双馈风力发电机低电压穿越研究热点分析

姜腾， 王杰(上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

双馈风力发电机低电压穿越研究热点分析

姜腾， 王杰
(上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

随着电网中风电机组容量的增加，为确保电网故障时风电机组的不脱网运行，电力系统出台了低电压穿越规范。对各国低电压穿越规程进行了介绍，分析了与目前主流风电机型双馈风力发电机相关的低电压穿越热点问题，具体包括电网故障对风电机组的影响和低电压穿越控制方案两个方面。对低电压穿越技术的未来发展发展趋势做出了展望。

双馈风力发电机；低电压穿越；不对称故障；无功补偿；Crowbar电路

0 引 言

近年来，风电容量占电网容量的比例逐年增加。当电网发生故障时，风力发电机组大规模脱网运行会加剧电网故障。因此，很多国家都对风场接入电网提出了低电压穿越(Low Voltage Ride Through，简称LVRT)要求。双馈风力发电机(Doubly Fed Induction Generator，简称DFIG)具有能量利用率高、风机转速可变、风机机械应力低、变流器容量和成本低等优点，成为目前最为广泛应用的风力发电机机型之一。但同时DFIG因其变流器容量较低，并且对电网故障尤其是电压跌落十分敏感，因此对LVRT能力要求特别高。

1 LVRT并网规范

LVRT是指在风电机组并网点电压跌落时，风电机组能够保持并网，能够为电网提供无功支撑，直至电网恢复正常。目前, 世界各国公司和研究机构对风电机组的LVRT能力提出了各自不同的要求。从电压跌落程度和持续时间上来看, 英国要求并网点电压跌落为15%时可持续140 ms, 丹麦要求并网点电压跌落为20%时可持续500 ms, 德国、加拿大、澳大利亚等国家均要求并网点电压降为0时能够持续一定的时间[1]。我国的风电并网标准出台较晚，2012年6月国家出台《风电场接入电力系统技术规定》(GB/T 19963-2011)，其中对风电机组的LVRT能力要求如图1所示。风电机组在并网点电压偏差不超过±10%时应保持并网正常运行；风电机组在并网点电压跌落至20%时应具有保持并网625 ms的LVRT能力[2]。

图1 中国LVRT规范曲线

本文将从电压跌落对DFIG的影响和LVRT控制策略两方面分别介绍国内外相关技术的研究热点。

2 电压跌落对DFIG的影响分析

研究电网电压跌落时DFIG的动态过程对于设计控制策略, 实现DFIG的LVRT有着基础性的意义。由于电网故障中对称故障即三相接地故障的比例很低[3], 且对称故障可以看作不对称故障的一种特殊形式, 因此本节将主要分析不对称电网故障对DFIG的影响。

在不对称电网电压下, 采用电动机惯例, DFIG的正负序模型在定子静止坐标系下的模型如图2所示。

图2 双馈风力发电机等效电路

DFIG等效电路对应的数学模型[4]如下:

(1)

(2)

其中us,ur分别为定子和转子电压矢量；is,ir分别为定子和转子电流矢量；ψs,ψr分别为定子和转子磁链矢量；ωr为转子电角速度；Rs,Rr分别为定转子电阻；Ls,Lr,Lm分别为定转子自感和定转子之间的互感。

文献[5]指出转子电压ur近似等于转子开路电压ur0, 转子开路电压为:

(3)

以上公式可知转子开路电压由定子磁链变化产生。DFIG连入电网时, 定子磁链由定子电压决定。因此, 电网电压的变化将通过改变定子磁链影响转子电压。电压跌落将会导致定子磁链的大幅改变从而导致转子电压和转子电流骤升。

电网正常工作状态下, 定子电压矢量可表示为:

us=Uejωst

(4)

其中U为电网相电压有效值，ωs为同步电角速度。忽略定子侧电阻, 定子磁链矢量为:

(5)

当电网发生不对称故障时, DFIG机端电压将出现不对称跌落。根据对称分量理论, 不对称电压可分解为正序、负序和零序分量。在绝大多数风场中, DFIG一般通过Y/Δ升压变压器同电网相连, 其定子侧不含零序分量[6]。因此不对称故障下DFIG定子侧电压可表示为正序分量与负序分量之和, 即:

us=U1ejωst+U2e-jωst

(6)

故障后稳态磁链应由正序磁链和负序磁链组成。然而, 在暂态过程中, 由于定子磁链不能突变, 若故障前后磁链稳态值不同, 定子侧将产生随时间衰减的自由磁链。因此, 故障后定子磁链暂态表达式为:

(7)

将式(7)代入式(3)并转化到转子旋转坐标系下可得故障下转子开路电压为[7]:

(8)

式中s为转差率,s=(ωs-ωr)/ωs。一般而言, -0.3

图3 转子侧看入DFIG等效模型

此外，文献[10-11]指出不对称电压将导致定转子磁场的不均匀分布，从而引起磁饱和及定转子过热。此外不对称电压将导致DFIG产生电压和电流的二倍频分量，影响背靠背变流器功率交换的进行。二倍频分量的产生同样会对轴系系统产生影响，负序分量将导致二倍频的转矩脉动并减少平均转矩。电磁转矩中的二倍频脉动将导致机械振荡，降低风机使用寿命并产生更高的噪声[12-13]。

3 DFIG低电压穿越技术

为提高电网故障时DFIG的LVRT能力，国内外学者进行了大量的研究，其主要思路如下: 1) 电压小幅跌落时采用改进控制策略，充分利用变流器自身容量实现LVRT；2) 电压大幅跌落时采用改进控制策略与硬件保护相结合的方法；3) 使用柔性交流输电系统(Flexible Alternative Current Transmission Systems，简称FACTS)元件对电网无功补偿，降低电压跌落幅度。

3.1 改进控制策略

3.1.1 改进矢量控制

传统矢量控制一般在RSC采用定子磁链定向控制, 该控制方法主要考虑定子磁链不变且始终位于同步旋转坐标系的d轴上。然而如前所述, 电压跌落时定子磁链减小并产生直流磁链, 此时定子磁链改变且无法始终位于d轴上。因此, 在电机模型中应考虑定子磁链的暂态过程, 以此得到改进的矢量控制。

文献[14-15]通过在RSC传统矢量控制中加入基于定子侧磁链动态变化的前馈电压补偿项, 在一定程度上提高了RSC在电网故障时对转子电流的控制能力, 降低了电磁转矩的波动程度。这种方案只需在原有控制方法基础上稍作改进, 具有很高的工程应用价值。但由于这种方案加入补偿电压, 转子侧电压将会增加, 因此该方案只能在电压小幅跌落时使用。

3.1.2 灭磁控制

这种方案的主要思路同样在充分考虑定子磁链变化的基础上, 通过RSC产生补偿转子电流以抵消或减小定子磁链中的直流分量和负序分量[16-17]。这种方案可以实现一定程度电压跌落时DFIG的完全控制, 但同样受到RSC容量的限制。研究表明, 在发生更加严重的电网故障时, 该方案结合主动加装撬棒(简称Crowbar)的联合控制方案可以有效降低Crowbar的投入时间, 从而缓解严重故障期间因DFIG吸收无功功率对电网故障的加剧。

3.1.3 非线性控制方案

传统控制采用线性控制方案, 在考虑各种不利情况下缺乏鲁棒性。因此, 很多学者在现代控制理论的基础上设计出非线性控制器以实现LVRT。文献[18]利用状态反馈线性化的方法设计了一种协调控制策略。该方案采用状态反馈线性化和适当的坐标变化将非线性系统变为线性可控系统, 最后通过线性最优控制方法实现控制目标。文献[19]在静止坐标系下设计了一种非线性滑模控制, 并在不平衡电网故障下做了研究和测试。实验结果证明了这种控制方法的有效性, 这种方案的局限性在于抖振问题。

总的来说, 非线性控制方案在电压骤降时能够得到很好的DFIG动态特性, 有助于改善DFIG的暂态过程, 提高了DFIG的鲁棒性, 它是未来控制策略研究的方向。但由于其控制算法复杂且需要重新设计控制器, 从而增加了工程实现的难度。

3.2 加装硬件控制

3.2.1 Crowbar电路

Crowbar电路分为主动型和被动型两类，其中主动式Crowbar得到了广泛应用。主动式Crowbar电路由半导体开关如绝缘栅双极晶体管和卸荷电阻串联组成。当转子侧电流或直流侧母线电压超过限定值时，Crowbar电路动作，同时关断RSC，使转子故障电流经Crowbar电阻而旁路从而使DFIG实现LVRT。其典型结构如图4所示。

图4 转子侧Crowbar电路示意图

Crowbar电路的研究主要集中在以下几点:

(1) Crowbar电阻阻值的选取

Crowbar阻值过小无法起到泄放转子侧能量的目的, 而阻值过大又会导致RSC承受过电压, 同时还会造成风机过热, 文献[20-21]详细讨论了Crowbar阻值的选取问题。

(2) Crowbar电路的投切时间

Crowbar的投切控制是Crowbar保护的关键。对投入阈值的整定过低容易导致Crowbar误动作, 而整定过高又可能导致Crowbar拒动作。同时切除时间也很重要, 过早会导致过电流没有充分衰减, 过晚会导致风机从电网吸收大量无功, 加剧电网故障。文献[22-23]对Crowbar电路投切时间做了相关研究和仿真验证。

(3) 新型Crowbar电路拓扑结构的研究

传统的Crowbar电路采用定阻值电阻的方法, 很难兼顾对转子电流和直流母线电压的抑制, 同时加入Crowbar电路也会对DFIG的动态特性产生影响。文献[24]设计了一种并联动态电阻的Crowbar电路, 缩短了Crowbar电路的投入时间, 有利于电网电压的恢复。文献[25]在分析Crowbar阻值对电磁转矩影响的基础上, 采用Crowbar电路附加串联电感的方法抑制了电磁转矩的波动。

除了在转子侧加装Crowbar电路外, 还有的学者提出了在定子侧或直流侧加装"类Crowbar"电路的方案。为避免转子侧Crowbar电路将RSC闭锁导致风机从电网吸收无功, 文献[26]提出了一种定子侧串联制动电阻的方案。该方案在故障时通过定子侧电阻泄放能量, 有助于DFIG故障后恢复运行。但是, 在正常运行时双向开关的损耗较大, 因而需要特别考虑到电力电子元件的设计以便降低损耗。在直流侧加装"DC-Link Chopper"以降低直流侧电容的过电压也是一种常见的方法, 但这种方法无法限制转子侧过电流。文献[27]采用了交直流Crowbar共同使用的方式, 取得了不错的效果, 但在实际应用中如何有效配合各投切逻辑, 成为这种方法实用与否的关键。

3.2.2 增加储能单元

文献[28]提出了一种利用储能电池系统控制直流侧电压的方法。在高风速状态下储能电源吸收能量并在低风速下将能量返回。同理，储能电池在电压跌落时可以吸收直流侧的多余能量，从而维持直流侧电压稳定。这种方案可以实现能量的有效利用，同时降低功率波动，不过储能单元的使用势必将会极大地增加成本和设备体积。

3.2.3 增加桨距角控制系统

桨距角控制系统可以通过调节桨距角减少故障时风机对风能的获取。电网电压跌落时, DFIG对外输出功率变低, 若采用定桨距控制, 输入和输出功率之间的不平衡会导致DFIG转速上升, 从而对齿轮箱等设备产生不利影响。故障时通过变桨距控制可以降低DFIG的输入功率, 从而降低对风机的影响[29]。然而由于风轮机械惯性较大, 调节时间较长, 因此只能作为辅助手段使用。

3.3 FACTS元件和补偿技术

这类方法的关键在于在风机定子侧与电网之间通过并联或串联FACTS元件，通过无功补偿支撑定子侧电压，从而抵消或缓解定子侧电压跌落程度，以此可实现LVRT。

3.3.1 并联补偿技术

并联补偿技术包括并联静止无功补偿器(Static Var Compensator, 简称SVC)和同步无功补偿器(Static Synchronous Compensator, 简称STATCOM)等方法。文献[30]比较了几种并联补偿技术对风机LVRT能力的影响。结果表明并联SVC在低成本的前提下能够显著提高风机的LVRT能力, 同时这种技术得到了很好的商业应用。使用并联STATCOM提高LVRT能力同样得到了广泛研究。文献[31]通过比较SVC与STATCOM表明, 在相同情况下, STATCOM具有更宽的控制带宽和更高的稳定裕度, 能够提供更多的无功支撑。同时STATCOM速度快且体积小, 因此其具有更好的LVRT性能。文献[32]提出了一种利用STATCOM实现间接转矩控制的方法。结果表明转矩曲线更加平滑, 避免了电磁转矩突然变化造成的机械应力对齿轮箱的影响, 从而延长了元件寿命。

3.3.2 串联补偿技术

文献[33]介绍了采用动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer, 简称DVR)的方法提高DFIG的LVRT能力, 该方法原理如图5所示。电网与DFIG通过DVR变压器副边相连, 正常运行时, DVR从系统中切除。电网故障时, DVR迅速投入, 通过控制策略产生合适的补偿电压维持风机侧电压稳定。因此, 电网故障对风机运行不会产生任何影响。在串联DVR方法中, 产生合适的补偿电压和控制算法的选取十分重要。文献[34]指出电网发生故障时, 补偿电压usec应由反相负序电压-u-和一个正序电压跌落Δu+组成, 即usec=-u-+Δu+。

文献[35]提出了一种基于DFIG系统故障耐受程度的改进DVR控制方法。该文献通过计算得出电网故障时DVR只需补偿部分故障电压即可, 以此降低DVR的额定容量和成本。

图5 DVR单相示意图

使用FACTS元件和补偿技术可以有效消除或降低DFIG定子侧的电压跌落,但由于该方案要投入大量的电力电子器件，硬件成本和所占空间将会大大增加。因此，优化的元件结构和控制方法需要进一步研究。

4 结束语

本文主要给出了DFIG的LVRT技术的相关研究，对现有的研究成果进行了分析和探讨，以期对未来LVRT技术的发展趋势提出展望。

(1) 目前对DFIG在电网电压跌落时动态特性的研究建立在很多假设的基础上, 建立更加精确的DFIG数学模型并在此基础上得到符合真实情况的DFIG动态特性对研究LVRT控制方案具有重要意义。

(2) LVRT控制方案投入使用的速度和有效性取决于快速且准确的电压检测技术。快速且准确的识别电压的幅值、相位及频率等信息是DFIG实现保护并合理安排控制策略的前提和关键。在不对称故障控制中, 对定子电压正负序分量的快速分离更是其控制的基础。传统锁相环仍存在锁相角和频率的抖动, 同时正负序分量的分离仍存在一定的滞后性, 因此, 亟需寻找一种快速准确的锁相技术。

(3) 现有控制策略中需要考虑无功补偿以实现对电网电压的支撑作用, 若相关设备未及时调节, 会导致电网电压恢复时抬高并网点电压, 导致高电压故障。因此, 在设计LVRT协调控制时要谨防引入此类故障并考虑高电压穿越的必要性；④ 由于目前绝大多数DFIG均配备Crowbar电路, 因此, 对Crowbar投切策略的优化和投切时间的研究依然是一个需要解决的工程问题。

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An Analysis of Hotspots about Low-voltage Ride-through on the Doubly-fed Wind Power Generator

JIANG Teng, WANG Jie
(Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

With increasing wind power unit capacity in the power grid, low-voltage ride-through (LVRT) codes are introduced by the electric power operators to keep wind power units connected to the grid during its faults. This paper introduces LVRT codes in different countries, and analyzes LVRT hotspots related to doubly-fed wind power unit - the main current wind generator type, including specifically two aspects, namely, impact on the wind power unit during grid faults and LVRT control scheme. It also gives a perspective on the future development trend of LVRT.

doubly-fed wind power generator; low-voltage ride through; asymmetric fault; reactive compensation; Crowbar circuit

国家自然科学基金面上项目(61374155)

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.012

TM614

A

1000-3886(2015)05-0035-05

姜腾(1990-)，男，山东人，硕士生，研究方向为双馈风力发电机低电压穿越。 王杰(1960-)，男，江苏人，教授，博士生导师，研究方向为电力系统保护与控制等。

定稿日期: 2014-12-23