双馈异步风力发电系统低电压穿越控制策略仿真

吴佳思，张步涵，李 枚，靳冰洁

（华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北武汉 430074）

双馈异步风力发电系统低电压穿越控制策略仿真

吴佳思，张步涵，李 枚，靳冰洁

（华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北武汉 430074）

根据我国颁布的风电并网标准，将电压跌落深度区域划分为三个，讨论了在不同区域内DFIG实现低电压穿越的方法，并且在Matlab／simulink环境下进行了仿真验证。仿真结果表明：装设有撬棒和chopper保护的DFIG在实现低电压穿越问题上相比于只有主动式撬棒保护的DFIG更有优势，并且可以保护双馈风电机组在电压跌落深度在80%以内的情况下不被切机。因此，含有撬棒和chopper保护的DFIG在较多情况下已经具备低电压穿越能力。

双馈感应发电机；低电压穿越；并网标准；保护装置

风能是一种清洁的可再生能源，而且在考虑开发费用和储量的基础上，风能又是所有可再生能源中最具商业价值的［1］。随着大规模风电的并网运行，电网电压跌落期间，风电场控制及其对电网安全稳定的影响已成为风电发展的重要课题之一［2］。

目前，国内的主流机型为1.5MW双馈式变速恒频风电机组（结构如图1），双馈式感应发电机（double fed induction generator，DFIG）的定子直接接入电网，电网电压的波动将引起定子电流的变化。由于电压跌落较深的时候，DFIG的功率基本无法送出，会造成定子电流的急剧升高，而由于定转子之间的强耦合关系，会引起转子电流的急剧上升，进而威胁变流器的电力电子器件的安全。如果不采取一定的保护措施，短路等故障造成的电压跌落会直接导致过电流、直流母线过电压、有功功率和无功功率的振荡等，而定转子绕组的电阻和漏抗不足以抑制浪涌电流，较大的电流和电压可能会导致励磁变流器和定转子绕组及母线电容的损坏。

DFIG在外部电网线路发生短路故障时候接入电网的动态特性，被学者们广泛研究，如文献［3］提到的，电压跌落会引起DFIG内部定子磁链感生出自然磁链，和电压的跌落程度相关，并且感生出相对于正常运行时非常大的电压，对于DFIG的安全产生非常大的威胁。有学者关注了对称和不对称故障发生时，双馈型风电机组计及电压恢复，相角跳变和跌落参数的动态特性，研究总结了不同类型故障发生时，DFIG具有不同的特点，当对称故障发生时，故障发生时刻的不同不会引起电压跌落的相角不同，而故障恢复时刻的不同，则会产生不同的恢复过程［4］。并没有考虑加入低电压穿越保护的情况，在故障发生的时候由于撬棒等保护硬件装置的动作，故障特性会发生很大的变化。

图1 DFIG结构图

文献［2］指出，关于低电压穿越问题的研究多集中于电网发生对称故障时的撬棒保护电路及其控制，虽然也有文献关注过双馈电机在不同运行状态之间的切换问题，但是对具体的实现逻辑鲜有涉及，对撬棒电路的逻辑控制方面的介绍也较少。文献［5－8］关注了撬棒保护的运行时间问题以及撬棒保护运行较长时间带来的不利影响。文献［9－10］提到了chopper装置可以较好的保护直流母线电压，并且参数设计合适的情况下，可以减少撬棒保护电路的多次投切。这些方法都是基于被动式撬棒保护的方法提出的，而且一般撬棒投入时间比较长。所以对于撬棒保护的控制逻辑以及其和chopper保护控制逻辑的协调配合鲜有讨论。

本文基于风电并网规定的基础上，讨论了三种不同的电压跌落深度区域内，DFIG的低电压穿越运行控制策略，基于主动式撬棒保护的滞回判断控制策略，研究了电网电压深度跌落时，撬棒保护和chopper保护的协调配合，并且通过对DFIG暂态过程的分析推导，得到了判断撬棒保护需要投入动作的电压跌落深度临界值的方法。

1 风电接入标准

中华人民共和国国家标准GB／T 19963－2011《风电场接入电力系统技术规定》［11］规定了风电场接入电网必须满足的低电压穿越要求。图2为风电场低电压穿越要求。发生故障时候的考核电压为风电场并网点即PCC点电压。1）风电场并网点电压跌至20%标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625ms。2）风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到标称电压的90%时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行。

图2 风电场低电压穿越要求

本文在MATLAB／Simulink仿真平台下建立了双馈风电发电机组低电压穿越仿真模型（图3）。双馈风电系统的容量为1.5MW，具体参数为：风机6台，每台风机的额定容量1.5MW，功率因数0.9，额定电压575V，额定频率50Hz，定子漏感0.18 p.u，转子漏感0.16p.u，励磁电感2.9p.u，极对数3，直流母线电压标准值1 150V，直流母线电容10 000e－6F，转子转速1.2p.u，crowbar电阻0.4 Ω，chopper电阻1.1Ω。本文进行了外部电网5s发生三相对称短路故障，150ms后切除，电压对称跌落深度为20%、40%、60%、80%情况下的仿真。仿真得出的所有波形和数值均为标幺值。

图3 双馈风电发电机组低电压穿越仿真

2 三个不同电压跌落深度区域DFIG的控制策略

2.1 电压跌落深度较轻

较小的定子电压对称骤降这种状态下可以通过变换器自身的控制调节以及桨距控制，来实现对风机内部过电压过电流的控制，使DFIG、变换器电流和电压保持在其限额内，无需保护动作。图4－5为定子电压对称跌落20%下的定子电流Ia和Udc的情况。由图4、5可知，当发生电压跌落较轻的外部故障时，定子电流和直流母线电压上升得并不十分明显，在变换器电力电子器件可以忍受的范围内，所以不需要DFIG内部保护动作，其内部的变流器就会利用自身控制策略的调整，使风机度过低电压穿越过程。

图4 定子电流

图5 直流母线电压

2.2 电压跌落深度较深

较大的定子电压对称骤降发生时DFIG转子过电流是不可避免的，直流环节也将出现过电压。

2.2.1 只采取撬棒保护实现LVRT 这种情况下一般的处理方法是外加撬棒电路来实现对转子过电流的控制。撬棒电阻一般选择20倍的DFIG转子电阻［12］，并且和转子变换器通过三相桥并联。在转子电流超过1.5pu时，触发撬棒电路中的GTO，使其导通，转子侧变换器被阻断而网侧变换器仍保持对直流母线电压的控制。随后可在交流电网恢复供电之前、后停止转子撬棒电路工作，转子侧变换器解除阻断而重新投入工作。传统的撬棒电路一般是被动式，在整个故障动作期间，撬棒电路持续动作。而现在实际用得较多的是主动式撬棒电路。撬棒控制框图见图6，采集的转子电流与一个滞回环节比较，滞回环节的上限为1.5p.u.，下限为1.0p.u.，同时采集直流母线电容两端电压，将其与一个滞回环节比较，滞回环节的上下限分别为1.1p.u.和1.0p.u.。

图6 撬棒控制逻辑图

现阶段，DFIG多采用定子磁链定向的功率解耦控制策略［13］。采用Park变换在同步旋转坐标系中分别控制dq轴电流实现DFIG的有功和无功解耦控制，且设定输出无功功率为0。当电网出现对称短路故障，但电压跌落不深时，撬棒保护不动作，DFIG仍在该控制策略下运行，转子变换器开始动作以实现DFIG的重新稳定运行。在转子变换器的作用下，转子电流在经历很短时间的波动后会很快稳定下来。由于变流器的响应时间远小于电机的响应时间，并设PI控制器的带宽无穷大，那么可以忽略转子电流波动，在原来控制策略下认为在静止坐标系中，现已知DFIG的数学模型为

将式（3）带入式（2），并不计转子磁链对定子磁链的耦合影响，得到

本文仿真采用的是DFIG的转子侧电流达到转子额定运行电流的1.5倍时启动撬棒保护装置。

其余较小都忽略ird较小，也忽略。用到的简化包括Lm≈Ls，波动值较小，同时有iqr≫idr。此时，判断如下不等式

即电压跌落到低于64.9%的时候，撬棒保护就需要投入运行，来保护DFIG。

以下给出了电压跌落深度为40%的时候，主动式撬棒保护对DFIG转子电流的保护情况。从图7、8可见，转子电流已经出现超过1.5倍的时刻，主动式撬棒保护在故障发生时刻和故障恢复时刻，分别投入运行，保护转子变流器。

2.2.2 采取撬棒保护和chopper保护配合 若在2.2.1中持续故障时直流侧出现超过网侧、转子侧变换器中功率开关器件耐压能力超高过电压时，可设计chopper硬件装置来消耗过多的直流母线电压。

图7 转子电流

图8 crowbar动作情况

DFIG直流母线斩波器（chopper）示意图如图1。IGBT的快速开断功能能迅速投入或切除斩波器电阻。斩波器的动作特性遵循滞回特性。本文中搭建的chopper仿真电路的滞回环节上下限分别为1.05p.u.和1.03p.u.。其控制逻辑图如图9［14－15］。图10给出了电压对称跌落深度为60%的情况下定子电压Ia、直流母线电压Udc、转子电流Ir、crowbar保护动作的图形。

可见，在直流母线电压或者转子电流超过门限值的时候，主动式撬棒保护投入运行，短接转子变流器，起到保护转子变流器的作用。Udc在5.005s时可以达到1 244V，转子电流最大也在5.002s时达到1.51p.u，定子电流幅值在5.028s时，升至1.3 p.u。并且此时在故障恢复阶段，由于撬棒保护采取主动式的判别方法会有撬棒保护的重复投切。

图9 chopper控制逻辑图

图10 电压对称跌落深度为60%（crowbar）

电压对称跌落到40%时采取撬棒保护和chopper配合的保护措施：图11给出了Ia、Udc、Ir、撬棒保护、chopper保护动作情况的图形。可见，直流母线电压的幅值，最大只是1.06pu比只有撬棒保护的时候有所降低。同时，转子电流的最大值也有所减少，在5.002s的时候为1.5pu。发现跌落深度不深的情况下，使用两种保护的优势并不明显。只采用撬棒保护也可以满足低电压穿越的要求。

图11 电压对称跌落深度为60%（两种保护）

以下给出电压对称跌落深度为80%的情况下，只采取撬棒保护（图12）和采取两种保护协调使用（图13）时定子短路电流Ia、直流母线电压Udc、转子电流Ir、撬棒保护和chopper保护动作的仿真图形。

图12 电压对称跌落深度为80%（crowbar）

图13 电压对称跌落深度为80%（两种保护）

在跌落深度达到80%的时候，定子短路电流在5.008s的时候达到1.255p.u，在5.047的时候达到1.75p.u。直流母线电压在5.01s的时候出现比较严重的上升，达到1 453V（1.263p.u）。而转子电流，在5.002s的时候，达到1.68p.u。同时可以看出撬棒保护的反复投切十分明显，会带来一定的冲击过程的影响。

在加入chopper保护装置后，撬棒保护的反复投切明显减少，减少了对IGBT器件开关造成的冲击过程的影响，并且对于直流母线电压的抑制，chopper也起到非常好的作用。在5.007s的时候，定子电流达到1.29p.u。直流母线电压最高在5.009s的时候只是达到1.15p.u，而转子电流幅值在5.002s的时候达到1.66p.u也比只装设撬棒保护的时候要小。

2.3 电压跌落深度超过80%

在风电场外部发生金属性短路故障或者跌落深度超过80%的时候（图14），采取两种保护措施，直流母线电压和转子电流依旧分别达到了1.4p.u和2.03p.u，显然加装硬件装置也不再能保护风机本身的安全，所以根据低电压穿越标准，一旦检测到电压的跌落情况，需要立即切除风机，保护风电场免于遭受非常大的电流冲击的危险。

图14 电压对称跌落深度为100%（两种保护）

3 结论

本文基于风电并网标准，讨论了外部电网故障时，造成不同的电压跌落深度情况下，三个不同区域内，双馈异步风力发电系统的低电压穿越控制策略。通过对暂态过程的理论推导得到了撬棒保护需要投入的电压跌落深度临界值。同时基于Matlab／Simulink双馈风电机组的详细模型，搭建了实现低电压穿越的撬棒保护和chopper硬件装置模型。仿真对比表明，基于滞回比较的两种保护在实现低电压穿越问题上相比于只有主动式撬棒保护明显更有优势，同时，含有撬棒和chopper保护的双馈风电机组能够实现在电压跌落深度在80%以内的情况下，不切除风机，使其运行在低电压穿越状态。

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［责任编校：张岩芳］

Simulation Study of Doubly－fed Asynchronous Wind Power System′s LVRT Control Strategy

WU Jia－si，ZHANG Bu－han，LI Mei，JIN Bing－jie
（State Key Lab of Advanced Electromagnetic Engin.and Tech.，Huazhong Univ.of Sci.and Tech.，Wuhan 430074，China）

According to China′s wind power integration standards，the paper divides the sag depth of the area into three different voltage areas，and discusses different DFIG LVRT method in each area，and simulates it in Matlab／simulink environment to verify the conclusion.Simulation results show that：DFIG equipped with crowbar and chopper protection has advantage of DFIG only with active crowbar protection on achieving low voltage ride through，and can protect the doubly fed wind turbine not be cut under circumstances of below 80%voltage drop depth.Therefore，DFIG contains crowbar and chopper protection in most cases already have low voltage ride－through capability.

doubly fed induction generator；low voltage ride through；integration standards；protection devices

TM614

A

1003－4684（2014）01－0001－06

2013－11－28

国家重点基础研究发展计划（973计划）资助项目（2012CB215100－G）

吴佳思（1990－），女，河南遂平人，华中科技大学博士研究生，研究方向为风力发电