电网对称短路故障时1.5MW双馈风电变流器的低电压穿越技术

徐其惠 曹贝贞

（1.东方电气自动控制工程有限公司，四川 德阳，618000； 2.东方汽轮机有限公司风电研发中心，四川 德阳，618000）

1 概述

近年来，我国风力发电发展迅速，装机容量大幅增加，随之而来的是对电网稳定性影响越来越大，风力发电对电网的适应性问题也越来越尖锐，电网故障时的低电压穿越就是一个很明显的例子。在目前国内的风力发电系统中，当系统出现扰动或故障并导致发电机端电压下降或频率发生波动时，双馈感应发电机将立即从电网中解列以确保机组的安全。但随着风电在系统中所占比例的逐渐增加，电力系统从稳定运行的角度出发要求发电机在故障过程中仍然保持不脱网运行。当前国外一些新的电网连接标准已对双馈感应发电机在电网故障时不脱网运行提出了明确的要求[1～3]，中国电科院也根据国内风电的实际情况出台了低电压穿越标准，具体见图1。目前国家电网已经开始要求各大风机厂家按照该标准来实施，故研究并实施低电压穿越技术迫在眉睫。

图1 我国风电场低电压穿越要求

直驱风力发电机组由于定子端通过变流器与电网相连，电压跌落时不会出现很强的机电暂态过程，故实现低电压穿越较为容易；但是目前国内大规模采用的1.5MW风力发电机都是双馈电机，定子端直接与电网相连，电压跌落时会在电机的定转子端出现复杂的电磁暂态过程，从而造成定转子过流，加大了低电压穿越的实现难度。

本文根据实际1.5MW双馈风电变流器电网故障时的运行特性，设计了一套双馈风电变流器低电压穿越装置，包括转子侧crowbar[4～6]和直流链chopper，同时提出了一种电网对称故障时的双馈风电变流器控制方法，实现了低电压穿越并在电网故障时向电网反送无功以支撑电网，取得了较好的效果。

2 带低电压穿越装置的1.5MW双馈风力发电系统

假设电网故障前1.5MW双馈发电机处于稳态运行，此时定、转子磁链在空间保持相对静止，且以定子电角频率旋转。故障发生时，定子电压将突然减小，根据磁链守恒原理，尽管发电机定子电压在故障时发生突变，但在故障瞬间定子磁链仍将保持恒定不变。在忽略定子电阻的前提下，根据定子电压方程式：

可知发电机的定子磁链随时间的变化率近似等于定子电压。由于机端故障后定子电压突然下降到零，因此定子绕组中将出现不随时间变化的磁链直流分量 （在忽略定子电阻的条件下），同理可知转子绕组中也将出现不随时间变化的磁链直流分量，其中直流分量的衰减取决于电机参数。电网电压突变越严重 （电压变化率越大），导致的定子暂态磁链的幅值就越大，对转子侧的过压过流影响就越大。图2为试验用小功率双馈风力发电系统电网故障时的试验数据，从中可以看出电网电压突变时转子侧出现明显的过电流。试验电机功率为5kW，电压等级为380VAC，采用电抗分压的方式实现电网电压跌落的模拟，三相对称跌落到20%，持续时间为625ms。

图2 小功率双馈发电系统电网故障时的试验数据

根据理论分析和实际小功率双馈风电系统试验数据的结果，设计了适用于1.5MW双馈风电变流器的低电压穿越装置。图3为带有低电压穿越装置的双馈风力发电系统，低电压穿越装置主要包括两部分，直流链chopper和转子侧crowbar装置。

图3 带有低电压穿越装置的双馈风力发电系统

转子侧crowbar装置采用交流开关 （晶闸管反并联二极管）投切crowbar电阻的方式实现，转子电压瞬时值大于1400V时，自动触发晶闸管驱动信号以启动crowbar。转子电压瞬时值小于800V时，自动触发关闭晶闸管驱动信号，晶闸管延时关断。直流侧chopper装置采用IGBT投切chopper电阻的方式实现，直流链电压高于1200V时启动，直流链电压降低至1100V以下时关闭。

3 低电压穿越测试及结果

在1.5MW全功率双馈风力发电试验台上进行了低电压穿越测试，试验台系统单线图见图4。其中电压跌落发生器装置 （voltage sag generator，VSG）[7]采用6.3MW10kV高压变流器实现，原动机为实际风场使用2MW双馈电机，发电机也是实际风场使用1.5MW双馈电机。

图4 具备低电压穿越测试功能的2MW双馈风力发电机试验台系统单线图

为了测试双馈变流器在不同电网电压跌落深度时的处理，我们分别进行了跌落到50%、40%、30%，持续时间1s的三种测试。图5为电网电压三相对称跌落到50%，持续时间1s，电机转速为1700r/min，功率为1MW时的测试数据。从中可以看出，转子侧和网侧变流器在电压跌落时封锁以保护变流器的安全，直流链电压由于电机转子能量的回馈而迅速升高，大约升至1500V左右，此时直流链chopper启动进行放电，大约100ms左右，直流链电压下降至1100V安全区域，网侧变流器重新启动以额定电流运行，采取无功功率控制以支持电网电压的恢复，转子侧变流器在直流电压稳定后重新启动控制电机以无功功率控制方式运行，注入最大的无功电流以支持电网电压的恢复。整个过程中由于转子电压未超过1400V的硬件触发电压，转子侧crowbar装置未启动，但发电机组在电压跌落的全过程中并未脱网，同时向电网提供无功功率以支持电网电压的恢复，成功实现了低电压穿越。

图5 50%电网电压跌落时的测试数据

图6为电网电压三相对称跌落到40%，持续时间1s，电机转速为1700r/min，功率为0.5MW时的测试数据。整个过程与图5测试时基本一致，其中转子电压在电网电压跌落时超过1400V的硬件触发电压，转子侧crowbar装置启动，避免了直流链电压的继续上升，有效地保护了变流器的安全，同时发电机组在电压跌落的全过程中并未脱网，向电网提供最大的无功电流以支持电网电压的恢复，成功实现了低电压穿越。

图6 40%电网电压跌落时的测试数据

图7为电网电压三相对称跌落到30%，持续时间1s，电机转速为1700r/min，功率为0.2MW时的测试数据。整个过程与图5和图6测试时基本一致，其中转子电压在电网电压跌落和恢复时均超过1400V的硬件触发电压，转子侧crowbar装置启动，有效地保护了变流器的安全，同时发电机组在电压跌落的全过程中并未脱网，向电网提供最大的无功电流以支持电网电压的恢复，成功实现了低电压穿越。

图7 30%电网电压跌落时的测试数据

同时通过三次测试数据可以看出，转子电压过电压主要与跌落深度有关，与跌落前电机所带功率关系不大，而且设计的直流链chopper装置和转子侧crowbar装置能够根据实际设定值而正常投切，保护变流器安全的同时，成功实现了低电压穿越。

4 结论

本文根据双馈风电机组故障穿越理论分析和实际小功率双馈风电系统试验数据的结果，设计了适用于1.5MW双馈风电变流器的低电压穿越装置，包括直流链chopper和转子侧crowbar装置，并在全功率双馈风电试验台上进行了测试，能够根据实际设定值而正常投切，有效地保护了变流器的安全，同时发电机组在电压跌落的全过程中并未脱网，向电网提供额定的无功功率以支持电网电压的恢复，成功实现了低电压穿越。

[1]Johan Morren,Sjoerd W.H.de Haan.Ridethrough of Wind Turbines with Doubly-Fed Induction Generator During a Voltage Dip.IEEE Trans.on Energy Conversion.June 2005.20 (1)：435-441

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