基于SDR的双馈异步风电机组低电压穿越方案研究

赵　鹏，贾　晶，王瑞琪，于　芃，毛庆波

（国网山东省电力公司电力科学研究院，济南　250003）

基于SDR的双馈异步风电机组低电压穿越方案研究

赵鹏，贾晶，王瑞琪，于芃，毛庆波

（国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003）

随着风电并网容量的快速增加，电力系统对并网风电机组低电压穿越能力的要求也越来越高。提出基于串联动态电阻（SDR）的双馈异步风电机组低电压穿越新方法，介绍了其拓扑结构与工作原理，通过电网正常运行和发生低电压故障情况下双馈异步风电机组数学模型论证了方法的可行性。在Matlab/Simulink中建立了风电机组的仿真分析模型以验证其有效性，仿真结果表明，该方法可以实现电压跌落期间双馈异步风机不脱网稳定运行，同时选择SDR电阻时既要保证转子电流在安全范围内，还要考虑限制故障过程中的过电压。

双馈异步风电机组；低电压穿越；SDR；开关；仿真

0　引言

风能因为其清洁性，受到越来越多的关注。截至2014年底，全国风电装机容量达到9 637万kW，占全部发电装机容量的比例达7%，风电发电量已占全国规模以上发电量的2.82%［1］。随着风力发电技术的快速发展，风电占整个电网容量的比例将越来越大，但2011年以来全国共发生脱网容量500 MW以上的风电脱网故障10余次，严重影响了电力系统的安全运行。历次大规模风机脱网事故分析结果表明，风电机组不具备低电压穿越能力或低电压穿越能力不可靠是造成风电机组大规模连锁脱网的主要原因［2］。特别是双馈异步风电机组由于定子侧直流连接电网，且所用变流器容量较小，相对于采用全功率变流器的永磁同步风电机组，实现低电压穿越（LVRT）较为复杂［3-4］。

目前双馈异步风电机组LVRT的解决措施主要有两种类型，一种是不增加硬件设备，仅改进风电机组变流器或变桨系统控制策略［5］；另一种方法是增加硬件电路，如网侧动态无功补偿装置、柔性交流输电系统（FACTSs）、辅助电阻等［6-10］。第1种解决措施中，变流器需要增加变流容量以实现控制目标，但在正常运行情况下，大部分容量将闲置；对于控制变桨系统，由于桨距角调节时间较长，有时桨距角不能根据需要迅速做出响应。第2种解决措施中，Crowbar电路保护方案最为常见，但在Crowbar动作后，转子变流器停止工作，增加了电网无功负担，不利于电网电压的恢复［11］，同时故障前后双馈电机不同运行状态间的切换，需要复杂的控制逻辑［12］。

介绍基于串联动态电阻（SDR）的双馈异步风电机组LVRT新方法，在直流电容和转子逆变器之间串联动态电阻，动态电阻由双向可控硅开关和电阻并联构成。首先阐述新LVRT方法的拓扑结构和工作原理，然后建立了新型逆变器的数学模型，最后基于Matlab/Simulink建立了1.5 MW的双馈异步风电机组（DFIG）仿真模型，对比分析有无SDR的双馈异步风电机组故障特性，并分析了不同阻值的SDR对电压跌落情况下双馈异步发电机运行状况的影响以此证明新方法的正确性和有效性。

1　基于SDR的LVRT新型拓扑结构及理论分析

1.1包含SDR的DFIG拓扑机构

电网电压骤降之后，DFIG的定、转子绕组中感生很大的故障电流，转子故障电流流过变流器直流电容，引起直流母线电压的波动，同时电网电压降低导致网侧变流器控制直流母线电压的能力减弱，不能及时将转子侧过剩的能量传递到电网上，导致直流母线电压快速泵升，危害直流母线电容安全。因此，电压骤降时必须采取措施消耗转子侧多余能量，防止直流母线电压过高。采用一种基于SDR的DFIG低电压穿越拓扑结构，如图1所示。风电机组转子变流器与直流母线之间串联SDR回路，SDR回路由SDR电阻和双向可控硅开关组成。通过软件指令控制SDR回路中双向可控硅导通或断开，风电机组正常运行时，双向可控硅闭合，电流不流经SDR电阻，而电网发生故障运行时，变流器直流母线大幅度波动，采用迟滞环原理（迟滞环门限电压Udc≥U1im）断开双向可控硅开关，电流将流经SDR电阻，SDR电阻根据迟滞环工作原理持续地消耗从发电机侧传递到直流母线上的能力，维持直流母线Udc电压稳定直到电网电压恢复正常。

图1　基于SDR的低电压穿越方案的拓扑结构

1.2DFIG新型变流器数学模型与分析

图2为包含SDR的新型变流器结构图。假定图2中功率器件均为理想开关器件，则当SDR回路双向可控硅开关打开后，由基尔霍夫定律可得电压方程：

图2　新型转子变流器结构

式中：Udc为变流器直流母线电压；UON为转子绕组中性点O与直流母线负极N之间的电压；RSDR、iSDR分别为 SDR回路电阻、电流；Rra、Rrb、Rrc，ira、irb、irc分别为转子绕组三相电阻、电流；ψar、ψbr、ψcr分别为转子绕组三相磁链；Sk（k=a，b，c）为理想功率器件的开关函数，当转子侧变流器上桥臂导通，下桥臂断开，则Sk（k=a，b，c）=1，当上桥臂断开，下桥臂导通则Sk（k=a，b，c）=0。在正常和对称故障条件下，发电机处于对称状态，合并式（1）、（2）可得：

将式 （3）代入式 （1），则得：

将转子变流器在静止坐标系统下的式（4）转化为同步旋转坐标系统下的表达式：

将新型转子变流器数学模型式（5）与转子变流不包含SDR回路（RSDR=0）时转子变流器的数学模型对比可知，转子变流器与直流母线之间串联SDR回路后，转子变流器的数学模型并没有改变，即转子逆变器的控制目标不改变，因此，包含SDR回路的转子逆变器的控制策略能够使DFIG在故障条件不改变控制器算法就能控制转子电流。

1.3基于SDR的LVRT控制策略

通过上述详细分析电压跌落对变流器直流电容的影响以及新型LVRT拓扑结构的工作原理，基于此拓扑结构的LVRT控制策略为：电网发生电压跌落时，转子能量流经转子变换器之后，一部分被电网侧变流器传递到电网，其余为直流母线电容充电，导致母线电压快速升过高，当Udc≥U1im时，SDR回路双向可控硅开关断开，SDR回路电阻接入直流母线回路释放能量；当Udc恢复正常时，SDR回路双向可控硅开关导通，隔离SDR回路电阻，转子变换器恢复原始状态。

2　仿真分析

为验证所提方案的有效性，在Matlab/Simulink环境搭建仿真模型，模型参数如表1所示。

表1　双馈异步风电机组参数

2.1数学模型仿真分析

假定定子电压在0.4 s跌落至20%额定电压，故障期间电机转速（40 Hz）保持不变，转子直轴和交轴电流分别为idr=295 A和iqr=75 A，SDR回路双向可控硅开关0.402 1 s断开，SDR回路电阻 （RSDR=1 Ω）投入电路，并在0.5 s停用。图3为SDR回路的动作情况，图4为转子直轴电流idr和交轴电流iqr曲线。

图3　SDR回路动作信号（1表示双向可控硅开关断开）

图4　发电机转子直轴电流idr和交轴电流iqr

从图3、4可以看出，SDR回路导通和断开后，转子电流几乎没有改变，这是因为SDR回路导通和断开时变流器的控制算法没有改变，由此可知，所提新的变流器数学模型是可行的。

2.2LVRT方案仿真

为验证所提LVRT控制策略的有效性，假设故障条件为：定子电压在0.4 s跌落至0，0.6 s恢复正常，故障持续200 ms，故障期间电机转速（40 Hz）保持不变，转子直轴和交轴初始电流分别为idr=295 A和iqr=75 A。对以下两种情况进行仿真对比分析：1）电压跌落时，不作任何保护措施，直到仿真进行完毕；2）SDR回路电阻RSDR=1 Ω，检测到电压跌落时，SDR双向可控硅开关在0.402 s断开、0.500 s导通，电压恢复正常后，SDR双向可控硅开关在 0.602 s导通、0.800 s断开，故障期间变流器电容电压基本保持在400 V。电网电压骤降下无低电压穿越保护措施，双馈异步风电机组转子电流如图5所示，采用SDR回路时转子电流和转子电压如图6所示。由图5可见，在电网电压骤降的情况下，不采取任何保护措施，风电机组的转子电流的峰值可达正常值的3～4倍；更为严重的是在电压恢复时刻，转子电流更是产生了高于正常电流10～20倍的冲击值，这将对风电机组转子绕组以及转子变换器产生极大的危害。

图5　未采用LVRT策略时的转子电流

图6　采用SDR回路时的转子电流和转子电压

由图6可以看出，在电网电压跌落期间，变流器采用SDR回路时，转子电流达到的峰值均处于安全范围内，SDR回路电阻投入后，转子电流很快衰减至正常值；在电压恢复时，转子电流最大峰值电压仅为正常值的2倍左右，且在故障排除后的0.1 s左右恢复至正常状态。与此同时，由于直流母线电压保持恒定，风电机组的无功功率在故障期间基本不变且非常稳定，可控制网侧变换器向电网提供无功，以保持电网电压稳定［8］。

SDR电阻回路投入后，变流器直流回路电压有所升高，如图6所示，这就意味着，采用串联SDR回路LVRT控制策略需适当提高变流器的短时过压能力，即便如此，该方法与需要增加电容器电压来控制转子电流其他方法相比却更为经济，而且SDR回路双向可控硅开关动作前后，转子变流器的控制器参数不需要改变，降低了变流器控制逻辑的复杂性，同时故障情况下双馈异步风电机组运行状态没有改变，有效避开电机振荡过程和消耗电网无功功率的不利影响。

2.3不同SDR电阻对LVRT效果影响分析

应用SDR回路实现风电机组LVRTR的效果与电压的跌落程度以及回路电阻的大小密切相关。

2.3.1电网电压跌落至20%时风机LVRT特性

设定定子电压在0.4 s跌落至20%额定电压，0.6 s恢复正常，故障持续200 ms，故障期间电机转速（40 Hz）保持不变，转子直轴和交轴电流分别为idr=295 A和iqr=75 A在电压下降后，设定SDR双向可控硅开关在0.402s导通和0.500s断开；电压恢复后，设定SDR双向可控硅开关在0.602s导通和0.800s断开，同时故障期间，变流器电容器电压保持在400 V基本不变，定子电压如图7所示。当SDR回路电阻RSDR= 0.5Ω、RSDR=1Ω时，转子电流和转子电压如图8所示。

图7　定子电压跌落至20%时的波形

图8　定子电压跌落至20%，不同SDR阻值的DFIG转子电流和转子电压

从图8中可知，当电压跌落幅值一定时，随着SDR回路RSDR阻值增大，转子电流的峰值将减小，但转子电压的峰值将增大，同时谐波增大，转子电压和电流恢复正常时所需时间变长。

2.3.2电网电压跌落至0%时风机LVRT特性

设定定子电压在0.4 s跌落至0，其他条件与上节所述一致，定子电压如图9所示。当SDR回路电阻RSDR=0.5Ω时，转子电流和SDR回路电压如图10所示。

图9　定子电压跌落至0时的波形

图10　转子电流和转子电压

对比图6、图8、图10可知，当SDR电阻一定时，随着定子电压跌落程度的加大，转子最大峰值电流和电压均变大，且谐波增大，系统振荡程度加大，即SDR回路的保护效果也逐步变差。

因此，基于SDR的新型LVRT方法，选择SDR回路电阻时既要确保转子电流在安全范围以内，也要能限制故障过程中的转子电压；需综合考虑转子电流、转子电压和DFIG的稳定性等因素选择最优电阻。

3　结语

在基于SDR的双馈风电机组新型LVRT拓扑结构及数学模型分析基础上，进行了电网故障下风电机组运行情况仿真分析，发现在电网电压深度跌落情况下，变流器加装SDR电路能够很好实现风电机组低电压穿越；SDR回路电阻既不能太大也不能太小，需综合考虑转子电流、转子电压和DFIG的稳定性等因素选择最优电阻。为提高基于SDR的双馈异步风电机组低电压穿越能力，应适当提高变流器的短时过压能力。

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Study on the LVRT Scheme of DFIG Based on SDR

ZHAOPeng，JIAJing，WANGRuiqi，YUPeng，MAOQingbo
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

For the increasing rate of the wind generation capacity，demands of low voltage ride through capability（LVRT）of grid connected wind turbines become higher increasingly.The new LVRT scheme which based on SDR is presented.The new LVRT topological structures of DFIG with SDR circuit topology and the operating principle are analyzed.Through analyzing mathematical models of DFIG power system during normal voltage and grid voltage dip，the feasibility of the new LVRT scheme is verified.The DFIG power system mode is built with Matlab/Simulink to validate its effectiveness.Simulative results show that DFIG can operate in connection with grid to stabilize the grid voltage during fault，and the selection of SDR resistance should guarantee to limit the rotor current and rotor overvoltage.

DFIG；low voltage ride through（LVRT）；series dynamic resistor（SDR）；switches；computer simulation

TM315

A

1007-9904（2015）11-0006-05

2005-09-29

赵鹏（1985），男，工程师/技师，主要从事新能源并网、电力系统安全与稳定研究工作。

国家自然科学基金项目（61503216）