DFIG风机低电压穿越能力的现场测试与验证

曾 辉，朱 钰，刘劲松

(辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

能源需求和发展低碳技术促进了中国风力发电事业蓬勃发展。到2020年中国风电装机总量将达到230 GW，年风电输出总量将达到464.9 TWh［1］。中国领跑世界风电装机总量也带来了风电机组低电压穿越问题。2011年2月，经历了一系列风电场断电事故后，中国电监会 (SERC)于2011年11月决定制定新型风电并网标准，要求风机具备在电网电压跌落期间保持持续运行的能力，即低电压穿越能力，同时要求新建风场只采用具有低电压穿越能力的风机［2］。

通过使用仿真软件研究风电机组LVRT的控制理论，如Lima等人提出一种新型DFIG转子侧变频器控制策略，并通过PSCAD/EMTDC软件进行验证［3］;Trilla等人开发出一种3 MW DFIG模型，并通过 Matlab/Simulink中的 Bogacki－Shampine Solver分别在平衡和不平衡电压跌落情况下验证了风机的控制策略［4］;此外，Mansour等人调查了转子电流和DC－link电压中存在的暂态和波动情况，并在Matlab/Simulink软件中对其进行研究［5］。

本文论述第一次在东北地区7家风电场上验证不同种类风电机组的控制策略。首先，讨论了双馈异步风力发电机 (DFIG风机)的基本原理及其LVRT控制策略;其次，展示了对于单台风机的LVRT现场测试过程与结果，对风机的多种控制策略进行验证;最后，探讨并对比了不同无功功率补偿方法。

1 DFIG风机的原理及其控制策略

DFIG风机与永磁直驱风力发电机 (PMSG)都在中国风电场上得到广泛应用。在DFIG风机中，仅有发电机转子发出的功率 (额定功率的25%～30%)馈入到电力电子变频器中。所以，相比装备全功率变频器的PMSG，DFIG风机拥有更低的功率变频器且成本较低［5－7］。

在电网故障情况下，Crowbar(撬棍)是一种可以通过释放转子侧的能量减小转子中的过电流和过电压的电阻［8］。被动Crowbar运用二极管整流电路或非平行晶闸管通过短路转子端。将被动Crow-bar中的二极管用半导体开关IGBT器件替换，就可以转换为主动 Crowbar结构［9］。不同于Crowbar的原理，直流斩波器由开关和电阻组成，并与DC－link电容器平行连接到直流侧［10］。

2 风力发电机组的LVRT现场测试

低电压穿越LVRT现场测试是通过使用一种小型电网故障模拟器进行的。这种模拟器方便运输到风电场，是一种集成、紧凑的LVRT测试解决方案。

图1为电网故障模拟器的现场外部视图。图2为电网故障模拟器内部的控制单元。

这种电网故障模拟器拥有1 770多种配置，可以模拟出3相平衡、2相或1相不平衡的电网电压跌落情况。电压跌落深度和时间由电脑自动配置。控制室内的开关单元通过Ethernet与电网故障模拟器相连。

3相平衡、2相或1相不平衡的电压跌落运行范围为0～100%。这些电压跌落可以通过星角变压器连接在风机的690 V低压侧。图3为拥有Crowbar的DFIG系统结构以及电压跌落发生器连接的位置。图4为LVRT现场测试的照片，可见风机、电网故障模拟器与控制室的具体位置。

2011年，在东北地区7个风电场对至少6种DFIG与PMSG风机机型进行了低电压穿越测试。这些风机具有不同类型的Crowbar保护结构，所以具有不同的控制策略。A、B和C都是DFIG风机，A风机运用斩波器作为主要的Crowbar部件，B和C风机分别运用主动和被动Crowbar保护结构。

2.1 主动Crowbar、被动Crowbar和斩波器对DFIG的LVRT过程影响

为了研究不同Crowbar保护类型对LVRT过程的影响，测试的A(斩波器结构)、B(主动Crowbar结构)和C(被动Crowbar结构)风机的波形如图5(a)、(b)、(c)所示。A、B和C风机都是在相同的三相50%电压跌落深度，大负荷 (P＞0.9Pn)电网故障情况下进行的。图5从上至下分别为机端线电压、机端相电流和有功功率及无功功率波形。

对比装备Crowbar的B、C风机，装备变频器与斩波器组合的A风机得到的电压、电流和功率波形更为平滑。因此，直流斩波器具有平顺DC－link电压的功能和减小转子线路中过电流、过电压的功能得到验证。

表1总结了A、B和C风机的性能参数，可知B风机 (装备主动Crowbar)跌落时间比C风机(装备被动Crowbar)长10 ms。相对波动Crowbar，主动Crowbar帮助风机延长了穿越时间。

表1 A、B和C风机性能参数

图5 A、B、C风机的电压、电流和功率波形

此外，主动Crowbar的IGBT在电压跌落期间产生了无功功率。经计算，跌落期间B风机产生了0.38 p.u.的无功功率，远大于C风机的无功功率 (0.18 p.u.)，证明主动Crowbar有效提高了风机的可控性、稳定性和应对电压突然跌落的反应能力［10］。另外，B、C 2种风机电流和有功功率的恢复时间也不同。图5(b)中电流与有功功率的恢复时间约为2 s，图5(c)中恢复时间则最少用了4 s，所以主动Crowbar能更快消除转子的暂态量，进而重新获得对DFIG的控制［10］。

2.2 LVRT其它解决方案

设计用于补偿故障电压的动态电压恢复器(DVR)可从根本上解决LVRT问题。DVR是一种串联在电网上的电压源变频器，可以用来为没有足够低电压穿越能力的风机提供电压补偿。根据文献［11］的描述，当风机系统被DVR保护后，风机机端的电压跌落可以被补偿到电压跌落前的值。DFIG的反应变得不敏感，所以产生更低的定子和转子过电流，从而无需触发Crowbar。DVR将风机从非对称故障产生的负序电压成分中隔离，DVR清除负序电压成分的能力为风机带来了在非对称电压跌落下更好的性能。

3 中国低电压穿越电网的要求

根据中国电监会 (SERC)的最新并网要求，新风机必须在一定范围内的电网故障期间保持与电网连接并稳定运行，必须在电网跌落到额定电压的20%时具有在625 ms内不脱网运行的能力。最新风机并网LVRT要求如图6所示。

对于跌落时间大于625 ms的电网，风机需要在图6中黑线以上的位置保持不脱网运行，即在电压跌落以及故障恢复期间，风电场必须向电网提供无功功率，用以支持并网耦合点PCC电压的恢复。在电网电压故障恢复后，风机必须在几百ms内为电网提供有功功率。

由表1可知，A、B、C风机经历的电压跌落时间分别为1 211 ms、1 226 ms、1 216 ms，可以推断所有风机都能满足图6中的低电压穿越标准。图7将实际波形与LVRT国标进行对比，可见所有风机电压曲线都没有超越SERC规定的黑色实线。

4 风电场的无功功率补偿

风电场的低电压穿越能力与风电场内部无功功率补偿装置密切相关，无功功率补偿装置可以维持电压稳定。被测试的风电场使用SVC作为无功功率补偿器，SVC利用晶体管控制的电抗器和电容器获得动态无功功率控制。

为进一步提高风电场的低电压穿越能力，可以使用静态同步补偿器 (STATCOM)。对比已经安装在被测试风电场的SVC，STATCOM可以提供更快的响应、更小的波动，并提高在低电压情况下的穿越能力。如果STATCOM与SVC拥有同样的功率，那么安装STATCOM的风电场会有更好的低电压穿越表现［12］。

5 结论

为满足中国电监会 (SERC)提出的风电机组低电压穿越并网要求，应用多种低电压穿越方案，包括主动Crowbar、被动Crowbar、直流斩波器和DVR补偿器。装备主动Crowbar的风机能更快恢复控制，直流斩波器和交流Crowbar的组合可以平复DC－link电压，进而提高DFIG风机的低电压穿越能力。

对称和非对称故障给风机带来暂态转子过电流和严重的电流振荡，但无论发生哪种电压跌落，跌落开始和结束时都存在电流峰值。

DVR补偿故障电压的功能表明它可从根本上解决单台风机的低电压穿越难题。和SVC相比，STATCOM能更有效提高整个风电场的低电压穿越能力。STATCOM可以和DVR变频器联合使用，共同帮助风电场处理多种未知的电网电压跌落。

［1］ Li J，Shi P and Gao H(2010)．China Wind Power 2010 ［online］，Beijing，Chinese Renewable Energy Industries Association from http:∥www. gwec.net/fileadmin/documents/tests2/wind%20report0919．pdf［Accessed on 7thMar，2012］．

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［3］ F．Lima，A．Luna，P．Rodriguez，E．Watanabe and F．Blaabjerg， “Rotor Voltage Dynamics in the Doubly Fed Induction Generator During Grid Faults”IEEE Transactions on power electronics，vol．25，No．1，pp．118 －130．January 2010．

［4］ L．Trilla，A．Junyent，M．Mata and J．Navarro， “Modeling and Validation of DFIG 3－MW Wind Turbine Using Field Test Data of Balanced and Unbalanced Voltage Sags”IEEE Transactions on sustainable energy，vol．2，No．4，pp．509 －518．October2011．

［5］ M．Mohseni，S．M．Islam and M．A．S．Masoum， “Impacts of Symmetrical and Asymmetrical Voltage Sags on DFIGBased Wind Turbines Considering Phase-Angle Jump，Voltage Recovery，and Sag Parameters”IEEE Transactions on power electronics，vol．26，No．5，pp．1 587 －1 597．May 2011．

［6］ G．Pannell，D．J．Atkinson and B．Zahawi，“Analytical Study of Grid-Fault Response of Wind Turbine Doubly Fed Induction Generator” IEEE Transactions on power conversions，vol．25，No．4，pp．1 081 －1 091．December 2010．

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［8］ A．Geniusz，S．Engelhardt:Riding through Grid Faultswith Modified Multiscalar Control of Doubly Fed Asynchronous Generators for Wind Power Systems Records of the PCIM conference，Nurnberg，2006．

［9］ R．Mittal K．S．Sandhu and D．K．Jain(2009)，“Low Voltage Ride-Through(LVRT)of Grid Interfaced Wind Driven PMSG，”ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences，vol．4，No．5，July 2009．

［10］ I．Erlich，H．W rede and C．Feltes(2007)．Dynamic Behavior of DFIG－Based Wind Turbines during Grid Faults［online］，from http:∥www．uni-due．de/ean/downloads/papers/erlich2007．pdf［Accessed on 6thMar，2012］

［11］ Christian W，fabian G and Friedrich W．F．，“Fault Ride-Through of a DFIGWind Turbine Using a Dynamic Voltage Restorer During Symmetrical and AsymmetricalGrid Faults，”IEEETranson Power Electronics，vol．26，No．3，March 2011．

［12］ Marta M，Jon A and Tore U，“Low Voltage Ride through of Wind Farms with Cage Generators:STATCOM Versus SVC”IEEE Transactions on power electronics，vol．23，No．3，pp．1 104－1 117．May 2008．