双馈型风机低电压穿越改造中对变桨系统的改进

袁野，艾利盛

(1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春市 130021；2.国网吉林省电力有限公司白城供电公司，吉林省白城市 137000)



双馈型风机低电压穿越改造中对变桨系统的改进

袁野1，艾利盛2

(1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春市 130021；2.国网吉林省电力有限公司白城供电公司，吉林省白城市 137000)

随着我国风电领域相关标准的发布，国内的双馈型风机(doubly-fed induction generator，DFIG)发电机组都已具备电网故障时不脱网的能力。其中部分风机是经过技术改造才具备低电压穿越(low voltage ride through， LVRT)能力的，因此各个厂家的风机LVRT策略多种多样，很多风机厂家的控制策略并不完善，使得风机在故障后的功率恢复速率并不能满足要求。同时某些风机的控制策略使风机在功率恢复过程中发生功率突变，若风场的大量风机都应用该程序进行LVRT，则会使得该地区的电网由于有功功率突变而导致电网电压瞬间升高，对电网造成二次冲击，使风机又处在外部电压高于标准电压的状态，而目前国内的风机还不具备高电压穿越功能，从而发生更大规模的风机脱网事件。为此提出了一种在对双馈风机进行LVRT改造时既能保证其撬棒系统不被损坏，同时又具备LVRT能力的新型精细化控制策略。

低电压穿越(LVRT)；撬棒；控制策略；双馈型风机(DFIG)

0 引 言

我国在GB/T 19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》中明确规定，要求风电机组必须具备低电压穿越(low voltage ride through，LVRT)能力[1]。其中对有功功率恢复的要求如下：对电力系统故障期间没有切出的风电场，其有功功率在故障清除后应快速恢复，自故障清除时刻开始，以至少10%额定功率/s的功率变化率恢复至故障前的值。随着我国风电机组总装机容量的不断增加，大部分风机厂商的双馈型风机(doubly-fed induction generator，DFIG)发电机组LVRT控制策略都比较成熟，在电网电压跌落期间，大部分风电场都具备LVRT能力。

但是通过对风电机组LVRT能力的检测，发现很多厂商在保证风电机组LVRT过程中不脱网的情况下，往往都忽略了风电机组在LVRT过程结束后对功率恢复速率的要求。目前，大多数厂家的控制策略都是通过进行变桨或者偏航动作来消耗一部分LVRT过程中产生的多余能量，同时通过转子侧的撬棒电路进行能量释放[2]。但是有部分厂家将变桨和偏航动作设置的时间过长，这样做的确能消耗LVRT过程中的多余能量，减轻撬棒的负担，但是造成的后果却是大大降低了风电机组在LVRT过程结束后功率恢复的速率。

风机厂商为了保护撬棒系统，在LVRT过程中在原有变桨动作的基础上又进行了额外的变桨或者偏航动作，使得风机改变了正常发电情况下机头的朝向或者叶片的桨距角。在外部电压恢复正常后，风机需要进行相应的变桨或者偏航动作来重新使风机处在最大的发电状态，这样风机就需要更长的时间来恢复到LVRT前的功率状态[3-5]。因此，在编写控制策略时，应根据外部电压跌落情况，正确选择撬棒动作投入的时间，同时控制变桨动作的次数，尽可能保证风机既能在LVRT过程中不脱网，同时功率恢复速率也能达到要求。

本文首先概述双馈型风电机组的结构，包括变桨系统、偏航系统及部分风机厂家对各自风机撬棒系统的控制策略，同时分析在LVRT过程中双馈型风机的运行过程以及LVRT功能的必要性。然后通过实际检测得到的数据，分析风机在电网故障时的各项性能，提出一种在对双馈型风电机组进行LVRT改造时既能保证其撬棒系统不被损坏，同时又具备LVRT能力的新型精细化控制策略。

1 双馈型风力发电机工作原理

双馈型风力发电机的定子和转子均与电网相连，其中定子通过并网开关直接连接到电网，转子通过机侧变流器与网侧变流器与电网相连，如图1所示。由于双馈型风力发电机中转子的励磁绕组为三相对称绕组，且励磁电压的频率、相位、幅值和相序均可调节，从而很容易对风机有功和无功输出进行控制[6-8]。

图1 常规双馈型风力发电机电路结构Fig.1 Circuit structure of common DFIG

双馈型风力发电机通过定子和转子分别发电，当电网外部电压发生跌落时，由于定子侧直接与电网相连，定子电压瞬时下降，且电流不能突变，导致转子电流发生突变，超过转子电流的保护定值。同时在“背靠背”的直流部分引起较大直流母排过电压，导致直流母排电压报警[9-10]，引起发电机脱网。若这种现象不能得到有效抑制，会使电网电压进一步跌落，进而造成大面积的电网电压跌落，对电网的安全稳定运行造成危害[11]。因此，我国在《风电场接入电力系统技术规定》中明确规定：风电场并网点电压跌落至20%标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625 ms，如图2所示；风电场并网点电压在发生跌落后2 s内能够恢复到标称电压的90%时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行；对电力系统故障期间没有切出的风电场，其有功功率在故障清除后应快速恢复，自故障清除时刻开始，以至少10%额定功率/s的功率变化率恢复至故障前的值。

图2 风电场LVRT功能要求Fig.2 LVRT functional requirements of wind farm

风电机组检测到电压故障时，风机进入到LVRT过程。此时，由于网侧变流器的电流不能突变，因此输出功率减小，但是风电机向机侧变流器输入的功率并没有减小，因而需要有额外的能量释放通道，此时风机的撬棒系统开启，同时风机进行变桨动作，减小风机捕获的风能[11]。但是有的厂商为了保护风机撬棒中的释放电阻，将这部分能量全部通过额外的变桨或偏航动作来进行释放[4，11]。同时，当风机进行偏航和变桨动作时，风机转子向机侧变流器输入的功率也会减小，此时需要释放的多余能量也会有一定程度的减小。

风机处于LVRT过程中时的能量关系如下：

Pout=Pin-Ploss-Pcrowbar-Ppitch-Pyaw

(1)

式中：Pout为风机的输出能量；Pin为向风机输入的总能量；Ploss为风机内部的铜耗、铁耗及其他能量损失；Pcrowbar为风机通过撬棒系统电路释放的能量；Ppitch为风机进行额外变桨动作消耗的能量；Pyaw为风机进行额外偏航动作消耗的能量。

由式(1)可知，在LVRT过程中，风机进行变桨和偏航所消耗的能量越多，风机通过撬棒系统进行消耗的能量越少，则该部分所需要承担的负担越小。因此，有的风机厂商为了保护该部分电路，将变桨和偏航的时间设置得很长，以此来减轻撬棒系统的负担，导致风机LVRT后功率恢复速率远远达不到标准所要求的速率[12-13]。

2 双馈型风机实测LVRT过程

图3、4为某机型经过LVRT改造之后的LVRT过程功率曲线和电压曲线。

图3 某双馈型风电机组LVRT过程功率曲线Fig.3 Power curve of DFIG during LVRT process

图4 某双馈型风电机组LVRT过程电压曲线Fig.4 Voltage curve of DFIG during LVRT process

由图3、4可知，该机型的输出功率在电压恢复正常后有一个明显的功率恢复 “停滞期”，该期间内风机的功率恢复速率基本停止，持续时间为2 s左右，同时伴随着有明显的功率波动。当这段“停滞期”结束后，输出功率在1 s内由1 283 kW突变为1 538 kW，并且在恢复到正常功率水平之后仍然有明显的功率波动期，最低为1 479 kW，最高为1 515 kW，相差36 kW，共持续10.4 s，而正常风机运行时功率上下浮动不会超过5 kW。详细波形如图5、6所示。

图5 该风机正常情况下输出功率曲线Fig.5 Power curve of DFIG during normal condition

图6 该风机LVRT过程中功率突变曲线Fig.6 Saltation in power curve of DFIG during LVRT process

3 新型双馈型风电机LVRT控制策略

经分析，图3中所示产生“停滞期”的原因是该风机厂家在LVRT控制策略中将变桨过程投入时间设置过长。当检测到外部电压故障时，第一时间就进行了变桨动作，而且变桨动作持续时间较长，从检测到外部故障后开始，一直持续了12 s，几乎全部利用变桨系统进行能量释放，通过撬棒系统释放的能量很少。这就直接导致在电压恢复正常之后，功率仍然不能恢复到正常水平，且风机的输出功率随着桨距角的变化一直在波动。当风机功率恢复到LVRT过程之前的水平时，风机的变桨动作仍然在继续，因此导致风机的输出功率仍然出现了一定幅度的波动。产生这种情况的直接原因就是风机厂家将公式(1)中的Pcrowbar(风机通过撬棒电路释放的能量)设置尽可能小，而将大部分能量通过Ppitch(风机进行额外变桨动作消耗的能量)的形式释放。

当风电机组配备的撬棒系统无法完全消纳LVRT过程多余的全部能量时，的确需要通过风机的变桨或者偏航动作来消耗多余的能量，但是不能完全通过这2项动作来进行能量释放。因此，这里就涉及到什么情况下需要变桨动作或者偏航动作，需要持续多长时间等问题。需要考虑的是所配置的撬棒系统能够消耗的最大能量是多少，同时还要考虑风机的电压跌落幅度。参考式(1)，风机需要释放的能量总和P总为

P总=Pcrowbar+Ppitch+Pyaw

(2)

同时，要考虑到所用的释放电阻的材料特性，由于LVRT过程时间短，因此在短时间内要释放的能量较大，所要释放的总能量计算公式如下：

(3)

式中：W为LVRT过程中总的释放能量；I为LVRT过程中的电流；R为撬棒系统中释放电阻的值；t为LVRT所经历的时间；t1和t2分别为LVRT过程开始和停止时间。

同时，根据风机厂家所采用的释放电阻的值以及流过的最大电流值，可以计算出该电阻能释放的最大能量限值Wmax。这里的时间设定为625 ms，最大承受能量计算公式如下：

Wmax=I2Rt

(4)

若风机在LVRT过程中需要释放的能量W>Wmax时，不仅需要通过撬棒系统释放能量，同时还需要通过额外的变桨动作来释放。若W

(5)

因此，在风机的LVRT过程中，应该加入一个初步判断的步骤，可以分为几个区间，如风机处于小风期时，此时电压跌落幅值，如表1所示。表中类型1为仅撬棒系统动作；不进行变桨动作，类型2为撬棒和变桨同时动作。

表1 风机跌落情况判断

Table 1 Estimate of wind turbine falling condition

当检测到外部电压有跌落情况时，首先判断该幅度的跌落所产生的多余能量是否能够完全通过撬棒系统进行释放，若能够完全释放，则不启动变桨动作进行能量释放；若不能够完全释放，则启动变桨动作进行能量释放，同时指定变桨系统的动作次数，避免多次变桨而导致功率恢复速率不达标。

下面以某双馈型风机输出功率处于20%～40%区间时，发生三相电压跌落至20%的情况为例，计算该风机需要进行变桨次数。根据表1中跌落情况判断，该LVRT控制策略应为类型2，即撬棒与变桨同时动作。图7、8、9分别为该风机LVRT过程中的电压、功率以及三相电流曲线图，图中黑色竖实线为电压恢复至正常水平时刻的参考点。

从图8可以看出，该风机在LVRT过程中有2个功率波动现象，即所进行变桨次数为2次。第1次为功率由正常功率降低到最低输出功率，此时风机进行了1次变桨动作，第2次为风机输出功率开始恢复过程中，出现1次功率的回落，此时进行第2次变桨动作。

图7 修改后风机LVRT过程电压曲线Fig.7 Power curve of modified DFIG during LVRT process

图8 修改后风机LVRT过程功率曲线Fig.8 Power curve of modified DFIG during LVRT process

图9 修改后风机LVRT过程相电流曲线Fig.9 Power curve of modified DFIG during LVRT process

风机功率出现变化的起始时间为8.616 s，风机电压恢复正常的时间为10.216 s，中间经历时间1.6 s，风机正常输出功率为406 kW，正常应该输出能量为649.6 kJ。根据阴影面积计算法，风机在LVRT过程中输出的实际能量为341.7 kJ，因此撬棒和变桨系统一共需要消耗的总能量为307.9 kJ。

根据公式(4)，已知故障前输出电流各相分别为335，332，334 A，该撬棒每相阻抗值为1 Ω，根据已设时间0.625 s，可计算出撬棒电路消耗的总能量为208.8 kJ，还剩99.1 kJ的能量需要通过变桨动作进行消耗。根据厂家提供数据，风机每进行1次变桨所需要的能量约为100 kJ，该数据根据实时的风况会有变化，但是上下不会超过10 kJ。根据公式(5)可知，s=1.99，取s为2，因此要消耗这部分多余的能量需要进行2次变桨动作。

可见该控制策略可以帮助风机判断当故障发生时是处在哪种区域，应当进行什么样的动作，这样既能正确地进行LVRT动作，同时还能保证在故障后功率恢复速率满足相关标准的要求。图10、11为经过修改控制程序后的风机LVRT两相跌落曲线，此时风机处在大功率阶段，即风机输出功率处在额定功率的90%以上，同时电压跌落幅度为额定电压的20%～40%，因此所属LVRT过程应该是类型2，即通过撬棒系统和变桨系统同时进行能量的释放。

图10 修改后风机LVRT过程功率曲线Fig.10 Power curve of modified DFIG during LVRT process

图11 修改后风机LVRT过程中相间电压曲线Fig.11 Voltage curve of modified DFIG during LVRT process

由图10、11可知，变桨动作并不是一直在进行，而是在恢复到电压跌落前的水平后才开始进行调整，并不存在图3中的功率“停滞”阶段，仅经过1 s就从72 kW恢复到1 463 kW，因此这种功率恢复速率是满足国家标准要求的，满足了《风电场接入电力系统技术规定》中关于功率恢复速率的要求。这证明上述理论是可以实现的，并且可以满足国标中的相关要求。

4 结 论

(1)对双馈风电机组进行LVRT功能改造时应该充分考虑原有撬棒系统所能承受最大的能量释放，在尽可能用撬棒系统进行能量释放的基础上再考虑利用变桨动作进行额外的能量释放的控制策略，而不应该笼统的尽可能使用变桨或者偏航动作来进行残余能量的消耗。

(2)在原有主控程序的基础上，应该加入一个优先判据来判断风机此时所处的区间，并且能判断需要进行变桨动作的次数，避免风机进行长时间的变桨，进而达到精细化控制风机的目标。

[1]GB/T 19963—2011风电场接入电力系统技术规定[S].北京：中国电力出版社，2011.

[2]杨涛，迟永宁，郑涛.双馈变速风电机组低电压穿越控制方案的研究[J].现代电力，2009，26(4)：:36-40.Yang Tao,Chi Yongning,Zheng Tao.LVRT Control strategies for DFIG-based plants[J].Modern Electric Power,2009,26(4):36-40.

[3]蒋雪冬，赵舫.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(12)：84-89.Jiang Xuedong,Zhao Fang.Crowbar control strategy for doubly fed induction generator of wind farm during power grid voltage dips[J].Power System Technology,2008,32(12):84-89.

[4]徐殿国，王伟，陈宁.基于撬棒保护的双馈电机风电场低电压穿越动态特性分析[J].中国电机工程学报，2010，30(22)：30-36.XuDianguo, Wang Wei, Chen Ning.Dynamic characteristic analysis of doubly-fed induction generator low voltage ride-through based on crowbar protection[J].Proceedings of the CSEE, 2010, 30(22):30-36.

[5]吴建明,魏毅立,吴振奎.双馈风力发电机组及其低电压穿越技术的研究[J].电气传动自动化,2011,33(2):19-22,33.WuJianming,WeiYili,WuZhenkui.Research on the double-fed induction generators for wind turbines and low voltage ride-through technology[J].Electrical Drive Automation,2011,33(2):19-22,30.

[6]胡家兵，贺益康.双馈风力发电系统的低压穿越运行与控制[J].电力系统自动化，2008,32(2)：49-52.HuJiabing,HeYikang.Low voltage ride through operation and control of doubly fed induction generator wind turbines[J].Automation of Electric Power Systems,2008,32(2):49-52.

[7]贺益康，周鹏.变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术总述[J].电工技术学报，2009,24(9)：140-146.He Yikang, Zhou Peng.Overview of the low voltage ride-through technology for variable speed constant frequency doubly fed wind power generation systems[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2009,24(9):140-146.

[8]梁亮，李建林，许洪华.双馈感应式风力发电系统低压穿越研究 [J].电力电子技术，2008，42(3)：19-21.Liangliang, Li Jianlin, XuHonghua.Research on low voltage ride through of double-fed inductive generator wind power system[J].Power Electronics, 2008,42(3):19-21.

[9]孙银锋，李国庆，王利猛，等.基于撬棒保护的双馈风电机组动态特性分析[J].电测与仪表，2014，51(2)：23-26.Sun Yinfeng, Li Guoqing, Wang Limeng, et al.Dynamic characteristic analysis of doubly-fed induction generator based on crowbar protection[J].Electrical Measurement & Instrumentation, 2014，51(2)：23-26.

[10]蔚兰,陈宇晨,陈国呈.双馈感应风力发电机低电压穿越控制策略的理论分析与实验研究[J].电工技术学报,2011,26(7):30-36.Yu Lan, Chen Yuchen, Chen Guocheng, et al.A low voltage ride-through control strategy of doubly fed induction generator[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2011,26(7):30-36.

[11]秦原伟，刘爽.基于Crowbar的双馈风力发电低电压穿越研究[J].电力电子技术，2011，45(8)：51-53.QinYuanwei,LiuShuang.Doubly-fed induction generator low voltage ride through based on crowbar circuit[J].Power Electronics,2011,45(8):51-53.

[12]张健华，王健，陈星莺，等.双馈风机低电压穿越控制技术策略的分析与研究[J].电力系统保护欲控制,2011,39(21):28-33.Zhang Jianhua, Wang Jian, Chen Xingying, et al.Analysis of DFIG-based wind generation LVRT control strategy[J].Power System Protection and Control, 2011,39(21):28-33.

[13]蔡织，刘建政，梅红明，等.双馈风力发电机在电网电压小幅骤降时的保护策略[J].电力系统保护与控制,2009,37(21):41-44.CaiZhi, Liu Jianzheng, Mei Hongming, et al.Protection strategy of DFIG under grid voltage narrow dip[J].Power System Protection and Control, 2009, 37(21):41-44.

[14]杨之俊，吴红斌，丁明，等.故障时双馈风力发电系统的控制策略研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(1):14-18.YangZhijun,WuHongbin,Ding Ming, et al.Control strategy of doubly-fed wind generation system for power grid fault[J].Power System Protection and Control,2010,38(1):14-18.

(编辑：张小飞)

Pitch System Improvement of DFIG in LVRT Transforming Process

YUAN Ye1, AI Lisheng2

(1.Electric Power Research Institute of State Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Changchun 130021, China; 2.Baicheng Power Supply Company of tate Grid Jilin Electric Power Co., Ltd., Baicheng 137000, Jilin Province, China)

With the standards of wind power in China are published, all the doubly-fed induction generator (DFIG) wind turbines manufacturers in China are equipped with low voltage ride through(LVRT) ability.But some of the wind turbines are born with LVRT ability, the others are reformed by the manufacturers.So that the LVRT strategies of different wind turbines are all unlike, which make some of control strategies of wind turbines are not perfect, so that these turbines cannot meet the requires of recover power rate after the low voltage fault.In the same time, some control strategies of wind turbines may cause power saltation condition.If lots of wind turbines in a wind farm all use this strategy to proceed the LVRT, the voltage of this area will increase suddenly because of the power saltation, which will bring a secondary impact to the grid, and cause the wind turbines of this area into voltage-overtop status.But the wind turbines in China are not equipped with high voltage ride through(HVRT) ability, so that it will result in more wind turbines out of work.This paper proposed an elaborate control strategy for DFIG, which could both protect the crowbar system and get LVRT application.

low voltage ride through; crowbar; control strategy; doubly-fed induction generator

TM 614

A

1000-7229(2015)03-0099-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.017

2014-09-11

2014-10-09

袁野(1984)，男，硕士，主要从事风电场并网检测工作；

艾利盛(1960)，男，硕士，主要从事电力系统管理工作。