基于风力发电系统低电压穿越技术研究

李仲阳

（国电电力湖南新能源开发有限公司）

0 引言

双馈感应发电机（doubly-fedinductiongenerator，DFIG）因其变流器容量小，具有有功功率和无功功率可以实现解耦控制的优点，已成为主流机型，双馈风力发电机定子与电网连接，转子通过机侧变流器提供励磁，在电网电压跌落时定子电压也跌落，导致定子电流瞬间增大。由于定转子的强耦合关系，转子电流也会突增，机组因过流停机，系统剩余能量经过机侧变流器流向直流母线，会引起母线电压激增，IGBT击穿。为了实现剩余能量的有效泄放，目前常见的解决方法是将转子并联Crowbar电路、直流母线并联斩波电路等［1-2］。

1 低电压穿越要求及控制流程

1.1 网压跌落要求

风电场并网点电压在电压轮廓线及以上的区域内时，要求风电机组不间断并网运行；并网点电压在电压轮廓线以下时，风电机组可以从电网切出［3］。

在并网点电压跌至20%额定电压时，风电场内的风电机组具有并网运行625ms的能力。

在发生跌落后2s内，风电场并网点电压能够恢复到额定电压的90%，风电场内的风电机组需一直并网运行，同时向电网发无功以帮助其恢复正常。

1.2 机组控制流程

实现机组低电压穿越（lowvoltageridethrough，LVRT）主要包括以下模块：网侧变流器 （line-side converter，LSC）模块、机侧变流器 （generator-side converter，GSC）模块、网压测量模块和主控模块。机组低电压穿越控制流程如图1所示。

图1 机组LVRT控制流程图

风电机组并网点电压跌落至90%以上额定电压时，为正常状态；90% ～20%为LVRT状态；20%以下为故障状态。斩波DBR在正常状态和LVRT状态开启，此时电机定子仍与电网连接，Crowbar不动作，当机组运行在故障状态时，Crowbar动作，电机定子与电网断开连接。

（1）通过变流器中的网压测量模块对电网状态进行判断，当检测到网压跌落至额定值的90% ～20%时，主控PLC和变流器进入LVRT模式。

（2）网侧和机侧变流器进入低电压穿越状态后关闭，定子始终不脱网，网侧变流器3ms后重启，向电网发无功以帮助其恢复正常。

（3）直流母线电压大于设定的阈值时，斩波DBR开启，进行能量泄放。

（4）转子剩余能量通过续流二极管流向直流母线。

（5）网压恢复正常后机侧变流器开始工作，机组重新运行。

（6）当检测网压跌落至额定值的20%以下时，机组进入故障状态，定子脱网并触发Crowbar，进行转子剩余能量泄放。

2 网压跌落时DFIG动态特性

双馈风力发电机电压方程如下：

式中，us、ur表示定、转子电压；is、ir表示定、转子电流；Rs、Rr表示定、转子电阻；ω表示转子旋转角速度；ψs、ψr表示定、转子磁链；p为极对数。

磁链方程如下：

忽略定子电阻，则定子电压和磁链的关系如下：

双馈风力发电机正常工作时，定子磁链以固定角速度在空间旋转，且幅值恒定不变。采用旋转坐标系表示定子磁链，方程如下所示：

式中，ω1表示定子磁链旋转角速度；ψm表示定子磁链的幅值。

由式（3）和式（4）可得：

3 硬件描述

双馈风力发电机组的硬件拓扑结构如图2所示。

图2 硬件拓扑

3.1 DBR

DBR电路由IGBT和电阻串联构成，并联于直流母线两端，当直流母线电压大于设定阀值时，通过软件控制IGBT的开通，电阻对直流母线能量进行泄放，从而保证直流电压稳定。

对DBR控制逻辑进行合理设置，可以实现机组在正常状态、LVRT状态和故障状态时DBR都可以动作。

3.2 Crowbar

Crowbar电路由电阻、晶闸管和三相不控整流桥构成，并联于发电机转子出线端。

发电机转子三相交流电流经不控整流后变成直流电流，通过软件控制晶闸管的触发信号，从而将转子能量消耗在Crowbar电阻上。

3.3 二极管整流桥

由上述分析可知，机组在LVRT状态时机侧变流器处于关闭状态，此时Crowbar不动作，由于定转子的强耦合关系，转子侧的暂态电流会导致定子电流瞬间增大。

为了实现LVRT状态下转子暂态电流的有效泄放，在直流母线和转子出线端增加转子电流续流二极管整流桥，将转子暂态电流引入直流母线并通过DBR进行泄放。

3.4 UPS

不间断电源设备 （uninterruptiblepowersupply，UPS）是为主控系统供电用的，当电压跌落后，要保证电控系统的供电正常。

第一阶段:数据收集整理阶段。工作专班对收集的数据（来源：科室和财务数据）进行整理，形成电子表格（如图 1）。

在LVRT期间，控制系统的电源电压也会跌落，控制系统的电压源为400V。

为了保证电源模块在电压跌落期间提供稳定的控制电压，采用的UPS型号为Phoenix／24V／40A电源模块。

4 软件描述

4.1 主控系统

主控系统由PLC构成，通过CAN通信向变流器发送电流指令，同时向伺服控制器发送变桨指令。

机组在LVRT状态时，主控系统根据最大风能捕获实时计算电流指令，网压恢复正常后，根据当前运行工况对电流指令进行修正，转子电流指令按斜率增减，并保证其波动在允许的范围内，为了防止电流指令跳变，通过软件进行滤波处理。

在大风条件下机组进入LVRT状态时，主控系统需要根据风速大小对变桨系统控制进行优化处理。机组正常运行时，双馈风力发电机速度变化较慢，不需要对变桨系统进行大范围的调节，发电机消耗较少的机械能，速度变化快，需要对桨叶角度及时进行控制，防止飞车现象发生。

4.2 网侧变流器

在网压跌落瞬间及跌落过程中，网侧变流器一直保持正常运行。通过网侧变流器可以实现直流母线电压的稳定控制，保证网侧输入电流波形呈正弦，从而满足系统对功率因数的要求。

在网压不平衡跌落时，网侧电压、电流会出现负序分量，机组采用2倍频的陷波器，滤除掉负序分量。

4.3 机侧变流器

在网压跌落瞬间及跌落过程中，机侧变流器一直处于关闭状态。为了保证直流母线电压稳定，需要对转子暂态能量进行泄放，通过二极管整流桥将能量引入直流母线，利用DBR电路中的电阻消耗转子剩余能量。

网压恢复时，为了降低恢复瞬间转子电流的冲击，转子电流给定需要按一定的斜率进行增减，通过对转子电流、电压的控制保证风力发电机组重新正常运行。为了避免网压恢复时因转子过流导致机侧变流器重启，通过软件算法对电流指令进行滤波，特别是在网压刚恢复瞬间，电流电压的超调、波动较大，根据频谱分析、理论计算确定滤波器的频率。

5 仿真及分析

为了验证所提硬件拓扑及LVRT控制策略的有效性，采用Matlab建模并对其进行仿真，当电网电压跌落时，网压和定子电流波形如图3所示。

图3 网压和定子电流波形

由图3可以发现，在网压跌落过程中，定子电流幅值突然变大。机侧变流器停止工作，转子电流通过续流二极管整流桥（如图2所示）流向直流母线，导致母线电压升高，当母线电压值超过DBR触发阈值时，DBR开始动作，转子电流剩余能量通过DBR回路进行泄放，当直流母线电压恢复正常时，DBR关闭。

6 结束语

本文通过在直流母线和转子出线端增加转子电流续流二极管，并结合软件控制算法实现了风电机组的低电压穿越功能。首先介绍了机组低电压穿越要求及低穿控制流程，然后分析了网压跌落时DFIG的动态特性，并对硬件拓扑进行了详细的介绍，基于DBR回路、Crowbar回路和转子电流续流二极管，结合主控系统和网侧、机侧变流器的低穿控制算法，完成了DFIG低电压穿越功能的仿真验证。仿真结果证明，采用本文所提的硬件拓扑和低穿控制策略能满足电压跌落瞬间和恢复时电流冲击小的控制目标，有效抑制了转子过流。