电网故障情况下风力发电系统控制策略研究

张欣 高骞

1、江苏省电力公司调度控制中心，江苏 南京 210024

2、江苏省电力公司发策部，江苏 南京 210024

电网故障情况下风力发电系统控制策略研究

张欣1高骞2

1、江苏省电力公司调度控制中心，江苏 南京 210024

2、江苏省电力公司发策部，江苏 南京 210024

在当今世界各种风力发电技术中，变速恒频风力发电技术因具有风能利用率高的特点而逐渐成为风电技术的主流。由于风电装机容量的增大，使电力运营商对风力机组的并网提出了更高的要求，其中最关键的即是风电机组的低电压穿越能力。本文在分析了现行风电机组并网导则的基础上，首先对双馈异步风力发电机组在电网电压跌落情况下的运行状况作理论分析，提出采用Crowbar电路来保护转子励磁电源和发电机本身的方案。然后在MATLAB/Simulink建立的风电场模型中进行仿真以验证其有效性。仿真结果表明，该电路可以有效限制电压跌落时转子回路产生的最大电流，保证系统各元件的安全，同时也证明了故障期间风电机组控制策略的有效性。

风力发电；变速恒频；低电压穿越；Crowbar电路

引言

目前，运用于并网的风力机组主要是双馈异步电机，由于此电机变流器容量仅占系统容量的1/3左右，所以很易受系统电压波动的影响。在电网电压跌落严重情况下，风电机组会因自保而脱网。在某些欧洲国家，风力发电所占电网的容量已高达20%[1]。如果风力发电机组在电网故障期间不具备故障穿越能力，在故障期间全部脱网，则将因为输出功率和负荷功率的严重不平衡，导致电网崩溃。因此，很多国家的并网导致对风电机组的并网要求也越来越高，要求风力发电机组在电网电压跌落的情况下具有不脱网运行的能力以及提供电压支持的能力[2]-[4]。

本文以MATLAB/Simulink建立的风电场模型为基础,在分析了电压跌落情况下双馈异步电机的运行状况和Crowbar电路的保护原理后,进行多种情况下的仿真，以此证明该方案的有效性。

图1 E.ON标准中规定的电压跌落曲线

1 风力发电系统并网运行标准

图1描述了德国电力运营商制定的风电机组低电压穿越规则曲线。这个标准中的电压轮廓线是针对于风电场并网点的电压而言。电压跌落前,风电场并网点电压维持在额定水平。0s电网发生短路故障引起电压跌落,当电压不低于额定电压的15%时，在625m/s时间范围内，风电场必须保持并网运行；另外当风电场并网点电压在电网故障后3s时间内能够始终高于图中电压轮廓线，并在3s后恢复至额定电压的90%以上，此过程中风电场必须保持并网运行。

2 电网故障期间风机运行分析

双馈异步电机的定子端通过升压变压器直接挂网。因此，电网电压的跌落亦即定子端电压的跌落。根据电路分析叠加原理，定子三相电压对称骤降的过程可以看作在定子端突然施加一组与原电压方向相反，幅值为跌落幅值电压的过程。由于转子电压并不影响双馈异步电机在定子电压跌落情况下的响应情况，因此转子回路被视为短路。据文献[5]的理论计算可知，在电网电压跌落情况下，发电机定子一相电流可表达如式（1）所示。

式中，XS表示定子电抗；Tr′表示瞬态常数；ωr表示转子旋转电角度。

由推导的数学模型可以看出，定子故障暂态电流受电压跌落幅值、时刻和发电机定转子电感、电阻的影响。由于双馈异步电机在运行时刻转子电流小于定子电流，因此改变发电机转子电阻的方案更加合理和易于实现。因此，在电网电压骤降时，增加发电机转子电阻可以有效抑制暂态故障电流的大部分交流分量，以使变流器正常工作，使双馈异步发电系统具有低电压穿越的能力。

3 Crowbar电路功能及型号

Crowbar保护电路技术即通常意义上的转子短路保护技术。目的在于当检测到电网系统出现电压跌落时，立刻投入转子回路旁路保护装置，为转子侧电路提供旁路，达到限制通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用以此来维持双馈电机不脱网运行。目前典型的，Crowbar电路如下[6]：

（1）混合桥型Crowbar电路，每个桥臂由控制器件和二极管串联而成。

图2 混合桥型Crowbar

（2）IGBT型Crowbar电路，各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。

图3 IGBT型Crowbar

（3）旁路电阻型Crowbar电路，出现电网电压跌落时，通过功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中，这就为电网故障期间所产生的大电流提供了一个旁路，从而达到限制大电流，保护励磁变流器的作用。

图4 旁路电阻型Crowbar

4 仿真研究

本文仿真是基于图5所示的恒风速的风电场并网系统。风电场总装机容量为9MW ,包含6台1.5MW风电机组,机端并联电容器组;机组通过机端升压变压器升压到25kV,汇集后经过一输电线路后，再由T1升压到120 kV。在本仿真实例中，风电场由6台1.5MW的风电机构成。为计算方便，额定容量选为10MW,定子额定电压575V,旁路电阻取值为0.9pu,即0.03左右。

图5 风电场并网仿真模型

4.1 参数设置

双馈异步电机参数表如下：

表1 电机参数表

4.2场景仿真

系统仿真步骤简述如下:仿真系统从t=0开始运行，输入风速为12 m/s,在0～0.4s期间风电机组运行逐步趋于稳定。在t=0.4s时,设定接入风电场的母线电压发生三相对称短路故障，按照德国电力公司E.ON标准，电网电压跌落至0.15pu，故障持续时间为625m/s。为讨论低电压保护策略的有效性，仿真在两种情况下进行，以作对比。情况一：在检测到电压跌落时，不作任何保护措施，既不投入Crowbar保护电路，也不封锁转子侧变换器，直到仿真进行完毕；情况二：在检测到电压跌落时，立即封锁转子侧变换器的驱动脉冲，同时接入转子旁路保护电阻，发电机转入异步电动方式继续运行。在t=1.025s时故障被排除，电网电压恢复至正常值，在检测到电压恢复后立即切除转子旁路保护电阻，并给予转子侧变流器驱动脉冲，使其重新控制发电机使其恢复正常运行。图2～5及表1中有功为正表示定子输出有功，无功为负表示定子吸收滞后无功，电磁转矩为负表示为制动转矩。

电网电压骤降下无Crowbar保护时的各参量动态响应曲线如图6所示。

由图6可见，在电网电压幅值骤降的情况下，若不采取任何保护措施，双馈异步电机的转子电流峰值可达到正常运行时的3～4倍，这将对转了绕组尤其是转子侧变流器产生极大的危害。而且，电磁转矩T剧烈振荡，其幅值达到额定值的2倍以上，对风电机组转轴系统产生很大的机械应力冲击。从图中可以明显看出，在电网电压跌落和回升时刻，各电流参量，以及电磁转矩都会产生高于正常时数倍的冲击值，这将对机组本身产生严重的危害。同时可以看出，直流母线电压在电网电压恢复后不能稳定在1200V,而是逐步增加，一直上升到额定值的3～4倍，峰值几乎达到4000V,这将致使电容器严重过压而烧毁；电磁转矩在正负值之间正弦变化，且振荡幅值不断增加，这将对风电机组的机械系统造成更大的损害。此外，由于电网电压跌落程度很大，达到了85%，由响应曲线可知，在故障排除后，风电系统发生失步振荡，有功功率不能达到恒定输出，无功功率也不能稳定在给定值；结合相关文献和以上响应曲线可知，在电网电压跌落较小时，风电系统自身具有抵御故障的能力；在跌落程度较大时，系统失去了恢复能力。这也说明了加入Crowbar保护电路的必要性。

图6 不采用Crowbar时各电量动态响应曲线

5 结论

本文在对风电机组的并网导则和双馈异步电机在电网故障下的运行情况做详细理论分析的前提下，提出了运用转子短路技术来保护转子励磁电源和发电机本身，并同时实现机组本身的低电压穿越。经实例仿真可以得出如下结论:⑴在电网电压深度跌落情况下，加装Crowbar电路的风电机组能很好的保护机组本身并实现低电压穿越；⑵适当增加定、转子的漏感和互感有助于提高机组的故障运行能力；⑶保护电阻的选择应首先保证避免转子过电流，然后再考虑避免转子过电压。

[1]闫广新，李江，张锋，等.变速双馈风电机组低电压穿越功能仿真[J].电网与清洁能源.2009,25（6）：49-52

[2]PETERSSON A , LUNDBERG S , THIRINGER T. A DFIG wind-turbine ride-through system influence on the energy production. Wind Energy, 2005, 8(3): 251-263

[3]MORREN J , DE HAAN W H S. Ride through of wind turbines with doubly-fed induction generator during a voltage dip. IEEE Trans on Energy Conversion , 2005, 20(1): 435-441

[4]胡家兵,孙丹,贺益康.电网电压骤降故障下双馈风力发电机建模与控制[J].电力系统自动化.2006,30(8):21-26

[5]李建林,许洪华.风力发电中的电力电子变流技术[M].机械工业出版社.2008:176-180.

[6]臧晓笛.几种双馈式变速恒频风电机组低电压穿越技术对比分析[J].变频器世界.2008,(5):41-45

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.22.001

张欣，男，工程师，江苏省电力公司调度控制中心调度值班长，主要从事电力系统调度工作。

高骞，男，工程师，江苏省电力公司发展策划部，主要从事电网规划研究。