基于Crowbar保护动作分群的风电场无功控制策略

张宏艳，青志明，傅 望，周 飞

（国网重庆市电力公司技能培训中心，重庆400053）

基于Crowbar保护动作分群的风电场无功控制策略

张宏艳，青志明，傅 望，周 飞

（国网重庆市电力公司技能培训中心，重庆400053）

针对双馈感应发电机（doubly fed Induction generator，DFIG）组成的风电场，提出一种基于Crowbar动作分群的风电场无功控制策略。通过分析Crowbar保护动作期间DFIG的低电压穿越（low voltage ride through，LVRT）特性，改进了DFIG网侧变流器的控制，并仿真验证该控制策略的有效性。在充分考虑Crowbar保护动作对风电场LVRT能力影响的基础上，采用一种基于电压跌落临界值的方法，对Crowbar保护动作情况进行预判断并同调分群，并针对不同机群的不同运行特性，分别采用低电压穿越控制和基于Crowbar保护动作分群的无功控制策略，仿真验证了该控制策略能有效提高风电场的LVRT能力。

风电场；双馈感应发电机；Crowbar保护；无功控制

风电作为最具发展潜力的清洁能源，近年来发展势头迅猛。而风电的大规模并网也给电网的安全稳定运行带来了严峻的挑战。其中，风电场的无功电压问题是极为关键而重要的问题之一［1－3］。

由于风电场多与弱电网相连，当电网发生故障导致电网电压跌落时，风电机组会由于转子过电流而脱网。近年来已发生多起大规模风电机组脱网事故，其原因乃是风电场内机组不具备低电压穿越（LVRT）能力。我国的风电并网标准对风电场的LVRT能力提出了要求，在风电场并网点电压跌落至20%额定值时能并网运行625 ms。并且对于没有脱网的风电机组，要求发出无功功率支持电网电压的恢复。为提高风电场的LVRT能力，目前的研究主要集中在双馈感应发电机（DFIG）单机和风电场层面上。提高DFIG的LVRT能力，主要是改进变流器控制策略和增加硬件电路。文献［4－5］研究得出，引起DFIG转子过电流的根本原因是，并网点电压跌落时DFIG的定子磁链负序与直流分量以及转子转速的变化感生的电动势。文章提出了在电网电压跌落时动态补偿定子磁链的变化量，减少磁链变化对转子回路的影响，从而抑制转子过电流，提升DFIG的LVRT能力。文献［6－7］在DFIG的转子侧变流器增加一个Crowbar保护电路，在电压跌落引起转子过电流时，通过Crowbar保护电流短路转子侧变流器，为转子过电流提供回路，并且讨论了Crowbar保护电阻阻值的选取。文献［8］提出一种以风电场出口变压器高压侧电压为控制目标，考虑风电场的无功输出极限，研究了一种风电场无功控制策略和其分配原则，并制订了一种故障紧急电压控制策略，以提高风电场的LVRT能力。文献［9］提出一种综合利用风电场内的DFIG和无功补偿装置SVC的控制策略，并将风电场的无功缺额进行三层分配，且综合考虑了继电保护控制，大大提高了风电场的LVRT能力。

上述的风电场无功控制策略，只考虑了单个风电机组的特性。而实际风电场由于风电机组的地理位置、风速风向、运行工况等的不同，其运行特性也不同，对风电场内的机组采用统一的控制策略会带来偏差。

目前提高DFIG单机LVRT能力使用最广泛的是增加Crowbar保护电路。本文针对采用Crowbar保护的DFIG组成的风电场，在分析Crowbar保护动作对风电场LVRT能力影响的基础上，改进了一种网侧变流器控制策略。并考虑风电场内DFIG的同调性，采用一种根据电压跌落临界值的方法对Crowbar保护动作情况进行预判断并分群，对不同机群的DFIG根据其不同的运行特性采用不同的无功控制策略，仿真验证了该基于Crowbar保护动作情况分群的无功控制策略的有效性。

1 基于Crowbar保护的LVRT控制

1．1 双馈感应发电机的Crowbar保护原理

当电网发生故障引起电压跌落时，DFIG由于定子磁链变化会导致转子过电流。过高的转子电流不但不利于变流器的安全运行，且会引起保护动作致使DFIG脱网。因而在转子侧加装Crowbar保护电路，为过高的转子电流提供回路，降低转子过电流并保护变流器，提高了DFIG的LVRT能力。Crowbar保护电路根据开关电子元件的不同，可以分为被动式和主动式。当Crowbar保护电路投入运行时，转子侧变流闭锁，此时的DFIG如同1台普通异步电机挂网运行，需要从电网吸收无功功率。如果长时间如此运行，对电网电压的恢复不利。因此，在转子过电流得到有效降低时，应主动解除Crowbar保护电路，投入转子侧变流器运行。其中这种运行方式的Crowbar保护电路即为主动式Crowbar保护电路。图1所示为一种典型主动式Crowbar保护电路。

图1 主动式Crowbar保护电路图

1．2 基于Crowbar保护的LVRT控制

为提高DFIG的LVRT能力，采用基于Crowbar保护的LVRT控制，其控制流程如图2所示。当DFIG的机端电压不低于0．9 p．u．时，其继续按照正常的P－Q控制运行；当检测到机端电压跌落到0．9 p．u．以下时，检测转子电流作为Crowbar保护的动作信号。若转子电流达到设定的保护动作阈值，则投入Crowbar保护，闭锁转子侧变流器；若转子电流没有达到设定的动作阈值，DFIG进入LVRT控制模式，根据并网导则要发出无功功率支持电网电压恢复。

图2 基于Crowbar保护的LVRT控制

2 网侧变流器的改进控制策略

普通的DFIG网侧变流器采用的是单位功率因数控制，与电网不发生无功交换。而当Crowbar保护投入时，转子侧变流器闭锁，DFIG如同1台普通异步电机挂网运行，需要从电网吸收无功功率，对电网电压的恢复不利。因而本文改进了原有的网侧变流器控制策略，根据Crowbar的不同动作情况，让网侧变流器工作在不同的运行状态。其控制策略流程图如图3所示。在Crowbar未动作时，网侧变流器采用单位功率因数控制，其与电网不发生无功交换；Crowbar动作时，网侧变流器发出无功功率支持电网电压恢复。

图3 网侧变流器的改进控制策略

其中Vpac和Vpcc＿ref分别是DFIG并网点电压和其参考值，经过PI调节器得出其无功电流参考值iq＿ref1，而iq＿ref2是单位功率因数控制时的无功电流参考值，通常设置为0。当Crowbar未动作时，其动作信号为0，此时最终的无功电流参考值iq＿ref＝iq＿ref2为0；当Crowbar动作时，其动作信号为1，此时iq＿ref＝iq＿ref1其值根据电压测量动态计算。

采用这种网侧变流器的改进控制策略能在Crowbar动作、转子侧变流器闭锁期间，充分利用网侧变流器的容量，发出一定量的无功功率，支持电网电压，提高DFIG的LVRT能力和暂态稳定性。在Power Factory／Digsilent软件平台中，搭建DFIG单机模型并仿真，验证该网侧变流器的改进控制策略的有效性。DFIG的拓扑如图4所示。设置1 s在PCC处发生三相短路故障，持续0．625 s后清除。Crow bar保护设置为检测转子电流达到额定值的2倍时动作，投入0．11 s后退出运行，结果如图5至图8所示。

图4 DFIG单机拓扑

图5 并网点PCC电压

图6 机端电压

图7 定子发出的无功功率

图8 网侧变流器发出的无功功率

通过以上仿真图（图5至图8）可以看出，在Crowbar动作期间，网侧变流器可以发出一定量的无功功率，无论是并网点电压还是机端电压都有一定的提高，能增加DFIG的暂态稳定性。但由于网侧变流器的容量有限，在转子过电流得到有效抑制后，应让Crowbar保护及时退出运行，投入转子侧变流器控制，使定子发出大量的无功功率。

3 控制策略

3．1 同调性概念

本文依据Crowbar保护动作情况对风电场内的DFIG进行分群，其分群思想来源于同调性的概念［10］。所谓同调性是指发电机的功角同步摇摆，实际是指转子的转速相同［11－12］。DFIG在实际运行过程中，由于其地理位置分布、风速风向等的不同，其转子转速也不同。转速相近的DFIG往往运行特性相似，可以视为同调机组，将其划为一个机群，则同调机群内的DFIG应具有相似的运行特性。

现常用的同调机群划分方法有基于地形和尾流效应作用后风速差异的分群方法、风速变化和故障导致的转速变化的分群方法、用多状态量表征风电机组运行特征的分群方法［13－15］等。由于现DFIG普遍装设Crowbar保护电路以提高其LVRT能力，因此Crowbar保护的动作情况对DFIG的运行特性影响巨大。本文采用Crowbar保护动作情况对风电场内的DFIG进行同调分群更加准确。

3．2 分群方法

常用的Crowbar动作触发信号使转子过电流，当DFIG参数确定时，转子电流的大小只受有功和无功功率、稳态机端电压、机端电压跌落值和转速的影响。对于具有MPPT功能的DFIG，其转速与功率之间存在对应关系。由此，当DFIG的转子电流一定时，机端电压跌落值只与DFIG的功率和稳态机端电压值有关。因此，对由DFIG组成的风电场，采用这种基于电压跌落临界值为判据的方法对风电场内DFIG进行Crowbar动作预判断并分群［16］。方法如下：

1）风电场建模；2）推导影响DFIG转子电流大小的相关因子；3）绘制机端电压跌落值与DFIG功率和稳态机端电压值的关系图；

4）考虑风电场拓扑对机端电压跌落值的影响并修正；

5）采用该方法对DFIG组成的风电场进行Crowbar保护动作预判断并分群。

3．3 基于Crowbar保护动作分群的风电场无功控

制策略

对风电场内的DFIG进行预判断，再根据判断情况进行同调分群。基于Crowbar保护动作分群的风电场无功控制流程如图9所示。在电网发生故障电压跌落时，检测到电网电压到0．9 p．u．后，采用上述分群方法，对风电场内DFIG进行预判断并同调分成两个机群。对于Crowbar保护动作的机群，采用网侧变流器改进的控制策略，让其网侧变流器在Crowbar保护动作期间发出无功功率；而Crowbar保护未动作的机群采用LVRT控制策略，通过转子侧变流器控制定子发出无功功率。这样的风电场无功控制策略，能充分发挥DFIG和变流器的无功发生能力，有效提高风电场的LVRT能力，有利于风电系统的安全稳定运行。

图9 基于Crowbar保护动作分群的风电场无功控制

对于短时电网故障，在转子侧变流器闭锁不能控制定子发出无功功率的情况下，通过网侧变流器发出无功功率，能有效提高电网和DFIG的机端电压，调高风电场的LVRT能力。而当电网发生长时间故障时，依靠网侧变流器发出无功功率已经不能满足电网的需求。此时，需要Crowbar及时退出运行，恢复转子侧变流器的控制，依靠定子发出大量的无功功率，支持电网电压。本文采用的基于Crowbar保护动作分群的风电场无功控制策略完全符合该理论。

4 仿真分析

以某实际风电场为算例，验证本文提出的基于Crowbar保护动作分群的风电场无功控制策略的有效性。该风电场由11排6列共66台DFIG组成。额定功率5 MW，额定风速14 m／s，变流器出口额定电压690 V，定子额定电压3．3 kV，由三绕组变压器变至35 kV。相邻风机之间距离400 m，DFIG经馈线连至中压母线MV，风电场经过出口变压器连至220 kV母线HV＿A，由双回线接入电网，其网络拓扑如图10所示。风电场在某时刻实测风速下的DFIG出力情况如表1所示。DFIG具体参数见表1。该风电场没有配置其他无功源，其无功来源于风电场内的DFIG。在Power Factory／Digsilent软件平台搭建风电场模型，验证本文提出策略的有效性。

设置该风电场0．1 s时，在HV＿A母线20 km处发生三相短路故障，0．625 s后清除。DFIG的Crowbar保护设置为检测转子电流达到2倍额定值时投入，0．11 s后退出。根据上文所述基于电压跌落临界值为判据的方法，对Crowbar保护动作情况进行预判断，依据预判断结果对风电场内DFIG进行分群，其分群结果如表2所示。

图10 风电场网络拓扑

表1 风电场某时刻DFIG出力

表1（续）

表2 风电场内DFIG分群结果

对Crowbar保护动作的机群A采用网侧变流器改进的控制策略，而转子侧仍然采用LVRT控制，对Crowbar未动作的机群B采用转子侧LVRT控制。故障条件如上所述，仿真对比基于Crowbar动作分群的风电场无功控制策略和风电场内所有DFIG均采用LVRT控制策略，其得到风电场出口处并网特性如图11至图14所示。

图11 HV＿A母线电压

图12 中压母线MV电压

图13 风电场发出的有功功率

通过仿真图可以看出，在电网故障的整个过程中，基于Crowbar动作分群的风电场无功控制策略能发出较多无功功率，对风电场出口母线HV＿A和中压母线MV的电压都有提高，并且有功功率也相对较高，有利于系统频率平衡。该策略下充分利用了网侧变流器的无功发生能力。从整个控制过程来看，故障前0．11 s发出的无功功率较之后要少，这是因为网侧变流器的容量有限，在转子过电流得到有效抑制后，应及时投入转子侧变流器控制定子发出大量的无功功率，以支撑电网电压的恢复，提高风电场的LVRT能力。

图14 风电场发出的无功功率

5 总结

本文提出一种基于Crowbar保护分群的风电场无功控制策略。在建立具有差异化的风电场模型基础上，依据对Crowbar保护动作预判断的结果对风电场内DFIG分群，针对不同机群的不同运行特性，采用不同的无功控制策略，提高风电场的LVRT特性。本文的主要贡献如下：

1）改进了DFIG网侧变流器的控制，并验证了该控制策略能有效提高其LVRT能力；

2）采用一种基于电压跌落临界值的方法对Crowbar保护动作情况进行预判断，并根据预判断结果对风电场内的DFIG进行同调分群；

3）针对不同机群的DFIG采用不同的无功控制策略。仿真算例表明，基于Crowbar保护动作分群的风电场无功控制策略能有效提高风电场的LVRT能力；

4）考虑风电场内机组的差异性，本文以Crow bar保护动作情况为判据，后续可研究更加能体现风电机组运行特性的特征量对其进行同调分群。

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A Study on the Strategy for Reactive Power Control of theW ind Farm Based on the Clustering of the Crowbar Protection Action

ZHANG Hongyan，QING Zhiming，FUWang，ZHOU Fei
（Skills Training Center of State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 400053，P．R．China）

For the wind farm composed of DFIGs，this paper presents the strategy for reactive power control of the wind farm based on the clustering of the Crowbar protection action．By analyzing the characteristics of the LVRT of DFIGs during the period of the Crowbar protection action，the control of the grid side converter of DFIGs has been improved and the simulation has verified the effectiveness of the strategy．Considering the impactof the Crowbar pro tection action on the LVRT capability of thewind farm，italso introduces amethod based on the critical value of the voltage sag，to pre judge the situation of the Crowbar protection action，to implement the coherency clustering，and to adopt the LVRT control strategy and the reactive power control strategy based on the clustering of the Crowbar pro tection action according to different features of different generator groups．The simulation has verified that the reac tive power control strategy can effectively enhance the LVRT capability of the wind farm．

wind farm；DFIG；Crowbar protection；reactive power control

TM614

A

1008 8032（2017）03 0016 06

2016－11－03

该文获重庆市电机工程学会2016年学术年会优秀论文三等奖

张宏艳（1990－），助理工程师，主要从事电力营销相关培训及研究工作。