双馈型风电系统电网故障不间断运行的研究

党存禄 宫有民 周明星

(1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050;2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室，甘肃 兰州 730050)

0 引言

风力发电在整个电力生产中所占的比重越来越大，因此风电系统对电网的影响已经不能忽略，提高双馈型感应发电机(DFIG)在外部电网故障下的不间断运行能力变得更加重要。在电网故障中，电网电压跌落是最常见的一种，研究双馈型感应发电机(DFIG)在这种故障下的行为特性，提高其对这种故障的适应能力，已成为目前国内外风电技术研究的热点问题。电网规范要求，当电网发生故障如电压跌落时，风力发电系统需要保持与电网的连接，只在故障严重时才允许离网，这就要求风力发电系统具有较强的低电压穿越(LVRT)能力［1，2，3］。

本文针对2MW变频器的功率管(IGBT)爆炸情况，重新对双馈感应发电机的定子电流暂态变化的DFIG数学模型进行分析，对变流器的控制方式进行设计，并在双馈电机的转子侧加入了Crowbar电路，使得在电网电压跌落和恢复时系统有好的运行效果。通过对电网故障不脱网运行的测量，可以知道该设计能达到很好的效果，并运用于变频器。

1 双馈型风力发电机组的电压跌落特性

对于变速风力发电机来说，双馈发电机是一种流行的主要风力发电机结构。一个主要原因是电力电子变流器只需要控制总电能的一小部分(20%-30%)，也就是转差功率。因此，和变流器需要控制总功率的系统相比，电力电子变流器的损耗可以减小，此外变流器的造价也将降低。

为了研究双馈型感应发电机(DFIG)定子电压跌落，需要知道暂态数学模型［4，5，6］。由于电网电压跌落情况下双馈型感应发电机(DFIG)系统转子电路被Crowbar电路短路，利用电路的叠加原理对双馈发电机转子短路情况下定子电压跌落情况进行分析，定子三相电压对称骤降的过程可以看作在定子端突然加一组与原端电压方向相反、幅值为跌落幅值电压的过程。转子回路被简化为短路状态。定子短路电流的空间矢量is为

is0—定子电压跌落前定子稳态电流的空间矢量;

is1—定子端突然加反向的三相电压时所产生的定子电流空间矢量;

设定子电压的空间矢量为us=-jUmej(ω1t+φ)，在转子坐标系中，u's=use-jωrt=-jUmej(ωst+φ)，则定子跌落前的电流矢量 i's0为

式中:Xs—定子电抗;ω1—定子同步旋转角速度;ωr—转子旋转电角速度;ωs—转差角速度;

由于Xs远远大于Rs，(2)式可写成

而在转子坐标系中，当定、转子的磁链初始值为0时，定子电压方程和拉氏变换为

式中，Ls(s)为在转子坐标系中定子的运算电抗，Ls(s)=Ls(1+T'r)/1+sTr;Tr为转子的时间常数，Tr=Lr/Rr;T'r为瞬态时间常数 T'r=L'r/Rr。得 I's1为

式中，α为定子直流分量的衰减系数，α≈Rs/L's。

将运算电感的倒数展开成部分分式，得

取拉氏变换后由 α≪ωr、-1/Tr+ α≪ωr、(s-jωs)(s+ α +jω1)≈s(s+α +jωr)，因此

于是可以得到

最终可以得到定子坐标系中定子电流的空间矢量为

定子A相得电流为

AUm是交流分量，以瞬态时间常数T'r衰减。

通过数学模型的推导结果看出，定子故障暂态电流受到电压跌落幅值、时间和发电机定转子电感、电阻的影响。从而知道改变发电机在电网电压故障情况下的定转子电感、电阻的办法可行。

2 DFIG系统的控制策略

图1为变速恒频双馈型感应发电机(DFIG)风力发电系统原理图。为了要研究电网故障下机侧变流器的控制策略，建立同步转速ω1旋转dq坐标系下的双馈型感应发电机(DFIG)电压方程和磁链方程

令

由(11)、(12)、(13)得

Im0定子励磁电流矢量，ωslip滑差电角度，Us、Ur分别为定、转子端电压矢量，Is、Ir分别为定、转子绕组电流矢量，ψs、分别为定磁链矢量。

考虑暂态下定子电流的变化，转子侧变流器采用了定子电压定向功率外环、电流内环的双闭环矢量控制方式，把定子励磁电流的微分项引入，使得在故障情况下能更准确的控制双馈感应发电机，调节定子侧的有功和无功，所要调制d、q分量的转子电压模型如下

图1 DFIG风力发电系统示意图

定子励磁电流的微分项为

定子输出地有功、无功功率与dq轴电流之间的关系为

根据上面的模型对机侧变流器进行控制，控制框图如图2所，在图中主要比正常情况下多加入了定子励磁电流变化的补偿量，以此对解耦电路作了必要的修正，这样使得控制更具有准确性。

3 电网LVRT故障不脱网运行

低电压穿越(LVRT)，指在风机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。低电压穿越技术是风力发电系统中的一个非常关键的技术之一，关系着风力发电的大规模应用［7］。

电压跌落的过程分为两个阶段:一是电压跌落期间，风力发电机从正常运行过渡到故障运行;二是电压恢复后，发电机从故障状况恢复到正常运行。

3.1 电网“故障不脱网运行”的标准

在电网故障(电压突降dips)期间，LVRT可保证风力发电机连续的电网连接。由LVRT恢复的故障时段和深度是由可适用的电网标准定义的。

图3为电网允许的低电压穿越能力曲线。在图中实线以上部分所示的区域不允许风力发电机脱离电网，只有在实线以下区域才允许风力发电机脱离，并且风力发电机组需要根据图中实线上升的斜率相对应的时间来向系统发出无功功率，加快系统恢复的速度。图4为电压跌落700 ms电网电压保留15%时，不允许风力发电机脱离电网，而且要根据图中的实现来向系统发出无功功率，以至促使系统恢复。这表明在电网电压发生故障的情况下风力发电机不能像以往一样可以随意脱离电网，需要像传统的火力发电机组一样，在电网故障时为电网提供支撑。

英国电网允许的故障 (100%对应于发电机终端电压660 V):

不采用LVRT，风力发电机将停机，至少60秒以后才能重新启动。

3.2 电网“故障不脱网运行”系统

3.2.1 Crowbar电路的功能

由前面知道改变发电机在电网电压故障情况下的定转子电感、电阻的办法可行，所以把Crowbar电路接在双馈感应发电机(DFIG)的转子上如图1所示。在转子侧接Crowbar电路，使得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该电路，使风力发电系统快速恢复正常运行，因而具有更大的灵活性。

转子Crowbar电路有两个主要功能:一是抑制双馈型感应发电机(DFIG)系统电网电压瞬间跌落情况下出现的暂态过程:二是防止直流母线电压上升。在电网电压跌落时增加发电机转子电阻，可以抑制暂态故障电流的交流分量，达到保持变流器正常工作、使得双馈型感应发电机(DFIG)系统运行低电压故障的目的。此外，还能抑制定子电压发生骤升的情况，使系统更加迅速的恢复稳定运行，对电网进行无功功率补偿。但是由于增加Crowbar电路中的电阻可能会导致变流器直流母线电压上升，因此选择恰当的Crowbar电路电阻值。而电阻是根据故障时的最大电压来选择;并且阻值还必须考虑防止转子侧电压超过直流侧电压，以及故障持续时间电阻发热问题。

3.2.2 LVRT操作原理

· 电网故障侦查时，发电机的定子电流通过电子开关和定子(“撬杠”，“保护短路”，“消弧”)而中断;

· 发电机通过定子和转子“撬杠”强制消磁;

· 发电机通过边变频器重新与当前电网电压电平同步;

· 在再同步期间，反应电流通过线形边变频器并入电网;

· 在完成再同步以后，定子再连接到电网恢复发电;

· 线电压的回归后采用了相似的程序;

3.2.3 LVRT技术数据

参数的意义:电网电压触发LVRT回路的电压;电网电压能重新恢复正常工作的电流;电压不对称触发LVRT回路的时间;电网不对称重新回到正常工作的时间;最大允许电压突降持续的时间;对于LVRT最小保留的电压。数据表如下

保留电压IVBI ＞5%U＜2.5电压短路同步时间 ＜280ms电压恢复同步时间 ＜230ms电流响应时间 ＜30ms电压短路到同步的电流瞬间短路电流＜0.5

4 电网LVRT故障不脱网运行的测量

以下是测量故障不脱网运行的线电压和线电流的波形，从图形可以看出电压突降的范围和突降时对电压和电流的影响。

以下各波形显示Crowbar电路在电网跌落持续的时间较短时仍然能够快速阻尼系统振荡过程;同时也显示系统电压跌落持续时间较短，在电网电压恢复时系统能很好的处理暂态振荡过程，减少了电压恢复时系统定、转子电流受到的冲击;此外还显示电网电压跌落期间定子电流的频率和跌落之前保持一致，这是因为电压跌落发生时双馈电机的转速和同步转速十分接近。

图5是电压突降到保留电压的5%的线电压波形，跌落发生时，输出电压从600 V跌倒30 V，跌落至原来电压的5%左右。图7是电压突降到保留电压的60%的线电压波形，跌落时，输出电压从600 V跌倒360 V，跌落至原来电压的60%左右。从这两个波形可以看出，电压跌落发生及恢复时，电压在过零点衔接的很好，没有出现电压中断、电压尖峰等，跌落时间为130 ms。

图8 电压突降到60%的线电流波形

图6是电压突降到保留电压的5%的线电流的波形，图8是电压突降到保留电压的60%的线电流波形，跌落发生时，从两图可以看出电流变大(这主要是为了维持功率平衡)，但仍然基本维持和电压同相，电压恢复后，电流恢复正常，整个过程显示双闭环控制对系统有较好的控制效果。

5 结束语

(1)采用Crowbar可以迅速抑制电压跌落下的转子浪涌电流，保护励磁变频器。

(2)网侧变换器在电网电压跌落期间可以一直向电网提供无功，以利于在DFIG失控状态下对稳定电网电压发挥有效作用。

(3)在长时间电压跌落的情况下，Crowbar在转子电流稳定之后应及时切除，以便让DFIG回到可控状态，提供无功帮助电网电压恢复。当然Crowbar切除时刻的选择十分重要，过早会因故障电流未衰减至要求值而再次动作，过迟则不利于电网电压的恢复，因此Crowbar投入及切除的时间将是一个难点。

(4)采用Crowbar电路可以抑制电压恢复时发生骤升的情况，使得电压快速稳定下来，对电网进行无功补偿。

［1］Schlabbach J.Low voltage fault ride through criteria for grid connection of wind turbine generator［C］the 5th International Conference on the European Electricity Market.Lisbon，Portugal:IEEE，2008:18-21.

［2］张学广，徐殿国.电网对称故障下基于Active Crowbar双馈发电机控制［J］.电机与控制学报，2009，1(13):99-103.

［3］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，2007，30(6):20-24.

［4］姚骏，廖勇.基于Crowbar保护控制的交流励磁风电系统运行分析［J］.电力系统自动化，2007，31(23):79-83.

［5］胡家兵，贺益康.双馈风力发电系统的低压穿越运行与控制［J］.电力系统自动化，2008，1(2):49-52.

［6］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.

［7］张兴，张龙云，杨淑英，等.风力发电低电压穿越技术综述［J］.电力系统及其自动化学报，2008，20(2):1-8.