双馈风电场故障下低电压穿越控制研究

张钦智　杨梦宁　赵亭亭

摘 要：当双馈风电场接入交流电网时，若电网侧发生故障，风电场需要具有低电压穿越的能力。为此本文提出在风电场内利用风电机组撬棒保护电路抑制转子回路过流以及斩波电路保护稳定直流母线电压来实现故障穿越的控制策略，并基于PSCAD软件建立仿真模型，在交流电网侧发生三相短路故障下进行控制策略仿真分析，对综合保护控制策略进行了验证。

关键词：双馈风力发电;低电压穿越;撬棒保护;斩波电路保护

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.138

1 雙馈风电场系统结构及运行原理

双馈风电系统的组成部分主要为叶片、风力机、双馈感应发电机、背靠背式换流器、变压器及线性等值器等组成。根据其结构，发现其使用缠绕式异步发电机，且转子侧连接到背靠背换流器。定子侧直接与电网相连，这使得电能可以通过定子直接输送给电网，有功或无功功率则可以通过转子经过背靠背式变流器向电网输送[1]。

在背靠背换流器中，直接连接到电网的部件称为电网侧换流器（grid side converter，GSC）。另一个连接到双馈感应发电机转子的是转子侧换流器（rotor side convert，RSC）。GSC可以保持风电系统直流电压恒定并控制电网侧无功功率。RSC则能够调节励磁电流幅值、相位、频率，维持并网电压频率和电压的恒定，同时保证能够无冲击并网。本文在传统研究上对风电场内部控制进行了改进，在转子侧应用Crowbar保护电路，在直流母线并联了Chopper保护电路。

2 低电压穿越控制方案

2.1 风场内Crowbar电路保护控制

Crowbar电路由一个单管IGBT和放电电阻组成。其中，三相整流桥连接到发电机转子，IGBT的功能是控制Crowbar电路的断开或闭合。采用单管IGBT的结构，适合简化Crowbar的控制。当转子转换器需要保护时，分流电阻器通过二极管整流桥和关断装置等效地连接到风电场内转子回路上[2]。

当电网电压下降时，会导致转子过流，并且在检测到直流母线过电压或转子过电流后，Crowbar电路将输入。防止发电机转子电路的涌入电流流入变流器，并且抑制DC线路电压的上升以保护换流器。在原始Crowbar电路中，提出了转子过电流检测控制，即，在下降到极限值一段时间后，Crowbar电路断开并且转子侧换流器恢复。

2.2 风场内Crowbar电路保护控制

如上所述，当电网电压下降时，将引起转子过电流，并且转子回路过电流将容易导致直流总线电容器充电，这极大地增加了直流总线电容器将被击穿的可能性。因此，在故障时保持直流总线电压恒定尤为重要。Chopper保护电路通过不断的投切将直流电压保持在合理的范围内。风电场中的Chopper保护是在直流母线侧的并联耗能电阻电路，它反复改变投入或切出的状态，从而消耗风电场故障中的过大冲击功率。

3 仿真验证

为了验证双馈风电场在电网侧发生故障扰动时具备故障穿越的能力，本文在PSCAD软件搭建双馈风电场并网系统模型，4s时在交流电网侧设置三相接地故障，电压下降至20%左右，故障在0.15s后消失，模型的仿真结果如图1所示。

双馈发电机参数：额定功率为5MW，额定电压为0.69kV，额定频率为50Hz;定子侧电阻为0.0054p.u.，转子侧电阻为0.0061p.u.;定转子互感为0.02p.u.，定子侧自感为0.10p.u.，转子侧自感为0.11p.u.;转动惯量为4s，机械阻尼为0.0001p.u。

单台双馈发电机的额定功率为5MW，模型中为单台风机组成的500MW双馈风电场。模在双馈风场内加入Crowbar和Chopper保护电路，Crowbar电阻值为1，Chopper电阻值为0.4;Crowbar起始电流为3kA，Chopper投入上下限电压分别为1.7kV和1.5kV。

图中对比了有无Crowbar电路下的转子电流大小。可以看出，Crowbar电路在故障发生时进入输入状态，并且可以在故障结束后快速切断。而在无Crowbar电路的情况下，发生故障后，转子电流达到接近4kA，此时导致机侧变流器电流、有功和无功都会产生振荡，风电系统将存在被电网切除的可能。加入Crowbar电路后，使转子电流在故障期间不会超过设定值3kA，有效地控制住转子电流从而达到降低转子电压的目的。

图中分析了有无Chopper电路下的风机换流器直流电压的大小。可以看出，斩波器保护电路采用滞后控制切换策略，该策略检测直流母线电压，当其过高时输入，并在过低时切断，从而使直流母线电压维持在一个合理的运行区间，所以在运行过程中，一直保持投切的状态。仿真结果有效的验证了Chopper电路的保护作用，在无故障期间，使电压一直维持在设定的1.5kV-1.7kV范围内波动，并且在发生故障时，保持直流电压不会超过设定值，有效地限制住了直流母线过电压的产生。在无Chopper保护电路投入时，发生故障后直流母线电压瞬间增大，极易导致直流母线电容被击穿，并且在故障切除后，不能快速恢复到稳定值，对风机系统造成很大的负面影响。

4 结论

双馈风电场的低电压穿越能力对系统的安全稳定运行具有重要意义。本文提出了一种新的综合故障穿越控制策略，即在风电场交流电网侧发生三相短路故障。在风电场中，撬棍保护电路用于抑制转子电路的过电流，斩波保护电路稳定直流母线电压，实现故障穿越控制策略。它可以稳定直流电压，满足故障穿越的要求。控制策略可以有效提高系统低电压穿越能力。最后，使用PSCAD进行的仿真验证证明了控制策略的有效性。

参考文献：

[1]王紫薇，肖繁，王友怀，张哲，尹项根.适用于双馈风电场联络线故障选相方法[J].电力系统自动化，2018，42（08）：170-176.

[2]蔡文超，杨炳元，李超，李佳琪.Crowbar优化控制策略下的双馈风机无功调节能力研究[J].水电能源科学，2018，36（07）：140-144.

作者简介：张钦智（1995-），男，山东济南人，硕士研究生，研究方向：配电网及其自动化、新能源发电技术。