双馈异步发电系统低电压穿越特性研究综述

陈 曦，尚亚男

(1.大连供电公司经济技术研究所，辽宁 大连 116024;2.华中科技大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074)

面对煤、石油、天然气等常规化石能源供应日益紧张和用电需求不断增长的双重压力，发展可再生能源已经成为世界的共同选择，其中风能被认为是最有发展潜力的清洁型能源之一，并因此得到广泛的关注与发展。到2030年，欧洲风能协会(EWEA)计划风电发电比重达到23%[11];美国风能协会 (AWEA)给出的同样数字是20%[2];我国对2030年的风能发展规划做出了三种规划方案，其中最高方案计划风电装机比重和发电比重分别达到 17.4%和 9.8%[3]。

但与此同时，风电装机比重和单机容量的急速扩大，使电力部门不得不重新评估它对电网的影响和应该承担的责任。这种变化也表明，风力发电机将不可避免地被要求拥有与传统发电机一样的表现性能和执行标准，在这些标准中最具挑战性的是低压穿越特性 (LVRT)。本文介绍了DFIG风电系统的低压穿越问题和我国对于风机并网的低压穿越要求，以及目前关于低压穿越的主要实现方法。

1 DFIG的低电压穿越问题

1.1 双馈异步发电机

双馈异步发电机 (DFIG)属于变速恒频发电模式，它的定子侧直接与电网相连，转子侧通过一个背靠背的双向电压源变频器与电网相连，给发电机提供励磁频率 (转差频率)。和传统的直接接入式风电系统相比，只有20%～30%的发电功率通过了功率转换器[4]，降低了功率转换器件的损耗和经济成本，同时还具有无功有功可解耦控制、系统发电效率高、功率因数易于调节等优势[5]，因此双馈异步发电系统成为目前主流的风力发电系统。

虽然基于DFIG的风力发电系统在正常运行下具有非常明显的优势，但是它对于电网扰动特别是电压跌落非常敏感。当电网电压瞬间跌落时，发电机定子磁链不能跟随定子端电压突变，而转子继续旋转，会产生较大的滑差，从而引起定转子绕组过电流和转子绕组过电压。这些过电流通常可以达到正常值的3倍，严重损坏定转子绕组和换流器件。在风速较高的情况下，即使故障切除，DFIG的电磁转矩有所增加，也难较快抑制电机转速的上升，从而导致吸收的无功功率进一步增大，使得定子端电压下降，进一步阻碍了电网电压的恢复。当非对称故障发生时，这种情况还要更为严重。

1.2 低电压穿越特性

风力发电机的低压穿越特性 (LVRT)要求电网故障或扰动引起风电场并网点电压跌落时，在一定跌落范围内，风电机组能够不间断并网运行。图1显示的是4个不同风机的低压穿越特性要求[6]，以丹麦国家电网要求为例，阴影部分表示风机可以跳开，其余部分风机必须不间断联网运行。

图1 不同国家的LVRT并网要求

1.3 我国并网准则对LVRT的要求

我国早期风电行业显现出“开发规模大、集中程度高、建设速度快、设备技术标准低”的特点，由于风电机组不具备低电压穿越能力导致的大范围风电切机情况在东北吉林电网及西北电网的甘肃玉门风电场、甘肃安西中广核大梁子风电场、宁夏贺兰山风电场都发生过。我国早期的《GB/Z19963—2005风电场接入电力系统技术规定》并没有对风机的电压穿越特性做出要求，此后经过大规模风电并网技术研究，结合国家大规模风电接入电网的实际情况和产生的问题，在2009年全国电力监管标准化技术委员会印发的《GB/T—200X风电场接入电力系统技术规定 (征求意见稿)》和国家电网公司印发的《Q/GW392—2009风电场接入电网技术规定》才对风机的电压穿越能力做出首次规定，规定指出:对于风电装机容量占其他电源总容量比例大于5%的省 (区域)级电网，该电网区域内运行的风电场应具有低电压穿越能力，如图1所示。

a. 风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625 ms的能力。

b. 风电场并网点电压在发生跌落后2 s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。

2 DFIG低电压穿越技术

2.1 基于Crowbar电路的LVRT技术

文献 [7－8]详细分析了Crowbar保护策略，这是目前风机系统最为常见的保护方式，如图2所示。该方法在电压跌落期间，通过电阻将转子侧短路，为暂态电流提供一个旁路。此时合理的选择旁路电阻显得非常重要，一方面必须足够小用以限制转子侧换流器的末端电压，同时又需要增大阻值来限制过流[7]，不同阻值的仿真结果在文献 [8]中有详细介绍。

图2 DFIG风机系统的Crowbar配置图

当转子侧电流或直流母线侧电压超过设定阈值时，Crowbar电路激活，反之退出运行。基于Crowbar电路的LVRT技术具有拓扑结构简单、控制相对容易、成本较为低廉的特点，所以工程中普遍采用。

2.2 基于励磁控制的LVRT技术

针对DFIG机端电压小值跌落的情况，文献[9－10]提出了不附加外在电路，仅仅依靠改变控制方式的LVRT技术。文献 [9]分析指出电网故障时在定子磁链中引起的暂态直流分量和正、负序分量是造成转子过电流的重要原因。因此提出了利用发电机定子电阻实现定子磁链直流分量的自由衰减，同时建立dq同步旋转坐标系下的正负序转子励磁电压控制器来限制转子电流，如图3所示。

文献 [10]指出，无论是定子磁链定向(SFO)还是定子电压定向 (SVO)的矢量控制都是假定电网电压理想，这与故障过程中的电压实际情况不符。因此该文章建立了考虑DFIG定子励磁电流动态过程的精确数学模型，提出了计及定子励磁电流变化补偿量的改进转子侧控制器，在SFO和SVO两种方式下对解耦电路进行了必要的修正，如图4所示。

图4 计及定子励磁电流变化补偿量的转子侧控制器

2.3 基于附加设备的LVRT技术

许多学者研究指出，Crowbar电路的投入和退出对DFIG的暂态电磁冲击较大且无助电网电压的稳定与恢复。由于电压和无功的强相关性，在电网故障期间，DFIG应能提供有效的无功支撑维持电压稳定，此时GSC的控制目标不再是无功交换量为0，转而进入电压控制模式[11]。但是由于GSC的容量限制，在较为严重的电压跌落时并无法提供足够的无功功率，因此需要借助附加设备实现风电场的低压穿越。

2.3.1 基于并联补偿设备的LVRT技术

文献[12]提出采用基于电流注入法的并联补偿设备，例如静止同步补偿器STATCOM或者静止无功补偿器SVC来维持电压恒定。SVC和STATCOM均采用电力电子开关器件，能够快速调节注入系统的无功电流。SVC是目前应用较普遍的无功补偿装置，技术比较成熟，通过控制晶闸管的开通来改变阻抗特性，从而提供大小不等的无功功率。而STATCOM是最近发展的新型无功补偿装置，通过控制可关断器件的通断来向系统提供无功。采用SVC和STATCOM的风电场配置图如图5所示，其典型控制方式如图6[13]和图7所示[14]。

2.3.2 基于动态电压恢复器的LVRT技术

文献[15]指出采用基于电流注入法的并联补偿设备来维持电压恒定难以实现，因为电源等效阻抗一般很小，需要非常大的注入电流才能补偿跌落电压。动态电压恢复器DVR被认为是目前解决电压跌落问题的最有效装置，其典型应用如图8所示。采用DVR的控制单元在并网点电压跌落时快速检测并产生SVPWM波形驱动逆变器开关产生补偿电压。通过叠加DVR补偿电压，DFIG定子侧电压恢复正常，确保风机安全渡过电网故障时期。

DVR控制环节的主要目的是产生补偿电压。文献 [16－18]分别提出了不含负序分量的旋转dq坐标系下的双闭环控制;包括内环的PID电流控制器和外环的比例谐振电压控制器的多闭环控制方案;基于比例谐振和H∞的电压控制器。但文献[9]指出对于DFIG系统，具有电流控制环的DVR控制策略并不合适，因为该控制目标会和DFIG控制策略发生冲突。因此该文献提出了舍弃电流环的PI前馈控制方式，如图9所示。

图8 含DVR的DFIG风机系统配置图

图9 DVR电压控制器框图

3 LVRT技术总结

不同的LVRT实现技术各有不足，Crowbar电路对DFIG的暂态电磁冲击较大且不利于电压稳定。基于励磁控制的实现方法只能用于电网小值电压跌落的情形;基于电流注入法的LVRT技术本意并不是对转子侧过电流进行保护，而是在Crowbar电路激活，RSC功能被冻结，DFIG以异步感应电动机运行期间提供足够的无功需求，因此这两种方案都必须配合Crowbar电路一起使用。基于DVR的LVRT技术意在实现DFIG定子侧的无故障过渡，其难点之一在于故障期间DVR需要有足够的容量吸收DFIG产生的有功功率，这必然会影响到该方案的经济性。此外基于附加设备的LVRT技术都需要风机桨距角调节单元协调控制，在故障期间适时降低风机的有功输出，以达到更好的控制目标。工程实践中应根据具体情况采用不同LVRT技术配合使用。

4 结束语

DFIG风机系统在电网对称/不对称、零电压/低电压故障下呈现“暂态弱生存性”，加剧了我国大规模风机并入弱电网的安全形势。风机的低电压穿越能力仍然是制约我国风机并网的主要问题之一，本文在分析介绍了双馈异步风电系统的低电压穿越问题和我国对于LVRT的要求同时，对不同的LVRT技术进行了总结分析和评价。

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