應用于雙饋風機高低壓穿越的定子串聯阻抗保護方案

葉迪卓然，蔡 旭，饒芳權

（上海交通大學風力發電研究中心，上海 200240）

隨著轉子撬棒（crowbar）保護廣泛應用于雙饋感應發電機 DFIG（doubly-fed induction generator），多數DFIG已初步具備低電壓穿越能力。但隨著風電接入比例的持續提升[1]，Crowbar電路的固有缺陷凸顯。從風機側看，Crowbar保護投入將短路DFIG轉子，機側變流器失去了控制轉子電流的能力，無法調節定子有功和無功輸出；從電網側看，轉子短路的DFIG作為感應電機運行，吸收電網無功，不利于電網電壓恢復。另外，Crowbar電路無法保護定子繞組，難以實現高電壓穿越。

2011年的風電國家標準除規定了DFIG的低壓不脫網運行能力以外，還提出了故障期間的動態無功支撐要求，動態無功電流IT應滿足IT≥1.5×（0.9-UT）IN，其中，UT為風電場并網點電壓標幺值；IN為風電場額定電流。2016年的中國能源行業標準進一步要求風電場能夠穿越過最高1.2倍的故障高電壓。因此，既有的Crowbar保護難以滿足以上的無功支撐和高電壓穿越需求，保護措施亟需改進。

目前，國內外對DFIG的故障穿越已有較多研究[2-6]，對DFIG的無功調節機理亦有闡明[7-9]，但對于電網故障期間DFIG無功支撐能力的分析較少，這可能與Crowbar電路的固有限制有關，需要探索新型電路拓撲和控制策略。文獻[10]使用靜止無功補償器，在高電壓故障時吸收無功電流，使并網點電壓下降；文獻[11]使用動態電壓恢復器DVR（dynamic voltage restorer）在低壓穿越期間維持風機出口電壓；文獻[12]利用動態電壓調節器補償定子電壓，但額外的逆變橋成本較高；文獻[13]采用多功能串聯補償器，能夠限制風機電流突升；文獻[14]在電壓驟升時利用網側變流器進線電抗分壓，穩定直流母線電壓，但其未能解決定子繞組過壓問題；文獻[15]通過增加轉子串聯電阻的方式，改善了低壓穿越期間機組的瞬態特性；文獻[16]提出通過定子串聯阻抗解決DFIG低壓穿越，但未充分利用轉子變流器的控制能力，使阻抗整定值過大。

針對上述不足，本文提出一套定子串聯阻抗與無功電流配合的故障穿越方案。電網故障時，通過及時投入串聯阻抗抑制轉子過流，同時控制轉子變流器調整定子無功電流，實現串聯阻抗的分壓作用并補償定子出口電壓。給出串聯阻抗的整定方法。該方案可實現DFIG的高、低壓穿越，并在低壓穿越期間向電網注入無功電流，高壓穿越期間吸收電網過剩無功，為電網提供功率支撐。基于RTDS的硬件在環仿真平臺驗證方案的有效性。

1 故障期間DFIG定子功率邊界

為了確定故障期間DFIG定子的功率支撐能力，有必要分析DFIG的定子功率極限。將DFIG轉子側參數歸算到定子側，并且設定定子側采用發電機慣例，轉子側采用電動機慣例，可得DFIG等效電路，如圖1所示。

圖1 DFIG等效電路Fig.1 Equivalent circuit of DFIG

DFIG的數學模型可以表達為

并定義定子、轉子感抗為

式中：Rs、Rr分別為定子電阻、轉子電阻；Xσs、Xσr、Xm分別為定子漏抗、轉子漏抗、磁化電抗；Is、Ir、Im分別為定子電流、轉子電流、勵磁電流有效值；s為DFIG轉差率；Ps、Qs為定子輸出的有功和無功功率；Pr、Qr為轉子注入的有功和無功功率。

將定子電流Is分解為有功分量Ids和無功分量Iqs，并代入式（1）得

式（3）體現了轉子與定子間電流的折算關系，表明轉子電流不受轉差率的影響，只與定子電流的有功分量、無功分量有關。定子電流與定子側有功、無功功率的關系為

將式（4）代入式（3），整理可得轉子電流與定子功率之間的關系為

實際機組運行時，制約定子有功、無功運行范圍的主要是定子電流限制和轉子電流限制，設最大定子電流為Ismax，最大轉子電流為Irmax，則定子功率應滿足

根據式（6）可以判定DFIG的定子功率運行范圍。故障期間，由于電網電壓降低，并網點無功功率隨之下跌，不同電網故障深度對應不同的無功功率。因此，并網點的無功電流值才能更準確地衡量故障期間的無功支撐能力，并網導則中對無功支撐能力的規定亦體現了該原則。對于DFIG，在忽略定子電阻的情況下，由式（4）和式（6）可以解出故障期間定子無功電流Iqs支撐能力的邊界值為

2 基于定子串聯阻抗的高、低壓穿越

2.1 定子串阻抗抑制轉子過流機理分析

DFIG遭遇電網故障時，轉子繞組感應出過壓過流，危及變流器安全，因此抑制轉子過流是實現故障穿越的關鍵。采用定子串聯阻抗保護電路，能夠抑制故障瞬間的轉子暫態電流，保證轉子變流器對DFIG的控制能力。

串聯阻抗SI（series impedance）保護電路如圖2所示，其結構主要由快速開關和阻抗支路組成。在正常工作時，旁路開關閉合，阻抗支路被旁路。當電網發生故障時，旁路開關斷開，將阻抗支路串入DFIG定子與電網間。

圖2 定子串聯阻抗結構Fig.2 Structure of stator series impedance

電網發生三相對稱故障時，設電網額定電壓為Um，故障時電網電壓為Ug，電網電壓標幺值h=Ug/Um。故障瞬時相位對三相合成定子磁鏈無影響，由于故障時刻定子磁鏈連續，故障后的定子磁鏈可以分為穩態磁鏈和暫態磁鏈兩部分，最終在定子坐標系下定子磁鏈可表示為分量之和，即

根據雙饋發電機空間矢量模型電壓方程及磁鏈方程，可得轉子坐標系下的轉子開路電壓方程為

將式（8）轉換到轉子坐標系下，代入式（9）可得轉子故障開路電壓為

式中，τs=Ls/Rs。設串聯電感Lsi在故障發生瞬間投入，串聯電感投入后的轉子故障開路電壓為

考慮轉子接變流器時，根據轉子電流動態方程可得實際轉子回路電流與轉子開路電壓、變流器電壓的關系，即

根據式（12），實際的故障轉子電流受轉子開路電壓uro、變流器控制電壓ur共同影響，變流器控制電壓ur在轉子變流器容量范圍內可控。在串聯阻抗Lsi投入后，等效增大了定子漏感Ls，從而限制了故障瞬間轉子的開路電壓。當變流器能夠輸出與相匹配的控制電壓時，轉子涌流將被抑制，保證了轉子變換器的安全。此時定子電壓和磁鏈將依照設定的控制規律，受轉子電流控制變化，則有

串聯電感作為儲能元件，在故障恢復、阻抗切出時存在感性電流續流，如遇重合閘等間斷故障工況，將影響保護效果。因此，串聯阻抗應以電抗分量為主，并串入適當的電阻以快速耗散電感中的過剩能量。

2.2 定子電壓的動態補償機制

電網故障期間，DFIG調節定子無功電流，利用串聯阻抗分壓作用補償定子出口電壓，滿足正常工作電壓要求。以電網電壓為參考向量，設定子出口電壓為s，串聯阻抗分壓為si，利用單相分析法分析串入阻抗的機組定子電路，如圖3所示。

圖3 DFIG定子電路Fig.3 DFIG stator circuit

電網故障期間，DFIG定子應提供無功電流支撐，在條件允許時保持有功功率輸送。DFIG定子出口電壓可表示為電網電壓與阻抗分壓之和，即

將有功、無功電流解耦，得

圖4 定子電壓向量Fig.4 Stator voltage vector

式（16）有功無功解耦后，整理得

式（17）為關于Iqs的二次方程，通過定子電流限制可以舍去其中一解，得無功電流給定的計算公式為

2.3 考慮最大無功能力的串聯阻抗整定

依據第2.2節分析，選定較大的串聯阻抗有利于補償定子電壓，但串聯大阻抗削弱了風機與電網的聯系，不利于對電網提供有功、無功支撐。現以保障風機安全和充分利用定子無功容量為目標進行串聯阻抗整定。

考慮最嚴重的電網三相電壓驟降故障，此時電網電壓跌落至0.2 p.u.。在該嚴重故障下，設定定子有功給定為0，以保證定子具有足夠的無功容量。定子無功電流極限主要受轉子變流器容量限制，根據式（7）和 Ids=0 可得

定子電壓正常工作的范圍為 0.95Um≤Us≤1.05Um。另外，定子電流極限亦在式（19）的計算值基礎上保留5%安全余量。為補償定子出口電壓使其Us≥0.95Um，忽略串聯阻抗的電阻分量，可計算串聯電抗約為

由于電感的儲能性質，有必要串聯電阻，使故障恢復、阻抗切出后電感電流盡快耗散。設計電感電流在1 000 ms內衰減完畢，此時定子時間常數約為t0=200 ms，根據電抗值和Lsi/Rsi≈0.2 s，可推算串聯電阻為

串聯阻抗中，與Xsi相比，電阻分量Rsi占比很小，符合第2.1節中所述串聯阻抗以電抗分量為主的分析。

3 主動穿越策略配合

3.1 快速電網故障檢測

主動故障穿越的實現需要保護裝置快速檢測到電網故障，定子電壓的補償需要用到電網實時電壓，這都要求實現快速電網電壓檢測。常用于DFIG控制的鎖相環檢測需要1/2電網周期的延時，該延時不利于保護的主動投入。本研究應用了無鎖相環的電網電壓檢測方法[17-18]，電網電壓經αβ變換后，求一階導數可得 U'g，α（t）和 U'g，β（t）為

根據 U'g，α（t）和 U'g，β（t），理想電網電壓標幺值 h可表示為

實際求導運算可能會放大噪聲及諧波含量，因此通常采用離散數字量求差分計算代替求導運算，并配合使用數字濾波器[19]。應用該電壓檢測方法后，檢測延時小于1/4電網周期，其快速性優于傳統鎖相環檢測方案，有利于提高串聯阻抗保護性能。

3.2 阻抗投入時序及變流器控制策略

當檢測到電網電壓標幺值h跳變至0.2≤h≤0.9或1.1≤h≤1.3區間時，判定電網分別發生驟降或驟升故障。及時投入串聯阻抗，以限制轉子瞬態電流Ir，保障變流器可控。串聯阻抗投入后，延時50 ms控制轉子變流器，使DFIG定子重新輸出功率。

故障穿越過程中，轉子變流器須調節定子有功、無功電流輸出，補償定子出口電壓。當電網電壓驟降時，應將有功電流給定Ids,req清零,保證有充足的無功電流裕度；而電網電壓驟升時，定子有能力保持有功功率輸出，因此由最大功率點跟蹤MPPT（maximum power point tracking）模塊決定有功電流給定。根據式（18）可以計算出策略所需的無功電流Iqs，作為無功電流給定。故障穿越策略流程如圖5所示。

圖5 故障穿越策略流程Fig.5 Flow chart of fault ride-through strategy

使用經典矢量控制策略控制DFIG，采用雙閉環控制轉子變流器，使用PI控制器控制轉子變流器電壓udr、uqr。網側變流器則運行在直流電壓穩定模式，完整控制流程如圖6所示。檢測到電網電壓恢復時，DFIG定子停止向電網注入無功電流，此時串聯電抗不再承擔分壓作用。待100 ms后重新短路串聯阻抗，DFIG恢復為正常運行。

圖6 DFIG變流器控制流程Fig.6 Flow chart of DFIG converter control

4 案例設計與無功支撐分析

現以2 MW的DFIG為算例，進行串聯阻抗整定，并分析各故障深度下的無功支撐能力。DFIG參數見表1。

表1 2 MW DFIG主要參數Tab.1 Main parameters of 2 MW DFIG

4.1 DFIG串聯阻抗整定

根據式（20），可計算串聯電抗約為

其對應的電感量為0.746 mH。根據式（21）可推算串聯電阻約為3.790 mΩ。

采用上述串聯阻抗參數，在0.2 p.u.的嚴重低電壓故障下，可補償DFIG定子出口電壓至額定電壓的95%，也即為0.656 kV。同時，定子提供無功支撐電流1.26 kA，對應無功支撐功率0.301 Mvar。在1.3 p.u.的嚴重高電壓故障下，串聯阻抗能夠保證定子繞組安全，在發出1.5 MW有功功率的同時吸收1 Mvar過剩無功功率。

4.2 不同故障深度下DFIG無功支撐能力分析

在選取了合適的串聯阻抗后，DFIG在電網電壓為0.2～1.3 p.u.的不同故障深度下，均可保持不脫網運行，并提供無功支撐。本節分析電網在各故障深度下，DFIG定子的無功支撐能力，并與并網標準中的無功支撐需求進行對比。

4.2.1 低壓穿越

電網低電壓故障時，DFIG應提供感性無功電流支撐，以支撐電網電壓恢復。圖7為不同深度的低電壓故障下DFIG所能提供的感性無功支撐電流。

基于串聯阻抗的故障穿越策略下，DFIG定子容量得到充分利用，已能夠提供并網導則所要求的大部分無功電流。DFIG網側變流器無功容量投入后，在各故障深度下均能滿足并網導則要求，支撐電網故障恢復。

圖7 低壓穿越時的感性無功支撐電流Fig.7 Inductive reactive support current during LVRT

4.2.2 高壓穿越

與低壓穿越相反，當電網發生高電壓故障時，常見于電網節點感性無功過剩，需要DFIG吸收過剩無功，防止故障擴大。電網電壓升高有利于功率傳輸，在DFIG容量允許時應保持有功送出。因此，高壓穿越時無功電流Iqs與電網電壓Ug與有功電流Ids均有關。不同故障深度下DFIG無功吸收能力如圖8所示。

圖8 高壓穿越時的感性無功吸收電流Fig.8 Inductive reactive current absorbing during HVRT

高壓穿越時，DFIG可以在較大范圍內運行，并補償定子電壓，實現安全穿越。同時，高壓穿越時由于同時輸出有功和無功功率，其定子電流較大，應注意轉子變流器和定子容量限制，超出時降低有功電流給定值。

由于補償了定子出口電壓，且各繞組電流在額定值以內，在故障期間DFIG可保持長時間運行。

5 電網高低壓故障穿越仿真驗證

實時數字仿真器（RTDS/RSCAD）能夠實時、精確地模擬電力系統的運行，其小步長模塊仿真步長可低至1.4 μs，能夠準確復現電力電子器件開關特性。同時，RTDS可與硬件控制器實時通訊，實現硬件在環仿真。為驗證本文所提的動態無功支撐策略，基于RTDS實時仿真器和風機硬件主控DSP構建了DFIG故障穿越硬件在環仿真系統。

RTDS中的仿真模型包括DFIG、變流器、串聯阻抗保護和電網，詳細結構如圖9所示。DFIG接于0.69 kV電網，經0.69 kV/35 kV變壓器接入35 kV電網。DFIG參數、串聯阻抗參數與第4.1節一致。實時仿真模型的控制信號均由外部引入。通過數/模實時接口，風機主控接收三相電壓電流信號，并輸出12路控制脈沖，發出阻抗投切指令。實際控制器的接入最大限度地再現了DFIG的實時特性。在檢測到故障發生時，通過ISR中斷，服務開啟中斷，DSP可第一時間進入中斷，執行本文所述動態無功支撐策略邏輯。

圖9 DFIG硬件在環仿真系統Fig.9 DFIG hardware-in-the-loop simulation system

電網電壓為理想三相電壓，通過控制電壓模擬故障的發生，分低電壓穿越和高電壓穿越2種情形進行硬件在環仿真分析。

5.1 低壓穿越

在仿真時間t=0.2 s時，35 kV電網發生三相對稱短路故障，使0.69 kV電網電壓跌落至0.2 p.u.，故障持續625 ms后恢復。基于串聯阻抗的動態無功支撐策略下，低壓穿越過程如圖10和圖11所示。

圖10 低壓穿越時定子出口、串聯阻抗及電網電壓Fig.10 Voltage of stator,series impendence and grid during LVRT

圖10顯示了故障穿越過程中DFIG定子側各元件電壓。故障發生時，電網電壓瞬間跌落。故障發生后，串聯阻抗及時投入開始支撐起定子出口電壓。通過適當調節定子無功電流，串聯阻抗承受了定子出口與電網之間合適的電壓差，使得定子出口電壓被補償為接近額定電壓。

圖11中的定、轉子電流顯示了本文第3.2節闡述的故障穿越過程。在電網故障發生后，通過及時投入串聯阻抗限制了轉子過壓過流，轉子電流呈現先驟增后被抑制的趨勢，未超過額定值1.1倍的安全范圍，保證了轉子變流器可控。故障發生后，預留50 ms等待電網電壓及轉子電流穩定，自250 ms起轉子變流器開始有效控制轉子電流，調節DFIG定子電流，最終定、轉子電流均呈現為穩定的三相正弦波形。

圖11 低壓穿越時定子、轉子三相電流Fig.11 Three-phase stator and rotor current during LVRT

故障穿越期間，DFIG定子發出感性無功電流，補償定子出口電壓并為電網提供無功支撐，感性無功電流約為1.2 kA，與第4.1節中理論分析結果一致。轉子電流在安全范圍內，其數值亦符合理論分析。故障結束、電網電壓恢復時，串聯阻抗在100 ms后切除，再過100 ms有功給定恢復，DFIG重新輸出有功功率。全過程DFIG定子出口電壓過渡平滑，轉子電流控制有效，可以較長時間工作。

采用傳統Crowbar保護與動態無功補償策略進行對比，其中Crowbar電阻在檢測到電網故障時投入，保持其投入至故障結束后退出，Crowbar電阻設為0.8 Ω。故障穿越的無功電流、轉子電流對比如圖12所示。

轉子電流圖中，由于Crowbar保護屬于被動保護，撬棒電阻投入后轉子變流器被短路，無法控制轉子電流和定子電流。仿真顯示Crowbar投入后轉子電流接近0，變流器無法提供控制電流，DFIG定子繞組容量無法利用。改用串聯阻抗保護后，故障期間轉子變流器保持了控制能力，故障穿越過程中始終維持了0.4 kA的控制電流。

通過并網點的感性無功支撐電流可以看出，Crowbar策略下故障穿越期間的無功支撐電流為負值，其原因是Crowbar投入使轉子短路，DFIG運行方式類似于感應電動機，運行時氣隙磁場的建立須吸收電網感性無功功率，將不利于電網電壓恢復，更無法滿足并網導則對無功支撐的要求。動態無功補償策略下，通過定子電壓補償保證了DFIG的工作條件，使定子容量得到充分利用。變流器控制定子輸出了1.2 kA的感性無功電流，用于支撐電網電壓，有助于電網故障恢復。

圖12 不同策略下無功電流、轉子電流對比Fig.12 Comparison of reactive current and rotor current under different strategies

5.2 高壓穿越

在t=0.2 s時，35 kV電網發生三相電壓驟升故障，使0.69 kV電網電壓升至1.3 p.u.，持續1 000 ms后恢復。考慮到高電壓故障常由節點無功過剩引發，設定了一個電網電壓上升率以模擬該故障過程。高壓穿越過程如圖13和圖14所示。

相較于低壓穿越，高壓穿越時電壓突變程度較輕，因此整體故障穿越過程較為平滑。保護策略與低壓穿越相同，不再贅述。高電壓穿越過程中，串聯阻抗承擔了定子出口與電網間的電壓差及相位差，定子出口無過壓，保障了高電壓故障下的定子繞組絕緣安全。故障期間DFIG本身電壓、電流等工作條件與正常運行時無異，可以長時間穩定運行。

圖14顯示了高壓穿越期間的定子電流和并網點功率。故障期間，DFIG發出1 MW有功功率、吸收1 Mvar無功功率，顯示出串聯阻抗的投入并未影響有功功率的送出，且吸收電網過剩無功將有助于電網高電壓故障的恢復。由于電網電壓升高有利于功率的送出，故障期間定子總電流為0.85 kA，未超過正常工況下的額定值1.5 kA。

圖13 高壓穿越時定子出口、串聯阻抗及電網電壓Fig.13 Voltage of stator,series impendence and grid during HVRT

圖14 高壓穿越時定子電流和并網點功率Fig.14 Stator current and PCC power during HVRT

6 結論

本文在對DFIG定子無功調節機理分析的基礎上，針對傳統Crowbar保護電路的不足，提出了定子串聯阻抗配合動態無功支撐的控制策略，解決DFIG低壓穿越和高壓穿越問題。結論如下。

（1）根據DFIG定轉子容量限制，確定了電網故障期間定子無功支撐電流的范圍。

（2）采用定子側串聯阻抗的技術路線，提出了高、低壓故障穿越控制策略，確定了定子無功電流值的設定方法，給出了串聯阻抗值的整定依據。

（3）新方案與傳統保護方案相比，保障了高電壓故障下DFIG的定子繞組安全，提高了故障穿越期間轉子側變流器的控制能力，提供了符合并網導則的無功支撐電流。

（4）基于RTDS構建了硬件在環仿真平臺，分別復現了DFIG高、低壓故障穿越的全過程，并驗證了串聯阻抗保護方案的有效性。