电网故障下双馈风力发电机动态响应分析及LVRT控制

陈　银， 吴义纯， 于　传， 徐　华， 贺丹丹

(1.安徽电气工程职业技术学院，安徽　合肥　230022；

2.国网安徽省电力公司培训中心，安徽　合肥　230022)



电网故障下双馈风力发电机动态响应分析及LVRT控制

陈银1,2， 吴义纯1,2， 于传1,2， 徐华1,2， 贺丹丹1,2

(1.安徽电气工程职业技术学院，安徽合肥230022；

2.国网安徽省电力公司培训中心，安徽合肥230022)

摘要：馈电机由于其定子与电网直接耦合相连，故而在电网发生故障时，电机转子侧会产生相应的电压和电流冲击，严重影响到风电场的稳定运行。文章首先讨论了故障发生时刻以及切除时刻的动态响应过程，并在此基础上对一种基于Crowbar电路的低电压穿越控制方法进行了在电网故障发生时刻以及故障切除时刻的仿真研究，通过与传统矢量控制在双馈风电系统发生严重电网故障下的对比分析验证了其可行性与正确性。

关键词：双馈电机；低电压穿越；动态响应；Crowbar电路

0引言

近年来，风能作为一种可再生的绿色清洁能源，因具有巨大的开发潜能优势而备受重视。双馈型风力发电机因其自身的优势已成为风电机组尤其是兆瓦级大功率风力发电机的主导机型。然而由于双馈电机(DFIG)定子端直接与电网相连接，电网故障将直接影响到定子侧磁链状态，进而激起相应的电磁暂态过程，在转子侧产生电压和电流冲击，严重危及到机组的安全运行，甚至造成机组脱网，影响电网的稳定性。

对于当前国内外关于风电DFIG低电压穿越(LVRT)方案，主要可以概括为算法控制和附加硬件的拓扑改造两个方面。在电网故障较轻时，可以充分利用变流器控制和电机的暂态特性对双馈机组进行有效调节。例如文献[1,2]为克服采用矢量控制时系统运行特性受参数影响的不足，在DFIG变流器控制中采用了非线性控制策略，以增强系统的动态响应能力；文献[3,4]通过在电网故障时增加转子速度，试图从能量平衡的角度提高系统LVRT能力。而文献[5-7] 基于DFIG电磁暂态过程分析[8]，采用直接电磁暂态控制，有效降低了转子电压冲击，拓展了LVRT可控范围。这些基于软件控制算法的LVRT方案在一定程度上都对DFIG的稳定运行有较为明显的控制效果，但在工程应用中，电网故障较为严重时，仍需要与基于硬件改造的方案配合使用。基于硬件的LVRT方案主要围绕在附加撬棒电路，主要围绕附加撬棒(Crowbar)电路[9-11]、定子串联电力电子开关[12]、串联变流器[13]以及附加阻抗网络[14]等方面展开。作为一种基于通过风机系统拓扑改造来增强DFIG系统低电压穿越能力的技术方案，撬棒电路在当前工程上应用较为广泛。

在双馈电机数学模型的基础上，文章不仅针对电网故障发生时刻，也对故障切除时刻DFIG的电磁动态响应做出了讨论[15]。并采用了一种Crowbar电路的硬件控制策略对电网故障发生时刻以及切除时刻在3kW双馈风电机组上进行了仿真研究，验证了其动态响应讨论结果以及控制策略的正确性与可行性。

1电网故障时双馈型风力发电机动态响应

假设系统于t0时刻前稳定运行，t0时刻电网电压发生跌落故障，跌落深度为p，即定子电压表示如下：

(1)

式中，us为定子电压，ωs为电网同步角速度，V为电网电压幅值。

不考虑转子电流对暂态磁链的影响，即令转子侧电流为零，并假设t0=0,可得定子磁链表达式[8]：

(2)

式中，τs=Ls/Rs为定子时间常数。表达式可分为两部分：前者为与故障后定子电压相对应的稳态磁链ψsf，后者为反映磁链变化的连续性的暂态磁链ψsn。图1(a)为定子磁链空间矢量分解图，其变化过程见图1(b)(c)。

(a)定子磁链分解图

(b)静止坐标系下定子磁链轨迹

(c)同步旋转坐标系下定子磁链轨迹
图1电网电压跌落时定子磁链

由图1可知，电网故障发生时，定子磁链轨迹由于衰减的暂态磁链影响，定子磁链轨迹圆半径以电网频率逐渐减小，直至暂态磁链衰减为零，系统进入跌落后新同心圆。而在同步旋转坐标系下则表现为磁链从电压额定状态下的稳定平衡点P0以半径逐渐缩小的圆轨迹运行至新定子电压下新的稳态平衡工作点P1。

又转子开路电压满足[8]：

(3)

将式(2)代入式(3)计算，并忽略较小的1/τs，并转换到转子坐标系下转子开路电压可表示为：

(4)

式中，Ls、Lm为定子电感和定转子之间的互感，ωr为转子角速度，ωsl=ωs-ωr并且转差率s=ωsl/ωs。

由于转差率s取值较小，通常在±0.3范围内，因而转子开路电压主要决定于定子磁链暂态分量，幅值正比于跌落深度p。图2为取电压50%跌落时转子电压和转子电流的波形图。

图2　电网电压50%跌落情况下DFIG转子侧电压、电流波形

由图2可知电网故障时电机转子侧将产生较大电压和电流冲击，若不能采取有效的措施，该暂态过程将严重影响到双馈风电机组的稳定运行。

2电网故障切除时双馈型风力发电机动态响应

由上文分析可知，在电网电压状态发生变化时，DFIG定子磁链从跌落时刻所处的状态点以半径逐渐缩小的圆轨迹运行到新的平衡点。则假如故障切除时，由电压跌落所激起的电磁振荡过程还没有结束，则新的振荡过程将会叠加在前一振荡过程之上，即故障切除时刻的电磁状态与其切除时刻相关。

由此可知，根据电网故障切除时刻由跌落激起的电磁暂态情况不难分析得出故障切除的几种典型情况：1)故障时间足够长，故障切除时双馈电机已运行在跌落后新的平衡状态，由电压跌落激起的定子磁链震荡过程已结束(Case1)；2)电网故障后DFIG并没有运行到电压跌落后新的平衡工作点，电网故障就已经被切除。此时存在两种极端情况分别使故障切除时刻的定子磁链的初始震荡幅值最大(Case2)和最小(Case3)。其定子磁链在同步旋转坐标系中的轨迹图分别对应如图3。

图3　电网故障情况下定子磁链轨迹

图3中，假定P1为故障切除时刻DFIG所处的工作点，P0与上节定义相同。故障发生时，双馈电机定子磁链将由故障前稳定工作点P0沿方向d1向电网故障后新的平衡工作点过渡。图3(a)中P1点即为故障后新的平衡工作点，故障切除后定子磁链由P1点沿d2的方向向P0点收敛。而在图3(b)和(c)中，故障切除时DFIG并没有运行到新的平衡点，P1点分别处于距离平衡工作点P0最远和最近两种状态，前者磁链的初始值为电压跌落与恢复引起的两个暂态相加值，磁链震荡最为严重；后者为电压跌落与恢复引起的暂态磁链的相减值，磁链几乎不发生震荡，很快进入稳态。

同理与故障发生时的分析，为方便研究，可取电网电压发生三相对称完全跌落情况(即p=1)进行讨论。t1为故障切除时刻，定子电压可表示为：

us(t0≤t≤t1)=0

us(t≥t1)=Vejωst

(5)

假设t0=0，电压完全跌落情况下，则可得故障切除时定子磁链在同步旋转坐标系中的表达式[15]：

(6)

由式(6)知取决于故障持续时间的不同，定子磁链震荡程度存在较大的差别。当t1分别取值Ts/2和Ts(Ts=2π/ωs)时，定子磁链的初始震荡幅值分别达到最大与最小，与上文仿真分析结果相吻合。

同理，将式(6)代入式(2)计算，并忽略较小的1/τs，可得电压恢复时双馈电机的转子开路电压：

(7)

由于故障切除时刻的选取对定子磁链的影响，转子电压冲击也与故障切除时刻相关。与定子磁链震荡情况相对应，如图4所示为三种情况下转子电压电流的仿真波形图。

图4　转子电压电流波形

图4直观地反映了故障切除时间不同时双馈电机转子电压电流的冲击程度，可以看出，故障切除时转子侧产生的电压电流暂态幅值可以达到稳定运行状态下的几倍甚至更高的状态。并且故障切除时刻的选取对系统的震荡过程影响较大，Case2中转子电压电流震荡最为严重，而Case3情况下转子电压电流很快恢复稳定状态。因此实际应用中采用LVRT控制策略时，不仅要考虑电网故障时的情况，对故障切除时机组的保护也不容忽视，故障切除时间是影响保护电路的参数设计及投入的重要考虑因素。

3严重电网故障情况下Crowbar电路控制策略仿真

由上文可知，故障发生和切除时均有必要对双馈风电机组进行有效控制。本节将以目前应用较为广泛的转子侧撬棒电路LVRT控制策略[16]为例，进行简单的仿真探讨。以两倍额定转子电流为触发Crowbar电路动作阈值，假定三相对称故障跌落深度为85%，持续时间为250ms，DFIG运行在1700r/min，故障发生时，双馈电机的电磁转矩为额定转矩的85%，仿真结果见图5。

图5　电网严重故障时转子侧Crowbar电路控制策略仿真

由图5知，在电机重载且电网严重故障时，由电网故障发生和切除时激起的较大的转子冲击电流均会触发Crowbar保护电路动作，撬棒电路投入后，转子变流器被暂时闭锁，撬棒电阻的作用加速了转子电流衰减，待转子电流恢复到Crowbar电路关断阀值下，转子变流器重新投入工作。分别对比图5(a)(b)、图5(c)(d)、图5(e)(f)及图5(g)(h)，不难看出，在投入Crowbar控制电路时，定转子电流、转子端电压、转矩的震荡幅度均减小，达到平衡所需时间变短，衰减变快。Crowbar控制策略在电压跌落时刻和恢复时刻均起到了调节作用。

4总结

文章基于电网故障下的双馈型风力发电机的动态响应特性，从磁链轨迹角度对电网故障切除时刻DFIG的电磁暂态过程做出了相应的定性讨论，并且从数学推导角度进行了相应的理论探讨。最后，Crowbar电路的硬件控制策略和传统矢量控制的仿真研究验证了对故障发生和切除时刻进行LVRT控制的必要性、可行性和有效性。

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[责任编辑：王敏]

Dynamic Response Analysis on Grid Fault and LVRT Control Strategy for Doubly Fed WTs

CHENYin1,2,WUYi-chun1,2,YUChuan1,2,XUHua1,2,HEDan-dan1,2

(1.AnhuiElectricalEngineeringProfessionalTechniqueCollege,Hefei230022,China;2.TrainingCentreofStateGridAnhuiElectricPowerCorporation,Hefei230022,China)

Abstract:Since the stator windings of doubly fed induction generator(DFIG)are usually coupled with power grid directly, the surge can be seen in rotor-side currents and voltages upon grid fault, which have seriously affected the stable operation of the wind farms. Firstly, this paper discusses the dynamic response process of DFIG during the moment of grid fault occurrence and recovery. Then on the basis, the low-voltage ride-through(LVRT)strategy based on Crowbar circuit is researched on simulations. The feasibility and correctness of the strategy is verified by comparing with the traditional vector control on the severe fault of DFIG.

Key words:doubly fed induction generator(DFIG); low-voltage ride-through(LVRT); dynamic response; Crowbar circuit

中图分类号：TM614

文献标识码：A

文章编号：1672-9706(2016)01- 0014- 05

作者简介：陈银(1990-)，女，湖北黄冈人，硕士，助教，主要研究方向：风力发电技术、变电运维和调度运行。

基金项目：2013-2014学年度安徽电气工程职业技术学院科研项目(项目编号：2013ybxm005)。

收稿日期：2016- 02-15