提高双馈风电机组故障穿越能力的组合技术方案研究

梁智敏， 高 亮

(上海电力学院电气工程学院， 上海 200090)

提高双馈风电机组故障穿越能力的组合技术方案研究

梁智敏， 高 亮

(上海电力学院电气工程学院， 上海 200090)

旁路保护技术存在双馈风电机组失控的问题，因而发生故障时振荡较严重，但该保护在故障恢复退出运行后系统恢复平稳的速度却很快，转子串联定值电阻虽然解决了双馈风电机组的失控问题，但相对于串联动态电阻，后者在故障时的波动更加平稳。本文在分析了上述问题后，提出了综合转子串联动态电阻保护和旁路保护的新组合保护方案，该方案结合直流侧卸荷电路可以明显改善机组在故障时的转速稳定性和瞬态特性。在转子串联电阻理论分析的基础上，基于PSCAD/EMTDC对各种方案进行仿真研究，结果表明所提方案的各项性能优于传统方案，具有应用意义。

双馈风电机组； 故障穿越； 旁路保护； 串联动态电阻； 卸荷电路

1 引言

当今世界的能源危机和环境恶化的现实迫使人们将目光向可再生能源转移，而风力发电目前已经成为企业关注的重点。双馈感应发电机 (Doubly-Fed Induction Generator，DFIG)具备变速恒频、有功和无功能够解耦控制、变流器容量小等特点，是目前大规模风力发电的主流机型之一[1，2]。

大规模风电接入电网会给电网运行带来很大的挑战，当电网故障时，DFIG转子侧出现过电流和过电压[3]，不具备低电压穿越能力的机组为了避免变流器被损坏，会将大容量风电机组退出，因此将导致电网功率不平衡，很可能发生连锁反应造成大规模停电[4]，给电力系统的运行带来不利的影响。在某些欧洲国家，风力发电所占电网的容量比例已高达20%[5]，如此大容量的风机若不具备故障穿越能力而全部脱网，可能导致电网崩溃。很多国家的并网导则要求风力发电机组在电网电压跌落的情况下具有不脱网运行和提供无功支持的能力[6，7]，因此风电机组具备一定的低电压穿越能力是风电并网中的核心技术。

目前主要采用旁路保护电路来实现风电机组在大干扰下的低电压穿越能力,最初的旁路保护仅通过晶闸管短路转子绕组来保护机组本身，但这样机组必须脱离电网。经过改进，一组旁路电阻被接入转子电路用来限制转子的过电流，这种方法能够保证机组不间断运行，满足风电机组故障穿越能力的要求[8]。

虽然旁路保护能够快速抑制转子电流的增大，但这会带来新的问题，故障发生后，电网需要大量的无功功率的支撑来完成电压恢复，而投入旁路电路使得电机转子被短接，DFIG以感应电机方式运行，也需要从电网吸收大量无功功率，加剧了系统无功功率的不足，威胁风电场附近电网电压的稳定性[1]。而且采用此种方式，DFIG的电磁转矩不可控且波动剧烈[9]。就一般情况来说，电磁转矩波动接近5倍额定值，将对风电机组传动轴系特别是齿轮箱产生严重的冲击，增加其疲劳度，甚至导致齿轮箱损坏[10]，而齿轮箱的损坏所花费的维修时间是最长的，因而维护代价最高。有一些途径[7]可以减小旁路的投入时间，如增大旁路电阻值以及改善控制策略等，但这些都没有摆脱旁路保护电路。

因此本文提出一种新型方案，该方案首先启用转子串电阻保护，在故障分量衰减到一定程度时再启用旁路保护，同时退出转子串电阻保护，直到故障消失保护退出运行。旁路保护在故障初始时启用，会造成系统十分剧烈的振荡，但旁路保护在故障消失退出运行时却具有更好的暂态性能。转子串电阻保护在故障初始及故障中具有比旁路保护更好的暂态性能，对系统的负面影响更小，尤其是机组转速稳定性更好[11]。通过串联动态电阻，随着故障电流的减小，串联的电阻也变小，这样故障过程中的过渡会更加平稳。

本文首先分析了转子串电阻保护的理论依据，给出了限流电阻下限的确定方法，然后通过仿真研究了不同限流电阻对机组瞬态特性的影响，并仿真比较了转子串联动态电阻和旁路电路以及转子串联定值电阻的差别，此时直流侧依旧采取卸荷电路。基于比较结果提出了一种新的保护方案，该方案在暂态性能上明显优于以上各方案，最后基于PSCAD/EMTDC专业仿真软件比较验证了方案的优越性。

2 DFIG发电系统

图1为变速恒频DFIG风电系统原理图。系统主要由风轮、齿轮箱、DFIG、背靠背连接的转子侧变换器 (Rotor Side Converter，RSC)、网侧变换器(Grid Side Converter，GSC)以及变换器保护电路等组成。转子绕组通过变换器接入电网，通过对两个变换器的控制，可以对双馈风机进行多方面的控制。

图1 双馈感应发电机基本结构Fig.1 Basic structure of doubly fed induction generator

变换器的控制主要采用传统的矢量控制方法，为了实现控制目标，必须对网侧变换器和转子侧变换器的输出电流(或功率)进行有效调节和控制，而励磁系统中的网侧、转子侧变换器通过直流母线解耦而彼此独立，因而可以分别进行控制。网侧变换器的控制目标是：①保证输出直流电压恒定且有良好的动态响应能力；②确保交流侧输入电流正弦，功率因数为1。转子侧变换器的控制目标是：①在变速恒频前提下实现最大风能追踪，关键是双馈发电机转速或有功功率的控制；②实现双馈发电机输出无功功率的控制，以保证所并电网的运行稳定性。

3 转子串联动态电阻分析

为了证明转子串联电阻对于转子电流的影响，详细分析DFIG故障期间转子串联电阻时转子电流的动态特性[11，12]，分析过程基于双馈异步风力发电机的数学模型。文献[11]的分析方法比较简单，采用的假设比较多，因而准确度比较差；文献[12]针对旁路保护采用叠加原理分析转子电流的方法有些欠妥，因为由正常状态到旁路保护启动，发电机在此过程中由受控状态变为失控状态，不宜采用只有近似线性电路才能采用的叠加原理进行分析，而只在转子上串联电阻，发电机发生的变化很小，并且始终处于受控制状态，此时更加适用于采用叠加原理；文献[13]利用有功、无功控制策略进行计算，计算比较准确，但是原理复杂。进行综合比较后，得出适应于当前情况的分析方法，详细介绍如下。

采用电动机惯例，在转子参考坐标系下电机的状态方程为：

(1)

式中，p为微分算子；us、ur为定、转子电压；ψs、ψr为定、转子磁链；is、ir为定、转子电流；Rs、Rr和Ls、Lr分别为定、转子电阻和电感；Lm为励磁电感；ωr为电机转子角速度。根据式(1)画出转子参考坐标系下的双馈感应发电机等效电路，如图2所示。其中Lsl、Lrl分别为定、转子回路漏感。

图2 双馈感应发电机等效电路图Fig.2 Doubly-fed induction generator equivalent circuit

(2)

由此可以得到电网电压跌落、串联电阻投入转子电路下所对应的双馈感应发电机等效电路图，如图3所示。

图3 串入电阻后的双馈感应发电机等效电路Fig.3 Doubly-fed induction generator equivalent circuit with series resistance

假设电压跌落深度为A，据图3可知，电压跌落过程相当于在定子侧突然串入反向电压Δus=-Aus；投入串联电阻的过程相当于在转子侧突然串入电阻R。根据叠加原理，上述过程可以看成以下两个状态的叠加：①稳态分量us和ur共同作用下，在转子侧串入电阻R引起的过渡过程；②只考虑定子侧故障分量Δus的作用，电路的零状态响应过程。投入串联电阻后的等效分解电路分别如图4和图5所示。

图4 等效电路(稳态分量单独作用)Fig.4 Equivalent circuit (steady components alone)

图5 等效电路(定子侧故障分量单独作用)Fig.5 Equivalent circuit (stator fault component alone)

(1)

稳态分量作用下，在转子侧串入R的过渡过程

在转子参考坐标系下，电压、电流以及磁链均为与转差率s=1-ωr对应频率的正弦量，将p=js代入式(1)中的电压方程，整理可得：

(3)

若以故障瞬间作为时间起点，且故障前机端电压为us0=Us0ejst，可求得转子励磁电压的初始值ur0=Ur0ejst，代入式(3)，可以得到故障前转子稳态电流为：

(4)

当在转子侧突然串入电阻R，如图4所示，此时新的转子稳态电流为：

(5)

此过渡过程中转子电流为：

(6)

式中

(7)

(2)

定子侧电压故障分量作用下的响应根据图5进行分析，定子侧电压故障分量Δus=-AUs0ejst单独作用，此状态下双馈感应发电机的数学方程为：

(8)

对方程式(8)运用Laplace变换，将时域微分方程变换为复频域，经过一系列推导可以得出：

(9)

对式(9)取Laplace逆变换，则该状态下转子增量电流的时域表达式为：

(10)

式中

(11)

电网故障后的转子磁链相对于定子磁链以同步速度旋转，它们在故障后T/2(即工频交流电周期的一半)左右相位相反，此时转子暂态电流幅值达到最大。

对转子电流的表达式进行一些简化处理，首先考虑到双馈电机定转子电阻一般较小，对转子电流的影响有限，可以忽略；然后定转子时间常数的倒数一般都远小于1和ωr且转差率s<<1，可以将转子电流的时域表达式进行化简，可以得到：

(12)

在时间t为T/2(即工频交流电周期的一半)且电压跌落深度A为1时，可以得到转子故障电流的最大幅值Ir_max，而转子故障电流的安全限值为Ir_lim。由Ir_max

同样运用叠加原理可求出转子侧电压Ur和所串联电阻上的电压UR，进而可以求得施加在转子侧变换器上的电压URSC，该电压应该不大于转子侧变换器的最大安全电压限值Ulim_RSC，即URSC

转子串联动态电阻相较于旁路保护不需要封锁转子侧变换器，这样DFIG仍然在控制中；相较于转子串联定值电阻，不管是故障电流幅值还是故障电流的衰减时间常数都会发生变化，在故障发生的过程中通过感应到的转子电流来改变串联的电阻值，使得故障的过程比较平稳。

4 仿真结果及分析

基于电力系统专业仿真软件PSCAD/EMTDC，仿真研究转子串电阻保护和旁路保护的故障穿越能力。模型中，DFIG经过两台升压变压器并入无穷大电网，假设在3s时DFIG并网点发生三相短路故障，在3.3s时故障被切除，故障持续时间为300ms；保护的启动条件都是转子电流大于额定正常值的2倍；短路旁路电阻阻值和转子串电阻的阻值相同；电机参数为：额定容量Pn=2MW，额定电压Un=690V，f=50Hz，Rs=0.0054pu，Lsl=0.10pu，Lrl=0.11pu，Rr=0.00607pu，Lm=4.5pu，惯性时间常数H=0.425s，匝间比为0.3。

从有功输出和无功支撑考虑，电阻越小越好，从直流侧电压考虑，电阻也不能太大，否则母线电压会跌落很多，因此，在确保转子电流和电磁转矩振荡在有限值范围内的前提下，尽量选择小的电阻更有利于系统的暂态性能[6]。经过式(12)的计算以及仿真研究，发现所串电阻值为2.5Ω时转子电流可以满足各项要求，由PSCAD仿真得到的数据导入MATLAB中，将各次仿真的数据放到一张坐标图中可以更好地对比观察。

图6给出了上述三种保护方案下DFIG转子电流、网侧有功功率和无功功率、角速度以及电磁转矩的波形。可以看出，尽管使用的电阻值是相同的，但这几种不同的保护方案所导致的DFIG故障期间的系统响应却是不同的。

1-转子串联动态电阻 2-旁路保护 3-转子串联定值电阻图6 三种方案保护性能比较Fig.6 Comparison of protection performance among three schemes

由图6(a)可以看出，方案1和方案3的转子电流的最大振幅较小，并且由于电机仍处于可控状态下，在故障时转子电流衰减得不是很严重。通过观察故障消失后的转子电流，可发现方案2率先达到稳定，方案1次之，方案3最后达到稳定。由图6(b)可以看出，故障期间三种方案的输出有功功率都为零，但在故障消失后的极短时间内会从电网吸收一定的有功功率，方案2和方案3吸收得较多，方案1吸收得较少，而方案3最快达到原先的稳定状态，方案1和方案2过渡得比较缓慢。由图6(c)可以看出，三种方案的区别在于故障消失后方案3会从电网吸收较多的无功功率，这不利于电网电压的恢复，方案1和方案2吸收的无功功率较少，并且会更快地达到稳定。由图6(d)可以看出，方案1的角速度整体波动最小，并且最快达到稳定；方案3在故障期间角速度的波动较小。由图6(e)可以看出，方案3的电磁转矩振荡最大，但是却在故障消失后最先达到稳定；方案2的振荡也比较剧烈，且需要较长时间达到稳定；方案1的振荡较小，而且也较快达到稳定。

可见，在暂态性能方面串联动态电阻保护较串联定值电阻保护具有明显的优点，但是串联动态电阻保护相较于旁路保护在某些性能上却有所不及。因此本文提出将串联动态电阻和旁路保护结合构建一种新的保护方案，即通过改变保护的启动值使得在发生故障初始串联动态电阻保护启动，在故障即将结束，转子电流较小时旁路保护启动并封锁RSC触发脉冲，同时闭锁转子串联电阻保护，使得故障消失后退出运行的保护是旁路保护，这样能够将两种保护的优点结合起来，获得更好的暂态性能。新的保护方案的控制框图如图7所示。

图7 新的保护方案控制框图Fig.7 Control block diagram of new protection scheme

新方案是将两种方案组合到一起，保护启动及切换的依据是转子电流幅值的变化。在故障初期转子电流较大时投入转子串联动态电阻保护，此时可以获得较好的暂态性能；当转子电流略小时，将旁路保护启动，封锁RSC触发脉冲，直到故障消失，旁路保护退出运行。在新方案投入的情况下，发电机发生故障时的暂态性能相较于其他方案能够得到极大的改善。

在旁路保护启动同时闭锁转子串联动态电阻保护时的振荡比较小，这一点依旧可采用叠加原理进行分析。当启动旁路保护时故障已经发生了一段时间，此时已接近达到稳定状态，定子电压只是一个比较小的电压，不必引入电压突变进行分析，限于篇幅这里不做详细分析。

1-保护新方案 2-转子串联动态电阻 3-旁路保护图8 新方案与其他方案的保护性能比较Fig.8 Comparison of protection performance among new scheme and other schemes

将新方案投入后进行仿真，与其他方案投入的情况下进行对比分析，结果如图8所示。从图8(a)可以发现，新方案的转子电流幅值波动最小且最快达到稳定，效果最好。从图8(b)可以发现，新方案的输出有功功率最先达到稳定，并且在故障恢复初始能够多发一些有功功率。从图8(c)可以发现，在故障恢复初始，新方案只会从电网吸收很少的无功功率，而其他方案却会吸收较多的无功功率，不利于电网电压的恢复。从图8(d)可以发现，新方案的角速度波动最小且最先达到稳定。从图8(e)可以发现，新方案在波动程度和达到稳定的速度方面相较其他方案具有很大的优势。观察图8可以发现，在3.15s时保护进行切换，只引起转子电流幅值和电磁转矩微小的振荡，而基本观察不出功率和角速度的振荡，即保护切换所引起的振荡可以忽略不计，这与本节提出保护方案的分析结果是吻合的。

仿真结果表明，新方案在发生故障时相较于其他方案具有更好的暂态性能，对系统的负面影响小，并且机组的转速稳定性更好。

5 结论

发生故障时，旁路保护投入，此时发电机处于失控状态，发电机的各电气量会产生十分剧烈的振荡，但是在故障消失旁路保护退出运行后，却能使得发电机的各项参数很快达到稳定；转子串联电阻在故障初始时投入运行会使得发电机具有更好的暂态性能，而串联动态电阻相较于串联定值电阻会使得故障时的过渡更加平稳。本文结合各方案优点设计了新的保护方案，仿真结果表明新方案较于其他方案具有更加优越的暂态性能。

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Research on combined technical scheme of fault ride-through of DFIG wind turbine

LIANG Zhi-min, GAO Liang

(School of Electric Power Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

There exists runaway problems of doubly-fed wind turbines in bypass protection technology, so the oscillation will be more severe when a fault occurs. But it is quick to achieve the smooth operation after a fault. Fixed rotor series resistor can solve the above mentioned problem, but compared with a dynamic series resistor, the latter will fluctuate more moderately when a fault occurs. After analyzing the above mentioned problem, a new combined scheme with integrated dynamic series resistors and bypass protection is presented. Combined with the DC-side unloading circuit the scheme can significantly improve the speed stability and transient characteristics when a fault occurs. Based on the theoretical analysis of connecting resistors in the rotor, PSCAD is used to simulate the various problems. At last, it is found that the proposed scheme is superior to the traditional scheme, and is suitable for practical applications.

doubly-fed induction generator; fault ride-through; bypass protection; dynamic series resistor; unloading circuit

2015-08-30

梁智敏 (1990-)， 男， 山东籍， 硕士研究生， 主要研究方向为电力系统继电保护及风力发电; 高 亮 (1960-)， 男， 山西籍， 教授， 博士， 主要从事电力系统继电保护、 变电站自动化及电力系统控制的研究。

TM614

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1003-3076(2016)07-0062-07