电压两次跌落对双馈型风电机组的影响分析

孙勇，陈晨，王瑞明，李少林，张金平，杜慧成

（中国电力科学研究院，北京 100192）

随着风电在电网中所占比例越来越高，对风电机组的要求也越来越高。目前，人们关注较多的是风电机组的低电压穿越性能，随着技术的不断发展，大部分风电机组已具备低电压穿越性能。

低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）即风电机组在电网电压跌落时能够保持不脱网运行。针对DFIG风电机组低电压穿越问题，目前已有大量文献对低电压穿越进行了研究，并相继提出了风电机组低电压穿越保护策略[1-5]。但是目前研究的主要是电压一次跌落的现象，对于电压二次跌落的研究较少。国际上已有标准要求风电机组在电压两次跌落情况下，不能脱网[6]。

本文简要叙述了电压会发生两次跌落的现象，并分析了电压跌落过程中定子磁链衰减变化现象，指出了在电压发生第二次跌落时，应考虑定子磁链初始值的问题。根据现场试验对比，两次电压跌落的间隔时间不同，DFIG风电机组即使具备低电压穿越功能，也无法通过第二次电压跌落。

1 电压两次跌落

电压跌落是指电网电压均方根值在短时间突然下降的事件[7]，电压跌落往往还会伴随有电压相位的改变。天气条件是引起电压跌落的主要原因，如雷击，暴风雨等。另外，大电机的起动，电机的再加速等现象出现时伴随的电流严重畸变也会引起所在线路的电压发生跌落。

由于电网故障引起的线路自动重合闸失败，是典型的产生电压两次跌落的原因，如图1所示。一般情况下，线路故障的自动重合闸越快，效果越好。我国自动重合闸的最小时间为0.3～0.4 s[8]。在电压等级较高的线路上，大多采用单相自动重合闸，此时自动重合闸失败，会引起其邻近线路发生不对称电压两次跌落。

图1 电压两次跌落示意图Fig.1 The diagram of voltage double-dip

2 双馈型风电机组实现低电压穿越的方法

目前，风电机组对于实现低电压穿越，做了很多工作。但当电网跌落幅度很大时，简单靠控制策略的改进，很难实现低电压穿越这样就必须增加硬件电路。在转子侧增加crowbar硬件电路，是目前双馈变流器实现低电压穿越所采用的主要方法，人们对crowbar电路的控制也做了许多深入的研究。

目前采用较多的crowbar控制电路，如图2所示。图2（a）为在二极管整流桥后采用IGBT和电阻构成的保护电路；图2（b）为采用晶闸管和电阻构成的保护电路。这2种电路结构都为故障期间转子侧出现的大电流提供通路，当电网电压跌落过程中，转子侧变流器可以与转子保持连接，当故障消除后，切除旁路电阻使系统快速恢复正常运行。

图2 Crowbar电路Fig.2 Crowbar control circuit

3 电压两次跌落下双馈型风电机组的响应

DFIG是定子侧直接连接至电网，机侧变流器与转子相连，网侧变流器直接与电网相连。图3为双馈型风电机组示意图。

图3 双馈型风电机组示意图Fig.3 The block diagram of DFIG wind turbine

DFIG在定子参考坐标系下相应的数学模型如下[10-11]：

式中，Us、Ur分别表示发电机定、转子电压矢量；Is、Ir分别表示发电机定、转子电流矢量；ψs、ψr分别表示发电机定、转子磁链矢量；ω为转子角速度；ωn为同步角速度；Ls、Lr分别表示发电机定、转子绕组自感；Lm表示发电机定、转子绕组间的互感。

根据式（1）~（4），推导出转子电压为：

由于转子电阻Rr及σLr相对较小，因此分析时仅考虑与定子磁链有关的第一项。这样，转子电压的幅值可以写成定子电压的幅值函数：

式中，s为转差率。

当电网发生对称故障时，电压没有负序分量，当电网发生不对称故障时，可以将电压分解为正序电压、负序电压及零序电压，如式（7），其中Usp、Usn、Us0分别表示定子电压的正序分量、负序分量及零序分量。由于零序电压不会产生磁链，所以将不考虑零序电压分量。

式中：

当不考虑转子电流的影响时，转子电压由三部分组成

式中，Urp、Urn、UrDC分别表示定子磁链感应出的转子电压的正序分量、负序分量及直流分量。

根据公式（5）、（8）、（9）可以求得：

从上述公式可以看出，由正序分量引起的转子正序电压正比于转差率s；由负序分量引起的转子负序电压正比于（2-s），接近2；因而如果电网电压跌落幅度很大，加上直流分量及转子电流的影响，会导致转子过电压。

通过转子侧增加crowbar电路，当转子侧发生过流或过压时，通过触发晶闸管或整流电路使其导通，使双馈电机转子构成封闭的回路，此时转子侧变流器停止工作，起到保护变流器的作用。

当电压发生第二次跌落时，且与第一次电压跌落间隔时间较短，应考虑由于电压跌落，定子磁链产生暂态分量的因素。

根据公式（1）~（4）：

假设电压在t=0时刻发生跌落，忽略定子电阻的影响，近似认为，其中ψs0为电压跌落时定子磁链的初始值；Us0为电压跌落时定子电压的初始值。得：

当电压发生不对称跌路时，定子电压会产生正序和负序分量，同样的，定子磁链也会产生正序和负序分量。

根据公式（14）可以看出，在电压发生跌落时，定子磁链由两部分组成，第一部分是电压跌落后形成的稳态定子磁链，另一部分是电压跌落后所形成的暂态分量，且呈衰减震荡趋势。由于磁链不能突变，若此时电压发生第二次跌落，则定子磁链的初始值会变大，尤其是不对称跌落，定子磁链的负序分量不为0，相应的定子磁链再次发生突变，且较第一次电压跌落时更为严重，由此带来的过电压也会变大，若依旧采用第一次电压跌落时的低电压穿越控制策略，加上crowbar电阻的容量有限，则很难通过电压的二次跌落。

4 现场试验对比

下面通过现场试验结果，来说明电压两次跌落对风电机组的影响。试验风电机组为相同配置的1.5 MW双馈型风电机组。

图4、图5给出了电压跌落期间的三相电压及风电机组有功功率的波形图，两次电压跌落深度约为25%Un，图4所示两次电压跌落时间间隔约为400 ms，图5所示两次电压跌落时间间隔约为750 ms。

图4 电压两次跌落，间隔时间400 ms，风电机组三相电压与有功功率波形图Fig.4 Voltage double-dip of an interval of 400 ms，the waveform of the three-phase voltage and active power of the wind turbine

由试验结果可见，当两次电压跌落间隔变短时，风机未能通过第二次电压跌落。由于风电机组已通过第一次电压跌落，说明其已具备低电压穿越功能。但由于未考虑第二次电压跌落与第一次结束后的定子磁链初始状态有关，若两次电压跌落间隔时间较短，则无法通过第二次电压跌落。

图5 电压两次跌落，间隔时间750 ms，风电机组三相电压与有功功率波形图Fig.5 Voltage double-dip of an interval of 750 ms，the waveform of the three-phase voltage and active power of the wind turbine

5 总结

1）本文首先简述了电网发生两次电压跌落的现象，同时介绍了当前变流器增加crowbar电路解决低电压穿越的方法。

2）分析了双馈电机定子磁链的变化进行了分析，若两次电压发生间隔时间较短，则应考虑定子磁链的初始值。通过现场试验结果说明并验证了该问题。

3）目前大多数风电机组已具备低电压穿越能力，但电网发生二次跌落的现象也会时有发生。若两次电压跌落的间隔时间较长，只要风电机组硬件条件满足，则相当于两次独立的低电压穿越；若两次电压跌落的间隔时间较短，则会由于定子磁链衰减，导致定子磁链初始值变大，无法通过第二次电压跌落。风电机组可以通过变流器，主控系统及保护电路的控制做出相应的改进，以通过两次电压跌落。

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