抑制超速脱网的双馈感应风电机组低电压穿越控制策略研究

严干贵侯延鹏王健王昱博

（东北电力大学电气工程学院吉林132012）

抑制超速脱网的双馈感应风电机组低电压穿越控制策略研究

严干贵侯延鹏王健王昱博

（东北电力大学电气工程学院吉林132012）

配备主动式Crowbar保护是为避免电网低电压诱发双馈感应风电机组（DFIG）转子侧变流器（R-VSC）过电流/过电压而脱网的低电压穿越措施，但是Crowbar保护的长时间投入（一般大于200 ms）可能会导致转子超速脱网。基于双馈感应风电机组数学模型，分析了Crowbar投入导致转矩失衡而引起转子超速的动态过程，设计了一种Crowbar保护主动退出判据，并构建了转子变流器重启控制策略，形成了由“Crowbar保护策略+R-VSC重启控制策略”构成的抑制超速脱网的新型DFIG-LVRT措施。利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了DFIG-LVRT仿真系统，对所改进的低电压穿越策略的有效性进行了仿真验证。

双馈感应风电机组低电压穿越主动式Crowbar保护超速脱网

3　引言

随着八大千万千瓦级风电基地的规划和建成，中国已成为风电装机容量最大的国家。预计到2020年，我国风电装机容量将达到2.0亿kW，届时风电装机将占全国总发电装机的11%［1］。

大规模风电接入给所连接电网的安全运行带来新挑战，2011年以来，河北、甘肃、吉林等风电基地相继发生多起大规模风电机群脱网事故［2-4］，事故原因被普遍归咎于风电机组不具备低电压穿越（Low VoltageRide Through，LVRT）能力。为此，国家标准化管理委员会颁布了《风电场接入电力系统技术规定》［5］，要求并网风电机组具备LVRT能力。

为使双馈感应风电机组（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）具有LVRT能力，国内外专家学者对DFIG的LVRT控制策略和保护原理进行了大量研究。文献［6］建立了考虑定子电流暂态变化特性的双馈感应风电机组数学模型，为保证在电网故障清除后机组能立刻恢复正常发电，Crowbar保护不需要动作，通过仿真得出适当增大发电机定、转子漏感有助于提高双馈风电机组的LVRT能力。文献［7］推导了DFIG在并网运行情况下发生机端三相短路后转子电流表达式和最大转子电流估算式，仿真分析了Crowbar阻值大小及退出时间对DFIG的LVRT影响，表明Crowbar阻值在合理范围内偏大，且Crowbar在故障切除前退出运行时，机组的LVRT效果更好。文献［8］提出一种集软、硬件方案的LVRT综合控制策略，Crowbar保护可根据电网故障类型自动判断投入和切除时间。文献［9，10］提出了一种在双馈感应风电机组定子侧安装一个STATCOM来实现机组LVRT的控制策略，但STATCOM成本昂贵，增加了风电机组控制复杂度和发电成本。

目前商用双馈感应风电机组（DFIG）实现LVRT较为成熟的方法是在转子侧配备主动式Crowbar保护［11-13］：当Crowbar保护检测到转子电流超过预先设定的保护定值icbset时，立即通过Crowbar保护电路将双馈感应发电机转子三相绕组短接，转子侧变流器（R-VSC）退出运行，机组运行于异步发电状态；故障清除后，重启R-VSC，退出Crowbar保护电路，恢复机组的正常双馈发电运行控制。

双馈风电机组通过配备主动式Crowbar保护，提高了联网生存率［14］，避免了一些脱网事故的发生。但DFIG超同步运行时，转子初始转速高，接近超速保护动作值，电网扰动诱发Crowbar保护投入将打破风电机组原有的转矩平衡，机组可能加速至超速保护动作值，触发超速保护动作，致使风电机组发生超速脱网［15］。Crowbar电阻投入时间越长，转子加速时间越长，越易导致超速脱网。

针对配备主动式Crowbar保护的双馈感应风电机组故障过程中存在超速脱网的不足，基于双馈感应风电机组数学模型，分析了Crowbar投入导致转矩失衡而引起转子加速的动态过程，设计了一种Crowbar保护主动退出判据，并构建了相应的R-VSC重启控制策略，形成了由“Crowbar保护策略+R-VSC重启控制策略”构成的抑制超速脱网的新型DFIG-LVRT措施。利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了DFIG-LVRT仿真系统，对所改进的LVRT策略的有效性进行了仿真验证。

3　双馈感应风电机组数学模型

配备主动式Crowbar保护的双馈风电机组结构如图1所示。双馈感应风电机组主要由风力机、DFIG和四象限变流器等组成。

图1　双馈感应风电机组结构Fig.1 Configuration of a DFIG-based wind turbine with active Crowbar protection circuit

定子绕组采用发电机惯例，转子绕组采用电动机惯例，则在dq同步旋转坐标系下DFIG的动态数学模型为［10］

式中：usd、usq分别为定子d、q轴电压，V；urd、urq分别为转子d、q轴电压，V；isd、isq分别为定子d、q轴电流，A；ird、irq分别为转子d、q轴电流，A；Rs、Rr分别为定、转子绕组电阻，Ω；ψsd、ψsq分别为定子d、q轴磁链，Wb；ψrd、ψrq分别为转子d、q轴磁链，Wb；Ls、Lr分别为定、转子绕组自感，H；ω1为同步旋转角速度，rad/s；s为转差；ωr为转子旋转角速度，rad/s；分别为机械转矩、电磁转矩标幺值，pu；Tj为惯性时间常数，s。

3　抑制超速的机组控制策略设计

配备主动式Crowbar保护的LVRT方案中，电网故障诱发转子电流ir超过Crowbar动作值icbset时，立刻投入Crowbar电阻，退出R-VSC，DFIG作为笼型异步电动机挂网运行，直至电网故障清除［16，17］。

Crowbar保护动作会打破DFIG原有转矩平衡，而导致风电机组发生机电暂态过程，可能引起发电机组因超速而脱网［15，18］。

本文在分析过程中，电网故障按最严重情况考虑，即电网故障发生三相对称短路故障。

2.1Crowbar投入引起超速动态过程

DFIG的转速主要由风力机输出的机械转矩Tm和电磁转矩Te决定。电磁转矩Te和电磁功率Pe分别为

式中：U1为DFIG定子端口相电压有效值，V；p为极对数；Xs为定子绕组漏电抗，Ω；X'r为转子漏抗，Ω；Rs为发电机定子每相绕组的等效电阻，Ω；R'r为折算至定子侧的转子每相绕组的等效电阻，Ω；Rcb为折算至定子侧的Crowbar保护电阻，Ω；标幺值Rcb通常取值为0.6～1.5（pu）［17，19］；Ω1为机械同步角速度，rad/s。

式（4）表明电磁转矩Te的变化幅度与DFIG定子端口相电压跌落程度的平方呈正比。

由于所分析的过程时间较短（＜1 s），再考虑到风力机的惯性较大，可假设Tm在受扰后的暂态过程中保持不变。

受扰前，发电机电磁转矩Te和机械转矩Tm平衡，转子转速保持不变［10］。受扰后，引起发电机定子电压跌落和转子回路Crowbar保护动作，由式（4）可知，电磁转矩Te发生跳变。图2为受扰前后电磁力矩Te和机械力矩Tm之间的变化关系示意图。

电压跌落前，A点为风电机组的运行点（转差s0＜0）。由于电压突然跌落，Crowbar保护动作后，风电机组的运行点由A点跃变到B点，此时Tm＞Te，转子受到加速转矩的作用，转子转速不断增加，运行点向左移动（转差s变小，即s的绝对值变大），由于图2场景下机组的Te与Tm无交点，转子将持续受到加速转矩的作用，当运行点移动到C点（对应转差slim，转速对应为风电机组最大允许转速ωrlim）时，为了保证机组设备的安全，风电机组会因超速保护动作而被切除。

图2　Crowbar动作前后电磁转矩、机械转矩关系示意图Fig.2 Relationship between Teand Tm

双馈风电机组运行状态可分为超同步和亚同步两种状态。当双馈风电机组处于超同步运行状态时，转子转速高于同步转速，距超速保护定值ωrlim的裕度低，受电网故障扰动后更易触发超速保护动作。

2.2Crowbar保护主动动作、退出判据设计

Crowbar保护投入后，当风电机组的机电暂态过程趋于稳态时，即使电网故障仍未切除，但电网电压跌落扰动趋于稳定，不会对机组有新的冲击，可退出Crowbar保护，重启R-VSC，恢复机组的功率控制，抑制转子加速。

退出Crowbar保护需考虑两个因素［20］：①Crowbar保护不能退出过早，否则转子电流不能得到有效衰减，导致Crowbar再次投入；②Crowbar保护也不能退出过晚，否则转子过速不能得到有效抑制。

为了尽快恢复机组的功率控制，抑制转子加速，以及避免电网瞬间扰动对Crowbar动作的影响，设计了一种Crowbar保护主动动作、退出判据，如图3所示。

图3　Crowbar保护主动动作、退出控制过程Fig.3 Control flow of input and removal for Crowbar protection

Crowbar保护实时检测发电机转子侧电流，当电网扰动导致转子电流ir增加至Crowbar保护动作值icbset时，Crowbar保护电阻短接R-VSC，机组运行于笼型异步电动机状态；当转子电流衰减至Crowbar退出值irf，并且能持续一定时间（本文设定持续时间为一个定子周波20 ms）时，则退出Crowbar保护，恢复机组的功率控制。

2.3R-VSC重启控制策略设计

退出Crowbar保护时，需要对R-VSC施加重启脉冲。正常稳态运行时，R-VSC脉冲是由最大风功率追踪原理的定子输出参考功率确定。在故障期间，为了抑制由转矩失衡导致的转子加速，电磁力矩应与机械力矩保持平衡，因此，R-VSC重启脉冲仍由与机械功率保持平衡的电磁功率来确定。

2.4抑制超速脱网新型LVRT控制策略

由Crowbar保护策略和R-VSC重启控制策略构成的新型DFIG-LVRT运行控制如图4所示。正常运行时，通过R-VSC和G-VSC实现DFIG的最大风功率跟踪控制，Crowbar保护不投入运行。电网电压发生跌落导致Crowbar电阻投入时，闭锁R-VSC脉冲，DFIG进入笼型异步电动机运行状态。由于Crowbar电阻的投入，转子电流快速衰减，当转子电流衰减至满足Crowbar退出判据时，退出Crowbar电阻，重启R-VSC，恢复机组的功率控制，使得电磁力矩与机械力矩保持平衡，抑制故障期间转子加速。当故障切除时，电网电压的恢复会对机组造成冲击，可能导致Crowbar保护二次甚至多次动作，重复上述过程，直至退出Crowbar保护，最终机组恢复至正常运行控制。通过G-VSC和R-VSC及Crowbar保护之间的协调控制，保护变流器安全和抑制机组超速，避免机组因超速保护动作而脱网。

图4　DFIG-LVRT运行控制示意图Fig.4 Schematic diagram of operation control of DFIG-LVRT

3　仿真分析

3.1仿真系统简介

基于PSCAD/EMTDC平台搭建了双馈感应风电机组（1.5 MW）联网运行仿真模型，仿真系统电气主接线如图5所示，机组通过箱变压器（0.69 kV/35 kV）、1 km长的集电线路、主变压器（35 kV/220 kV）和85 km架空输电线路连接到主电网，机组以cosφ=1.0方式运行，机组风速-转速-功率特性曲线及仿真系统参数见附图1、附图2和附表1。

假设在0.707 s时风电场外送输电线路末端突然发生三相短路故障，故障持续时间625 ms。

根据文献［15，17］，Rcb值取为0.5Ω，Crowbar保护动作电流值icbset=2.0（pu），Crowbar保护退出电流值irf=1.8（pu）。根据机组保护参数，机组最大允许转速为1 850 r/min。

图5　DFIG联网运行仿真系统图Fig.5 DFIG Operation Simulation system

对机组原有LVRT控制策略［11，13］下轻工况超速不脱网和重工况超速脱网进行仿真，在此基础上，对新型控制策略重工况下转子超速抑制效果进行仿真，以验证新型控制策略的可靠性。

3.2原控制策略仿真分析

算例1：轻工况下，电网发生故障后DFIG超速不脱网。

风速Vw为6 m/s时，机组运行仿真波形如图6所示。

图6　风速Vw为6 m/s时原控制策略仿真波形Fig.6 Simulation waveforms under the traditional LVRT scheme when Vw=6 m/s

正常运行时，定子绕组相电压为1.0（pu），定子相电流最大值为400 A；转子相电流最大值为330 A（有效值233 A），周期为64 ms（频率15.625 Hz）；直流电容电压为1.05 kV；转子转速为1 026 r/mim；发电机定、转子输出有功功率分别为Ps=0.325 MW、Pr= -0.1 MW，机组总功率输出为Ps+Pr=0.315 MW，发出无功功率Qs=0，机组运行于轻载状态。

在t=0.707 s时，风电场外送线路末端发生三相短路，导致转子电流增加，引起电磁功率振荡，但并未触发Crowbar保护动作。转子电流约经过10 ms衰减过程结束，此时，电磁功率也趋于稳定。故障期间，转子转速由1 025 r/mim增加至1 036 r/mim。

仿真结果表明，在风速为6 m/s的轻工况下，由于机组初始转速较低，距超速保护动作值还有很大的裕度，故障期间不会导致机组超速脱网。

算例2：重工况下，电网发生故障后DFIG超速脱网。

风速Vw为12 m/s时机组运行仿真波形如图7所示。

图7　风速Vw为12 m/s时原控制策略仿真波形Fig.7 Simulation waveforms under the traditional LVRT scheme when Vw=12 m/s

正常运行时，发电机定子相电压为1.0（pu）、定子相电流最大值为1 475 A；转子相电流最大值为700 A（有效值495 A），周期为120 ms（频率8.33 Hz）；直流电容电压为1.05 kV；转子转速为1 750 r/mim；发电机定、转子绕组输出有功功率分别为Ps=1.28 MW、Pr=0.215 MW，机组总输出功率为Ps+Pr=1.495 MW，发出无功功率Qs=0，机组运行于满载状态。

发生三相短路故障2 ms（t=0.709 s）后，Crowbar保护动作，R-VSC脉冲闭锁，机组进入笼型异步状态。由于短路发生瞬间，主磁场快速衰减，DFIG将向系统发出一定的无功功率，10 ms后发出无功功率达到最大值0.175 Mvar；t=0.724 s时，DFIG因处于异步运行状态而开始从系统吸收无功，暂态过程结束时，吸收无功功率为0.5 Mvar，机端电压跌至0.7（pu）。故障发生535 ms（t=1.242 s时）后，转子转速加速至超速保护动作定值1 850 r/mim，机组因超速保护动作而脱网，LVRT失败。

仿真结果表明，风速为12 m/s时（DFIG处于满载工况下），由于稳态运行时转子绕组电流较高，等于额定电流，转子运行转速也较高，电网故障引发Crowbar保护动作，导致风电机组长期处于转矩失衡状态，转子不断加速，最终导致机组超速脱网。

不同风速情况下，电网发生三相短路故障后，机组主要参数变化情况如表1所示。

表3　不同工况下采用原有控制策略，故障期间机组主参数变化情况Tab.1 Themain parameter changes of DFIG under traditional LVRT scheme in different condition

由表1可知，转子加速增量值随风速的增大而增大：风速在8～11 m/s区间时，故障导致Crowbar保护动作，使转子加速程度显著增大，转速增量由约10 r/mim增加至约100 r/mim；风速大于11 m/s（DFIG处于满载工况下）时，正常稳态运行转速高于同步转速，加速后的机组转速触发超速保护动作，机组发生超速脱网。

3.3新型控制策略仿真分析

算例3：重工况下，采用新型DFIG-LVRT方案时抑制机组超速脱网。

采用新型控制策略，风速Vw为12 m/s时，仿真结果如图8所示。电网发生三相短路故障导致Crowbar保护投入后，经过24 ms（t=0.733 s），转子电流满足Crowbar保护电阻退出判据，此时，退出Crowbar电阻，对R-VSC施加重启脉冲，维持机械力矩Tm和电磁力矩Te的平衡，转子转速维持在1 758 r/mim，故障期间机组不会出现超速脱网，成功实现了LVRT。此外，故障期间的电网电压由1.0（pu）跌落至0.73（pu）。故障切除时，电网电压的恢复对机组造成冲击，使得Crowbar保护二次动作，t=1.373 s时，Crowbar保护退出，机组恢复至正常运行状态。

图8　风速Vw为12 m/s时新型控制策略仿真波形Fig.8 Simulation waveform under the improved LVRT scheme when Vw=12 m/s

由图8可知，与原有控制策略相比，在满载重工况下，采用所提出的LVRT控制方案时，故障期间，转子转速由加速至1 865 r/mim降至1 758 r/mim，由超速115 r/mim降为超速5 r/mim，有效抑制了转子的超速，避免了风力发电机组超速脱网，并且也支撑了电网电压。

不同风速情况下，采用所提出的抑制超速脱网DFIG-LVRT控制策略时，机组的主要参数变化情况如表2所示。从表中可知，在近满载工况下，即风速大于8 m/s时，电网故障诱发Crowbar保护动作后，由于恢复故障期间的转矩平衡，转子增速值由原来的100 r/mim左右降至10 r/mim以下，有效抑制了转子加速，避免了机组发生超速脱网，实现机组LVRT。

表3　不同工况下采用所提出控制策略时，故障期间机组主要参数变化情况Tab.2 Themain parameter changes of DFIG under the improved LVRT scheme in different condition

3　结论

针对电网电压跌落诱发双馈感应风电机组可能超速脱网而导致LVRT失败的不足，基于双馈感应风电机组的数学模型，分析了Crowbar投入因转矩失衡而导致的转子超速的动态过程，设计了一种Crowbar保护退出判据，构建了转子变流器重启控制策略，形成了由“Crowbar保护策略+R-VSC重启控制策略”的抑制超速脱网的新型DFIG-LVRT措施。利用PSCAD/ EMTDC仿真平台搭建了DFIG-LVRT仿真系统，对改进的LVRT策略有效性进行了验证。仿真结果表明，改进的方案能有效抑制故障期间机组转子超速，避免机组因超速脱网导致的LVRT失败。

附录

附表1仿真系统参数App.Tab.1 Parameters of simulation system

附图1　DFIG风速-功率曲线App.Fig.1 Wind-power curve for DFIG

附图2　DFIG转速-功率曲线App.Fig.2 Speed-power curve for DFIG

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A DFIG W ind Turbine Low-voltage Ride-through Control Strategy Restraining Over-speed-tripping-off from Grid

Yan Gangui Hou Yanpeng Wang Jian Wang Yubo
（School of Electrical Engineering Northeast Dianli University Jilin 132012 China）

To avoid the trip-off from grid caused by over-current/over-voltage of rotor-side converter（R-VSC）during voltage dips，an active crowbar protection is often set to by-pass the R-VSC for doubly-fed induction generator based wind turbine（DFIG-WT）to protect the whole system and implement low voltage ride through（LVRT）.If the crowbar circuit put into operation lasts for a relatively long time（generally above 200 ms），DFIG over-speed-tripping-off from grid may happen.Based on the mathematicalmodel of DFIG，the transient over-speed process of DFIG caused by the unbalance ofwind generators'rotor torques is analyzed.Then a novel LVRT scheme is presented consisting of an initiative cut-off criterion of Crowbar circuit and R-VSC restarting control strategy.At last，the new DFIG-LVRT scheme of restraining over-speed-tripping-off from grid is formed.The simulation system of DFIG-LVRT is established under PSCAD/EMTDC，and simulations are conducted to demonstrate the validity of the improved method.

Doubly-fed induction generator，low voltage ride through，active crowbar protection，overspeed-tripping-off from grid

TM315

严干贵男，1971年生，教授，博士生导师，研究方向为新能源发电运行控制、电力电子变流技术、电力系统分析与控制。（通信作者）侯延鹏男，1987年生，硕士，研究方向为双馈风电机组低电压穿越。

国家自然科学基金国际合作与交流项目（51261130471）资助。

2015-05-30改稿日期2015-08-21