基于撬棒保护电路的双馈风电机组的无功协调控制方法研究

孙丽玲，　孟娜娜

(华北电力大学 电气工程学院,河北 保定　071003)



基于撬棒保护电路的双馈风电机组的无功协调控制方法研究

孙丽玲，孟娜娜

(华北电力大学 电气工程学院,河北 保定071003)

摘要：电网故障下撬棒(Crowbar)保护电路能够帮助风电机组实现低电压穿越，为转子故障电流提供旁路并限制其幅值。在Crowbar保护电路退出运行时，风电机组需要吸收大量的无功功率，这大大影响了风电系统恢复稳定运行的能力。针对以上问题，根据Crowbar保护电路的动作情况，提出了一种利用双馈风机网侧变换器进行无功补偿的控制策略，并进行了仿真分析。仿真结果表明，通过双馈风机网侧变换器为电网提供无功支持，Crowbar保护电路退出时刻吸收的无功功率明显减小，增强了系统恢复稳定运行的能力。

关键词：Crowbar保护电路； 电网故障； 无功补偿； 双馈风机； 网侧变换器

0引言

双馈异步风力发电机组(Double-Fed Induction Generation， DFIG)因具有可变速恒频运行、有功与无功功率解耦控制和风能转换率高等优点成为风电市场的主流机型。但是，DFIG定子绕组直接与电网相连，使其对电网故障，尤其是电压故障相当敏感。同时，转子侧励磁变频器的额定容量限制了转子过电流的承受能力。

对于严重的电压故障，目前较为成熟和有效的方法是在双馈电机转子电路中接入撬棒(Crowbar)保护电路，为转子故障电流提供旁路，从而抑制转子过电流、直流母线过电压。该方法能够满足现代电网规范对风电机组故障穿越能力的要求。文献在电网三相对称短路故障下提出IGBT型Crowbar的投切策略，通过仿真验证了Crowbar电路以及控制策略的有效性。文献研究了以Active Crowbar保护措施的电网对称故障下双馈风力发电机控制策略。

然而，应用Crowbar保护电路存在的最大问题是，投入后双馈风机的转子侧变流器被封锁，相当于异步感应电机，在发出少量有功功率的同时需要吸收大量的无功功率。已有大量文献就如何减小Crowbar保护电路投入带来的负面影响进行了研究。文献中利用转子电流，在比较器的基础上利用边缘触发D型触发器产生Crowbar控制信号；文献研究了基于母线电压的PWM控制方法；文献提出根据定子故障期间直流分量的衰减时间常数决定Crowbar保护电路的退出时刻；文献[10]提出了减短Crowbar运行时间以减小DFIG失控的时间；文献[11]提出了转子快速短接IGBT型Crowbar在不同的时刻切除对故障电网恢复和变频器保护的影响。但是，上述文献均是从研究Crowbar电路退出运行控制信号的角度出发，并未考虑到Crowbar投入后进行无功补偿的必要性。

文献[12]研究了利用无功补偿设备STATCOM来满足Crowbar动作后的电压恢复和DFIG的无功需求，提出一种故障时风电场无功电压控制策略。但该方法补偿成本较高，没有考虑利用现有的硬件条件对风电场提供无功支持。通常情况下网侧变换器运行在单位功率因数下，不发出无功功率，主要作用是维持直流母线电压稳定，在系统故障发生Crowbar保护电路投入后，网侧变换器运行在STATCOM状态下，可以作为一个独立的无功源向风电场提供无功功率。

本文针对Crowbar保护电路退出需要吸收大量无功功率的情况，提出了一种利用双馈风机网侧变换器进行无功补偿的控制策略，减少风电机组从系统吸收的无功功率，从而帮助系统恢复稳定运行。通过MATLAB/Simulink仿真平台，分别对双馈风机组保持单位功率因数运行和利用网侧变换器进行无功补偿的控制策略进行了仿真分析。最后研究了网侧变换器在不同时刻向风电场提供无功补偿时，对直流母线电压的影响，确定出更加行之有效的无功补偿方法。

1风电系统仿真

含Crowbar保护电路的DFIG系统结构图进行仿真如图1所示。转子绕组通过背靠背式双PWM整流器(转子侧变换器和网侧变换器)与电网相连[13]。考虑到电网故障情况下保持对双馈型发电机的主动控制能力，Crowbar保护电路的电力电子开关器件采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。Crowbar保护电路由三相整流桥、IGBT和旁路电阻组成，装设在转子和转子侧变流器的连接电路上。

图1　含Crowbar保护电路的DFIG系统结构图

1.1DFIG转子侧变换器控制策略

图2　转子侧变换器控制框图

2网侧变换器无功控制策略

DFIG组的网侧变换器实际上是一个电压型PWM整流器，结构如图3所示，交流侧具有独特的受控电流源特性，可以实现四象限运行。网侧变换器在电网正常运行时，通常运行在单位功率因数状态下以维持直流电压稳定。当电网因遭受大扰动而使电压跌落时，通过投入Crowbar保护电路使DFIG的转子侧变换器免遭过电流损坏。但是在Crowbar电路动作后，转子侧变换器被旁路，此时DFIG相当于一台异步发电机，失去了作为DFIG的运行优点，在发出少量有功功率的同时还要吸收大量的无功功率，尤其表现在Crowbar保护电路退出运行时刻，给电网带来更大的危害。

图3　网侧变换器结构图

当Crowbar保护电路动作后，网侧变换器与STATCOM具有相同的结构，不需要运行在单位功率状态下。此时，可以利用网侧变换器能够发出无功功率的能力[14]，通过一定的控制方法让其参与系统的无功功率调节，减少风电机组从系统吸收的无功功率，甚至可以向系统输送无功功率。

网侧变换器的功率一般按照风电系统的最大转差有功功率设计。设网侧变换器的最大功率为Scmax，则其发出或吸收的无功功率能力Qc由式(1)计算[15]：

(1)

由于故障期间系统的电压较低，会影响网侧变换器发出无功功率的能力。如果设置的参考无功功率较高，会使流过网侧变换器的电流过大，所以该无功功率参考值应由式(2)得到[14]：

Scset=ULminIGSC

(2)

式中：ULmin——低电压穿越电网运行导则规定的最低电压；

IGSC——网侧变换器额定电流。

网侧变换器根据Crowbar的动作情况采用双模式控制： Crowbar未投入运行时选择模式1，Crowbar动作后在合适的时间选择模式2。Crowbar保护电路的动作情况是网侧无功控制的关键指令。

模式1： 网侧换流器的无功功率参考值Qset为0，保持其维持直流电压稳定的作用。

模式2： 网侧换流器的无功功率参考值Qset=6Scset，使其发出无功功率。

网侧变换器的控制结构图如图4所示。控制系统采用了双闭环控制结构，其中外环为直流母线电压控制环，内环为电流控制环。

图4　网侧变换器控制框图

3仿真验证及结果分析

3.1仿真条件

假设风电场由6台同一型号的DFIG组成。

DFIG参数： 额定功率为1.5MW，额定频率为50Hz，极对数为3，定子额定线电压为690V，直流母线额定电压为1200V，定子电阻为0.00706p.u.，转子电阻为0.005p.u.，定子漏感为0.171p.u.，转子漏感为0.156p.u.，定转子间的互感为2.9p.u.。

电力系统参数： 系统故障发生在1.5s，110kV母线跌落到额定电压的35%，故障共持续300ms，1.8s时电压恢复正常。

其他参数： 电网发生故障的300ms内风速的变化很小，因此风速变化对仿真结果的影响可以忽略，设风速恒为11m/s。

3.2网侧变换器无功补偿策略对DFIG系统的影响

Crowbar保护电路在故障发生时刻投入，故障结束时刻退出运行，取阻抗值为5Ω[17-18]。图5(a)和图6(a)为发电机网侧变换器保持运行在单位功率因数下的仿真图形，图5(b)和图6(b)为网侧变换器在1.6s向系统发送无功功率的仿真图形。

图5　转子三相电流

图6　定子三相电流

由图5可知： 在Crowbar保护电路退出运行时刻，利用网侧变换器进行无功补偿的控制策略减小了转子三相电流的幅值，并且缩短了其恢复到稳定值的时间。从图6同样可以得到，网侧变换器提供无功支持后，定子三相电流的幅值也减小了。

图7(a)中，实线表示网侧变换器运行于单位功率因数状态下的无功功率波形，无功功率在1.5s电网电压跌落时出现了正向尖峰，说明电网故障时发电机组向电网输送了无功功率；在1.8s Crowbar保护电路退出时，无功功率出现了较大的负向尖峰，说明发电机组从电网吸收了大量的无功功率，严重影响了系统的恢复稳定。图7(a)中，虚线表示网侧变换器提供无功支持后的无功功率波形，在1.8sCrowbar保护电路退出时，发电机吸收的无功功率明显减小了，其数值为未补偿无功功率时的1/3，同时加快了电网恢复到稳定状态的速度。这是由于网侧变换器提供的无功功率抵消掉一部分风电机组从电网吸收的无功功率。

图7　DFIG

图7(b)表示风电场输出的有功功率，有无网侧变换器提供无功补偿对其值基本没有影响，因为并网点的电压基本不变；从图7(c)中可知，直流母线电压在1.8s时增加到2.6p.u.。这是因为网侧变换器不再运行在单位功率因数状态下，不能发挥维持直流母线电压稳定的作用，这会对直流侧的电容器造成损害，需要采取措施抑制直流母线电压的升高。电磁转矩在Crowbar电路退出时最小值均略有减小，可以从图7(d)中看出。

3.3网侧变换器在不同时刻提供无功补偿对母线电压的影响

针对3.2中直流母线电压过高的缺点，研究了网侧变换器在不同时刻提供无功补偿对直流母线电压的影响。网侧换流器分别在1.75、1.6、1.55s发出无功功率，0.2s后网侧变换器重新运行在单位功率因数状态以维持直流母线电压。从图8(a)可知： 提供无功功率的时间越接近Crowbar退出运行的时间，直流母线电压增加幅度越小，在1.75s提供无功支持时直流母线电压值控制在2p.u.以下，在正常接受的范围内。从图8(b)可知： 网侧变换器发出无功功率的时间越早，DFIG机组从系统吸收的无功功率越小，但是数值相差不大。综合考虑，与直流母线电压增加程度相比，网侧变换器无功补偿投入时间接近Crowbar保护电路退出的时刻更有利于风电系统的运行。

图8　网侧变流器提供无功补偿对母线电压影响

4结语

通过以上分析，验证了网侧变换器无功补偿控制策略的有效性。在Crowbar保护电路退出运行时，通过网侧变换器的无功支持，风电场从系统吸收的无功功率明显减小，并且使风电系统更快地恢复稳定运行。网侧变换器提供无功补偿时刻的不同对抑制直流母线电压增加的能力不同，在接近Crowbar保护电路退出时刻提供无功支持更有利于风电系统的稳定运行。利用网侧变换器代替无功补偿设备提供无功支持也节约了成本，但是因为网侧变换器的容量有限，所提供的无功功率也是有限的，今后可以研究将网侧变换器与无功补偿设备相结合的方法来提供无功功率。

【参 考 文 献】

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作者简介：孙丽玲(1972—)，女，博士，副教授，研究方向为电机设计及大型电机的状态监测与故障诊断。 孟娜娜(1991—)，女，硕士研究生，研究方向为电网故障下双馈风电机组的无功补偿技术。

中图分类号：TM 614

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)06- 0064- 05

收稿日期：2015-12-04

Analysis of Reactive Power Coordinated Control Method for Double-fed Wind Power Generator Based on Crowbar Circuit

SUNLiling，MENGNana

(North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Abstract：Crowbar circuit could help wind turbines to achieve the low voltage ride through (LVRT) under fault in power network, which provided a bypass for the fault current in the rotor and limits its amplitude. However, wind farms need to absorb a large number of reactive power when the Crowbar protection circuit was out of service , which will greatly affect the ability of wind power system to resume normal operation. In view of this situation, proposes a control strategy of reactive power compensation based on the grid side converter of doubly fed induction generator was according to the action of Crowbar circuit and the simulation analysis was carried out .Simulation results showed that the grid side converter that could provide the reactive power support could significantly enhance the ability of the system to restore the stable operation at the exit of the Crowbar circuit.

Key words：crowbar circuit; grid fault; reactive power compensation; double-fed wind power generator(DFIG)