具有低电压穿越功能的双馈风力发电模拟平台的设计

宋修璞，葛宝明，毕大强，王鑫

（1.北京交通大学电气工程学院，北京100044；

2.电力系统国家重点实验室清华大学电机系，北京100084）

具有低电压穿越功能的双馈风力发电模拟平台的设计

宋修璞1，葛宝明1，毕大强2，王鑫1

（1.北京交通大学电气工程学院，北京100044；

2.电力系统国家重点实验室清华大学电机系，北京100084）

详细阐述了双馈风力发电变流器的一种主流的控制算法，基于此算法设计了一种功能完整、上位机友好的7.5 kW变速恒频风力发电模拟系统平台。为了达到新的电网导则对风电机组低电压穿越能力的要求，提出并设计了一套完整的双馈风力发电的低电压穿越策略Crowbar控制逻辑。实验结果表明本平台变流器算法控制精确，达到了控制目标；提出的Crowbar控制逻辑使平台顺利实现低电压穿越。设计了基于LabView的上位机监控系统，易于模拟系统各部分的操作控制与运行结果展示，可方便用于实验室条件下风力发电技术的研究。

双馈风力发电；双PWM变流器；Crowbar电路；低电压穿越；LabView

1 引言

由于风能的爆发性和随机性以及现场条件的限制，使得风电技术的研究不便在风电场进行。为了加快风电并网遇到的诸多瓶颈问题的解决，不仅有必要在实验室模拟风力机的特性，更重要的是必须建立能验证变流器控制算法的平台。

另一方面，在实际的电网中，会因大功率电机启动、电网短路故障等产生较大的电压跌落。电网电压跌落会产生一系列的电磁暂态响应，容易造成变流器和机组的损坏。要想大规模的风电接入电网运行，风电机组必须具有低电压穿越能力，相比永磁直驱风电发电机组，双馈风力发电机组的低电压穿越更具挑战性［1］。目前的研究提出的主要方法是采用转子回路外接Crowbar电路，使得DFIG在一定的电压跌落时间内不脱网。但是在Crowbar及低电压穿越技术中，关于优化其电路拓扑结构，确定Crowbar的动作电压、动作电流，特别是怎样选择Crowbar的投入和切除时刻以保证风电机组安全实现低电压穿越，国内外鲜有详细研究报道［2］。这就为实验室进一步设计带有低电压穿越功能的风力发电模拟平台提供了必要性。文献［3］概述了Crowbar控制方法，但具体的控制方式没有给出也没有验证效果。文献［2］给出了穿越短时间电压跌落的方法，但没有总结出完整的Crowbar控制策略流程。

针对目前风力发电模拟平台存在问题，本文设计了一种功能完整、接口开放、上位机友好的双馈风电模拟平台。该平台可方便地通过计算机控制变频器，实现三相异步电机的转速调节模拟风机出力；在此基础上，设计了软硬件结构，验证了转子侧按定子电压定向的矢量控制策略和网侧PQ解耦控制策略。基于此平台，应对电压骤降故障，提出并设计了一套采用主动Crowbar保护电路实现双馈电机低电压穿越的方案流程。

该方案通过Crowbar保护电路切入和切出时刻的把握，有效防止了转子过电流和直流过电压对变频器器件的损坏，并在故障期间可向电网注入一定的无功功率帮助电网电压的恢复。实验结果表明，该平台较理想地完成了设定的控制目标，证明了该平台的有效性、实用性。通过此平台验证了提出的Crowbar控制逻辑能够实现双馈风电机组与电网之间的协调控制和双馈电机在不同状态间切换时的平稳过渡。

2 变流器的数学模型

2.1 DFIG转子侧数学模型

在定子磁链定向控制中要对定子磁链进行观测，在一定程度上增加了控制的复杂度。由于DFIG定子与电网直接相连，电压恒定且易检测，按定子电压定向矢量控制策略［4］降低了控制复杂难度，同样可以达到较好的控制效果。

在忽略定子电阻Rs的情况下，当同步速ω旋转坐标系的d轴定向于定子电压矢量Us上时，有电压方程和磁链方程如下［4］：

式中：Us为定子电压矢量的幅值；σ为发电机的漏磁系数；Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq分别为定、转子磁链的d，q轴分量；isd，isq，ird，irq分别为定、转子电流的d，q轴分量；Lm，Lr分别为dq坐标系定转子同轴等效绕组间互感和转子等效两相绕组自感；usd，usq，urd，urq分别为定、转子电压的d，q轴分量。Rs，Rr分别为定子电阻、转子电阻；ωs为转差角速度。

根据式（2）可绘制出基于定子电压定向矢量控制的转子电流闭环控制框图，如图1所示。

图1 DFIG按定子电压定向矢量控制策略Fig.1 Vector control strategy of DFIG based on stator voltage orientation

2.2 网侧变流器的控制方法

网侧变流器主要有两方面功能：一是维持直流母线电压恒定；二是调节输入功率因数。在电网电压恒定的情况下，对输入电流有功分量的控制，其实质是对交流侧有功功率的控制；对输入电流无功分量的控制，其实质是对输入功率因数的控制［5］。

整个网侧变流器的控制系统分为两环控制，电压外环控制和电流内环控制，具体如图2所示。直流母线电压环和d轴电流环负责将风力机捕获的有功功率传递到电网，q轴电流环根据电网的需求产生所需的无功功率。如果系统要求变流器运行在单位功率因数状态，此时q轴电流应为0。

图2 网侧变流器控制原理框图Fig.2 Control diagram of grid-side converters

3 基于主动Crowbar电路的低电压穿越控制策略

对于DFIG而言，由于双馈电机定子与电网直接相连接，因而变流器仅能对发电机实施部分的控制，并且双馈电机定子电压方程又具有欠阻尼特性，这样在电网电压发生跌落时，双馈电机会产生较大的电磁暂态过渡过程，表现为电机转子回路的过流或者过压。

从能量守恒的角度考虑，电网电压骤降会使DFIG产生的电能不能全部送出，因此这部分未能输出的能量将消耗在机组内部。首先，定子电压骤降会引起定子电流增大，由于定、转子之间的强耦合，使得转子侧也感应出过流和过压。再考虑到大电流会导致电机铁心饱和、电抗减小，使定、转子电流进一步增大。转子能量一部分被网侧变流器传递到电网，剩下的给直流电容充电，导致直流母线电压的快速升高。如果不及时采取保护措施，仅靠定、转子绕组自身漏阻抗不足以抑制浪涌电流，过大的电流和电压将导致励磁变频器、定转子绕组绝缘以及直流母线电容的损坏［7］。本文研究的是最典型的电网电压三相对称骤降故障。

当电网电压骤降时，为了保护励磁变频器，一种常用的方法是通过电阻短接转子绕组以旁路转子侧变换器（RSC），为转子侧的浪涌电流提供一条通路，即Crowbar电路。当切入转子Crowbar电路时，转子侧被旁路而得到保护，网侧变流器仍保持与电网连接。等转子过电流消失并保持稳定一段时间以后，切除转子Crowbar保护，转子侧变流器恢复工作，从而实现DFIG在电压跌落时不脱离电网，而变流器也免受过流损坏。适合于DFIG的Crowbar有多种拓扑结构，本平台采用的主动式Crowbar电路如图3所示，转子侧Crowbar电路由二极管整流桥后采用IGBT和电阻构成。

图3 DFIG的Crowbar示意图Fig.3 Sketch map of the Crowbar for DFIG

转子Crowbar电路触发时，转子电压和电流会瞬态跳变，然后通过转子Crowbar旁路后在Rcrow的作用下快速衰减。一定范围内Rcrow越大，转子电流衰减越快，但Rcrow过大会导致转子变频器中的功率开关上产生过电压，所以其大小受到功率开关耐压的限制。当Rcrow上的电压高于直流母线电压时，转子变频器中的反并联二极管导通，转子侧能量流入母线电容，反而导致直流母线电压增大［7］。又需要顾及Rcrow电阻在故障期间的发热问题，本平台选取Rcrow=10 Ω，功率为1 kW。

考虑到以上因素，本文提出并设计了一套完整的DFIG的低电压穿越策略Crowbar控制逻辑，撬棒保护电路被触发和被禁止的逻辑关系可描述如下。

1）首先通过对网侧电压和双馈电机转子电流的监视，一旦发现网侧电压大幅度骤降或转子电流超过1.5倍的额定值，即刻触发转子Crowbar电路动作，短路双馈电机的转子电路。

2）在Crowbar保护电路被触发动作后，继续监视电机转子电流，当转子电流低于设定值，并且衰减一段时间如40 ms，则进入切除Crowbar电路动作。在切除Crowbar电路且转子变流器重新恢复工作时，为避免转子变流器PI控制器引起的电流跳变再次触发Crowbar电路，需要将电流调节器的积分项复位，将转子电流控制指令设定为实时的转子电流的实际值。

3）在Crowbar被禁止后，此时如果依然处于电网电压骤降期间，双馈电机需迅速增加对无功功率的控制，以对电网电压进行最大限度的补偿。如果Crowbar保护电路被禁止时，电网电压已经恢复，则双馈电机和网侧变流器恢复正常无功功率控制。

4）电压恢复时刻和电压跌落时刻的系统暂态变化类似，暂态磁链矢量同样会造成定、转子绕组过电流。此时也要监测转子电流的变化，一旦发现转子电流到达额定电流的1.5倍，则进入撬棒电路动作。待转子电流低于设定值，切除撬棒电路动作，转子变频器按有功功率优先的原则，恢复有功功率到电压跌落之前的水平。

4 模拟平台的设计与研究

4.1 模拟平台结构和功能设计

根据上述原理，搭建了一台以TMS320F2812为控制核心，功率为7.5 kW的变速恒频双馈风力发电模拟平台，电气连接图如图4所示。

图4 双馈风力发电模拟平台电气连接图Fig.4 The electric schematic of the simulation platform for double fed wind power generation system

拖动电机为异步电机，额定功率为9 kW，额定电压为380 V，额定转速为1 200 r/min；双馈发电机额定功率为7.5 kW，额定电压为380 V，额定转速为1 200 r/min。

变流器采用TMS320F2812作为主控芯片，双PWM开关频率为10 kHz；网侧进线电感为3 mH；通过控制双PWM变流器，验证了变流器算法，实现最大功率跟踪，稳定直流母线电压，并控制流向电网的有功和无功功率。定子并网电压为380 V。转子通过双PWM变流器并网电压为220 V。当网侧电压跌落时，通过转子侧外加Crowbar电路，实现系统的低电压穿越功能。

4.2 模拟平台实验监控

基于美国NI公司的LabView软件设计研发了试验平台的上位机监控系统。监控界面分为4个部分：主界面、风力机模拟界面、曲线观测界面和低电压实验界面。上位机监控系统通过RS485通讯与变频器、电压跌落控制器、机侧变流器和网侧变流器相联，如图5所示为双馈风力发电模拟平台的上位机主界面。该主界面包括：状态变量观测区域、网侧通讯区域、变频器通讯区域、机侧通讯区域、低电压通讯区域和数据保存区域。

图5 双馈风力发电机试验台上位机主界面Fig.5 The main customer interface of the platform for double fed wind power generation system

主界面包括主电路合闸、主电路断开、启动网侧、启动原动机、励磁、并网、脱网等按钮，通过上位机的操作控制整个系统的正常运行和故障穿越，一些故障信号的复位也可以通过主界面清除。

如图6为模拟平台并网功率7.0 kW，原动机转速1 100 r/min时的上位机曲线观测界面。如图6所示，直流母线电压稳定在400 V左右，显示机侧发出有功功率7.0 kW左右。

图6 原动机额定转速下，并网功率为7.0 kW时的曲线观测界面Fig.6 The interface of the curve observation for drive motor in rated speed and power

4.3 实验结果与波形深入分析

以下是针对平台的实验结果和波形分析。如图7所示为额定功率时定子电流波形，从图7中可以看出定子并网波形良好。如图8所示为电机运行状态从次同步到同步到超同步状态时的转子电流波形，图8中稀疏部分为电机同步运行状态，频率为0.6 Hz，从图8中可以看出转子电流波形良好，电机从次同步到同步再到超同步状态过渡平稳。从图7和图8可以看出平台可以实现转子侧变流器的控制目标。

图7 额定功率时定子并网电流波形Fig.8 The current waveform of the stator at power rating

图8 发电机3种状态切换时的转子电流波形Fig.8 The rotor current waveform when the the 3 status switching of the DFIG

如图9所示分别为电压跌落60%，持续时间为1 409 ms时的电网电压（CH7）、转子三相电流（CH2，CH3，CH4）、定子单相电流（CH9）和Crowbar电阻电流（CH10）波形图。

图9反应了Crowbar保护电路被触发和被禁止的逻辑关系，显示了机组顺利实现了低电压穿越目标。在电压跌落瞬间定子、转子过流（从幅值12 A突变到25 A），Crowbar切入，此时转子电流被旁路，持续40 ms后Crowbar电路切出，定子电流呈斜坡下降。电压跌落期间提供了一定的无功功率，电网恢复时刻定子、转子过流，Crowbar再次切入并持续40 ms，然后以有功功率优先的原则有功功率恢复到电压跌落前的水平。从图9中Crowbar电阻电流波形可以看出Crowbar电路的动作。机组顺利实现低电压穿越。

图9 电压跌落时各状态变量的波形图Fig.9 The waveform of the various variable when grid voltage dip happens

5 结论

为解决实验室验证风力发电变流器算法，建立了开放性的双馈风力发电实验平台，平台较理想地完成了设定的控制目标。为了达到实现平台的低电压穿越功能，进一步基于此平台，验证了提出的完整的Crowbar保护电路动作逻辑，实现了故障期间风力发电机与电网之间的协调控制和双馈电机在不同运行状态间切换时的平稳过渡。此平台可方便用于实验室条件下风力发电技术的研究。

［1］ Lopez J，Sanchis P，Roboam X.Dynamic Behavior of the Doubly Fed Induction Generator During Three-phase Voltage Dips［J］.IEEE Transactions Energy Convers.2007，22（3）：709-717.

［2］ 胡家兵，孙丹，贺益康，等.双馈风力发电系统的低电压穿越运行与控制［J］.电力系统自动化，2008，32（2）：49-52.

［3］ 李建林，许鸿雁，梁亮，等.VSCF-DFIG在电压瞬间跌落情况下的应对策略［J］.电力系统自动化，2006，30（19）：65-68.

［4］ 贺益康，胡家兵，徐烈，等.并网双馈异步风力发电机运行控制［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［5］ 姚兴佳，董鹤楠，刘颖明，等.基于撬棒保护的双馈风力发电机组低电压穿越控制策略研究［J］.可再生能源，2013，31（2）：52-57.

［6］ 贺益康，周鹏.变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述［J］.电工技术学报，2009，24（9）：140-146.

［7］ 李建林，赵栋利，李亚西，等.适合于变速恒频双馈感应发电机的Crowbar对比分析［J］.可再生能源，2006（5）：57-60.

Design of the Simulation Platform for Double Fed Wind Power Generation System Having Low Voltage Ride Through Function

SONG Xiu-pu1，GE Bao-ming1，BI Da-qiang2，WANG-xin1
（1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.State Key Lab of Power Systems，Dept.of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The mainstream control strategy of double fed wind power generation system was elaborated.Based this strategy，a simulation platform for DFIG was designed，which has complete function and friendly customer interface.In order to meet the new grid guideline that the turbine was allowed to disconnect during voltage dips have been set，a protection strategy based crowbar circuit was put forward and designed.The test results show that the platform can realize the control functions and check the suggested protection strategy.A LabView based computer monitor system has been designed，which has friendly interface and easy to operate the simulation platform.In a word the platform can be easily used to study the technology of wind power in the laboratory condition.

double fed induction generator；double PWM converter；Crowbar circuit；low voltage ride through（LVRT）；LabView

TM614；TM464

A

2013-08-27

修改稿日期：2014-05-08

国家高技术发展研究计划（863计划）项目（2012AA051201）

宋修璞（1987-），男，硕士研究生，Email：songxiupu@126.com