双馈风电机组的低电压穿越影响因素分析

邵 锟， 李培强， 欧阳惠， 朱 琳， 刘卫健

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082)

双馈风电机组的低电压穿越影响因素分析

邵 锟， 李培强， 欧阳惠， 朱 琳， 刘卫健

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082)

随着风力发电量的急剧增加，近年对DFIG低电压穿越保护方案的研究文献甚多，对系统自身低电压穿越能力的影响因素报道却很少。通过DFIG的数学模型，在Matlab/Simulink中建立并网仿真模型，通过仿真探讨了网侧变频器最大限值电流和控制网测变频器不同无功补偿时刻对DFIG低电压穿越能力影响，仿真结果表明合理的限流值能稳定直流侧母线电压，而及时控制网侧变频器进行无功补偿则能减少DFIG系统的暂态振荡，这两方面都直接或间接地改善了系统的LVRT能力。

风力发电；低电压穿越；网侧变频器；无功补偿；直流母线电压

随着国家新能源发展线路的明确，风电行业的发展正在被越来越多的人所关注。在风电技术的选择方面，双馈风机已经成为主流，但并网时也存在一些问题。由于双馈风机的定子侧直接与电网相连，对电网电压的扰动十分敏感，电网故障导致定子侧出现直流成分，当不对称电网电压跌落时还会出现负序分量。此时双馈发电机的转速通常较高，相对于定子磁链的直流分量与负序分量而言，转差率均较大，因而导致了转子回路的过电压或过电流，由于DFIG转子侧变频器和网侧变频器的电力电子过压、过流能力有限，较高的暂态转子电流和直流侧电压会对脆弱的电力电子器件构成威胁。因此，转子侧变换器最大电流和网侧直流母线最大电压是制约低电压穿越能力的两个主要因素。

针对以上低电压穿越问题，最常用的方法是在转子侧加入Crowbar电路，即所谓的撬棒保护电路，文献[1-2]针对传统的被动式Crowbar的不足，采用主动式Crowbar电路的控制方法实现双馈风力发电机的低电压穿越。文献 [3-4]分析了Crowbar阻值与最大短路电流及其出现时间之间的关系和Crowbar阻值以及投切时间对DFIG的LVRT效果的影响。文献[5-6]通过装有Crowbar电路装置的实验平台验证了其低电压穿越能力。

以上文献都得出了很多有价值的结论，但对系统自身低电压穿越能力的影响因素以及在此基础上改善抵御故障的能力方面却很少提及。本文以Matlab/Simulink建立的仿真算例为基础，探讨了网侧变频器不同最大限值电流对直流母线电压和不同无功补偿时刻对双馈风机系统的影响，仿真结果表明合理的网侧变频器限值电流和无功补偿时刻能改善系统本身抵御低电压故障的能力，恢复风力发电机组的稳定运行。

1 低电压穿越要求

当风力发电容量相对较小时，在电网发生扰动时，风电机组所采取的大多是自我保护的措施，即在Crowbar电路动作后，风电机组脱离电网，直到电网电压恢复正常时，风电机组再次投入运行。然而，当风力发电容量很大时，在电网出现故障的情况下，所有的风电机组都同时脱离电网，而不能像常规能源那样在电网故障的情况下对电网提供频率和电压的支撑，那么将会给电网的安全运行带来不利的影响。为此电力部门针对风力发电机组并网发电，已经开始出台了一些相关的法规，但目前不同国家甚至同一国家的不同地区可能有不同的规定。在这些标准中，德国的E.ON标准是影响最大的标准之一[7-9]，如图1所示。

图1 E.ON公司低电压穿越能力要求

图1 中，仅当电网电压值处于图示折线下方才允许风机脱网，而在折线以上区域，风机应继续保持并网，等待电网恢复。且当电压位于图中虚线框区域时，还要求风机向电网提供无功功率支撑以协助电网电压恢复。当电压跌落至额定电压的15%时，要求风机提供无功支持并保持并网至少625 ms，而在电压跌落到90%以上时风机应一直保持并网，且要求风力发电系统在电网故障后20 ms之内对电网进行无功补偿。

2 DFIG数学模型

双馈感应发电机的基本结构与绕线式转子异步电机相似。图2给出了DFIG等效电路。

图2 Crowbar激活时DFIG等效电路

按照电动机惯例，由图2可得到DFIG在同步坐标系下定、转子电压方程：

定、转子磁链方程：

忽略定子侧电阻，DFIG定子侧发出的有功和无功功率为：

电磁转矩方程为：

3 DFIG低电压穿越仿真分析

为验证上述提出的低电压控制策略的有效性[10]，在Matlab/Simulink中建立如下风机并网仿真结构图(图3)。风电场总装机容量为9 MW，包含6台1.5 MW并联的双馈风电机组，通过575 V/25 kV升压变，输电线路连接到无穷大电网。在并网处高压侧25 kV母线上设置一个500 ms的85%电压跌落。风机系统仿真参数见表1。

表1 双馈风机系统参数

3.1 电网电压三相电压跌落发生器的模拟

三相等幅电压跌落是典型的故障类型，而Simulink/Sim-PowerSystems里并没有用于任意三相等幅电压跌落的仿真模块，本文采用升-降变压器组合形式来模拟三相电压跌落，如图4所示。

图4 升-降变压器组合模拟器

三相电压跌落模拟通过设置变压器不同的电压比来模拟不同等级的电压跌落，升压变压器和降压变压器的电压比相反。正常运行时，三相断路器2断开，同时三相断路器1闭合，电网电压经降压变压器先降压后经升压变器向负载供电，当需要电压跌落时，三相断路器2闭合且三相断路器1断开，则负载电压跌至降压变压器的二次侧电压，当三相断路器2断开同时断路器1闭合时，负载电压恢复正常。图5显示采用升-降变压器组合形式模拟85%的电压跌落，跌落深度和仿真设定情况完全吻合，且没有波形的畸变。

图5 定子侧85%的三相电压跌落

3.2 网侧变频器限值电流对直流侧母线电压的影响

网侧变频器采用直流电压外环、交流侧电流内环的双闭环串级结构控制器，主要功能之一就是稳定直流母线电压。电压外环控制输出直流电压，电压控制器的输出作为电流内环的给定。电网电压严重跌落时，网侧变频器为了维持输出功率恒定，电流值突增，可能会造成变流器功率器件的损坏。因此，对网侧变频器采取限流措施是非常有必要的。

由DFIG的数学模型可推导出风机直流母线侧电容电压的表达式如下：

图6 网侧变流器不同电流限值时的直流侧电压

从图6中可以看出，三种不同网侧变频器限值电流下直流母线电压都会突增。越大，网侧控制作用越强，直流母线电压振荡幅值越小。反之，越小，控制作用越弱，直流母线电压振荡幅值则越大，系统的暂态过程也越长。可见，DFIG网侧变频器本身具有一定的抵御故障的能力，如果电流限值选择恰当的话，还可以尽可能地缩减直流侧母线电压的峰值，在一定电压范围内避免外加保护电路的必要。

3.3 网侧变频器不同无功功率补偿时刻对DFIG系统的影响

E.ON标准中规定风力发电系统需要在电网故障后20 ms之内对电网进行无功补偿。但是在电压跌落初期DFIG系统中存在着暂态浪涌电流，此时对系统进行无功补偿有可能会加剧系统的暂态过程。故障各分量的暂态衰减时间一般为60～120 ms[18]。在暂态过程消除之后再进行无功功率补偿明显无法满足E.ON标准中对无功功率补偿时间的要求。因此需要研究电压跌落后不同无功功率补偿时刻对DFIG系统稳定运行的影响，为制定双馈感应发电机系统无功功率补偿方法提供参考依据。

图7 网侧变频器不同补偿时刻对DFIG系统的影响

图7中的波形显示了DFIG使用网侧变流器进行无功功率补偿和滞后100 ms无功补偿的响应情况。其中实线(蓝线)波形是网侧变流器无功电流在0.3 s电网电压跌落时立即发送0.3 pu无功电流的仿真结果。虚线(红线)波形是网侧变流器在0.3 s电网电压跌落后延迟100 ms发送0.3 pu无功电流的仿真结果。

图7(a)和(b)中的波形显示故障发生后立即进行无功功率补偿和延迟100 ms进行无功功率补偿对风电场输出的有功和无功功率并没有产生明显的差异。图(a)中有功功率的情况基本相同，图(b)中的波形显示在电压跌落发生之后立即进行无功功率补偿比延迟100 ms进行无功功率补偿会产生稍小的无功功率波动，但曲线形态基本一致。说明在电网电压跌落之后尽快进行无功功率补偿并不会由于系统中存在着暂态浪涌电流而加剧系统的振荡，反而会由于及时向系统输送了无功功率而减少系统的暂态过程。图(c)是变频器直流母线电压变化情况，可以看出，立即进行无功功率补偿比延后进行无功功率补偿的峰值稍大，但两条曲线形态一致，实线和虚线之间的差异很少。图(d)和图(e)是网侧变频器有功和无功电流的波形。和图(a)和图(b)情况相同，实线和虚线差异很小，表明无功功率补偿时刻对网侧变频器的影响较小。图(e)中，故障前网侧变频器以单位功率因素运行，故障后在给定的时刻向电网滞后100 ms输送了0.3 pu的无功电流，这与仿真的设定是相符的。

由此可以得知，在电网电压跌落之后尽快进行无功功率补偿并不会由于系统中存在着暂态浪涌电流而加剧系统的振荡，应该尽快对系统进行无功功率补偿。

4 结论

本文通过仿真，探讨了网侧变频器最大限值电流对直流母线电压的影响和不同无功补偿时刻对双馈风机系统的影响，结果表明：适当提高网侧最大限值电流能够提高DFIG自身的低电压穿越能力，轻微电压跌落时可减少低电压保护电路的使用；滞后无功补偿不会减少系统的暂态振荡，因此必须尽快对系统进行无功功率补偿来满足E.ON标准中对风力发电系统无功功率补偿时间的要求。

[1]苏平，张靠社.基于主动式IGBT型Crowbar的双馈风力发电系统LVRT仿真研究[J].电力系统保护与控制，2010，38(23)：164-171.

[2]朱颖，李建林，赵斌.双馈型风力发电系统低电压穿越策略仿真[J].电力自动化设备，2010，30(6)：20-24.

[3]朱晓东，石磊，陈宁，等.考虑Crowbar阻值和退出时间的双馈风电机组低电压穿越[J].电力系统自动化，2010，34(18)：84-89.

[4]马文龙.Crowbar保护在双馈异步风力发电系统电网故障穿越中的应用[J].电力自动化设备，2011，31(7)：127-130.

[5]凌禹，程孟曾，蔡旭，等.双馈风电机组低电压穿越实验平台设计[J].电力电子技术，2011，45(8)：37-38.

[6]杜强，张惠娟，张同庆.双馈风力发电机组撬棒电路保护技术的研究[J].电力电子技术，2011，45(8)：48-92.

[7]蒋雪冬，赵舫.应对电网电压骤降的双馈感应风力发电机Crowbar控制策略[J].电网技术，2008，32(12)：84-89.

[8]张学广，徐殿国.电网对称故障下基于activecrowbar双馈发电机控制[J].电机与控制学报，2009，13(l)：99-103.

[9]李建林，许洪华.风力发电系统低电压运行技术[M].北京：机械工业出版社，2008：176-180.

[10]王伟，孙明冬，朱晓东.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J].电力系统自动化，2007，31(23)：84-89.

Analysis on low voltage ride through influencing factors of doubly-fed wind turbines

With the dramatic increase of the proportion of wind power in the power system,in recent years much of literature researchs about the protection schemes of LVRT of DFIG were made,less on the factors of the system itself.Through the mathematical model of DFIG,the grid-model was built up in Matlab/simulink.Then the effect factors of DFIG low voltage ride-through ability were simulated,and the influence of grid-side converter maximum current to the DC bus voltage and different reactive power compensation time to DFIG system were disscussed.Finally the conclusion of reasonable limiting value was obtained and the LVRT ability of system itself could be improved by compensation time.

wind power generation;low voltage ride through;grid side converter;reactive power compensation;DC bus voltage

TM 743

A

1002-087 X(2016)03-0684-03

2015-08-16

国家自然科学基金资助项目(51277055)

邵锟(1987—)，男，湖北省人，硕士生，主要研究方向为风力发电低电压穿越技术。