5 MW双馈风电机组低电压穿越的仿真分析

李 辉，唐显虎，刘志详，夏桂森

（重庆前卫仪表厂风电控制设备分公司 重庆 401121）

0 引言

可再生能源中风能是一种分布广泛、蕴藏丰富的清洁能源。随着风力发电技术的不断发展，风力发电机组单机容量和并网运行风电场的规模都在不断增加，所采用控制技术的先进性和系统结构的复杂性也随之提高，特别是随着近海风力发电的利用和发展，无论是从电力系统对风电场的运行角度，还是风力发电机组的生产商角度都对大型并网风力发电系统的设计以及可靠性和安全性提出了更高的要求。此外，随着我国风电今后在电力系统中所占比重的逐步增加，大容量并网风电场与电力系统的相互作用和影响也随之加大[1-4]。从大型风电机组和电力系统安全运行角度，一方面从电网对风电机组的的影响出发，必须满足在电网出现故障时风电机组能够安全运行；另一方面，从电网的安全和风电输出的电能质量出发，需要研究大型风力发电机组在并网运行时对电网的影响和在电网故障切除后能尽快帮助系统恢复稳定运行的作用。因此，近年来，在当前风能利用和发展迅猛的一些国家的政府机构及电力公司已纷纷针对大型并网风力发电机组提出了一些入网标准，如在丹麦和德国，他们在紧急电网规程里提出了在风力发电机组并网处变压器高压侧的电网电压跌落85%以内，风力发电机组必须能并网运行一段时间，并且在电网故障切除后，风力发电机能够迅速恢复到正常工作状态，即所谓的风电机组在电网故障下要求具有低电压穿越(Low Voltage Ride-through:LVRT)能力，以免引发更大的后续扰动和更严重的系统故障[1]。最近一些国家的政府机构甚至提出在电网电压跌落到零时，风力发电机组仍能并网运行，即所谓的零电压穿越能力的苛刻要求[5]。另外，各国都要求并网风电机组能承受更长的低电压穿越持续时间。因此，为了保证电网和风电机组的安全性、稳定性，特别是今后对海上风电机组更高的可靠性要求，风电机组与电网之间的安全控制问题显得尤为突出，也为大型风电机组的控制系统提出了更高的要求。

在各种并网大型风力发电机组类型中，由于双馈发电机组转子绕组与幅值、频率、相位和相序均可调节的四象限变频器相连，所需的变频器容量较少，并且可实现发电机定子有功功率和无功功率的独立调节，已成为当前兆瓦级大型风力发电机系统的流行机组之一，也是我国海上大型风电机组的主要备选机型之一。但是由于双馈发电机定子三相绕组与电网直接相连，当电网出现故障或电网电压跌落时，机组的暂态运行性能及其承受电压跌落的低电压穿越能力的研究受到了国内外学者的普遍关注[1]。如文献[5-6]从双馈发电机不同电磁暂态模型出发，比较了采用简化和详细发电机模型时对其暂态性能的影响；文献[7]研究了在电网电压跌落发生期间和故障切除后，双馈风电机组的暂态响应。此外，文献[8]从电力系统角度出发，讨论了电力系统对并网风电机组承受低电压能力的要求。同时，文献[9-10]从低电压保护电路角度综述比较了当前双馈式风电机组的低电压穿越的各种措施。然而上述文献大多集中于发电机本体或控制策略本身，对电力系统对风电机组的低电压穿越要求以及各种保护电路的拓扑结构对机组运行能力的影响研究很少涉及。

本文从电力系统对风电机组的低电压穿越能力出发，结合双馈式风电机组的低电压穿越原理，分析比较各种低电压穿越技术的保护电路。在此基础上，建立并网双馈式风电机组及其控制系统的数学模型，对两种典型低电压穿越控制策略进行仿真。

1 双馈风力发电系统的数学模型

1.1 风电机组控制系统原理

双馈发电机的基本结构与绕线式感应电机类似，其定子侧接电网，转子上由变频电源提供对称交流电励磁，且励磁电压的幅值、频率、相位、相序都可以根据要求加以控制，从而可以控制发电机励磁磁场的大小、相对转子的位置和电机转速。在风力发电应用中，通过调节发电机转速，可以实现风电机组的最大风能捕获[1-5]。此外，双馈发电机组的变流器能实现功率的双向流动，即当双馈电机运行在次同步转速时转子侧吸收有功功率，而运行在超同步转速时转子输出有功功率，此时定子和转子同时向系统提供功率输出。双馈式风电机组的控制系统基本原理如图1所示[3,8,11]。其中，网侧变流器控制所需的信号通常包括：定子电压Uabc_s、变流器网侧电流Iabc_conv、变流器直流电压Udc、变流器直流电压给定值Udc_ref、网侧无功控制量Iq_ref；转子侧变流器用到的控制信号包括：转子转速ωr、定子电流Iabc_s、转子电流Iabc_r、变流器网侧电流Iabc_conv、定子无功给定值Qs_ref。

图1 双馈风电机组控制系统原理框图

1.2 网侧变频器控制策略

双馈风力发电机网侧变频器的控制目标是：保障输出直流电压恒定且具有良好的动态响应能力，确保网侧输入电流正弦，输入功率因数接近1。图2为网侧PWM变频器的示意图[4]。

图2 网侧PWM变频电源示意图

图中ugabc是电网相电压，ugcabc是网侧变频器端相电压，iga、igb、igc是网侧变频器相电流，Rg与Lg分别是网侧变频器等效电阻和电容，idcg与idcr分别是网侧与转子侧的直流电流。其中，电网侧的电压暂态方程可表示为：

经过坐标变换，上式可以表示为：

式中，ugd、ugq分别为转换到静止坐标系的电网电压d、q分量，ugcd、ugcq为网侧电压d、q分量，igd、igq为网侧变频器电流的d、q分量，ωe是电网电压的角频率。

假定忽略变频器开关损耗与谐波因素，直流侧电容电压、电流与网侧电压之间关系可以表示为[3]：

其中，m为网侧变频器开关量。从式（3）可以看出，直流侧电容电压可以通过控制igd来实现。

LED藻类植物光源的照度均匀性研 究 ……………………… 吕慧敏，崔世钢，吴兴利，张永立，何 林（18）

网侧输入无功功率可以表示为：

从上式可以看出，网侧无功功率可以通过控制igq来实现。

通过式（3）和（4）可以实现网侧功率的解耦控制，图3为网侧变频器的功率解耦控制框图。

图3 网侧PWM变频器控制原理图

1.3 转子侧变频器控制策略

为了实现对双馈发电机的定子有功功率和无功功率的解耦控制，本文采用定子电压定向的转子电流控制方法，定子电压为usd=Us，usq=0，而定子有功和无功功率可按照电机暂态模型得到[11]：

从式（5）可得，通过控制转子电流d、q分量即可以控制定子有功和无功功率的解耦控制。图4显示了转子侧变频器的功率解耦控制框图。图中，转子电压动态补偿量可表示为：

图4 转子侧变频器有功、无功解耦控制框图

2 双馈风电机组LVRT原理及其措施

2.1 风电机组LVRT原理及其控制策略

当双馈风电机组在外部电力系统发生故障时，风电机组端电压降低，定子电流增大，转子侧电流由于定、转子间的相互磁场耦合而增大，此时电力系统对风电机组要求的低电压穿越LVRT功能，即要求风电机组能够持续运行而不从电网脱离。在外部系统发生故障且故障导致的低电压持续存在的情况下，双馈式风电机组的基本控制过为[3,8]：

1）当转子侧电流或变流器直流电压超过设定限值时，转子侧变流器被转子短路器（crowbar）旁路，而电网侧变流器仍通过变压器与电网相连。

2）当故障清除后，机组端电压恢复，转子侧变流器恢复正常运行。

2.2 转子电路各种保护措施的比较

当外部系统发生短路故障时，双馈发电机定子电流增加，定子电压和磁通突降，在转子侧感应出较大的电流。而转子侧变流器直接串连在转子回路上，为了保护变流器不受损害，双馈式风电机组在转子侧都装有转子短路器，为转子侧电路提供旁路。在检测到电网系统故障出现电压跌落,且转子侧电流超过设定值一定时间时，转子短路器保护装置被激活，转子侧变流器闭锁，达到限制通过变流器的电流和转子绕组过电压的作用，以此来维持发电机不脱网运行。

为了保证电网故障时双馈风力发电机组及其励磁变流器能安全不脱网运行，适应将来新电网运行规则的要求，对电网故障时双馈发电机的保护原理与控制策略的研究正成为国内外学术界和工程界的关注焦点。目前采用的转子短路技术方案主要有[3]。

1）两相交流开关保护电路

图5是采用两相交流开关构成的转子保护电路，交流开关由晶闸管反向并联构成，当发生电网故障时，通过交流开关短路转子绕组，起到保护变流器的作用。采用这种电路时，由于转子电流中通常存在较大的直流分量，使晶闸管过零关断的特性不再适用，可能会造成保护电路拒动，而且晶闸管吸收电路的设计也比较困难。

图5 两相交流开关保护电路示意图

2）二极管整流桥和晶闸管构成的保护电路

图6是由二极管整流桥和晶闸管构成的保护电路，当直流侧电压达到最大值时，通过触发晶闸管导通实现对转子绕组的短路，同时断开转子绕组与转子侧变流器的连接，保护电路与转子绕组一直保持连接，直到主回路开关将定子侧彻底与电网断开为止。这种电路控制简单，但是晶闸管不能自行关断，因此当故障消除后，系统不能自动恢复正常，必须重新并网。

图6 二极管整流桥加晶闸管保护电路示意图

3）二极管整流桥加IGBT和电阻构成斩波器

为尽可能快地切除保护电路，可采用如IGBT等自关断器件。如图7所示，每个桥臂由两个二极管串联，直流侧串入一个IGBT器件和一个吸收电阻。这种保护电路使转子侧变流器在电网故障时可以与转子保持连接，当故障消除后通过切除保护电路，使风电系统快速恢复正常运行，因而具有更大的灵活性。

图7 二极管整流加IGBT和可变电阻的保护电路示意图

3 不同保护电路对其LVRT性能仿真

为了进一步分析比较不同转子保护电路对并网双馈式风电机组承受LVRT能力的影响，本文在前述的双馈风力发电机组数学模型以及结合双馈发电机的网侧和转子侧的功率解耦控制策略基础上，在电网电压故障下对采用两相交流开关电路图5和采用二极管整流桥加IGBT和电阻构成斩波的保护措施图7时机组的暂态性能分别进行了仿真比较。

本文仿真采用双馈风电机组的参数如表1所示。

表1 风力发电机组参数

在以下仿真中，假设稳定运行的并网双馈风力发电系统在1.5 s时电网三相电压分别下降30%，15%和15%，故障持续时间为0.1 s，即在时间第1.6 s时故障切除。采用两相交流开关的转子电路保护电路和采用二极管整流加IGBT和可变电阻的保护电路时，双馈风力发电机系统定子电流、发电机转速、电磁转矩以及转子电流分别如图8和图9所示。

图8 采用两相交流开关保护电路时机组暂态性能

图9 采用二极管整流桥加IGBT和电阻保护时机组暂态性能

图10和图11为不同转子保护电路时对应的直流侧电压采用滤波前后的暂态变化曲线。

图10 采用两相交流开关保护电路时直流侧电压变化曲线

图11 采用二极管整流桥加IGBT和电阻保护时直流侧电压变化曲线

从上述仿真结果比较可以看出，无论是采用两相交流开关的转子保护短路，还是采用二极管整流桥加IGBT和电阻构成斩波的转子保护措施，双馈风电机组都具有承受电网电压故障时的LVRT能力。然而，相比采用两相交流开关的转子保护短路而言，采用二极管整流桥加IGBT和电阻构成斩波方式的转子保护电路具有较好的限制定、转子电流的变化的效果，直流侧电压的变化幅值也相对较小。无论在电网故障期间还是电网故障消除后，该转子电路保护措施具有更好的LVRT的能力。而采用两相交流开关的转子保护短路时，由于晶闸管没有自关断特以及没有保护电路的吸收电阻，导致在故障期间，定、转子电流的变化幅值很大，故障清除后无论是直流侧电压还是定、转子电流都出现了较大幅值的振荡。

4 结论

为了评价电网故障下大容量并网双馈式风电机组承受低电压穿越能力，本文在建立双馈式风电机组数学模型和控制策略的基础上，对双馈式风电机组的LVRT原理以及各种转子电路的保护措施进行分析。在此基础上，对典型两种转子保护电路措施在电网电压三相不对称故障下的机组暂态性能进行了仿真比较，结果表明，采用二极管整流桥加IGBT和电阻构成斩波方式的转子保护电路具有较好的限制定、转子电流的变化的效果，直流侧电压的变化幅值也相对较小，具有较快的暂态响应性能以及更好的LVRT能力。

以上结论将有助于分析海上风电用双馈式发电机组的控制系统保护电路的分析，为大容量的双馈风力发电机组的可靠性设计和分析提供参考。

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