风电故障穿越能力提升方法

吴水军，何廷一，彭俊臻，郑子萱，杨若奂

(1.云南电力科学研究院，云南 昆明 650217；2 四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065)

风电故障穿越能力提升方法

吴水军1，何廷一1，彭俊臻1，郑子萱2，杨若奂2

(1.云南电力科学研究院，云南 昆明 650217；2 四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065)

双馈感应发电机是并网型风电的主要机型，在高渗透率情况下，其故障穿越能力直接影响整个电力系统的安全运行。由于双馈感应电机(DFIG)定子侧直接接入电网，转子侧通过背靠背电力电子变换器接入电网，DFIG对电网故障引起的电压暂降事件非常敏感。为了提高DFIG的故障穿越(FRT)能力，提出一种在DFIG机端装设谐振型固态限流器(RBFCL)的故障穿越能力提升方案，在研究谐振型桥式故障限流器基本原理的基础上，制定故障限流器的控制策略。通过MATLAB/Simulink三相故障仿真，证明DFIG机端装设谐振型固态限流器，提升风电故障穿越能力措施的正确性和可行性。

并网型风电；双馈感应电机；故障穿越能力；谐振桥式限流器

在2015年，随着全球能源互联网(GEI)的提出[1]，风能、太阳能等绿色能源将会逐渐取代传统燃料能源[2]，因此，将会有越来越多的风力发电机接入电网，这就对电网稳定提出了挑战。过去，在风电机组发电比例不是很大时，风电机组脱网还可以接受。随着近几年风电机组容量不断增加并部分取代了传统发电方式，因此一旦有风电场脱网，脱网的功率就可能相当大，这会加剧电网功率缺额。为了确保电网稳定，许多国家制订了并网导则，要求风电场具备与传统发电厂相类似的响应特性。而这些要求的核心就是电网故障时和电网故障后，风电机组拥有继续并网运行的能力，称为低电压穿越能力。甚至有一些国家(加拿大、德国等)要求风电场能承受零电压，即零电压穿越(ZVRT)[3]。不同国家不同标准下的低电压穿越要求如图1所示。

图1 不同并网导则下风电机组穿越要求

双馈感应电机(DFIG)以其无可比拟的控制性能和经济性，在风力发电中得到广泛应用。然而由于DFIG的定子侧直接接入电网，转子侧经转子变换器(RSC)和网侧变换器(GSC)组成的背靠背电力电子变换器接入电网的系统结构[4]，使其易受到电网电压暂降的影响。在故障期间转子侧产生的过电压和过电流，可能导致RSC失控，也可能导致DFIG脱网运行。因此，研究如何提高DFIG风力发电系统故障穿越能力是一项非常重要的课题。

为了提高DFIG的故障穿越能力，近年来许多学者提出了各种各样的解决方法[5-19]。文献[5-9]提出对DFIG的变换器应用新的控制策略，在故障状态下对发电机发出无功进行控制，进而增强DFIG的故障穿越能力。然而，这些方法通常仅适用于不太严重的故障。在机端出现较为严重的电压暂降时，几乎无能为力；文献[10-12]提出使用Crowbar保护电路解决转子侧的过电流问题，因其简单的操作原理和较低的成本，取得了不错的效果，然而Crowbar电路需要从电网中吸收很大功率，这可能导致机端出现更严重的电压暂降[13]，可能导致DFIG的齿轮箱(Gearbox)受到严重损害[14]。一些文献提出使用如STATCOM等辅助设备来提升DFIG的故障穿越能力[15-16]，但这些设备使用限制较多，需要额外的变换器、耦合变压器、谐波滤波器等，而这些设备又可能对电能质量造成新的影响。此外，一些文献提出使用各种结构的超导磁储能等装置提高DFIG的故障穿越能力[17-18]，虽然取得了很好的效果，但造价高昂，这对本身发电成本就较传统能源偏高的风电而言，负担将会更重。

由于优秀的暂态响应特性，故障限流器(FCL)近几年得到了广泛关注。限流器的特点主要有①正常运行下几乎零阻抗；②故障情况下阻抗很大；③发生故障时快速动作；④故障清除后快速恢复。因此，使用故障限流器提升DFIG的故障穿越能力是一个有效且合理的选择。文献[19-20]提出使用串联制动电阻(SDBR)改善风电场的故障穿越能力；文献[21-23]提出使用电阻型超导限流器改善DFIG的故障穿越能力；文献[24-25]应用桥式限流器(BFCL)进行了恒速异步风机和DFIG的故障穿越研究;文献[26]提出了基于传统桥式限流器结构的谐振型限流器(RBFCL)，这种限流器在故障情况下能够提供更高的阻抗，从而对DFIG故障穿越能力的提升更加明显。

笔者对DFIG模型和RBFCL工作原理进行阐述，并将RBFCL应用于并网DFIG风电场以改善其暂态响应特性；在MATLAB/Simulink中建立RBFCL的投切控制模型；通过进行仿真计算，验证三相短路故障情况下RBFCL对风电场暂态稳定的贡献。使用SDBR作为对照，仿真结果显示出RBFCL对提高风电场暂态稳定的有效性。

1 理论分析

文献[21-23，25]对双馈感应发电机在故障下的工作原理及运行特性已交代的非常清楚，此处不在赘述。对RBFCL进行测试的测试系统如图2所示，风电场经变压器、双回输电线路接入无穷大电网。

图2 含FCL的双馈感应发电机风电场—无穷大系统接线

1.1 限流器工作原理

根据图2所给出的测试系统，可以画出如图3(a)所示的等效电路图，根据图中ZL1，ZL2和ZFCL的三角形关系，可以得出如图3(b)所示的等效电路。其中：

(1)

(2)

(3)

定子电压的变化量确定：

(4)

图3 等效电路

1.2 限流器控制策略

该文将要讨论的RBFCL是基于IGBT开关的限流器，SDBR是基于离散控制的机械开关的限流器。2种开关可以采用同一种控制策略。选取图2中的节点2(PCC点)电压以及流过开关的电流组成控制信号。该文所建立的由PCC点电压和电流共同控制的限流器控制器如图4所示。当PCC点电压跌落到0.9 p.u.或流过开关的电流高于1.3 p.u.时，控制器发出信号，使得限流器等效电阻在短时间内就可以增大；当故障恢复时，控制器同时检测PCC点电压和流过开关的电流，仅当PCC点电压高于0.9 p.u.且开关电流低于1.3 p.u.时，控制器才会向IGBT发出信号，使得限流器恢复正常运行。图4中所加的延时控制是为了躲开暂态过程中的电磁震荡，避免开关在故障/非故障时的频繁开断。2种控制信号协同控制可以避免开关在某些情况下的误跳，可以增加整个限流器的可靠性。

图4 IGBT控制器原理

2 谐振型桥式故障限流器(RBFCL)

RBFCL拓扑结构如图5所示，它由桥路和旁路两部分构成。在桥路中，由于4个整流二极管的存在，使得中间线路里只会流过直流电流。中间线路中装设了直流电感Ldc和IGBT，与直流电感并联的二极管可以起到续流作用。这种桥式结构相较2个IGBT反并联的结构，有2个优点：

1)桥式结构中安装的直流电感可以在故障发生时刻、IGBT未动作时起到一定的限流效果；

2)桥式结构中只需要1个IGBT，仅需要对1个IGBT进行控制，相比2个IGBT反并联情况下控制策略较为简单。

限流器的旁路由RC和电感电路并联构成。其等效电阻可以由公式确定，即

(5)

(6)

图5 RBFCL结构

在正常运行的情况下，IGBT导通，由于电阻的分流作用，绝大部分电流都只会流过桥路。桥路中的直流电感较小，几乎不会影响系统的正常运行。

当故障发生时，流过IGBT的电流增大，控制器向IGBT发出信号，IGBT关断，强迫过电流流过旁路。旁路结构的等效阻抗很大，可以有效抑制线路过电流并提高PCC点电压，进而可以提高机端电压。故障清除后，控制器重新向IGBT发出信号使得IGBT导通，系统恢复正常运行。

3 串联动态制动电阻(SDBR)

为了证明RBFCL对于提高风电场暂态稳定的可行性，使用SDBR作为对照。串联制动电阻单相结构如图6所示。文献[19-20]对SDBR应用于风电场已做了相关分析。SDBR由电阻器、旁路开关和控制器构成。正常稳态情况下旁路开关导通将电阻器短路，当电网故障导致风电场机端电压下降时，旁路开关在控制器的作用下关断，电阻器接入线路中以改善风电场动态性能。

图6 SDBR结构

4 仿真分析

采用测试系统(图2)搭建MATLAB/Simulink模型。风电场中包含了6×1.5 MW的DFIG机组，经690 V/35 kV升压变压器，再经双回30 km输电线路和35 kV/220 kV升压变压器送至220 kV电网。因主要考察限流器在故障状态下的作用，所以仿真中不考虑桨距角的调节作用，也不考虑风速变化。单台DFIG机组参数等如表1所示。为使得2种限流器能够合理地进行比较，采用文献[25，27]中所给出的限流器参数，如表2所示。

该文在图2测试系统的FCL处设定3种不同的保护情况：①无限流器保护；②加装SDBR；③加装RBFCL，以进行比较。

表1 DFIG和线路参数

表2 限流器参数

考虑实际线路中三相短路故障最为严重，因此，该文主要针对此故障类型进行研究。在图2故障点处设置故障，0.1 s故障发生，0.25 s故障切除。

三相短路故障、3种保护情况下的机端电压响应如图7所示，可以看到，在无保护的情况下故障期间机端电压几乎降至0；在SDBR保护的情况下，机端电压可以提高到0.4 p.u.，而在RBFCL的保护下机端电压可以维持0.7 p.u.。这说明RBFCL的保护效果要优于SDBR。在有保护的情况下，故障恢复速度明显快于无保护的情况。

三相短路故障、3种保护情况下的机端有功功率输出响应如图8所示，故障发生时，故障点处流过非常大的电流，使得DFIG输出功率突然上升，而随后机端电压的下降又会导致DFIG的输出功率降低。在故障恢复时，也会出现类似的情况。在无保护的情况下，整个故障期间输出有功功率变化非常大，故障情况下输出为0，且故障排除后输出功率出现波动，影响电能质量。这会对DFIG机组本身产生较为恶劣的影响，也会使得直流母线电压升高，如图9所示。在SDBR的保护下，虽然故障恢复阶段有较大改善，但效果不甚明显。RBFCL在故障发生时和故障恢复时都能较好地保护DFIG，且故障排除后输出功率不产生波动，在故障发生期间几乎可以稳定功率的正常输出。三相短路故障、3种保护情况下的电机内部直流电压响应如图9所示。无保护情况下，由于机端电压几乎为0，使得能量不能通过网侧变换器输出，导致直流母线电压持续升高。无论加装SDBR还是RBFCL，其电压均能得到较好的控制。

图7 3种故障情况下机端电压响应波形

图8 3种故障情况下机端有功功率输出响应波形

图9 3种故障情况下电机直流电压响应波形

5 结语

1)RBFCL较SDBR而言，在该文提出的测试系统中对故障情况下DFIG的机端电压、机端输出有功功率均有较为明显的提升，且能稳定故障情况下的DFIG转速及直流母线电压，对DFIG故障情况下的保护起到了较好的效果。

2)RBFCL对于机端电压的提升效果较为明显，因而对维持机组直流母线电压、输出有功功率等参数的稳定有较好的效果。但对定、转子侧电流的抑制效果不甚明显，这是所有装设在线路上的限流器的通病。该文可以为解决分布式能源并入大型电力系统情况下的故障限流提供一种解决方案。

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Method of DFIG fault ride-through capacity improvement using resonance-type fault current limiter

WU Shui-jun1, HE Ting-Yi1, PENG Jun-zhen1, ZHENG Zi-Xuan2, YANG Ruo-Huan2

(1 Yunnan Electric Power Research Institute, Kunming 650217，China; 2 College of Electrical Engineering and Information Technology, Sichuan University, Chengdu 610065，China)

Double Fed Induction Generator (DFIG) is the major model of the grid-connected wind turbine. Under high permeability situation, the fault ride-through (FRT) capacity of DFIG affects the safety and stability of power system. Due to the special construction of DFIG that the stator is direct connected to the grid, and the rotor is connected to the grid via converter. Thus, DFIG is easily affected by voltage sag events causing by grid faults. In order to enhance the FRT capacity of DFIG, a method based on Resonance-type Bridge-type Fault Current Limiter (RBFCL) was proposed to enhance the FRT of DFIG in this paper. Based on the principle of RBFCL, detailed control strategies were presented. Three-phase to ground (3LG) fault was simulated to test the feasibility of RBFCL in MATLAB/Simulink. Simulation results show that the proposed method has feasibility and validity to enhance the FRT capacity of DFIG.

grid-connected wind turbine；doubly-fed induction generator (DFIG)；fault ride-through (FRT)；resonance bridge type fault current limiter (RBFCL).

2016-10-30

中国南方电网公司科技项目(YNKJQQ00000279)

郑子萱(1990-)，男，博士研究生，主要从事优质电力、可再生能源并网与承载能力的研究；E-mail: 472277716@qq.com

TM43

A

1673-9140(2016)04-0036-07