双馈感应风力发电机实现LVRT仿真研究

杨 普，孙丽玲，吴 娜

（华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003）

双馈感应风力发电机实现LVRT仿真研究

杨 普，孙丽玲，吴 娜

（华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003）

在基于双馈电机的并网风力发电系统中，一般采用附加转子侧撬棒电路的方法来实现低电压过渡。当电网电压发生严重短暂跌落故障时，可以同时附加直流侧卸荷电路以更好地实现低电压穿越。为实现低电压运行，撬棒电阻值的选取至关重要。在考虑最大转子故障电流和直流母线钳位效应的双重因素下，给出了双馈式风电机组撬棒保护电阻取值约束式，并讨论了DFIG附加两种保护电路后具体的低电压穿越控制策略。对2 MWDFIG风力发电系统进行仿真，结果表明，在选择合适的保护电阻基础上，通过对保护电路的合理控制，附加撬棒电路和直流侧卸荷电路可以有效帮助DFIG实现低电压穿越运行。

双馈风力发电机；低电压穿越；保护；主动式撬棒电路；直流侧卸荷电路

0 引言

由于风能的特殊性以及风力发电装机容量的不断扩大，风电并网后对电网造成的影响越来越突出，并产生了一系列典型的风电并网问题［1］。在电网各种故障中，电压跌落问题最为常见，导致的后果也最为严重［2］。如果风电机组不具备低电压穿越能力，当电网电压发生大值跌落后，将引发大量风电机组切除，导致局部电网发生有功缺额，对电网的稳定性和电能质量构成威胁，造成巨大损失。为此各国电力部门均对风电机组低电压穿越能力提出了相应指标，要求当电网电压发生跌落后，风电机组应具备在一定时间内保持不脱网运行并为电网提供一定动态无功支撑的能力［3］。为了风能发电能够实现大规模并网应用，风力发电机必须具备低电压穿越能力。

DFIG（双馈式感应风力发电机）以其变流器容量较小、有功和无功可独立解耦控制等特点在兆瓦级风电机组中得到广泛研究和应用［4，5］。另一方面，正是由于变频器容量较小，使其对电网故障非常敏感，自身难以实现低电压运行。由于DFIG定子直接和电网相连，当电网发生故障时，电网电压跌落直接反映为定子电压的跌落，而定子磁链不能跟随定子电压突变，进而在定子侧产生暂态磁链的直流分量，此电流直流分量切割旋转的转子绕组，在转子侧感生出较大的过电流和过电压；同时，转子侧突生的大量能量流经转子侧变换器后，部分被网侧变换器传递到电网，其余部分为直流母线电容充电，导致母线电压快速升高威胁电容的安全［6，7］。因此要想实现低电压穿越运行，必须要在电网发生大值电压跌落故障时同时实现抑制转子过电流和向电网提供无功支持两个目标。文献 ［8，9］通过对DFIG的传统数学模型进行改进，并以此得出了新的控制策略，与传统控制策略相比，此法实现了对故障电流的控制。当这种通过改进控制策略来帮助DFIG实现低电压穿越能力的方法，只适合外部故障较轻的时候。当电网发生大值电压跌落故障时，必须附加撬杆硬件电路来帮助DFIG机组实现低电压穿越运行［6，7］。针对现在多种适合与DFIG的撬棒电路，文献 ［10］对比了各自的优缺点，最后介绍了DFIG相关保护控制策略和新型旁路系统，但未给出具体控制方式及效果。文献 ［11］采用了在转子侧附加撬棒电路的方法来实现抑制转子过电流，并对撬棒电阻值的选取进行了理论推导，但没考虑到直流母线钳位效应的影响。文献 ［12］指出在旁路保护电阻切除后控制转子电流实现软启动，从而缓解了暂态电磁冲击。但是，该文献的Crowbar是用的晶闸管进行控制，不能主动切除Crowbar，失去了对DFIG在电网故障情况下的主动控制。同时，也有其他文献对撬棒电路的LVRT（低电压穿越）过程进行了仿真［13～15］，但这些研究着重于验证在某些特定工作点附近撬棒保护电路的有效性，缺少对撬棒电阻选取的理论分析。

文章首先介绍分析了附加主动式撬杆保护电路和直流侧卸荷电路的双馈风力发电系统模型。在此基础上，本文采用以IGBT （绝缘栅双极型晶体管）为控制开关的主动式撬杆保护电路和直流侧卸荷电路，深入探讨了用于DFIG机组的撬棒电路保护电阻取值以及投切控制策略，最后搭建了附加转子主动撬棒装置的DFIG仿真实验系统 （图1所示），验证了文中所提方案可以有效帮助双馈风力发电机组实现低电压穿越运行。

图1 附加保护装置的DFIG系统Fig.1 Schematic diagram of the simulated DFIG system with protection device

图2 接入Crowbar电阻的DFIG等效电路Fig.2 Equivalent circuit of DFIG after the crowbar applied

1 双馈感应风力发电机特性分析

为研究故障时DFIG的瞬态响应特性，首先需要建立相应的系统数学模型［16，17］。按电动机惯例，在同步旋转dq0坐标系下DFIG的磁链方程为：

当电网发生故障时，电网电压跌落直接反映为定子电压的跌落，而定子磁链不能跟随定子电压突变，进而产生定子磁链暂态直流分量；与此同时，转子侧也会产生转子磁链暂态直流分量。为了便于理论分析，假设在电网发生电压跌落故障瞬间，转子侧立即投入Crowbar保护装置，且DFIG转子以同步转速运行。此时可得到DFIG的等效电路如图2所示。

图中Rcb为Crowbar保护电阻，此时可简单地认为DFIG处于异步运行。一般来说Rcb的阻值远大于定转子阻值。结合参考文献 ［17］可知，此时三相短路时定转子故障电流可以表示为：

2 转子主动撬棒的设计与控制

当电网发生大值电压跌落故障时，必须附加撬杆硬件电路来帮助DFIG机组实现低电压穿越运行。为了维持对DFIG在电网故障情况下的主动控制，本文采用IGBT作为保护电路的控制开关。如图1所示撬棒保护电路接在DFIG转子侧，直流侧卸荷电路接在直流电容两端，当系统故障引起电压跌落时，立即关闭转子侧变流器并接通撬棒保护电路。

2.1 撬棒电路最优电阻的选取

电网发生电压跌落故障时，撬棒保护电路投入运行以有效抑制转子过电流并保护直流母线电容。电压跌落深度越深，故障电流越大。为了协助DFIG实现低电压穿越运行，撬杆保护电阻的取值至关重要，阻值太小不能有效限制故障电流，阻值太大将会使直流母线电压过高击穿电容。

式 （5）描述了故障电流和撬棒阻值的基本关系，考虑到实际工况设转子最大安全电流为Isafe，由式 （5）可以得到下式：

然而随着撬棒电阻的增大，DFIG的转子端电压也在增高，这将对转子变流器的耐压安全产生影响。当跌落故障较严重，必须考虑直流母线钳位效应［18］。此时，如果过度增大撬棒电阻不但不能明显改善过渡范围，反而会增大RSC（转子侧变流器）续流二极管负担。记直流母线电压为Udcn，当转子侧撬棒线电压有效值超过Udcn／2.时，将发生直流母线钳位效应，在忽略转子电阻的情况下可以得到直流母线电压和撬棒电阻的约束关系式：

2.2 保护电路投切控制策略分析

在电压低落期间，要同时对RSC和撬棒电路进行控制。图3为转子侧变流器控制原理图，图中I＊rabc为设定的转子电流保护临界值，此时RSC的运行状态由转子电流与保护临界值的比较值和撬棒电路运行状态决定。当转子电流幅值大于保护临界值或撬棒电路运行状态为开通时，关闭转子侧变流器，一旦转子电流衰减到保护临界值之下并且撬棒电路退出运行后，立即接通转子侧变流器。通过对RSC的合理控制，可以在故障期间保护功率半导体器件，并在电压恢复后及时帮助机组恢复正常运行。

图3 转子侧变流器控制原理Fig.3 Principle diagram of RSC control strategy

对撬棒电路的控制策略如图4所示。对于定子电压小值跌落双馈风力发电系统本身具有一定的低电压穿越能力，这里U＊sabc为超出双馈风力发电系统本身调节能力的定子电压保护临界值。定子电压的突然减小，会在转子侧感生出较大过电流，即使转子侧变流器脉冲封锁，电流也会流过反向二极管给直流电容充电，进而造成直流侧电压升高，这里U＊dc为直流母线电压保护临界值。当电网电压跌落后，定子电压值小于定子电压保护临界值或直流母线电压超出保护临界值时，立即投入撬棒保护电路；当电网电压恢复并且直流母线电压低于设定的保护临界值时，切除撬棒保护电路。这种保护电路使转子侧变流器在电网故障时，可以与转子保持连接，当故障消除后通过切除保护电路，使风电系统快速恢复正常运行，因而具有更大的灵活性。

图4 转子侧撬棒控制原理图Fig.4 Principle diagram of crowbar control strategy

直流侧卸荷电路的控制策略相对比较简单，如图5所示。对直流侧卸荷电路的控制以直流侧电压作为判断条件，这里U＊dc同上文定义。当故障期间，直流母线电压超出保护临界值时，立即投入直流侧卸荷电路；当直流母线电压下降到保护临界值以下时，切除直流侧卸荷电路。

图5 直流侧卸荷电路控制原理图Fig.5 Principle diagram of DC dampcircuit control strategy

3 仿真研究

为验证前文理论分析和撬棒电路投切控制策略的正确性，本文使用仿真软件 Matlab／Simulink搭建了附加转子主动撬棒电路和直流侧卸荷电路的DFIG仿真实验系统，对电网发生对称电压大值跌落故障时，采用撬棒和直流侧卸荷双重保护控制的发电机系统进行了仿真研究。

具体的仿真参数设置为：额定功率为2 MW，定子额定线电压为690 V；额定频率为50 Hz；直流母线额定电压为1 200 V；定子电阻为0.010 8 p.u.；转子电阻为0.010 21 p.u.；定子漏感为0.102 p.u.；转子漏感为0.11 p.u.；互感为3.362 p.u.；极对数为2；转动惯量为3 s，摩擦因子为0.1 p.u.。结合上文公式 （6）和 （7），这里选取撬棒电路的限流电阻值Rcb为10Ω，对于直流侧卸荷电路的卸荷电阻Rdc这里取值为1Ω。

假设电网侧母线发生三相电压大值跌落故障，在1.5 s时故障发生，1.8 s时故障清除，持续0.3 s，且故障使得定子电压跌落至0.1 p.u.。考虑到电网故障过程较为短暂，这里设发电机在故障过程中转速基本保持恒定。下面将对撬棒采用不同的投切方案时，系统的工作状况进行分析。

3.1 故障期间不投入撬棒时系统的工作状况

在无任何保护情况下DFIG的动态响应如图6所示。由图可以看出，故障发生之前，电网电压保持恒定，DFIG工作在额定状况下，发电机定转子电流波形良好，变流器直流母线的电压保持恒定，无功功率基本为零。

在1.5 s时刻系统发生故障引起风电场出口电压瞬间跌落，机端电压如图6（a）所示降至0.1 p.u.。此时，DFIG定、转子电流迅速变大；直流母线电压也出现严重过电压，这和前文的理论分析基本相符。由图6（d）和 （e）可以看出定转子故障电流最大可达到正常值的数倍，如此大的电流将对定、转子绕组特别是变流器产生极大的损害。图6（f）为故障时的直流母线电压，因定子电压的突然减小而在转子侧感生出的过电流，会流过反向二极管给直流电容充电，进而造成直流侧电压升高，其数值随着故障时间不断升高，严重的过电压会对直流母线电容产生损坏。图6（g）为无功功率波形，在电压跌落时，由于控制系统中给定值与实际值的差别变大，导致大部分PI调节器输出深度饱和，难以恢复到有效调节状态，使电压下降和恢复之后的一段时间内机组实际上处于失控状态，无功功率无法稳定，波形波动较大。由于故障期间撬棒电路和直流侧卸荷电路均未投入，如图6（b）和 （c）所示流经撬棒电阻的撬棒电流和流经直流侧卸荷电阻的卸荷电流都保持为零。总体来说，在没有撬棒保护的DFIG系统中，电压跌落深度越深，故障电流越大，直流母线过电压越高。

图6 无撬棒保护的DFIG动态响应Fig.6 Dynamic response of DFIG without protection

3.2 故障期间投入撬棒时系统的工作状况

图7是系统发生故障期间，投入撬棒保护后的结果。当系统检测到定子电压在1.5 s时刻发生大值跌落后，随即投入转子撬棒保护电路，关闭转子侧变流器。由图7（b）和 （c）可以看出，卸荷电流在1.5 s时刻突升至最大值后随时间快速衰减，大概在1.55 s时刻降为零，这说明直流卸荷电路只持续了0.05 s；撬棒电流也在1.5 s时刻突升，随后下降，当直流卸荷电路切除后电流再次上升。

图7（d）和 （e）显示撬棒电阻的投入对定转子最大故障电流有很好的抑制作用，被限制在DFIG的可接受范围内。与图6（d）和 （e）相比较可以看出，故障期间有撬棒电路作用时，当机端电压恢复正常后系统可以更快的恢复稳定运行，与故障期间没有撬棒保护相比大概提前0.35 s。由图7（f）可以看出，此时直流母线过电压得到了很好的限制，与图6（f）相比直流母线电压大概可以提前0.2 s恢复正常。由于撬棒投入期间RSC停止工作，使DFIG处于异步运行而开始从系统吸收无功，增加了电网的无功负担。考虑到故障期间一直保持网侧变流器 （GSC）与电网相连，本系统采用通过控制GSC向电网提供无功支持，由图7（g）可以看出在电网发生故障过程中无功功率震荡相应比较平稳，恢复比较迅速。总体来说，由于撬棒保护电阻的投入，定转子故障电流和直流母线过电压都有了明显的改善，故障消除后DFIG系统可以更迅速的恢复正常运行。

图7 有撬棒保护的DFIG动态响应Fig.6 Dynamic response of DFIG with protection

4 结论

（1）当机端电压出现大幅跌落时，需要投入撬棒电路和直流卸荷电路来有效抑制定转子故障电流和直流母线过电压，并保护变流器功率器件和直流母线电容免受过电流和过电压的损害。

（2）撬棒电阻最优阻值的选取要同时考虑定转子最大故障电流和直流母线钳位效应两个因素。由于撬棒电阻的阻值越大，转子故障电流的最大幅值越小，因此撬棒电阻值在合理范围内取较大值，而直流卸荷电阻取值尽量小比较好。

（3）电网电压跌落期间，可以通过网侧变流器和定子侧向电网提供无功，但达不到预期效果。如何增加无功功率控制措施，来加强电压跌落期间DFIG机组对电网的无功支持能力，将在以后的研究中继续进行。

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Simulation Research of Doubly Fed Induction Wind Generator to Achieve LVRT

Yang Pu，Sun Liling，Wu Na
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

For the doubly-fed induction generator（DFIG）based wind turbines，crowbar is a commonly used protection method to implement the low voltage ride-through（LVRT）capability.In the case of deepand short voltage dip，DC dampcircuit can be used at the same time in order to enhance the LVRT performance better.Considering the importance of the value of crowbar resistor in this process，a crowbar resistance design method based on the faulty rotor current and the dc-link voltage was proposed，and the specific LVRT control strategy was discussed in this paper.A typical 2 MWDFIG system was used，the analysis and simulation results show that，with the helpof appropriate protective resistor and the reasonable control strategy，the additional protection devices can effectively helpwind generator provide LVRT capability.

DFIG；low voltage ride-through（LVRT）；protection；active crowbar；DC dampcircuit

T M614

A

2012－05－23。

中央高校基本科研业务费专项资金资助。

杨普 （1985-），男，硕士研究生，研究方向为风力发电系统的电压稳定性，E-mail：yangpu743＠126.com。