基于定子侧新型Crowbar的双馈发电机低电压穿越研究

张建华，丁磊，戴春蕾，沈浩然，于东霞

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127）

基于定子侧新型Crowbar的双馈发电机低电压穿越研究

张建华，丁磊，戴春蕾，沈浩然，于东霞

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127）

针对电网电压跌落时投入现有被动式转子Crowbar保护，只能实现对双馈风电机组的系统保护，而无法实现低电压穿越的不足，提出故障时在定子中串接由电感组成的新型Crowbar。首先从理论上对双馈发电机电压跌落极限下激起的电磁过渡过程进行分析计算，揭示影响电磁过渡过程的本质规律。在此基础上，给出双馈发电机在电压跌落极限下新型Crowbar电感值整定方法及励磁控制策略。理论分析和仿真结果表明，新型Crowbar与控制策略相结合即使在电压跌落极限下，也能够对双馈发电机转子侧变流器提供保护，并向电网提供无功支撑，实现电压跌落极限下低电压穿越。

双馈发电机；电压跌落；新型Crowbar；低电压穿越

为了提高电网的安全稳定运行能力，国内外的电网公司都制定了风电场接入电网新的技术标准。新标准都要求风电场具备低电压穿越（low voltage ride through，LVRT）［1-2］能力，即当电网电压发生电压跌落故障时，风电场保持不脱网运行，并向电网提供无功功率支撑电网电压的恢复。我国技术标准要求当电压跌至20%额定电压时，风电场内的风电机组也要能够保证不脱网连续运行625 ms［3］。

双馈感应发电机（doubly fed induction generator，DFIG）因其变流器容量小、有功和无功功率独立可调等特点在风电场中广泛应用。由于DFIG定子直接与电网相连，变流器容量小，因而对电网故障特别敏感。为确保DFIG在电网电压故障下安全不脱网运行同时满足并网LVRT要求，国内外学者对风电机组保护原理及其控制策略进行了大量研究，大致可以分为以下两方面［4-7］：1）改进变流器的励磁控制策略。如文献［4］，提出一种DFIG转子侧变流器低电压穿越控制策略，改善了DFIG在电网故障时定、转子过电流的情况，但是该方法只适用于电网电压轻度跌落情况下，在电网发生较大幅度跌落的情况下很难满足要求；2）增加硬件保护电路。如文献［5］，提出电压跌落时在DFIG转子侧安装Crowbar［6-7］电路通过短接转子侧变流器达到保护电机的目的，但是该方法投入Crowbar电路使得DFIG转子被短接，DFIG作感应电机运行，从电网吸收大量无功功率，加剧了风电场附近电网电压的不稳定性。

针对上述情况，本文提出一种将转子励磁控制策略和新型Crowbar硬件电路相结合的控制方法，即使在电压跌落极限下，也能提供无功支撑实现LVRT。文中建立了DFIG在dq坐标系的数学模型，对电网电压跌落极限下所激起的DFIG电磁过渡过程进行分析和计算，得出揭示DFIG电流本质规律精确表达式。在DFIG瞬态分析基础上，提出新型Crowbar电路参数整定方法以及励磁控制策略，最后，本文在Matlab/Simulink环境下对所提方案进行仿真研究，验证了理论分析和所提方法的正确性及有效性。

1　双馈电机数学模型

含有新型Crowbar电路的DFIG结构如图1所示。

图1　含新型Crowbar电路的双馈电机系统结构图Fig.1　System structure chart of DFIG with new Crowbar circuit

由图1可见，新型Crowbar相比于转子侧Crowbar有以下不同：

1）所处的位置而言，转子侧Crowbar电路安装在DFIG的转子侧，而新型Crowbar电路则安装在DFIG的定子侧；

2）结构方面而言，转子Crowbar电路采用电阻短接变换器达到保护电机的目的，而新型Crowbar电路则采用定子串接电感限制电流达到保护电机目的。

本文中DFIG定、转子建模均依据电动机惯例。根据文献［8-9］可以得到DFIG定、转子在同步旋转（dq）坐标系下的电压平衡方程如下所示：

定、转子磁链方程：

式中：r1，r2分别为定子绕组和转子绕组电阻；ids，iqs，idr，iqr为定、转子绕组中电流d，q轴分量；uds，uqs，udr，uqr为定、转子电压 d，q轴分量；Ψds，Ψqs，Ψdr，Ψqr为定、转子磁链d，q轴分量；ωr，ω1分别为转子角速度、同步角速度；Ls，Lr分别为定转子绕组的自感，Ls=L1+Lm，Lr=L2+Lm，L1为定子漏电感，L2为转子漏电感，Lm为励磁电感。

将式（1）、式（2）消去磁链后得到DFIG的状态空间方程如下：

式中：I为电流列向量；U为电压列向量；A，B为状态空间方程的系数矩阵。

由于稳态运行时DFIG定子电流中只含有恒定的工频分量，所以电压和电流分量在dq旋转坐标下均为常量，此时由式（3）能够得到稳定运行时电压与电流的关系式为

2　瞬态特性分析

2.1电流瞬态特性

在DFIG电压跌落极限暂态过程的分析中，为了避免数学描述电压突变问题，故将其转换成稳定运行状态与0.8倍反向电压的过渡过程的叠加。

在时域内对式（4）求解，解析得到定子电流在dq旋转坐标系下的表达式，再经坐标变换后得到稳定运行时定子电流的解析表达式。以定子A相电流为例，稳定运行时（uds=0，uqs=1）定子电流的表达式如下：

其中

加反向电压时uds=0，uqs=-0.8。可求解方程式（4），由于求解过程的复杂性，本文直接给出叠加后定子A相电流的解析表达式：

根据式（6）可以发现该系数与DFIG的运行状态、转子励磁电压以及电机参数有关。另在电压跌落极限下DFIG定子电流中出现了直流分量ia、谐波分量i（1-s）以及基波分量i1，且谐波分量较大且逐渐衰减。从保护电机的角度考虑，应该限制电流将其幅值限制在2（标幺值）范围内［10-11］。

2.2转矩瞬态特性

电压跌落极限下DFIG将产生很大的故障电流，这部分电流不仅对电网以及DFIG不利，而且会产生冲击转矩损坏DFIG以及传动机构。因此，必须分析转矩瞬态特性。

在对时域内DFIG定转子电流分析的基础上可以得到稳定状态下电磁转矩为

由式（7）可见，DFIG稳定运行时电磁转矩中只包含恒定的单向转矩。而单向转矩的大小仅与转子励磁电压以及电机运行状况、参数有关。

对电压跌落极限下DFIG定转子电流分析可知，dq坐标系下定转子电流分量中不仅含有恒定的直流分量，还有随时间变化的s倍频分量和工频分量。

带入dq坐标下电磁转矩方程可得：

由式（8）可见，电压跌落电磁转矩过渡过程中不仅包含单向转矩分量还有工频分量、s倍频分量以及（1-s）倍频分量。若不对其进行控制将影响电机及传动机构［12-13］的稳定运行。

2.3功率瞬态特性

根据现代低电压穿越标准要求，DFIG在电压跌落极限下须保持不脱网运行并向电网注入无功功率帮助电网故障恢复。为此，必须对电压跌落极限下的DFIG功率特性进行分析。

对DFIG电压跌落极限时定子电流的dq分量分析可得到稳定运行时有功功率和无功功率，由于求解过程的复杂性这里直接给出结果。

由式（9）、式（10）可见，双馈电机DFIG电压跌落极限时，因其功率中含有谐波分量、基波分量和直流分量，如不对其进行控制将会对电网造成谐波污染。

3　电压跌落极限下低电压穿越研究

根据文献［14-15］可知，转子励磁电压控制策略只适用于电压轻度跌落的过程中，在电压跌落极限下单纯地施加转子励磁电压无法实现DFIG的保护。因此本文提出将转子励磁电压与新型Crowbar电路相结合的控制方法，不仅限制了跌落极限下故障电流的大小，保护转子侧变换器；同时能向电网提供无功功率，支撑电网故障恢复。

3.1转子励磁电压控制

根据文献［16-18］以及式（6）可知，DFIG在电压跌落极限下定子电流中不仅含有幅值较小的基波分量和直流分量，还包含幅值很大且逐渐衰减的谐波分量。如果消除了谐波分量，不仅减小了DFIG电压跌落极限下故障电流的大小，同时消除谐波后电流中只有较小的直流分量以及恒定的基波分量，从而缩减了跌落过程的持续时间。

由于电压跌落极限下谐波系数与转子励磁电压dq轴分量有关，故本文从控制谐波系数的角度来消除谐波电流。

在电压跌落极限下设转子侧dq轴分量分别为稳定运行时kd倍和kq倍。

令谐波分量的系数Au=0，Bu=0，可以得到kd和kq如下所示：

由式（11）可得，双馈电机电压跌落时需要施加的转子励磁控制电压为

式中：udrc，uqrc分别为消除谐波电流下的转子侧励磁控制电压。

3.2新型Crowbar电路的参数整定

新型Crowbar硬件电路由控制开关和电感构成，当检测到电压跌落信号时，控制开关闭合通过定子回路串接电感来限制电流保护电机。

根据式（6）和式（12）消去谐波电流后定子电流中仅存在基波分量和直流分量，而直流分量很小可忽略不计，故控制基波电流幅值在2（标幺值）内可求得改进Crowbar硬件电路的电感参数，由于计算过程的复杂性这里直接给出计算结果。

式中：Lsk=Ls+Lk，Lk为Crowbar电路电感。

以1.5 MW的DFIG具体的参数带入式（14）可求得：Lk≈0.26。目前三相串联限流电感器的价格与Crowbar电阻器价格基本相当，故在经济上具有可行性。

3.3低电压穿越运行特性研究

3.3.1电流特性

在电压跌落极限下，通过本文的控制方法，可得在该控制方法下的双馈电机定子电流为

由式（15）可知，采用本文提出的控制方法后，定子电流中只存在基波分量和恒定的直流分量，其大小取决于DFIG的运行状态、参数以及电压跌落深度。由于定子电流中不存在谐波分量，因此低电压穿越过程中不会对电网电能质量产生影响。

3.3.2转矩特性

本文控制方法下，双馈电机转矩表达式为：

由式（16）可见，采用本文提出的控制方法，DFIG的电磁转矩中不再含有谐波分量，只存在工频分量和单向转矩分量。工频分量在1个周期内的平均值为零，不会改变DFIG的运行状况，故1个周期内只有单向转矩分量，而单向转矩其值大小只与电压跌落深度以及电机的运行状态、参数有关。在电压跌落极限下，采用本文的控制方法为保持DFIG的转速不变只需调节风力机的浆距角便可实现机械转矩与单向转矩相等。

3.3.3功率特性

在本文的控制方法下，由于消除了谐波电流，因而DFIG注入电网的瞬时功率中包含了2种分量即工频分量和恒定分量，工频分量在1个周期内平均值为零，因此DFIG注入电网的平均有功功率和无功功率如下：

由文献［16］可知电压跌落前DFIG有功功率及无功功率分别如下所示：

由式（17）～式（20）化简得到电压跌落极限时功率与稳定运行时功率的关系如下：

DFIG在稳定运行时应向电网注入有功功率和无功功率。在本文的分析中，因为DFIG采用的是电动机惯例，因此稳定运行时 P稳定＜0和Q稳定＜0。又因为电压跌落时L1≪Lm和L2≪Lm，故有a2≫β，所以QLVRT＜0。因此DFIG保持不脱网运行的同时也向电网注入无功功率。

4　仿真结果及其分析

为验证所提出的DFIG低电压穿越控制方法的有效性，基于Matlab/Simulink平台以1台1.5 MW的DFIG为例进行仿真分析，根据文献［19-20］搭建电压跌落模型如图2所示。

图2　双馈电机仿真模型Fig.2　Simulation model of DFIG

1.5MW的DFIG在标幺值下仿真参数如下：L1=0.171，L2=0.156，Lm=2.9，r1=0.007 1，r2= 0.005；假设正常运行时电机功率因数为1，转差率s=0.05，转子电压udr=0.018 5，uqr=0.047 4。

图3为DFIG电压跌落到20%时理论分析和建模仿真得到的定子电流iA的波形。

图3　电压跌落到20%时定子A相电流波形Fig.3　Stator A phase current waveform when voltage drops to 20%

由图3可见，解析表达式绘制的曲线和Matlab绘制的曲线变化规律相同，这说明本文分析方法的正确性。

图4为DFIG电压跌落到20%时转子电流iA的波形。

图4　电压跌落到20%时转子A相电流波形Fig.4　Rator A phase current waveform when voltage drops to 20%

由图3和图4比较可知，定子侧电流和转子侧电流的幅值相等，相位相反，与文献［14］中所述相符，故本文仅以定子侧为例进行分析，得出本文所采取的低电压穿越控制策略。从图中可以看出在电压跌落到20%时，转子电流的幅值远大于2倍的额定电流，因此必须对双馈电机采取相应的保护措施。

图5为DFIG电压跌落到20%时转矩波形。由图5可知，电磁转矩的幅值很大，若不采取保护措施将损坏风电机组传动系统。

图5　电压跌落到20%时转矩波形Fig.5　The waveform of electromannetic torque when voltage drops to 20%

本文首先采用转子励磁电压控制策略，根据式（12）可以得到电压跌落到20%时DFIG转子励磁电压为udr1=0.012 5，uqr1=-0.000 2。施加转子励磁电压后DFIG定子电流iA控制后的仿真波形如图6所示。

图6　转子励磁电压控制后定子A相电流仿真波形Fig.6　Stator A phase current simulation waveform after rotor excitation voltage work

由图6可见，转子励磁电压作用后定子A相电流的幅值仍然大于2（标幺值）。因此，进一步说明单纯采用转子励磁电压控制策略无法达到保护电机的目的。

在对转子励磁电压的研究基础上，将新型Crowbar电路与转子励磁电压相结合后定子A相电流和转子A相电流的仿真波形如图7、图8所示。

图7　转子励磁电压和新型Crowbar作用后定子A相电流仿真波形Fig.7 Stator A phase current simulation waveform after rotor excitation voltage and new Crowbar work

图8　转子励磁电压和新型Crowbar作用后转子A相电流仿真波形Fig.8　Rator a phase current simulation waveform after rotor excitation voltage and new Crowbar work

由图7、图8可见，采用本文控制方法后，定子A相电流和转子A相电流的最大幅值均为2（标幺值），满足低电压穿越中对电机的保护要求。

转子励磁电压和新型Crowbar电路共同作用下电磁转矩控制前后的波形如图9所示。

图9　转子励磁电压和新型Crowbar作用前后转矩仿真波形Fig.9　Torque simulation waveform under rotor excitation voltage and new Crowbar

由图9可见，采用本文的控制方法后电磁转矩的最大幅值约为额定值的2倍，完全在DFIG的承受范围内。故该控制策略可以实现对传动系统的保护。

现代低电压穿越的要求中明确提出在低电压穿越期间，为了能够支撑电网电压恢复，风电机组还应向其提供无功功率。转子励磁电压和新型Crowbar电路共同作用下无功功率控制前后波形如图10所示。

图10　转子励磁电压和新型Crowbar共同作用前后无功功率仿真波形Fig.10　Reactive power simulation waveforms under rotor excitation voltage and new Crowbar

由图10可见，在电压跌落极限下若不采用控制策略时在无功功率的波形为正，平均无功功率的大小约为2.8；在转子励磁电压和新型Crowbar电路共同作用下无功功率的波形为负，平均无功功率大小约为-0.7，与式（22）的分析结果一致，因此本文的控制方法在电压跌落的整个暂态过程中，DFIG向电网输送无功功率帮助电网故障恢复。

5　结论

本文在电压跌落极限下为保护转子励磁变换器同时快速向电网提供无功支撑，提出了一种基于定子侧新型Crowbar电路的低电压穿越控制方法。将转子励磁电压控制策略和新型Crowbar硬件电路相结合，改进了电压跌落极限下对转子变流器的保护。对DFIG电压跌落极限下理论与仿真研究结果表明：

1）采用本文控制方法克服了电网电压深度跌落下单纯施加转子励磁电压无法实现低电压穿越的不足，实现电压跌落极限下的低电压穿越；

2）采用本文控制方法解决了DFIG电压跌落极限下转子Crowbar电路投入期间无法提供无功功率的问题，增强了DFIG的低电压穿越能力。

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Research of Doubly-fed Induction Generator LVRT Based on Stator Side New Crowbar

ZHANG Jianhua，DING Lei，DAI Chunlei，SHEN Haoran，YU Dongxia
（College of Water Conservancy and Energy Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，Jiangsu，China）

Aiming at the deficiency which the existing passive rotor Crowbar can only achieve the doubly-fed wind turbine protection，but can′t achieve LVRT during grid voltage drop，proposed a new type of Crowbar which was composed of stator concatenated inductance.Firstly，analysed and calculated the electromagnetic transient process of the doubly-fed induction generator under voltage drop limit in theory，revealed the essential discipline which influenced the electromagnetic transient process.On this basis，proposed the new Crowbar inductance tuning method and excitation control strategy of the doubly-fed induction generator under voltage drop limit.Theoretical analysis and simulation results show that，the new Crowbar combined with the control strategy can protect the doubly-fed induction generator rotor side converter，and provide reactive power support，realize LVRT under voltage drop limit.

doubly-fed induction generator；voltage drop；new Crowbar；low voltage ride through.

TM614

A

2015-09-29

修改稿日期：2016-02-24

国家高技术研究发展计划（863）（2012AA050214）；住房和城乡建设部研究开发项目（2016-K6-015）

张建华（1960-），男，博士，副教授，Email：jianhuazhang0508@sina.com