基于DFIG风电场联合保护的低电压穿越研究

黄 晶 朱 武

（上海电力学院，上海 200000）

近年来，双馈风力发电机（DFIG）凭借其可变速运行、电机造价低、发电效率高以及有功和无功功率可独立调节等诸多优点，占据了国际最主要的市场[1]。DFIG机组定子侧与电网直接相连，对电网电压波动非常的敏感，并且随着基于 DFIG风电机组的风电场容量的逐年增大，其对电网的影响已不可忽视。为了保证电网稳定，世界风电各国均要求DFIG风电机组具备低电压穿越（LVRT）的能力[2]。中国制定的《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963—2011）已于 2012年 6月正式实施[3]。因此相关研究也成为热点。

系统发生故障时，由于DFIG变流器容量较小，一般为1/3额定容量，对DFIG系统提供的控制能力有限，抗电网电压扰动能力不强。因此电网发生故障时，必须关注故障引起的转子过电流以及随之而来的直流母线过电压[4]。为了改进DFIG风电机组在故障下不脱网运行，不少学者提出了不少改进控制策略，文献[5-6]通过改进的内外环PI控制策略，通过引入前馈补偿的防止，实现风电场低电压穿越，这种方法局限于电压跌落较轻的情况，并且其控制效果受到变流器容量的限制；文献[7-8]采用定子磁链去磁法等，这类方法的优点是不仅能应对三相对称故障，并且对不对称故障也能起到有效的作用。然而这些方法往往算法比较复杂，增加了在工程的实现难度。目前，行之有效的办法大多需要在转子侧加入撬棒保护（Crowbar）电路[9-10]，也是GE，ABB等风机制造商普遍采用的方法，从而确保励磁变流器的运行安全，并能加快故障电流及定子暂态磁链的衰减，然而，撬棒保护动作期间，DFIG与普通异步机无异，将吸收大量的无功功率，不利于电压恢复。Crowbar电阻值的选择也是影响低电压穿越的重要参数[11]。

为此，首先分析了我国制定的风电场低电压穿越的要求。通过仿真研究不同阻值对低电压穿越的影响，在此基础上，针对Crowbar动作后产生的直流母线过电压及风机吸收无功功率的问题，提出一种联合主动Crowbar保护和直流侧卸荷电路方法，并用STATCOM为系统提供无功功率。仿真结果验证了所提出的低电压穿越方案的有效性及可行性。

1 低电压穿越要求

随着风电机组单机容量以及风电场规模的不管增大，风电接入及运行对电力系统的影响越来越不可忽视。由于各国电力系统配置，风电的比重等各不相同，目前国际上还没有通用的风电接入系统标准。我国也于2011年，制定了的《风电场接入电力系统技术规定》，其中明确要求风电场应具备低电压穿越能力，其基本要求如图1所示，风电场并网点电压跌至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；风电场并网点电压在发生跌落后2s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625ms[2]。并且，针对风电场发生三相短路引起的电压跌落问题，为了故障电压的快速恢复，总装机容量在百万千瓦级规模及以上的风电场群，每个风电场在低电压穿越过程中应具有一定的动态无功支撑能力。我国风力资源丰富，风电装机容量偏小，并且常常处于电力系统末端，我国制定的风电低电压穿越标准相对欧美风电大国偏低，但符合我国的国情。

图1 低电压穿越曲线

2 LVRT技术方案

本文采用的是双馈异步风力发电系统（DFIG），如图2所示，风力机通过一个多级齿轮箱连接到风力机。DFIG的定子侧通过一个升压变压器直接连接到电网，转子侧通过三相交-直-交变频器实现交流励磁，并经升压变压器连接到电网，该变频器采用的是电压型 PWM 变频器，可分为转子侧变流器（RSC）和一个网侧变流器（GSC），二者由电容器连接。其中RSC用于DFIG的运行控制，其控制效果直接影响DFIG的运行性能，而GSC主要是控制直流母线电压的恒定。为了减少风电场内部的功率损耗，二者均运行在恒功率运行模式，即稳态运行时与电网没有无功功率的交换。该系统采用Crowbar电路保护转子侧变流器及直流母线卸荷电路DC-chopper联合保护的方式，实现风电场低电压穿越。在并网点并联动态无功补偿装置 STATCOM，实现对风电场无功功率的连续迅速调节。

图2 双馈风电系统接线图

2.1 主动型Crowbar保护电路

本文采用的主动型Crowbar保护电路是整流桥式Active crowbar 电路，它由交流开关、二极管整流桥和旁路电阻构成，如图3所示。该保护电路相比被动型Crowbar可以根据转子电流、转子转速、直流侧电压作为撬棒电路的切入、切出，并能灵活快速得实现切入、切出。

图3 主动型Crowbar电路

旁路电阻的选取至关重要，电阻值要足够大以限制双馈发电机的转子电流，使暂态分量快速地衰减。然而，电阻值过大，由可能会造成转子侧的过压，使直流母线电容反充电，同时还有可能损坏转子侧变换器。旁路电阻应优先考虑限制转子电流，进而在考虑引起的定子及直流母线过电压问题。

2.2 直流卸荷电路

直流卸荷电路（DC-Chopper）由半导体功率器件和卸荷电阻R并联后与全控性器件IGBT串联组成。故障期间，由于网侧变流器不能及时的将能量输送到电网内，导致直流电容两端功率不平衡，过剩能量将引起直流母线电压升高并产生波动。忽视网侧变换器内部的的功率损耗，可得

式中，PRSC为转子侧变流器输出的有功功率；PGSC为网侧变流器输出的有功功率；Vdc为直流母线电压；C为直流电容值大小。

通过在双馈变流器直流母线安装加装DC-Chopper，可将直流母线两端故障功率吸收，从而能够限制母线电压上升及波动，并能降低crowbar的动作几率。本文采用的DC-chopper的控制框图如图4所示。可通过控制功率器件的投入和切出电阻来调节直流侧电压，从而降低直流环节过电压及电压波动。当电网电压产生跌落时，功率偏差信号ΔP通过PI调节器，得到PWM信号控制功率器件的占空比，直流电压作为辅助判断条件，弥补PI控制不够快的缺点。

图4 直流卸荷电路控制框图

2.3 STATCOM控制模型

STATCOM 装置由一个变压器、一个电压源变流器、一个电容器及其控制器组成，其主要功能是通过向电网输出动态无功功率实现对电压的控制及支撑。其典型结构及控制框图如图5所示，控制器主要包括外环电压、直流电压控制及内环电流控制，系统发生故障时，并网点电压及直流电压偏差信号分别经过各自外环的PI控制器，可得到给自内环电流控制的输入信号isq_ref、isd_ref，进而得到PWM的触发信号，STATCOM 开始短时间内向电网输出无功功率，从而有利于支撑电网电压及故障切除后并网点电压的快速恢复。

图5 STATCOM控制框图

3 仿真分析

本文使用Digsilent仿真软件对DFIG系统的低电压穿越能力展开研究，采用的是三机九节点系统，原系统的G3同步发电机组，由10台额定容量为双馈风电机组代替，不考虑风电场内部风机的接线形式，风电场通过升压变压器连接至电网。单台DFIG风机及网侧变流器的参数数见表 1。按照我国《风电场接入电力系统技术规定标准》中风力发电机组低电压运行能力的要求，仿真步骤简要如下：仿真系统从t=0开始运行，输入风速13.8m/s；t=1s时双馈风机并网处母线发生80%的三相对称电压跌落；t=1.625s恢复正常，仿真时间持续4s。

图6 仿真系统结构

表1 双馈风电机组及网侧变流器参数

3.1 Cowwbar不同旁路电阻时对低电压穿越性能比较

为了研究Crowbar旁路电阻对风电场低电压穿越的影响，仿真在三种情况下进行，情况一：Rc=0.1pu，情况二：Rc=0.4pu，情况三：Rc=1.0pu。仿真结果如图7—图11所示，在该电压跌落的情况下，DFIG定子有功功率、无功功率、转子电流及直流母线电压，均有出现尖峰，在工程中，这种尖峰就表现为震荡。并且随着Rc阻值的增加，并网点电压相对来讲有更好的恢复，并且从电网吸收的无功功率在减小。并且在Crowbar旁路电阻的投入，使得故障功率被消耗，转子电流得到快速抑制。然而，旁路电阻值选择过大，不仅起不到明显的效果，反而导致故障切除时刻的直流母线电压过高。本文建议电阻值选取为0.4pu左右。

图7 并网点电压

图8 DFIG定子有功功率

图9 定子无功功率

图10 转子绕组电流

图11 直流母线电压

3.2 采用联合保护方式实现低电压穿越

针对章节3.1出现的问题，在其基础上，在直流侧加入了卸荷电路，并在风电场并网点并联容量为15MVar的STATCOM为系统提供无功功率。仿真结果如图12—图14所示。由图12可知，引入STATCOM后，故障期间，并网点电压被提升至0.3pu，这是因为STATCOM在故障期间为系统提供了13Mvar的无功功率，如图13所示。故障切除瞬间，并网点电压能够瞬间被提升至较高的水平，并能更快的恢复正常运行水平状态，由图14可知，并且采用交直流联合保护的防止，不仅能有效的限制转子过电流，直流环节过电压也能得到较好的抑制。

图12 并网点电压

图13 STATCOM无功功率

图14 转子绕组电流

4 结论

本文对提高基于双馈风力发电机的并网风电场低电压穿越问题进行了研究，提出了一种协调转子撬棒保护和直流卸荷电路联合控制方案，并利用STATCOM为系统提供无功功率，支撑并网点电压，以改善双馈风电机组的低电压穿越能力，解决因撬棒保护投入运行引起的风电场无功需求以及直流母线过电压问题。通过含风电场的电力系统仿真计算验证了所提出低电压穿越方案的可行性及有效性。研究结果表明，随着Crowbar旁路电阻增加，转子过电流被抑制的越明显，然而，旁路电路选择过大之后，其并不太明显，反而会引起直流母线过电压；在直流侧增加卸荷电阻之后能有效的解决直流母线过电压问题；利用STATCOM可提高风电场的暂态电压稳定性。

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