电网不对称故障下双馈式风电机组低电压穿越技术

刘广东，高宁，王东，赵双喜 ，鲁志平

(1.保定天威风电科技有限公司，河北省 保定市，071051;2.保定天威保变电气股份有限公司，河北省 保定市，071056)

0 引言

随着国内风电装机容量的逐年增大，风电机组与电网之间的相互影响愈加显著，尤其是电网发生电压跌落时，如果风电场整体切出电网会给电网造成严重的功率冲击，在这种情况下要求并网风力发电机组应具备低电压穿越能力，以避免对电网的冲击［1］。其实，风电技术较为先进的国家(如德国、丹麦、美国等)早在2003年前后就根据电网的实际运行状况制定了相应的风电并网导则，对接入电网的风电场提出了严格的技术要求。我国国家电网公司也在2009年根据国内电网的实际情况提出了相应的并网导则，该导则主要包括风电场有功无功功率控制、风电场运行频率、电能质量及低电压穿越能力等相关要求。其中风电机组的低电穿越(low voltage ride through，LVRT)能力是风电大规模并网运行必不可少的条件及要求，是风电机组在外部故障条件下不间断运行能力的保证［2］。

目前，国内的主流机型为1.5 MW双馈式变速恒频风电机组，其中双馈式感应发电机(double fed induction generator，DFIG)的定子直接接入电网，电网电压的波动将引起定子电流的变化。在电网电压跌落情况下，DFIG发出的功率不能及时送出，导致定子电流急剧增加，由于定、转子之间的强耦合，急剧增加的定子电流将导致转子电流急剧上升，急剧上升的转子电流通过电力电子电路耦合到变流器，导致过电流、直流母线过电压、有功功率和无功功率发生振荡等故障。此时如果不采取相应的保护措施，定、转子绕组仅靠其自身电阻和漏抗不足以抑制浪涌电流，过大的电流和电压将导致励磁变流器、定转子绕组以及母线电容损坏。因此，电网电压跌落时双馈式风电机组的LVRT能力成了风电领域的研究热点。很明显，双馈式风电机组LVRT控制策略的主要目标是限制转子过电流和直流母线过电压［3］。

目前，关于低电压穿越的研究多集中于电网电压对称故障情况下的Crowbar电路及其控制，虽然也有文献关注过双馈电机在不同运行状态之间的切换问题，但是对具体的实现逻辑鲜有涉及［4］，对Crowbar电路的逻辑控制方面的介绍也较少。然而Crowbar电路控制逻辑的研究相当重要，若在电网故障清除前退出，则可能会导致变流器再次过流而引起Crowbar电路的再次保护动作。若在电网故障清除后退出，因转子被短接时的双馈感应发电机相当于鼠笼式异步发电机，运行滑差很大，将从电网中吸收大量无功功率，致使电网难以迅速恢复正常。所以Crowbar电路的投入与切出时间的控制尤为重要。

随着电网容量的不断增大，电网不对称故障发生的几率也越来越大，国家电网公司首次在风电并网导则中提出了风电机组在不对称故障下仍能保证良好的穿越能力。因此，研究双馈式风电机组在不对称故障情况下的LVRT技术更具实际应用价值。

本文将分析电网电压不对称故障情况下的DFIG运行状态的影响，并针对目前比较流行的Crowbar电路来实现LVRT的解决方案，提出一套完整的控制逻辑，并在电网不对称故障的情况下进行了实验研究。

1 风电机组低电压穿越能力要求

1.1 概述

风电机组的LVRT能力是指风电场在电网故障期间，保持不间断并网运行的能力，并能在故障后的电网恢复期间向电网提供一定的无功支持，以便尽快支撑电网电压的恢复［5］。国家电网公司关于LVRT的基本要求如图1所示。

图1 风力发电机组不间断运行标准Fig.1 Standard for uninterrupted operation of wind turbine unit

图1中所示的电压轮廓线是指风电场并网点的电压而言。电压跌落前风电场并网点电压维持在额定水平。电网发生故障引起电压跌落的时间假定为0 s，当电压不低于额定电压的20%时，在625 ms时间范围内风电场必须保持并网运行。当风电场并网点电压在电网故障后2 s时间内能够始终保持在图1中电压轮廓线以上，并且在2 s后恢复至额定电压的90%以上，在此过程中风电场必须保持并网运行。

1.2 不同故障类型的考核要求

当电网发生不同类型的故障时，对机组低电压穿越的要求如下:

(1)当电网发生三相短路故障引起并网点电压跌落、风电场并网点各线电压在图1中轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行;风电场并网点任一线电压低于或部分低于图1中轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。

(2)当电网发生两相短路故障引起并网点电压跌落、风电场并网点各线电压在图1中轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行;风电场并网点任一线电压低于或部分低于图1中轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。

(3)当电网发生单相短路故障引起并网点电压跌落、风电场并网点各相电压在图1中轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行;风电场并网点任一相电压低于或部分低于图1中轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出。

1.3 有功恢复

对电网故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在电网故障清除后应快速恢复，以至少0.1 PN/s(PN为额定功率)的功率变化率恢复至故障前的值。

1.4 动态无功支撑能力

对于百万kW以上风电基地内的风电场，其场内风电机组应具有低电压穿越过程中的动态无功支撑能力，要求如下:

(1)电网发生故障或扰动，机组出口电压跌落处于额定电压的20% ～90%区间内，机组需通过向电网注入无功电流支撑电网电压，该动态无功控制应在电压跌落出现后的30 ms内响应，并能持续300 ms的时间。

(2)机组注入电网的动态无功电流幅值为K(1.0-UT)IN，其中IN为机组的额定电流，UT为故障期间机组出口电压标么值，K≥2。

2 不对称故障下DIFG的数学模型

电网电压的跌落通常是指电力系统中某个点的电压突然跌落10% ～90%，并且持续0.5个周波到1 min的时间［6］。引起电压跌落的原因主要包括电网故障、大电机起动、电机再加速等［7］。其中电网故障引起的电压跌落故障恢复时间较短，几乎瞬时发生，而且常常伴随电压相位的突变，以及三相电压的不对称问题。电机起动造成的电压跌落，电压恢复所需时间较长，通常需要数百ms到数s的时间。电机加速时引起电压跌落的起始阶段，由于电机的惯性作用类似于电压源，从而阻止了电网电压的跌落速度;而在电网电压需要恢复时由于电机在加速过程中所吸收的无功功率增加，从而阻碍了电网电压的恢复。本文所分析的电网不对称故障是指电网故障引起的不对称电压跌落的情况。

不对称电压跌落的情况与对称电压跌落的情况相比，不但种类多样而且理论推导也较为复杂。总的来说，不对称故障主要包括单相跌落故障、两相跌落故障、相间短路故障等。不对称跌落使得电网电压矢量中不仅含有基波分量，还含有负序分量甚至零序分量［8］。为了简化起见，假定电网正序分量、零序分量和负序分量的线路阻抗均相等。由于双馈电机通常不含有中线，可不考虑零序分量的影响。在电网发生不对称跌落故障时，为了简化分析过程，引入了电网电压不平衡度εV，双馈电机的定子电压可表述为

式中:us为故障后电机定子电压;up为故障后正序电压矢量;εV为故障后电网电压不平衡度;φn为故障后负序电压矢量的起始相角。

由双馈电机的数学模型可知双馈电机的磁链方程为

式中:ψs和ψr为电机定子和转子磁链;Lss和Lrr为电机定子和转子自感;Lsr和Lrs为电机定子和转子间的互感。双馈电机在dq坐标系中的电压方程为

式中:usd和usq分别为定子电压在dq坐标系中的d轴和q轴分量;urd和urq分别为定转子电压在dq坐标系中的d轴和q轴分量;isd和isq分别为定子电压在dq坐标系中的d轴和q轴分量;ird和irq分别为定转子电压在dq坐标系中的d轴和q轴分量;Rs和Rr分别为定转子绕组电阻;Ls和Lr分别为定转子绕组在dq坐标系中的自感;Lm为在dq坐标系中定转子绕组间的互感;ωs为同步角频率;ωzc为转差角频率;p为微分算子。

结合上述式(1)～(3)可到定子电压的矢量表达式为

由于［up+RsLmIr/Ls］/(Rs/Ls+jωs)≈upΨs0/us0，其中:us0为故障发生时刻定子电压矢量;Ψs0为故障发生时刻定子磁链矢量，对式(4)求解可得

从式(5)可以看出，当电网发生不对称故障时，在双馈电机的定子磁链中不但含有正序分量，还含有负序分量以及因负序分量而引起的直流分量，这些量的增加势必会增大过渡过程中定子磁链的幅值。

3 LVRT结构与控制

通过以上的分析可知，在电网电压跌落过程中，双馈电机定子磁通出现衰减的直流分量，若发生不对称跌落故障时还会出现负序分量。直流分量和负序分量的存在会导致双馈电机形成较大的转差率，从而在转子电路中感生出较大的转子电压和转子电流［9］。本文采用改进控制策略和硬件保护电路相结合的方案，来应对不对称故障情况下的恶劣工况。软件方面，根据电网不对称故障情况下双馈式感应电机的暂态电磁关系，通过对发电机转子励磁电流的合理控制，来抵消定子磁链暂态直流分量和负序分量对电机的影响，避免出现转子过电压和过电流。硬件部分主要由2部分组成，包括转子侧Crowbar电路和直流侧Chopper电路。其中转子侧Crowbar电路由1个二极管整流桥、单管IGBT及放电电阻组成。其中二极管整流桥与发电机转子连接，IGBT用来控制Crowbar电路的开通与关断，直流侧Chopper电路由1个单管IGBT和1个放电电阻组成。通过IGBT来控制电路的开通与关断，如图2所示。

图2 常用主动式Crowbar电路结构Fig.2 Circuit structure of common active Crowbar

在Crowbar电路设计中，合理地选取放电电阻的阻值比较重要［10］。选取较大的阻值可以使暂态分量衰减得更快，但较大的电阻值可能会造成转子侧的过压，使直流母线电容反充电，同时还有可能损坏转子侧变换器。另外，较大阻值的瞬态功耗也比较大，从散热角度对放电电阻的体积也有一定要求。经综合考虑及仿真比较，放电电阻阻值选为0.07 pu。当机组控制系统检测到电网跌落时，如果跌落的程度不深，造成母线过电压，而转子侧的电流通过合适的控制策略，保持在允许的范围内，此时可以只利用直流侧Chopper电路动作来完成穿越过程，如果跌落的程度大，仅仅利用Chopper电路的动作不能完成穿越，这时需要转子侧Crowbar电路来动作，让电机磁链中的暂态分量通过定转子电阻及Crowbar放电电阻迅速衰减，共同完成穿越过程，由于转子电流中包括部分振荡的分量，因此需要在转子电流值下降到限定值以下一定时间后，才能关断Crowbar电路并同时使转子侧变换器恢复工作。本文中设定Chopper电路的起动电压为额定直流母线电压的1.3倍，Crowbar电路的起动电流为1.5倍的转子额定电流。

4 试验结果及分析

为了验证前面的理论分析的正确性和合理性，以1台1.5 MW双馈式风力发电组为例进行了实验研究。试验参数如下:额定功率P=1.5 MW;额定电压U=690 V;额定转速v=1 800 r/min;定子电阻R1=2.3 mΩ;转子电阻R2=2.4 mΩ;定子电抗X1=2.1 mΩ;转子电抗X2=4.2 mΩ;激磁电抗XH=1.11 Ω。

试验过程中的电网不对称故障由2 MW全功率试验平台来模拟，电网不对称跌落的幅度设定为A相79%、B相71%、C相18%，跌落时间为650 ms，比国家电网公司要求的625 ms的时间略长，更能检验控制逻辑的适应性和合理性。

图3 LVRT故障下电网电压波形Fig.3 Grid voltage waveform under LVRT fault

LVRT故障下电压波形如图3所示。从图3中可以看出在整个穿越过程中，电网电压A相UA的跌落幅度为80%左右，B相UB的电压跌落幅度为75%左右，C相UC的跌落幅度为18%左右，为典型的不对称跌落故障，且跌落幅度较陡，较好地模拟了现实中电网的瞬间跌落现象，这更能考验控制策略和电路的正确性和合理性。

LVRT故障下电网电流波形如图4所示。

图4 LVRT故障下电网电流波形Fig.4 Grid current waveform under LVRT fault

从图4可以看出，在穿越过程中A相电流IA、B相电流IB穿越开始时，突然上冲随后逐渐降低，在穿越过程结束时有一个快速的下探，随后按已设定的速率恢复正常。而C相电流在故障开始时，瞬间冲高后快速的下探，然后缓慢上升，在故障结束时快速的下探之后，按设定的速率恢复正常。

经过分析可以看出，在穿越过程中所设计的LVRT电路能很好地控制电网电流，把电网电流限制在电机、功率模块容许的范围内，起到了保护风电机组的作用。

LVRT故障下电网有功和无功功率波形如图5所示。

图5 LVRT故障下电网有功、无功功率波形Fig.5 Grid active power and reactive power waveform under LVRT faultt

从图5中可以看出，在穿越过程中有功出力快速降低，而在跌落故障判断后能快速地提供无功支撑，且在整个穿越过程中能不断地提供无功支撑，符合国家电网公司的要求;在穿越结束后有功出力快速恢复，能快速恢复故障前的有功功率。符合国家电网公司有功功率恢复的速度要求。

5 结语

本文分析了电网电压不对称跌落情况下双馈电机定子磁链的暂态过程，并根据上述分析，针对目前比较流行的基于Crowbar电阻的短路电机转子的LVRT控制策略提出了一套比较完整的控制逻辑，用试验的方式验证了控制逻辑的有效性和可行性。

［1］张兴，张龙云，杨淑英，等.风力发电低电压穿越技术综述［J］.电力系统及其自动化学报，2008，20(2):128-130.

［2］Mrren，Dehaanswh.Ride through of wind turbines with doubly-fed inducting generation during a voltage dip［C］//IEEE Trans on Energy Conversion，2005，20(2):435-411.

［3］Saccomando G，Svensson J，Sanino A.Improvise voltage disk urbane rejection for variable speed w ind turbine［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2002，17(3):422-428.

［4］关宏亮，赵海翔，迟永宁，等.电力系统对并网风电机组承受低电压能力的要求［J］.电网技术，2007，31(7):78-82.

［5］蒋雪东，赵妨.应对电网电压骤降的双馈感应风力发电机Crowbar控制策略［J］.电网技术，2008，32(6):84-88.

［6］郎永强，张学广，徐殿国，等.双馈电机风电场无功功率分析及控制策略［J］.中国电机工程学报，2007，27(9):77-82.

［7］Seman S，Niiranen J，Kanerva S.Voltage ride through of a doubly-fed generator equipped w ith an active Crowbar［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2006，17(3):458-468.

［8］Niiranen J.Simulation of doubly fed induction generator wind turbine with an active Crowbar［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2005，20(6):640-656.

［9］Wang S，Ding Y.Stability analysis of field oriented doubly-fed induction machine drive based on computer simulation［J］.Electric Pow er Systems Research，2006，76(12):786-800.

［10］Abbey C，Joos G.Effect of low voltage ride through(LVRT)characteristic on voltage stability［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2008，20(4):486-511.