具有低电压穿越能力的双馈风电场故障特性分析

阎 智，林雪峰

(中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830047)

随着环境污染和能源危机的加剧，风电并网容量占系统容量的比例也越来越大，风电接入对电力系统继电保护的影响也越来越不容忽略。双馈式风力发电机由其优越性成为主流机型广泛应用于风电场。双馈风电机组的特殊结构和控制策略，导致其故障特性与常规发电机的故障特性存在明显差异。而其低电压穿越特性及具备LVRT的双馈风电机组故障特性更值得研究。

本文针对传统Crowbar电路的弊端提出一种有别于传统Crowbar电路保护的双馈风电机组低电压穿越策略，基于此搭建了双馈风电场模型，仿真验证了双馈风电场具备低电压穿越能力及控制策略的优越性。并仿真研究了双馈风电场不同故障类型下的故障特性，研究结果表明传统转子Crowbar电路的投入是机组故障电流频率为非工频的原因，而采用其他非转子Crowbar电路的机组故障电流频率为工频；风电场联络线发生任何类型的不对称接地故障，风电场侧都会表现出弱电源特性，单相接地故障表现出的弱电源特性更为明显，这对故障选相元件将会受到严重影响。

1 双馈风电机组控制策略

1.1 转子侧变换器的矢量控制

转子侧采用定子磁链定向矢量控制，d轴沿定子磁场方向,定子磁通的q轴分量为零,则usd=0，usq=Us。忽略定子侧电阻,定子有功功率Ps和无功功率Ps为：

由式转子侧的电流分量iqr、idr可以分别控制定子侧的有功功率Ps和无功功率Ps，从而实现了发电机定子有功与无功的解耦控制，使定子侧输出恒定的电压和稳定的频率。双馈发电机转子变流器矢量控制结构图见图1。

1.2 网侧变换器的矢量控制

网侧采用定子电压定向矢量控制，d轴沿定子电压方向，q轴在旋转方向上超前d轴90°，则ud=us，uq=0，进而可以得到电网侧变换器与电网交换的有功与无功表达式如下：

图1 双馈发电机转子变流器矢量控制结构图

式中：igd、igq为网侧变换器电流在d、q轴上的分量。

由上式(1)－(4)可知，通过调节igd、igq可控制网侧输出的有功、无 功功率。网侧逆变器满足网侧电压定向矢量控制的原理见图2。

图2 双馈电机网侧变流器控制原理框图

1.3 转子 Crowbar 电路

目前双馈风电机组较多的采用Crowbar 电路实现LVRT，见图3。在故障期间Crowbar电路触发将转子变流器短接，保护变流器，从而实现机组的不间断运行。

图3 转子Crowbar电路

2 双馈风电机组及低电压穿越策略

利用DC－Chopper代替Crowbar，在故障时可以较好的起到保护直流侧电容和转子侧变流器的作用。在故障情况下通过对转子侧变流器进行解耦控制，控制定子侧给电网提供一定无功支持，实现故障穿越。其系统结构框图见图4。

图4 DFIG实现故障穿越系统结构框图

2.1 直流卸荷电阻模块

卸荷电路由IGBT和卸荷电阻串联构成。工作原理为：当Udc大于Udc-max时，卸荷电阻快速投入；当Udc小于Udc-max时，直流卸荷电阻快速切出。在PSCAD/EMTDC中构建模型，其中卸荷电阻和直流电压的参数为：R=0.6Ω，Udc-max=1.1p.u。其中电阻的参数由Udc-max和ΔP决定(R=U2dc-max/ΔP，式中ΔP为功率流动偏差，Udc-max为母线最大电压。

2.2 转子侧变流器无功控制策略

本文采用DC－Chopper代替Crowbar，因此变流器在故障期间没有切除。故障过程中，网侧变流器运行在变功率因数状态，向电网提供部分容性无功支撑；故障切除后，转子变流器恢复单位功率因数控制，风电机组迅速恢复至稳态，实现低电压穿越。控制策略见图5。

图5 转子侧变流器无功控制控制策略

风电正常并网时，无功电流的给定值为i1q=0，只给电网发出有功功率;当电网发生故障时，网侧逆变器立即切换为静止无功补偿模式，向电网发出一定的无功，从而稳定电网电压，有助于风电机组的低电压穿越。

3 具有LVRT的双馈风电场故障特性

3.1 具有LVRT的双馈风电场建模

在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建双馈风电机组及双馈风电场仿真模型，风电场由5台双馈风电机组构成，单台双馈风电机组参数见表1。系统容量为200 MVA，系统正序阻抗为1.31pu仿真风速为12 m/s。搭建模型见图6。低电压穿越仿真结果见图7。

表1 双馈风电机组参数

仿真结果表明，传统的Crowbar控制策略无法在电压跌落跌落程度较严重的情况下无法实现低电压穿越，而本文采取的控制策略可以实现低电压穿越。

3.2 具有LVRT的双馈风电场故障特性

在t =0.8 s时风电场联络线上距离风电场侧40 km处发生单相接地、两相接地、两相和三相接地故障，故障发生时间为2 s，故障持续时间0.1 s。故障电流仿真结果分别见图8～图11。故障电流频谱仿真分别见图12～图16。

根据仿真结果对比可知，传统转子Crowbar电路的投入是机组故障电流频率为非工频的原因(见图16)，而采用其他非转子Crowbar电路的机组故障电流频率为工频；风电场联络线发生任何类型的不对称接地故障，风电场侧都会表现出弱电源特性，单相接地故障表现出的弱电源特性更为明显。这对故障选相元件将会受到严重影响。

图6 双馈风电场建模

图7 双馈风电场低电压穿越仿真曲线

图8 单相接地故障仿真曲线

图9 两相接地故障仿真曲线

图10 两相短路故障仿真曲线

图11 三相短路故障仿真曲线

图12 单相接地故障仿真电流幅频图

图13 两相接地故障仿真电流幅频图

图14 两相短路故障仿真电流幅频图

图15 三相短路故障仿真电流幅频图

图16 基于传统Crowbar保护的三相短路电流幅频图

4 结论

本文针对传统Crowbar电路的弊端提出双馈风电机组低电压穿越策略，基于此搭建了双馈风电场模型，仿真验证了双馈风电场具备低电压穿越能力及控制策略的优越性。并仿真研究了双馈风电场不同故障类型下的故障特性，研究结果表明传统转子Crowbar电路的投入是机组故障电流频率为非工频的原因，而采用其他非转子Crowbar电路的机组故障电流频率为工频；风电场联络线发生任何类型的不对称接地故障，风电场侧都会表现出弱电源特性，单相接地故障表现出的弱电源特性更为明显。这对故障选相元件将会受到严重影响。研究成果具有一定的实际价值和意义。

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