风电系统电压跌落故障的解决方案研究

王致杰，周 园，刘三明

(1.上海电机学院，上海 201100;2.华东理工大学，上海 200030)

随着风电场容量在整个电网中所占比例的不断增长，风电场故障后对整个电网的影响也不断增强。2011年甘肃省某风力发电公司第一风电场开关间隔电缆头绝缘击穿，造成三相短路，造成包括第一风电场在内10座风电场中的274台风电机组全部脱网。由于风电场无功补偿装置电容器组不具备自动投切功能，大量风电机组脱网后，系统无功补偿失衡，电压迅速升高，进一步导致多个风电场中几百台风电机组因保护动作脱网。本次风机脱网事故共损失风电800多MW，占事故前酒泉地区风电出力的一半［1］。

造成类似事件的原因主要包括［2－3］:①系统无功不平衡，造成的电压无法恢复;②转子电流过大造成的风机保护动作，风机被迫脱网。针对问题①文献［5－7］提出使用改进型控制策略改善风机的无功输出。文献 ［8］通过使用储能元件来提高风电暂态稳定性。文献 ［9］通过励磁控制策略实现无功补偿，但此方法在crowbar开启后，风机仍无法输出无功。如果遇到长时间电压跌落，无功补偿仍无法满足。文献 ［10］提出STATCOM主电路的正序基波动态和稳态的数学模型。针对问题②，文献 ［11－12］提出使用crowbar来消除转子侧的过电流，但是文中并未分析crowbar对转子电流的影响，也未说明crowbar的选取以及控制要求。

本文针对DFIG开启crowbar后无法进行无功补偿的缺点提出使用STATCOM及其相应的控制策略来维持电网无功平衡。针对转子侧电流与转子侧电阻的关系进行了深入的数学分析，分析中用简单表达式代替与转子侧电阻无关的复杂表达式，从而直观反映出crowbar对转子电流的影响，并对crowbar的控制要求进行深入探讨。

1 STATCOM模型及控制策略

STATCOM的工作原理是将自换相桥式电路直接并联在电网上或通过电阻、电抗器与电网相连，再通过调节交流侧电流大小和相位使STATCOM吸收或发出满足系统要求的无功。亦可通过调节STATCOM交流侧输出电压的幅值及相位来改变无功输出。

利用d－q变换可得STATCOM输入输出的数学模型:

式中:ω为电网角频率;m为逆变器调制比;R、L分别代表STATCOM的阻值及电感;C为STATCOM直流侧电容;δ为电网电压与STATCOM输出电压的相角差;U为电网电压有效值;udc为直流电容两端电压。

STATCOM的控制方法主要分为直接电流控制和间接电流控制。本文采用间接电流控制，通过控制STATCOM交流侧输出电压相位α，从而改变STATCOM交流侧输出电压相位与系统电压的相位差δ来控制STATCOM的无功补偿容量。控制器结构图如图1所示。图中Uref是母线节点电压的期望值，Ut是系统电压的反馈值，两者之差经调节后得到电流调节信号Iref。再与STATCOM的输出电流反馈值进行比较，比较后经过PI调节得出交流侧输出电压与所接入系统电压的相位差 δ。再由PWM变频器得出STATCOM主电路中各开关器件的导通信号。

图1 STATCOM控制框图

2 Crowbar低压穿越

crowbar的主要作用是用来消除转子上的过电流，保护转子电子元件。当电网发生对称故障时，双馈发电机定子端电压突然跌落，crowbar电路启动后，电路中的电流一部分是由磁链所引起的，一部分则是由定子电压所引起。

图2 crowbar保护电路图

首先对由磁链引起的转子电流进行分析。在任意旋转坐标系下，DFIG的电压方程与磁链方程为

将式 (4)反解可得转子电流与磁链的关系:

由于定子与转子电感电阻的存在，定转子磁链将会衰减。其衰减时间可以认为基本由定转子电阻及短路时的定转子等效电抗决定，即:

所以磁链可以用下式表示:

Ψ0代表电压跌落瞬间的磁链大小，由于磁链大小不可突变，所以磁链可用稳态时的值。即可视为与crowbar无关。在此用表达式C1、C2代表。

其中:

接入crowbar后可增大转子侧电阻，Rr将变大。从式 (6)可以看出转子侧电阻的增大可导致转子暂态电流的衰减速度，有利于双馈电机迅速恢复到可控运行状态。

在接通crowbar电路后，双馈电机可等效为异步电机。则带有crowbar电路的DFIG在稳态运行状态下定子电流可表示为

式中:Zs为从定子侧看的等效电阻。

转子电流为

从式 (9)可以看出稳态电流主要受Us的影响，即受电压跌落情况的影响。电路接入crowbar后可以增大Zs与Rr，从而可以增大Ir的分母，限制稳态电流的大小。

最终转子电流由暂态电流与稳态电流叠加而成，即ir+Ir。通过数学模型的推导结果可以看出，定子故障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。从而得出在电网电压故障情况下接入crowbar电路有助于限制转子电流，进而达到保护转子电力电子器件的作用。

以上分析主要针对转子电流对crowbar阻值的要求，但是在转子侧电压对crowbar也有要求。如果crowbar电阻过大会导致电阻上的电压高于直流母线电压，这样会损坏转子侧的变换器和母线电容。已有文献对上述情况进行探讨，本文不做详解。另外crowbar电路的切入与切除时机对电网也有影响。电路切入太晚容易使电力电子器件面临过流的危险，切入太早容易使风电机组产生不必要的功率流失。本文以1.5倍额定电流为限，当转子电流大于限额时开启crowbar电路。crowbar电路的切除不可以简单的以1.5倍电流为限，因为crowbar一旦切除，消耗在crowbar上的功率会立即加载到转子侧电路，使得转子电流瞬间变大。这样会导致crowbar频繁切换，阻碍电流的稳定。本文会在转子电流降到额定值后等待一定的延时，再切除crowbar电路。

3 仿真结果及分析

为验证前面理论分析的结果，用暂态仿真软件PSCAD对双馈风力发电机单元无穷大系统进行仿真研究，仿真电路图如图3所示。仿真参数:电机额定功率:P=0.9 MW，额定电压V=0.69 kV，定子电阻R=0.005 4 pu，定子漏感为0.10 pu，转子电阻R=0.006 1 pu，转子漏感为0.11 pu，激磁电感为4.5 pu。在仿真进行到1.0 s时变压器右端发生三相短路，故障持续0.2 s，1.2 s时故障清除。整个过程保持风速不变。

图3 单元无穷大仿真模型

图4为电网三相电压，在1.0 s时图3中的部分用户发生三相短路，造成80%的电压跌落，跌落过程持续0.2 s。

图4 电网电压

图5反映了双馈电机对电网的无功输出，从中可看出双馈电机在低压穿越的时候无法向电网进行无功输出，反而从电网吸收无功。图6表示将STATCOM接入双馈电机后风机的无功输出，从中可看出，故障发生前风电机组可发出无功供应图3中的感性用户。在电压跌落时风电机组仍持续向电网输送无功。在故障消除后，风电机组输出大量无功以保证电网电压的稳定。

图7反映了接入crowbar后转子电流的变化过程。1 s时用户发生短路造成电压跌落，同时转子电流急速上升。当转子电流大于额定值的1.5倍时接入crowbar电路，电流开始衰减。衰减过程和式(6)的推导结果近似。衰减的同时电机从STATCOM中吸收无功功率。当电流衰减到额定值后等待延时20 ms。延时过后切除crowbar电路，转子电流恢复稳定。整个过程电机始终与电网相连，实现了低压穿越。

图7 转子电流

4 结论

a． 首先指出电路三相对称短路时存在两个主要问题。一是由无功补偿造成的电压稳定问题，二是由转子过流造成的风电机组脱网问题。针对无功补偿问题，通过分析STATCOM的无功补偿原理，提出相应的控制策略，进而解决了电压穿越时风电机组从电网吸收无功的问题。与此同时，由于crowbar从电路中可能切除过晚而造成的风电机组大量消耗无功问题也得以解决。

b． 具体分析了电压穿越时影响转子电流的主要因素，得出了转子电流的数学表达式。在数学分析时用简单表达式代替与转子阻值无关的复杂表达式，简化推导过程，使推导过程简单易懂。最后得出转子电流与转子电阻的数学关系式。这对低压穿越时crowbar阻值的选取建立了一定的理论依据。

c． 通过电磁暂态仿真软件PSCAD对理论分析结果进行验证，从仿真结果可以看出，运用STATCOM及本文中的控制策略可以很好地平衡低压穿越时的无功功率，crowbar电路合理的投入与切除也有效地抑制了转子电流。

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