变结构双馈风机的低电压穿越能力

邹文仲，袁 越，2，季泽宇，傅质馨

（1.河海大学能源与电气学院，南京211100；

2.可再生能源发电技术教育部工程研究中心，南京210098）

21世纪以来，双馈风机得到了十分广泛的应用［1］。DFIG不仅可以实现变速恒频，且变频器的容量也只有其额定容量的1／4左右，节约了投资。当电网电压跌落后双馈风机定转子电流急剧增加［2］，为了保护双馈风机，风机通常采取脱网的方法来进行自我保护。然而随着风电装机容量的增加，风机脱网将对电力系统稳定造成严重威胁，所以要求风机具有低电压穿越能力［3，4］。

双馈风机组常用的LVRT措施是当电网电压轻微跌落后，通过改变控制策略以协调电压和电流［5～8］，使它们都在允许的范围内；当出现大值跌落后，通过撬棒保护［9，10］电路（Crowbar）对转子进行短接保护。这样虽然保护了变频器，但是此时的双馈风机将运行在异步电机状态，要从电网吸收大量无功［11］。因此，在电网电压严重跌落的情形下，如何控制双馈风机不出现过电流和过电压，并让变频器发出一定无功以支持电网电压的恢复成为双馈风机实现LVRT的关键所在。

本文应用网侧变频器新型无功控制策略，在电网电压大值跌落期间通过网侧和机侧变频器的并联运行，对电网进行无功补偿，并且直流侧此时投入额外的直流电容来减少振荡，以稳定变频器的无功输出。仿真结果表明本文控制策略的合理性及有效性。

1 双馈风机模型及其控制策略

图1是双馈风机示意图：

图1 双馈风机的结构Fig.1 Configuration of DFIG

双馈风机主要包括风轮、异步机、变频器等，为了便于研究，假定DFIG定转子侧电压、电流正方向按电动机惯例，则DFIG的模型方程可表示为［12，13］：

式中：U、I、Ψ、L分别代表电压、电流、磁链、电感矢量；下标s、r分别表示定转子侧的各电气量，P为微分算子，ω1为同步角速度，ωr为转子旋转的电角速度。

其中转子侧变频器采用文献［14］中的定子电压定向控制策略，基本原理是通过MPPT模块得出某一风速下的最大有功功率，与实际功率比较后，经PI环节输出定子有功电流的给定值，再加上前馈解耦补偿项，进而得到转子有功电流的给定值。无功功率的给定值可以根据系统的要求而定，然后和有功电流同样解耦计算过程，得到转子无功电流的给定值。

网侧变频器的主要任务是维持直流侧电压的稳定，保持有功无功输入输出的平稳，所以控制策略与转子侧变频器不同，图2是网侧变频器的拓扑结构图。

图2 DFIG网侧变频器主电路Fig.2 Main circuit of DFIG＇s grid－side converter

变频器在同步旋转坐标系下的模型：

式中：ud，uq，id，iq为电网电压和电流的d，q分量；vd，vq为桥壁输出电压的d，q分量；udc为直流母线电压。采用电网电压定向矢量控制，即将同步旋转坐标系的d轴定在电网电压矢量us上，则网侧变频器从电网吸收的有功和无功功率可分别表示为

双馈风机正常运行时，网侧变频器的无功给定值为0，将导致故障期间双馈风机运行极不稳定，故在故障期间根据电压跌落的程度给网侧变频器一个无功给定值。同时为了充分发挥网侧变频器无功补偿能力，在电网故障期间网侧变频器采用无功电流优先原则［15］，即当变频器给定的视在功率超过其额定值时，则优先满足无功电流。综合以上原则得到如图3网侧变频器的控制框图。

图3 网侧变频器控制框图Fig.3 Control block diagram for grid－on converter

正常运行时K3断开，K1和K2直接接通PI环节，当电网发生故障导致电网电压跌落后，K1和K2转向无功电流优先判定环节，K3导通。当电网电压恢复时，控制策略恢复到初始状态。

2 新型控制策略分析

当转子侧变频器闭锁或是与网侧变频器并联发无功时，此时没有负载电流，则：

当新投入一个新的直流侧电容C后，则直流侧电容变大，从上式可以看出，随着C的增大，直流侧电压更趋于平缓。

另外，若把IGBT当作理想的通断开关，则其中一相可以等效成如图4的电路。

图4 变频器某一相等效电路Fig.4 Equivalent circuits of grid－on converter

通过二阶电路响应的求解方法，得特征方程为

解出特征根为

特征根可能出现的情况有：（a）两个不相等的负实根；（b）一对实部为负的共轭复根；（c）一对相等的负实根。可以得出：

传统控制策略中，转子侧变频器故障情况下是进行闭锁控制的，但为了使转子侧变频器在电网故障后与网侧变频器并联向电网输送无功，若同一时刻共用直流母线电容并联运行的逆变器开关状态保持一致，理论上不会产生环流［15］。

关于Crowbar电阻的整定问题主要包括：期望的转子衰减时间常数T′r和转子侧变频器能承受的最大电压Urmax。当投入阻值为Rc的撬棒保护电路后，转子衰减时间常数变为：T′r＝L′r／（Rr＋Rc），所以Rc越大，则转子电流衰减的越快，但是伴随着的是保护电阻两端电压的升高，可能会对直流侧进行逆向充电，所以Rc又受制于Urmax，一般来讲Rc最大值的估算式如下［9］：

式中Irmax是转子变频器能承受的最大电流。但当把转子侧变频器与网侧并联时，不必考虑保护电阻的压降对变频器的冲击，保护电阻阻值的选择更加灵活。

综合以上措施，得到双馈风机新型控制策略如图5所示。

图5 双馈风机总体控制框图Fig.5 Control block diagram for DFIG

电网电压未跌落前，S1和S3接在A端，S2断开，K1和K3断开，K2导通，双馈风机处在正常运行发电状态。当控制中心检测到电网电压跌落时，发出控制信号将S1和S3接通B端，其它开关反向动作，此时双馈风机工作在异步机状态，变频器则按照指令值对电网进行无功补偿。当电网电压恢复时，控制策略恢复到初始状态。

3 仿真分析

仿真系统的简化连接如图6所示，模拟一台DFIG接在配电网中，风机出口电压是575V，经过变压器T1，线路L和变压器T2连接无穷大电网。风机出口母线接有一负载。

图6 DFIG仿真系统示意图Fig.6 Schematic diagram of simulated system for a DFIG wind power generation system

风机的额定功率1.5MW，极对数P＝3，额定频率60Hz，转动惯量5.04kg·m2，直流母线电压额定值为1200V，风速设为11m／s，电机设为超同步运行，初始转速为1.09p.u.，电机的其他参数如表1所示。

表1 双馈风机参数Tab.1 Parameters of DFIG

以上参数均是标幺值，系统120kV 2.5GVA母线在0.2s时发生电压对称跌落故障，跌落至正常水平的40%，并在此时网侧变频器给定有功电流0.3p.u.，0.6s 时 电 压 恢 复 到 正 常 水 平。Crowbar保护电路电阻值R＝0.8Ω。

为了比较以上各种控制策略的效果，现设置如下四种方案：

方案1：风机的控制策略未进行任何改动。

方案2：电网故障时投入Crowbar保护电路，机侧变频器与网侧变频器并网发无功，直流侧额外电容未投入。

方案3：电网故障时投入Crowbar保护电路，投入额外的电容，机侧变频器在电网故障时闭锁。

方案4：电网故障时投入所有保护措施。

图7～9分别给出了四种方案的直流电压比较，风机母线电压比较、风机母线无功功率。

直流侧电压的波形如图7，可看出方案4在最大电压和恢复时间方面稍优于方案2（图7（a）），但是相对于方案3来说，方案4的优势很明显，无论是在恢复稳定的时间抑或抑制直流电压波动方面，方案4都比方案3更加符合要求（图7（b））。图7（c）是总的控制效果与初始条件下的比较，可看出方案4减缓了直流电压对电容的冲击。

图7 四种方案直流电压的比较Fig.7 Contrast for DC－link voltage between four technologies

由图8（a）和（b）可以看出方案4比方案2有更快的电压恢复时间，比方案3有更好故障期间运行稳定的能力。图8（c）表明方案4对机端电压的提升作用，在没有任何保护电路的条件下，机端电压将跌落至0.4p.u.，但是进行无功补偿后，电压仅跌落至0.6p.u.，提高了双馈风机的LVRT能力。

图8 四种方案风机母线电压的比较Fig.8 Contrast for grid voltage between four technologies

图9表明在方案4的情况下一台DFIG在故障期间可以稳定提供近0.4p.u.的无功功率，增强了电网电压的恢复能力。

方案2提供的无功比方案4稍少，并且在电压恢复阶段会有比方案4更大的波动，这也间接说明第2节中增加电容可以减少振荡分析的正确性。

方案1和方案3都会导致无功的剧烈波动，在工程实际应用中要尽量避免此种情况的发生。

图9 四种方案下风机母线无功功率Fig.9 Contrast for DFIG＇s reactive power between four technologies

由图10可以看出，相比方案1、2、3，方案4中的GSC可以提供更加稳定的无功来支持电网电压的恢复。

图11表明电网故障期间转子侧变频器工作在发无功的状态，也表示了控制策略是有效的。

图10 四种方案下GSC的无功功率Fig.10 Contrast for GSC＇s reactive power between four technologies

图11 开关K3的无功功率Fig.11 Reactive power of switch K3

图12是GSC有功功率示意图，0.2s以前，双馈风机工作在超同步速状态，故双馈风机定转子都向电网馈送能量，由图12可以看出GSC约向电网馈送0.04p.u.的有功功率。当电网电压跌落后，由于网侧变频器没有使用无功电流优先的控制策略，所以可能继续发出有功，但是当使用方案4后，无功电流优先原则发挥作用，由于故障阶段定子电流的增大，id和iq也相应增大，由无功电流优先的判定原则可知有功功率会迅速减少，图12充分支持了以上分析。

图13可以看出方案2、3、4都会导致转速的迅速上升，但方案4可使DFIG的转速加速过程尽早结束，且恢复最快。

图12 GSC的有功功率Fig.12 Active power of GSC

图13 双馈风机转子转速比较Fig.13 Contrast for rotation speed between four technologies

图14和15分别是风机出口母线电流的波形和电压的频谱图。

从图15（a）中可以看出方案4在改善风机出口母线的电能质量方面比方案2的优势不是很明显，仅高次谐波的含量有所减少。

但方案4相对于方案3优势明显，从图14（b）和15（b）中可以清楚的看出无论是电流故障期间的稳定程度还是电压故障期间的谐波含量，方案4都优于方案3。

图14（c）和15（c）是初始控制状态和方案4的比较，可以看出故障期间母线电流的幅值在方案4的控制下和正常时基本一致，方案1则高于正常值50%左右。

从电压频谱图也看出方案4的基波幅值约是方案1的2倍，高次谐波含量也相对较少，方案4对机端电压的提升效果明显。

图14 四种方案下风机母线电流比较Fig.14 Contrast for DFIG＇s busbar current between four technologies

图15 风机母线电压频谱图比较Fig.15 Contrast for DFIG＇s busbar voltage frequency spectrum between four technologies

以上方案均可提升DFIG的LVRT能力，其中方案4的效果最好，对机端电压的提升效果明显，方案2次之，而DFIG在方案3控制下各电气量会出现较大波动，工程实际应用中应尽量避免。

4 结论

本文对DFIG在电网电压跌落情形下不同的无功控制策略进行了仿真，在几乎不增加硬件的情况下，对DFIG的物理结构进行了改动，使其在电网电压跌落期间不仅不脱网，而且可以充分发挥网侧和机侧变频器的无功补偿能力对电网进行无功补偿，以支持电网电压的恢复。在此基础上，本文分析了直流侧故障期间振荡的原因，并提出了改进措施。仿真结果表明，电网故障期间网侧和机侧变频器都可以对电网进行无功支撑，提升了机端电压，增强了双馈风机的低电压穿越能力。

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