1>>Ψr2，忽略交流分量，轉子磁鏈表達式為

將式（3）故障時刻轉子磁鏈表達式轉換到時域中，有

式中：｜Ψr1｜為故障瞬間轉子磁鏈有效值；Tr為轉子磁鏈直流分量衰減時間，Tr=（Ls1+Lr1）／Rr，Ls1和Lr1分別為定子勵磁漏感、轉子勵磁漏感。

同理可得故障瞬間定子磁鏈有效值｜Ψs1｜及定子磁鏈直流分量衰減時間Ts，由于DFIG 的勵磁電感Lm遠大于Ls1、Lr1，忽略勵磁漏感，將式（4）代入式（2）可得時域下故障時轉子暫態電流表達式為

從式（5）可以看出，由于定轉子漏感較小，所以磁鏈直流分量感應出的故障電流很大，甚至超出轉子額定電流的5～10 倍，若不對轉子側變流器采取保護措施，很容易給雙饋風機系統造成不可逆轉的嚴重損傷。

2 雙饋風機低電壓綜合控制策略分析

2.1 改進的雙饋機組結構

Crowbar 電路是雙饋機組低電壓穿越的保護常用措施之一，其結構簡單易于實現。在電網發生故障時，投入Crowbar 電路來短接轉子側變流器，能夠保護轉子側變流器不被損壞。考慮到Crowbar 電路投入致使雙饋機組變流器退出運行而成為異步發電機后，在暫態過程中會吸收大量無功功率，文獻［7］在Crowbar 電路中串聯電容用于補償無功功率的損失，但未考慮機端電壓跌落較深時，直流母線過壓問題。因此采用主動式DC-Chopper 電路配合串聯電容的Crowbar 電路的低電壓穿越保護技術，如圖1 所示。

圖1 改進的雙饋風電機組結構

2.2 Crowbar 電路電阻值的選取

對于Crowbar 電阻值的選取，主要考慮兩個因素：一是如何較快地消耗故障時轉子側的浪涌電流，此時電阻值越大越好；二是防止母線過電壓而擊穿直流電容，此時電阻值不能過高。因此，對電阻值的選取采用如下方法。

轉子暫態電流小于預設的最大值Imax，即：

由（6）可得Crowbar 電阻最小值為

同時，為防止母線過壓而損壞母線側電容器，則Crowbar 電阻段電壓要小于轉子側最大電壓與母線側電容器電壓中的較小值，即：

由式（8）可得Crowbar 電阻最大值為

式中：Us是指機端電壓；Urmax為轉子側允許最大電壓；Udc為直流母線電壓。需要注意的是在對Udc進行選取時，由于DC-Chopper 電路的投入，能夠較好保護直流母線電容不被損壞，因此相對沒加入DC-Chopper電路的雙饋機組而言，Udc選取值較大，由式（9）可知，Rmax可選取較大值，也就是說DC-Chopper 電路的加入，在一定程度上提高Crowbar 電路的電阻值，能夠在一定程度上提升雙饋機組低電壓穿越能力［8］。

2.3 Crowbar 電路電容值的選取

Crowbar 電路串聯電容后，能夠減小轉子側的等效自感，因此減少了時間常數Tr，同時在一定程度上抑制轉子浪涌電流幅值，縮短轉子故障電流暫態過程。Crowbar 電路串聯電容后的等效電路如圖2 所示。電網電壓跌落后，若使轉子電流暫態時間常數Tr0=0，則轉子電流暫態直流分量消除，以此來計算串聯電容值的大小。

圖2 串入電容后的Crowbar 電路T 型等值電路

根據圖2 串入電容后的Crowbar 電路T 型等值電路可得定子及轉子的時間常數Ts0和Tr0為：

式中：Lst0、Lrt0分別為加入電容后的定子電感和轉子電感。

其中：

當Tr0=0 時，可以得到串聯電容值為

2.4 雙饋風機低電壓綜合控制策略

Crowbar 電路一般選擇當檢測到轉子電流超過上限值Imax（通常為額定電流的1.2～1.5 倍）時投入。對于Crowbar 電路退出時刻而言，目前常采用2 種方案：方案Ⅰ在檢測到轉子電流低于下限值Imin（一般設定為額定電流）時，Crowbar 電路退出；方案Ⅱ在檢測到故障消除后的一個周波退出Crowbar 電路。根據文獻［9］可知，根據風電機組機端電壓跌落程度的不同，兩種控制策略均有各自適用范圍。

對于DC-Chopper 電路投切控制，與上述Crowbar 電路類似，當檢測到直流母線電壓高于上限值Umax時投入運行，利用Chopper 電路電阻進行直流卸荷，在檢測到直流母線電壓下降至下限值Umin時Chopper 電路切除運行，以此來保護直流母線電容不被損壞。

3 仿真分析

首先在Matlab／Simulink 軟件的仿真平臺上搭雙饋風力發電系統，如圖3 所示。

圖3 中雙饋機組額定功率為1.5 MW，其參數如表1 所示，風機機組經575 V／25 kV 升壓變壓器接入電網，通過設置短路模塊的接地電阻阻值和短路點發生位置，得到跌落不同程度的機端電壓。

表1 雙饋風力發電系統參數

圖3 雙饋風力發電系統仿真搭建

3.1 電阻串聯電容Crowbar 電路仿真分析

根據式（9）選取Crowbar 電路電阻值，Imax、Umax分別設為1.5 pu 與1.1 pu，Imin、Umin設定為額定值，設置電網在t=0.5 s 時發生三相短路故障，機端電壓跌落至0.2 pu，故障持續時間為0.3 s，Crowbar 電路退出時刻采用方案Ⅱ，對電阻串聯電容電路進行仿真，雙饋風電機組轉子側電流、直流母線電壓及無功功率如圖4 所示。

圖4 Crowbar 純電阻電路與電阻串聯電容電路的轉子電流及直流母線電壓

由圖4 可知，在0.5 s 電網發生三相短路故障后，Crowbar 純電阻電路與電阻串聯電容電路均能將轉子側電路控制在閾值以內。但是相較于純電阻電路而言，投入電阻串聯電容電路不僅使故障后轉子過電流降至額定值的時間由原來的0.05 s 縮減到0.02 s，壓縮故障初期的轉子浪涌電流時間，減少了雙饋機組暫態過程，而且有效減少了故障期間雙饋機組向系統吸收的無功功率，有利于雙饋機組低電壓穿越。然而兩種電路的直流母線電壓均超過額定值的1.1 倍，對直流母線側電容造成不利影響，因此需要考慮在直流母線側加入DC-Chopper 電路。

3.2 電阻串聯電容Crowbar 電路仿真分析

同樣的設置t=0.5 s 時電網發生三相短路，機端電壓跌落至0.2 pu，故障持續時間為0.3 s，Crowbar電路退出時刻采用方案Ⅱ，在直流母線側加入Chopper 控制電路，其電阻值的選取0.45 Ω［8］，雙饋機組轉子側電流與直流母線電壓如圖5 所示。

將圖5 與圖4（c）和圖4（d）進行比較可知，加入Chopper 電路后，未發生直流母線電壓越限情況，直流側電容器安全得到保證，此外轉子電流與無功功率也得到較好穩定。因此直流母線側加入Chopper電路配合轉子側電容串聯電阻的Crowbar 電路的低電壓綜合穿越控制策略能夠有效提高雙饋機組低電壓穿越能力。

圖5 DC-Chopper 電路加入后的轉子電流及直流母線電壓

4 結語

對轉子暫態電流進行分析，給出轉子暫態電流數學表達式，從理論上說明雙饋機組低電壓穿越必要性。在雙饋機組低電壓穿越時以抑制故障期間轉子電流并兼顧防止直流母線過電壓為目的，提出了在轉子側Crowbar 電路電阻串聯電容，在直流母線側加入Chopper 電路的雙饋機組低電壓綜合穿越策略。依據轉子暫態電流表達式從理論上給出了Crowbar 電路電阻值及串聯的電容值的取值方法。在Matlab／Simulink 仿真平臺上搭建系統模型，分別從Crowbar 純電阻電路、Crowbar 電阻串聯電容電路以及加入Chopper 電路后3 個方面進行仿真驗證，結果表明該低電壓綜合穿越策略能夠有效提升雙饋風電機組低電壓穿越能力。