基于PSCAD的双馈风力发电机组低电压穿越的研究

周 芸，李志华

（河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 210000）

随着风力发电在电力能源中所占比例的增大，风力发电系统对电网的影响已经不能忽视。常规的风力发电系统，当电网电压降低到一定值时，风力发电机组便会自动脱网，这种情况对于风力发电容量较大的电力系统而言可能会造成电网电压和频率的崩溃。为了使风力发电机组在电网电压瞬间跌落时仍能保持并网，电网安全运行准则要求风力发电机组具有一定的低电压穿越（LVRT）能力[1]。我国根据实际电网结构及风电发展情况对风力机组LVRT能力做出了具体的规定[2]：风电机组在并网点电压跌落到20%额定电压时能够持续并网运行625 ms；风电机组在并网点电压在发生跌落3s内能够恢复到额定电压的90%，风电机组保持并网运行。

双馈异步发电机（DFIG）以其较好的调速性能，有功和无功功率可独立调节以及变流器容量、投资和损耗小等优点，成为目前风电场的主流机型。目前，双馈异步风力发电系统实现低电压穿越更为普遍和有效地方法是在转子侧增加保护电路（即Crowbar电路）和直流侧卸荷电路，从而使得风机在不脱网的情况下转子变流器可以重新开始工作，满足LVRT的要求。

本文研究了转子Crowbar保护电路和直流侧卸荷电路的控制策略，并且在PSCAD仿真软件中搭建了一台2MW双馈异步风力发电机模型，仿真对比了转子Crowbar和直流侧卸荷电路组成的组合电路与仅接入转子Crowbar保护电路的LVRT效果，验证了组合保护电路控制策略能够更好地实现低电压穿越。

1 风力发电系统低电压穿越研究现状

为了保证电网电压跌落故障时双馈异步发电机及其励磁变流器安全不脱网运行，国内外学术界和工程界对电网电压跌落故障时双馈异步发电机的保护原理与控制策略进行了大量研究。目前相关研究大体上可分为两个方向：一是改进控制策略；二是增加硬件辅助电路。

通过控制策略的改进，只适用于电压跌落不很严重的情况，一旦出现很严重的电压跌落，无论怎样控制都将出现过电流或是过电压。这时，需增加硬件辅助电路实现LVRT。

文献[3-4]对转子侧Crowbar电路和直流侧卸荷电路的控制进行了仿真，但是该文献中的 Crowbar电路是被动的，不能主动切除，失去了对 DFIG在电网故障情况下的主动控制。文献[5]在机组直流侧加入能量储存系统（ESS），该系统在电网故障时将多余的能量存储起来，故障结束时又将储存的能量送回电网，但在直流侧加入ESS系统加大了设计的难度，同时也增加了成本。文献[6-7]在发电机转子侧和变流器之间增加Crowbar电路，当电网电压跌落引起转子侧过电流时，投入 Crowbar电路，利用Crowbar电路吸收转子侧过电流，保证变流器避开过电流的冲击，起到保护作用。这种保护电路使转子侧变流器在电网故障时可以与转子保持连接，当故障消除后通过切除保护电路，使风力发电系统快速恢复正常运行，因而具有更大的灵活性。文献[8]在双馈风力发电机组直流母线侧加入卸荷电路，当检测到直流环节电压过高时投入卸荷电路，消耗直流侧多余能量，保持电压稳定，该方法简单有效。

Crowbar电路中的电阻R的选取是一个难点[9]，R值过小则起不到限制转子过电流的作用；R值选择越大，转子电流衰减越快，但R值过大则会导致直流母线和网侧变流器功率开关器件上产生过电压。因此本文采用Crowbar和直流侧卸荷电路组成的组合电路，兼顾限制转子侧过电流和直流母线上过电压。

2 双馈风力发电机组LVRT实现

图1为双馈风力发电机组结构图，其中双馈异步发电机的定子通过变压器直接与电网相连，转子通过变换器与电网相连。

图1 双馈风力发电机组结构图Fig.1 Structure diagram of the doubly fed wind turbine

由于DFIG定子直接与电网相连，当电网电压瞬间跌落引起机端电压骤降时，双馈发电机定子电压跌落，根据磁链守恒定律，定子磁链不能随定子端电压突变，从而产生直流分量，定子磁链几乎不发生变化，而转子继续旋转，会导致转子电流迅速上升。转子侧电流迅速升高，同时机组不能正常向电网输出能量，会导致励磁变流器直流侧电压升高[10]。因此，需要采用一些控制策略，来限制转子电流上升，并减小直流母线侧电压，抑制电磁转矩的振荡。

2.1 主动式转子Crowbar电路控制策略

主动式Crowbar保护电路如图2所示，以不可控整流桥配合一个IGBT全控器件与电阻R串联组成了Crowbar电路，其中电阻R用以限制故障期间转子过电流，Crowbar电路与转子变流器之间用断路器相连，当投入Crowbar电路时开通断路器，切除时断开断路器。

图3为主动式转子Crowbar电路投切原理图，图中i*rotor为设定的转子电流限定值；irotor为转子电流实际值。在电网电压跌落期间Crowbar电路中的IGBT的控制信号与转子侧变流器的控制信号是互锁的，即当IGBT导通时封锁转子侧变流器控制脉冲，当IGBT断开时恢复转子侧变流器控制。

图2 主动式转子Crowbar保护电路Fig.2 Active Crowbar protection circuit

图3 转子Crowbar电路投切原理图Fig.3 Principle diagram of Crowbar circuit

当电压检测电路检测到电网发生故障导致电压跌落时，即开通断路器，投入Crowbar电路，同时DFIG定、转子将会出现过电流。当与的差值大于限定值时，不是一直导通Crowbar电路中的IGBT，而是给IGBT斩波控制信号，因为当IGBT导通时转子侧变流器是不工作的，因此无法向外部输出有功，所以应该在限定转子电流的前提下尽可能多的外部输出有功，防止电网发生更为严重的故障；根据具体设置断开断路器，切除转子Crowbar电路，同时恢复转子变流器正常工作。

R阻值的选取是一个难点，因此在转子Crowbar电路的基础上再加上直流侧卸荷电路，兼顾限制转子侧过电流和直流母线上过电压。

2.2 直流侧卸荷电路

直流侧卸荷电路如图4所示，由IGBT和卸载电阻R构成，当电网电压跌落时，直流母线侧电压高于给定值时投入直流侧卸荷电路，利用电阻R消耗多余的能量，则可保持直流侧电压稳定[8]。

图4 直流侧保护电路Fig.4 DC dumping combination projection circuit

如图5为直流侧卸荷电路的控制原理图，直流母线侧卸荷电路动作设定值与直流母线侧实际电压的差值经过滞环比较器后得出IGBT的控制信号S，当差值大于滞环比较器上上限时开通IGBT，小于滞环比较器下限是断开IGBT。

2.3 LVRT组合保护电路控制策略的实现

LVRT组合保护电路将保护转子侧变流器、直流母线侧电容并且使机组持续运行不致从电网脱离。系统采用组合保护电路控制策略的控制过程如下：

1）在电网电压跌落瞬间立即开通断路器，投入Crowbar电路，当检测到转子电流超过限定值（本文中取额定值的1.5倍）时，给Crowbar电路中IGBT斩波控制脉冲；同时当直流母线侧电压超过设定值时，直流侧卸荷电路投入运行。

图5 直流卸荷电路控制原理图Fig.5 Principle diagram of DC dumping combination projection circuit

2）电网电压恢复时立即切除转子Crowbar和直流侧卸荷电路，系统恢复正常运行。

3 双馈风力发电机组LVRT建模与仿真

基于PSCAD仿真软件，建立了双馈风力发电机组仿真模型，如图6所示。转子侧变流器为电流滞环控制、网侧变流器为SPWM控制[11-12]。

仿真参数如下：

1）双馈异步发电机参数：额定容量为900 kVA，额定角速度为104.72 rad/s，极对数为3，定子额定电压为 690 V，定子电阻为0.005 4 p.u，转子电阻为0.006 07 p.u，定子漏感为0.1 p.u，转子漏感为 0.11p.u；2）电网参数：线电压 20 kV，50 Hz，电阻为 2.5，电感为 0.04 H；3）风机参数：叶片半径 R为40 m，桨距角为0度，空气密度为1.225 kg/m3，齿轮变比n为 67，额定功率为 2 MW；4）额定直流母线电压 800 V，直流侧电容7 800 μF，网侧变流器和转子侧变流器无功给定值为0；5）转子Crowbar电路中的电阻取2，IGBT斩波频率选择5 kHz、占空比选择90%，直流侧卸荷电阻取1.5 Ω。

为了验证DFIG的低电压穿越能力，选定风电并网低电压穿越标准中最严重的电网电压骤降：电网电压在6 s时母线电压发生三相对称短路故障，跌落至额定电压的20%，在6.2 s时恢复正常。

图7为电网电压跌落期间接入组合保护电路和单独接入Crowbar电路的DFIG风力发电系统的各物理量仿真结果的对比。

图6 双馈风力发电机组低电压穿越仿真模型Fig.6 Simulation model of low voltage ride-through of doubly fed wind turbine

如图 7 （a）、（b）所示，在仅接入 Crowbar电路的情况下直流母线侧电压是超过额定值的二倍；当接入卸荷电路的情况下，直流母线的峰值限定在1 kV以下，减少了对直流母线侧电容的冲击。说明直流母线侧卸荷电路与转子Crowbar电路的组合保护电路更好的保护了直流母线侧电容。图7（c）、（d）对比可得电网电压跌落期间接入组合保护电路时有功功率波形振荡比仅接入Crowbar电路时有功功率波形振荡小。从图 7（e）、（f）看出电网电压跌落期间仅接入转子 Crowbar电路时转子电流有效值比接入组合保护电路时转子电流有效值要大，说明结合转子Crowbar和直流卸荷电路的组合保护电路能更好的限制电网电压跌落期间引起的转子过电流。综上，组合保护电路能更加有利于DFIG风力发电系统低电压穿越。

4 结 论

文中对比分析了转子Crowbar电路与转子Crowbar和直流卸荷电路组成的组合保护电路的DFIG低电压穿越控制策略。组合电路控制策略是对转子Crowbar电路控制策略的改进，该控制策略在电网故障时投入使用，限制转子电流过高，并卸除多余能量，保护变流器和DFIG等器件。通过仿真验证了即使在电网电压严重跌落时，组合保护电路控制策略能很好地抑制转子侧电流和直流侧电压的上升，并减小输出功率的振荡，保证电网安全稳定运行。

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图7 接入组合保护电路与仅接入Crowbar电路系统各物理量响应Fig.7 System response of combination projection circuit and crowbar circuit