双馈风力发电机组低电压穿越技术发展综述

罗普

(国电电力山东新能源开发有限公司,山东烟台 264000)

双馈风力发电机组低电压穿越技术发展综述

罗普

(国电电力山东新能源开发有限公司,山东烟台 264000)

本文在参阅大量文献基础上详细阐述了Crowbar电路和改进双馈发电机励磁控制策略的原理和特点,介绍了目前低电压穿越常用方法,对它们的原理、研究的意义、不足之处进行了全面客观的分析评价,提出了在研究Crowbar电路时存在的问题,介绍了改进励磁控制策略最新的进展,提出了自己的想法,即“软硬无结合”的策略,最后对该领域的研究现状和未来趋势进行了说明。

双馈发电机 低电压穿越 Crowbar 改进励磁控制策略 软硬无结合策略

1 引言

正双馈感应发电机(DFIG)作为目前的主流风电机型之一，采用变速恒频发电技术，具有变流器容量较小、风能利用效率高、有功和无功可独立解耦控制的优点[1-2]。但是由于其定子直接和电网相连、转子的变频器容量较小只能对发电机提供部分控制，而且对电网扰动及故障非常敏感，当电网电压突然跌落时，其定子侧有功功率不能及时送出会引起电机磁链振荡以及转子过压和定转子过流，该电流中含有大量的直流分量并切割转子磁场，此时如果没有及时采取保护措施，过大的电压和电流将可能损坏双馈变流器，进而形成系统保护性切机，导致严重的连锁反应[5]风机脱网事故不可避免。

近年来风机脱网事故的频发，说明并网运行的风电机组低电压穿越能力较弱，且故障期间未能有效地提供动态无功支撑。一旦大量风电机组被切除，系统潮流会发生严重转移造成局部电网的有功缺额[19]，电网电压和频率均受到影响，使得系统暂态不稳定，并可能造成局部甚至是系统全面瘫痪[3-4]。解决DFIG的低电压穿越问题是目前风力发电并网中需要解决的重要课题[3]。

双馈感应风力发电机的模型见文献[6]。

2 低电压穿越的概念

低电压穿越(Low Voltage Ride-Through，LVRT)，又叫低电压过渡，是指在风机并网点电压跌落的时候风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复电压，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间，可大大减少风电机组在故障时反复并网次数，减少对电网的冲击。也就是说在一定电压跌落的范围内，风力发电机组能够不间断并网，从而维持电网的稳定运行。

LVRT的提出主要是基于有功功率平衡的考虑，它是电力系统功率平衡与频率稳定的需要，也是局部电网电压稳定及电压恢复的需要。当前，双馈风力发电系统应对低电压穿越问题常见的有两大类方法：

(1)硬件方法：转子短路保护技术(Crowbar电路)。增加硬件电路，例如Crowbar电路、动态电阻、网侧电压无功补偿装置等，其中Crowbar电路保护方案最为常见。

(2)软件方法：改进DFIG励磁控制策略。

目前双馈风电机组LVRT常采用的方案[9]是：电网电压跌落较小时，通过改变DFIG的控制策略来实现发电机组的不间断运行；电网电压跌落较大时，采用增加额外硬件设备来抑制DFIG转子侧瞬间能量浪涌，保护变流器。

3 Crowbar电路

3.1 Crowbar电路原理

转子短路保护技术(Crowbar电路)，通常称为撬棒技术，实质是通过功率开关连接在转子侧的旁路电阻电路，如图1所示，是较早用于DFIG转子变流器短路保护的技术[7]。该方法在故障期间投入旁路电路将转子侧变流器短路，通过增加转子绕组电流的流通路径保证变流器避开过电流的冲击，来降低过电流对转子侧变换器的影响[8]。当电网电压发生严重跌落时，该电路投入运行。

Crowbar电路工作原理是在外部系统发生短路故障时，DFIG定子电流增加，定子电压和磁通突降，在转子侧感应出较大的电流。转子侧变流器直接串连在转子回路上，为了保护变流器不受损失，在转子侧装设转子短路器Crowbar电路，实时监测转子绕组电流和直流侧母线电压，一旦检测到电网电压骤降超过预先设定值，Crowbar电路被激活，短接转子绕组以旁路转子侧变流器，转子侧变流器退出运行，电流从旁路电阻流通，让电阻消耗掉多余的功率；电网侧变流器及定子侧仍与电网相连。当电网电压恢复到允许范围内时，则退出撬棒电路，转子绕组重新接回转子侧变换器，以维持DFIG的不脱网运行。

Crowbar电路分为被动式Crowbar和主动式Crowbar[36]。其区别就在于使用的开关器件是否可控关断。被动式Crowbar的开关器件使用晶闸管SCR，即所谓的“晶闸管(SCR)”撬棒[33]。主动式Crowbar的开关器件使用IGBT、GTO等可关断器件。采用被动式时，当需要切除Crowbar时，并不能立即切除，必须要等到电流过零才能切除。这就有可能延长Crowbar的在线时间，这对于低电压穿越是不利的。而采用被动式则可以瞬时切除电路，有利于提高LVRT的能力[12]，有鉴于此，主动式Crowbar成为主流之选。

3.2 Crowbar电路优缺点

Crowbar电路具有以下优点：(1)Crowbar电路原理简单易于控制；(2)在故障过程中可以确保励磁变频器的安全，加快故障电流的衰减，能够很好的保护转子侧；(3)可以解决电网电压跌落时引起的转子侧过电流和直流侧过电压问题。

Crowbar电路具有以下缺点：(1)在电路投入期间，转子绕组被短接，DFIG处于异步运行状态，成为一个消耗感性无功的负载，需从电网侧吸收无功功率进行励磁，无法对故障的电网电压提供支撑，阻碍故障切除后电网电压的恢复，导致电网的运行状况进一步恶化[11]；(2)需要增加新的保护装置，从而增加了系统成本；(3)传统的Crowbar保护电路的投切操作会对系统产生暂态冲击；(4)DFIG不同运行状态间的切换，需要较为复杂的控制逻辑，否则可能会引起较大的振荡过程；(5)Crowbar可能会在恢复过程中再次启动，这样就更增加了恢复时间；(6)Crowbar的投入和切除时刻选择较难，选择不当将一方面引起Crowbar多次动作，另一方面可能引起大电流冲击。

3.3 Crowbar技术还需解决的问题

Crowbar电路方面存在的问题有：

(1)目前在用的Crowbar电路对于非对称故障的作用比较有限，风电机组的低电压穿越能力考核已从对称跌落故障扩展到不对称跌落故障，同时对称跌落时还要求风电机组在故障期间能迅速向电网注入持续、稳定的无功电流，这使现有装备Crowbar装置的DFIG风电机组将无法满足这一要求。研究更为先进的主动式Crowbar装置[25]以及研究在非对称故障条件下的低电压穿越问题具有实际意义。

(2)Crowbar 电路在不同运行状态间切换会产生过渡过程，尤其是在电压恢复过程中，Crowbar的退出将会加剧过渡过程，对Crowbar切换过程的暂态分析同样具有实际意义。

(3)实际的低电压穿越效果严重依赖于风电系统的内部运行条件和电网故障特征，如何有效配合各投切逻辑，成为急需解决的问题。

(4)Crowbar旁路电阻的取值问题，是一个最优问题，因为旁路电阻既要足够大以避免变流器直流侧过电压，又要足够小以有效抑制转子侧过电流，因此确定旁路电阻值时应综合考虑。

4 调整DFIG励磁控制策略

4.1 改进DFIG励磁控制策略的原理

所谓改进DFIG励磁控制策略，是指在电压跌落深度较小时，不增加硬件设备的条件下，通过改进控制策略来实现DFIG的LVRT方法。需注意的是，励磁控制算法比较适合于较小的跌落。

传统的DFIG励磁控制是基于定子磁场定向或定子电压定向的矢量控制方法，实现有功、无功功率独立调节，一般采用PI调节器[3]，具有一定的抗干扰能力。但是当电网电压出现较大幅度的跌落时，PI调节器容易出现输出饱和，难以回到有效调节状态，使电压下降和恢复之后的一段时间内，DFIG实际上处于非闭环的失控状态。为了克服传统矢量控制的缺点，相关学者提出了很多改进控制策略。

4.2 改进DFIG励磁控制策略的优缺点

仅改变策略程序，不需增加额外的硬件电路，可降低实现电网故障穿越的成本，经济性较好，灵活性好。当电压跌落比较严重时，励磁控制策略不能解决变流器过电压的问题.因此励磁控制策略并不适用于严重电压跌落情况。

5 低电压穿越的研究现状及未来趋势

目前针对电网故障时改进励磁控制技术正受到广泛关注和研究，特别是考虑各种因素，将不同策略进行优势互补，提出综合性的控制策略，尽可能提高LVRT的能力。如根据电压跌落深度调整有功和无功参考值的自适应控制策略及低电压穿越方案，具有较好的发展前景。随着风电并网和运行要求的提高，所提出的改进控制策略的条件更加苛刻：所采取的对策应具备各种故障类型下的有效性；控制策略须满足对不同机组、不同参数的适应性；工程应用中须在实现目标的前提下尽量少地增加成本等。

有学者目前在做双馈风电机组故障暂态特性分析，从定量仿真分析角度去揭示双馈风力发电机组在故障发生、切除全过程中的暂态响应特性。另一方面是DFIG在不对称电网故障下的控制策略的研究。

我认为，应提出“软硬无结合”的方法，即在风力发电系统稳态运行或电压小幅跌落时使用一种常规的励磁控制策略，而在电网故障电压跌落较大时加装硬件电路的实现方式，实现软、硬件协调配合控制，同时整个过程中都装设静止无功补偿设备以实现无功支撑增加暂态稳定性，将有利于提高DFIG的低电压穿越的能力。需要研究的问题是如何确定电压大跌落与小跌落的界限以及设备间的配合问题。

基于超级电容器(SC)储能的DVR(简称SC—DVR)来实现DFIG电压穿越的协调控制策略的新想法，其原理是在电网电压故障期间，SC—DVR对DFIG端口电压进行完全补偿，使得其端口电压始终维持在正常水平，并吸收或者输出有功功率，以实现DFIG输出有功功率和电网吸收有功功率间的功率平衡。研究的意义在于在故障过程中能有效地抑制直流侧过电压，并能由网侧变换器向电网提供无功功率，支持电网恢复。

受动态电压恢复器的启发而提出的采用串联网侧变换器的新型双馈异步风力发电系统能够实现零电压穿越，具有优良的低电压穿越(LVRT)能力，是一种先进的LVRT技术。但此类研究还处于起步阶段，国内外研究均较少[4]。

今后该技术将会围绕以下几个方面展开研究：针对各种电网故障情况的DFIG改进控制策略将是未来低电压穿越技术研究的重点；现有的DFIG及励磁变频器的瞬态数学模型尚不够精确，构建包含保护装置(如Crowbar)在内的DFIG系统的瞬态数学模型，将成为LVRT技术研究的重要内容；研制各种低成本、高可靠性、控制简单的保护装置，以确保严重故障下DFIG特别是励磁变频器的安全，是低电压穿越成功与否的关键；研究电网故障下的快速无功补偿策略和相关的电力电子稳压装置，减小电压骤降对DFIG机组的冲击，并利用DFIG帮助稳定及恢复故障电网电压，是一种可行的先进控制思想。

6 结语

单纯的改变其控制策略虽然成本低，但对低电压穿越的能力提升有限，这种局限性可以通过Crowbar电路来弥补，同时用静止无功补偿设备提供无功支撑，实现“软硬无的结合”优势互补，更有利于DFIG的低电压穿越。由于作者水平有限，有不足之处望批评指正。

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In this paper, refer to the extensive literature on the basis of elaborated Crowbar circuit and improved doubly-fed generator excitation control strategy principles and characteristics, describes the current low-voltage ride through common methods for their principles, the significance of research carried out deficiencies a comprehensive and objective analysis and evaluation, presented in the study Crowbar circuit problems on the latest developments to improve the excitation control strategy, put forward their own ideas, that "no combination of hard and soft" strategy, the final research in this field status and future trends are described.

doubly-fed generator low voltage ride through Crowbar improved excitation control strategy no combination of hardware and software strategy