双馈感应式风力发电系统低电压穿越技术概述

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（1.上海交通大学 国家能源智能电网（上海）研发中心，上海 200240；2.上海电机学院 电气工程系，上海 200240）

1 引言

风能作为一种可再生能源，相对于核能、煤炭具有诸如安全可靠、运行维护成本低等优点，受到各国学者的广泛关注和重视。双馈式风力发电机作为变速恒频发电机的一种，具有能够变速运行，风能利用系数高，能吸收由风速突变所产生的能量波动以避免主轴及传动机构承受过大的转矩和应力以及可以改善系统的功率因数等优点，成为使用最广泛的机型之一。

由于风电的快速发展，风电容量所占电网的比例越来越大。风机并网，给发电提供了途径，也对电力系统的稳定运行提出了新的问题。当电网电压发生跌落时，风机出于自身的安全考虑，会自动脱网运行，这将造成局部电网的有功缺额、电压恢复后电力系统频率降低、潮流的大范围转移，对电网的稳定性和电能质量带来威胁，造成经济的巨大损失，这就要求风电机组具有有效的低电压穿越（LVRT）保护措施。

世界各国均对风电机组的LVRT给出了相应指标，要求当风电机组在电网电压跌落时在一定时间内保持不脱网运行，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复正常，德国E.ON公司要求电网电压跌落到15%时持续300ms，澳大利亚要求跌落到0%时持续175ms，丹麦要求跌落到25%时持续100ms［1］。我国国家电网公司于2009年首次明确提出了风电场LVRT要求曲线图（如图1所示），要求新投入使用的并网风电场具备 LVRT 能力［2］。

图1 中国LVRT要求的曲线Fig.1 The curve of LVRT required in China

目前具备比较成熟LVRT技术并通过检测认证的风电企业并不是很多，而且国际上没有统一的风电机组LVRT检测认证体系，而我国目前不具备测试LVRT的认证能力，但与认证相关的电压跌落发生器成为高校研究的重点之一。

2 电压跌落时风电机动态分析

电网电压跌落会对双馈风电机产生巨大的影响，此部分分两方面进行研究，其一对风机转速、转矩等的影响，这与风机桨距角控制密切相关；其二对双馈风电机内部电磁场的影响，这与风电机暂态分析密切相关。

2.1 电压跌落时双馈风电机桨距角控制分析

电压跌落对风电机组机械变量如转速、转矩等产生很大的影响，此时通过桨距控制器来进行控制，通过调整风电机的桨距角，可以减小风电机捕获的风能，起到一定的保护作用。文献［3］采用风机转速作为反馈信号，控制叶片桨距角作为目标，设计了变速恒频的PI控制器；文献［4］对风电系统变桨距控制进行深入分析，在传统PI控制的基础上通过加入增益调整环节来改善系统在高风速阶段的控制性能。文献［5］采用基于模糊逻辑桨距的控制，以一阶系统进行建模，对控制器的输入误差变量和输出桨距角进行设计，实现对功率和转速的控制，仿真表明具有良好的暂态特性。文献［6］采用自抗扰控制来实现变桨距控制，以转速为量测输入设计扩张状态观测器，观测系统状态及风速扰动，利用前馈控制予以补偿，仿真表明，具有良好的动态性能和鲁棒性。但是，所有变桨距驱动系统不能实时响应，因而，仅通过桨距控制来实现LVRT显然不现实。

2.2 电压跌落时双馈风电机暂态分析

电压跌落时，双馈风电机会在内部产生激烈的电磁震荡过程，引起定子转子瞬时过电流，直流侧过电压，目前这方面文献的研究比较多。文献［7］采用有限元分析定子电压突变时双馈风电机的电磁动态响应进行了分析，仿真表明，电磁变量的动态响应好，超调量大，更接近实际情况。文献［8］假定定子磁链不能突变，推导了考虑边界条件的定子磁链一阶微分方程数值解，对电磁变量的动态响应进行了深入的探讨。文献［9］分析在电压跌落时推导了转子电流的动态响应表达式，它假设以短时间内转子电压不变，对转子电流在同步旋转坐标系下进行拉氏变换求得的。

通过对相关文献的调研，对双馈风电机电磁响应的研究现状进行归纳，可以得到以下结论。

1）在电网电压跌落故障瞬间，定子磁链不能突变，为了维持故障瞬间发电机定子磁链保持不变，磁链中将出现暂态直流分量；与定子侧相似，转子侧也会出现磁链直流分量。

2）在电压跌落过渡过程中，定转子磁链以不同的时间常数呈现指数衰减，同时定转子磁链振荡，使得定转子电流呈现指数衰减振荡。

3）在电压跌落期间，电机内部会有强烈的电磁振荡过程，因而风电机需从电网吸收滞后的无功功率。

4）电压跌落期间，定转子电流剧增，风机转速增加，直流侧电压升高，风电机出于自身的保护可能从电网自动切除，严重情况下可能造成连锁反应，因而要求风电机组必须具备LVRT技术。

3 非平衡电压跌落下风电机控制

近年来，风力发电机技术的趋势之一便是由理想电网条件下转至故障条件下，目前大量文献对电网电压对称跌落故障条件下的控制运行进行了研究，但对电网电压不对称故障条件下的控制研究成果较少。在电网电压不对称故障条件下，定转子出现过电流，由于电压、电流都存在正、负序分量，因而电压，功率，转矩等出现2倍工频的周期性振荡，影响风电机的稳态运行，产生噪音，损坏发电机的机械部件等后果，这就需要施加不平衡控制来抑制负序分量的影响，使风电机组具备一定程度不平衡电压下的持续运行能力［10］。本节分两部分进行研究，首先介绍不平衡变量的分离方法，再介绍电网不平衡条件下，双馈电机的控制策略。

3.1 不平衡变量分离方法

目前对于不平衡电压下的研究方法均是基于对电机的电磁变量进行正序、负序、零序分离后进行分析。电压不平衡下DFIG控制系统的性能很大程度上取决于变量正负序分离方法的准确性和快速性。常用的正负序分离方法有以下3种。

1）采用滤波器方式。其中“二阶陷波器”比较常用，这种方式比较简单，但分离精度不高，难以做到正负分量的无差分离。文献［11－12］通过增加滤波器的阶数来提高分离精度，但这样会增加控制算法的复杂程度，影响系统的响应速度。

2）基于二阶广义积分的分离方式。这种方法通过二阶广义积分构造当前变量的正交量，利用当前值及其正交值的一定关系计算出正负序变量，文献［13］就是采用这种方式。这种方式不需要进行相位检测但是需要对二阶积分参数进行设计。

3）时间延迟抵消方式。利用在同步旋转和两相静止坐标系下，延时之前的采样值和当前值存在一定的关系，通过相应计算可以推导出在两相静止坐标系下的正负分量。延时的时间可以根据理论推导得到，文献［14］采用“T／16延迟抵消法”，文献［15－16］采用“T／4延时抵消法”。这种方法比起采用滤波器，原理更简单、不用设计滤波器参数，同时正负序分离的准确性可以得到有效保证，是目前最常用的方法。但是由于采用了一定的延时，将不利于正负分离的快速性要求。

上述3种正负分离的方法均存在滞后性，为了更好地解决不平衡电压下双馈风电机的运行，需要在以后的研究中找到更先进的分离方法。

3.2 电网电压不平衡条件下双馈风电机的控制

在电网电压平衡条件下，双馈式风电机转子侧变换器控制的主要目标是实现对定子输出有功功率和无功功率的解耦控制；在电网电压不对称故障条件下，就需要考虑：定子输出的有功、无功功率，以及电磁转矩等的2倍电网频率波动成分。为此，目前相关的控制研究方向主要有以下两种，即双dq，PI闭环控制和比例谐振（PR）控制。

3.2.1 电压不平衡下双馈风电机的双dq，PI闭环控制

对于网侧变换器而言，网侧变换器按能量的流向可分为两种运行方式，一种是并网逆变器模式，另一种是三相整流器模式。针对不同的控制目标，设计相应的控制算法。文献［17］通过对并网逆变器在双dq坐标系下对网侧电压电流进行正负序分离，可以实现3个控制目标：

1）保持网侧输出电流的三相平衡，避免桥臂IGBT管的发热不均；

2）消除输出有功电流的2倍频波动；

3）消除输出无功功率的2倍频波动。

同理，对于转子侧变流器而言，电压不平衡下通过对定转子电压电流进行正负序分离，通过坐标变换得到转子dq轴电流，可以实现不同的控制目标。文献［17－18］经过推导，得到双dq，PI控制下可以实现以下4个目标：

1）恒定定子输出有功功率，即消除定子有功功率的2倍电网频率波动分量；

2）平衡三相转子电流，即转子电流不包含负序分量；

3）平衡三相定子电流，保证电机三相定子绕组的均衡发热；

4）恒定的电机电磁转矩，以减轻对风力机系统的机械负荷。

3.2.2 电压不平衡下双馈风电机的比例谐振控制

PI控制具有算法简单和可靠性高等特点，但不能实现无静差控制。比例谐振控制在基波频率处增益无穷大，而在非基频处增益很小，因此，系统在基波频率可以实现零稳态误差。文献［19］在两相静止坐标系下采用PR控制器，对谐振控制器实现误差跟踪，而对其它频带的交流信号完全截止。具备这种特征的控制器尤其适用于含有定频持续干扰的不平衡三相变量情况，但是目前的文献大都通过在旋转坐标系下的计算得到正负序电流给定值，再变换到静止坐标系下进行比例谐振控制［20］；比例谐振控制器的参数较难设计，控制性能对频率的变化十分敏感，这些需要在以后的研究中进一步考虑，采取相应的措施进行改善。

4 双馈风机低电压穿越技术

4.1 不增加硬件电路，改进控制策略

在电压跌落深度较小时，此时通过改进控制策略来实现风电机组的LVRT方法，目前大致有以下几种。

1）在电机模型中计及定子磁链的暂态过程，并以此得到新的控制策略。文献［21］通过在原来控制器的基础上再加上定子磁链电流变化的补偿量，对解耦电路进行必要的修正，建立双馈风电机定子励磁电流动态过程的精确模型。这种方法在一定程度上提高了外部电网电压故障对转子电流的控制能力，但由于转子电流的有效控制是以增大转子输入电压为代价的，只能在很小的电压跌落范围内发挥一定的作用。

2）采用基于可靠控制技术的Η∞和μ-analysis方法设计全新的控制器，并考虑各种不利条件［22］。这种方案的主要控制思路为：网侧控制器用来检测直流侧电压的故障和定子端电压单独故障，从而产生电流信号来补偿这些故障，它的转子侧控制器用以检测定子有功和无功的异常，并产生转子电流信号进行补偿。这种方案变流器控制能力变差，网侧变流器无法在短时间内将多余的能量馈入电网，直流侧电压仍会升高，而转子侧电流的动态响应速度受到限制，仍会出现转子过流。

3）基于双馈风电机暂态磁链补偿的技术，即控制转子电流使得转子产生的磁链抵消定子磁链中一部分直流分量和负序分量［23］。这种方案能够抑制电磁转矩的脉动，减小机械应力，但补偿控制能力受定转子漏感以及转子电流动态响应的影响，控制能力较弱，尤其是电网电压跌落的瞬间仍然可能会在定转子电流中出现较大尖峰值。

4.2 增加硬件电路，改进控制策略

当电压跌落深度较大时，仅依靠控制策略的作用有限，需要增加硬件保护电路，增加转子Crowbar电路和直流侧保护电路成为主流。

很多文献已对Crowbar电路进行阐述，Crowbar电路有被动和主动之分，前者有一定的缺点：需要从电网吸收大量的无功功率，不能对故障的电网电压提供支撑，并且在电网故障切除后不能马上对电网提供能量。目前对主动Crowbar的研究主要有以下2个方面。

1）Crowbar电路电阻阻值的选择：阻值过小不能起到衰减转子电流的作用，过大又会造成转子变流器承受过高电压，对续流二极管造成威胁，文献［24］对电阻阻值的选择作了深入的推导仿真。

2）Crowbar电路投入和切除的控制：Crowbar电路可以通过检测转子是否过电流或者直流侧电压是否过高进行判断，文献［25－26］就这一方面进行了阐述；Crowbar电路切除的判断也非常重要，过早切除会由于转子过电流还未得到充分衰减，引起Crowbar电路再次频繁切除；过晚，则会从电网吸收无功，更不利于跌落期间电压的恢复。因而，两者的控制至关重要，成为实现LVRT技术的瓶颈。

电压跌落时，转子过电流，能量在直流侧积累造成直流侧过电压，可能会损坏直流侧电容和功率器件，可以增加卸荷电路和增加能量储存设备（ESS），文献［27］就这种保护进行了分析和仿真。若单独使用此种方式会有明显的缺点，无法对转子电流进行有效控制。文献［28］使用Crowbar电路和直流保护电路相结合，仿真表明，可以卸荷多余能量保护变流器。但如何有效配合各投切逻辑，成为急需解决的问题。

5 电压跌落发生器的研究现状

电压跌落是最为常见的电网故障［29］，其故障类型和比例为：单相对地故障为70%，两相对地故障为15%，相间故障为10%，三相故障为5%。由于电网故障的不可控性和随机性，为了模拟实际电压跌落故障下，风电机的运行，有必要研究专门的设备用于检测风力发电系统在电压跌落时的穿越能力，这种设备称为电压跌落发生器（voltage sag generator）。为了尽早制定LVRT的认证体系，很有必要研制电压跌落发生器，针对它的研制也成为近几年的热点。

VSG必须要能够产生上述故障类型，尤其是三相故障和两相接地故障，电压跌落持续的时间需从0.5到数百个电网电压周期。可行性强的VSG方案要满足高功率等级，实现简单和成本低等多方面的因素。

目前已有的VSG实现方法主要有阻抗形式、变压器形式和逆变器形式［30］，基于阻抗形式的VSG受负荷变化的影响，跌落深度难以平滑调节；基于变压器和固态继电器的VSG在电压跌落和恢复的瞬间可能由于开关过程存在电压中断；基于逆变器形式的VSG体积小，控制灵活，功能强大，成为未来新型VSG拓扑结构的主要发展方向。文献［31］提出一种三相自耦变压器和由12个可控器件IGBT构成的双向开关实现的新型三相VSG，但硬件电路复杂，成本很高；文献［32－33］采用背靠背拓扑形式的SVG，控制策略采用PIR的方法进行控制。相对于传统的PI控制，加入谐振（R）控制器，电压负序分量得到有效的抑制，因而采用PIR控制器的VSG可以产生相对精确的各种不对称电压跌落。

6 总结

本文系统论述了双馈风电机LVRT技术的相关研究，包括不平衡电压下双馈风电机的控制策略，LVRT技术，电压跌落发生器等，分析了以后研究中可能遇到的一些难点和重点，以期望对未来研究LVRT技术的发展趋势有一定的参考价值，将其归纳为如下几点：

1）如何在定子电压跌落前后控制桨距角，使其和主控制器相协调；

2）在不平衡电压跌落下，如何通过分离不平衡变量以及采用相应的控制实现对负序变量的抑制；

3）Crowbar电路投入和切除的逻辑控制需要进一步研究；

4）为了制定完善的风电机组LVRT检测认证体系，动态电压跌落发生器的研究势在必行。

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