严重故障下DFIG风电场低电压穿越改进控制研究*

边晓燕,　田春笋,　符　杨

(上海电力学院 电气工程学院，上海　200090)



严重故障下DFIG风电场低电压穿越改进控制研究*

边晓燕,田春笋,符杨

(上海电力学院 电气工程学院，上海200090)

摘要：增加Crowbar电阻起动时，DFIG将工作于普通异步机模式，从系统中吸收大量无功功率。为改变这种情况，提出了一种更能充分利用双馈风机无功容量的协调控制方式，为系统提供无功功率，从而提高系统的暂态电压稳定性。仿真结果验证了交直流保护电路配合使用的优点及可行性，所提出的无功协调控制不仅有利于系统电压快速恢复，还能减少风电场动态无功补偿装置的安装容量，从而节省投资。

关键词：双馈异步发电机(DFIC)； Crowbar； 低电压穿越； 静止同步补偿器； 直流卸荷电路

0引言

近年来，双馈异步发电机(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)凭借其效率高、可变速运行、具有一定无功功率控制能力等优点，成为风力发电机的主流机型[1]。然而，随着风电的渗透率逐年增加，其对电力系统的影响已不容忽视，特别是，允许风力发电机组在低压条件下从电网断开已经不再可能。世界各个国家风电立足于本国电网的实际情况，陆续制定了风电机组低电压穿越标准。中国于2011年制定的《风电场接入电力系统技术规定》,详细严格的规定了风电场关于低电压穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)的要求： 要求风电场并网点电压运行在实线以内部分，风电机组必须保证不脱网运行，并能在并网点电压跌至20%额定电压时不脱网运行625ms[2]，我国风电能量在目前的能源结构中所占的比例并不是很高，相对于北欧、德国等风电大国，我国制定的相关标准相对偏低。

DFIG风机转子侧经一背靠背的变频器通过变压器接入电网。该变频器由一个转子侧变流器(RSC)，一个网侧变流器(GSC)以及连接两者的电容器组成，定子侧经变压器直接接入电网。系统发生故障时，常引起转子过电流、电容器直流母线过电压[3]，严重威胁电力系统的安全运行。针对此问题，研究者提出了不少风电机组的改进控制策略和保护方案。文献[4-6]通过改进双馈风电机组的控制策略来应对故障穿越，其中文献[6]提出一种在系统故障时，通过改进的控制策略，使得故障功率暂时储存在转子中，等故障切除后再将能量释放到系统中。但这些方式调节能力有限，并不能满足系统严重故障时的低电压穿越要求。系统发生严重故障时，在转子侧增加Crowbar电阻能够有效地限制转子过电流[7-9]，但是RSC会临时的退出运行，失去了对有功功率和无功功率的控制，DFIG运行于普通异步机模式，定子侧从系统将吸收大量的无功功率，不利于故障切除后系统电压的恢复，并有可能造成电压崩溃。针对Crowbar装置的LVRT技术存在着能量浪费的问题，也有学者采取在直流侧并联储能装置的方法，不仅能有效的限制直流过电压及电压过低，也能实现对功率波动的抑制，但储能装置往往价格昂贵[10-11]。也有学者提出采用动态无功补偿器来实现LVRT的方案[12-13]，然而并没有充分利用DFIG的无功控制能力，使得补偿装置容量过大，一般为风电场容量的三分之一，现有常见的动态无功补偿装置，价格又较高，从而大大增加了投资。

鉴于此，本文首先分析Crowbar电阻值对风电机组低电压穿越的影响，进而讨论采用转子Crowbar与直流卸荷电路配合使用的方式，并分析其对直流母线电压的改善情况。最后，提出采用DFIG网侧变流器协调STATCOM为系统提供无功功率的控制策略，并通过仿真验证其可行性。

1DFIG风力发电系统LVRT控制方案

DFIG风力发电系统如图1所示。风力机通过传动系统连接到DFIG，DFIG定子侧通过一个升压变压器连接到电网，转子侧通过一个变频器经升压变压器连接到电网，并能实现交流励磁。该变频器由一个转子侧变流器(RSC),一个直流电容和一个网侧变流器(GSC)组成，直流电容作为PWM变频器的电源，并将电网与转子绕组隔开。

图1　DFIG风力发电系统

1.1主动型Crowbar保护技术

本文采用的Crowbar由三相交流开关和旁路电阻组成。其工作原理为用来控制Crowbar电路的开通或关断，当电网发生故障时，转子绕组因与定子绕组的强耦合，引起转子电流骤升，转子转速上升，直流母线两端功率不平衡导致直流母线电压升高；通过检测直流母线电压、转子电流、转子转速是否越界来决定是否投入Crowbar电路。Crowbar的控制框图如图2所示。

图2　Crowbar的控制框图

1.2直流卸荷电路

系统故障期间，网侧变流器不能及时的将能量输送到电网内，导致直流电容两端功率不平衡，过剩能量给直流母线充电，从而直流电压升高，并产生波动。忽视变换器的功率损耗，可得

(1)

在双馈变流器中间直流环节加装卸荷电路能够限制母线电压上升及波动，提升电容器的使用寿命,并能降低Crowbar的动作几率。直流卸荷电路DC-chopper由半导体功率器件和电阻并联后与全控性器件IGBT串联组成。DC-chopper的结构及控制框图如图3所示。其工作原理为可根据直流侧电压是否超过规定范围控制电阻投入或切除，即当Udc超过规定的上限时，控制全控性器件投入电阻，Udc低于规定的下限时，将电阻切出。

图3　DC-chopper的控制框图

1.3STATCOM与GSC的协调控制策略

在电网电压对称跌落期间,为了充分利用DFIG的无功控制能力，采用GSC与STATCOM协同为系统提供无功功率。考虑到STATCOM具有一定的超调能力，并且有文献指出网侧变流器无功调整会引起功率波动，不利于机组的稳定控制[14]，选择STATCOM优先级高于网侧变流器，不足部分有网侧变流器承担。控制框图如图4所示。电压测量环节时刻检测并网点电压,并与参考电压作比较,电压偏差信号经过PI控制器,得到系统所需无功的参考量,再经过逻辑判断环节,比较Qref与STATCOM容量的大小。若QrefQSTAT_max<0,则表示STATCOM能够满足系统无功需求;若QrefQSTAT_max>0,则STATCOM满发,剩余部分有网侧变流器来承担。

图4　STATCOM与GSC的协调控制框图

2仿真结果分析

本文采用的是风电场接入三机九节点的系统。风电场由10台容量为5MW的DFIG组成。DFIG参数为： 额定功率5MW，额定电压3.3kV，定子电阻0.003p.u.，定子电抗0.125p.u.，转子电阻0.004p.u.，转子电抗0.05p.u.。网侧变流器参数为： 额定功率2MW，额定交流电压 0.704kv 额定直流电压1.15kV，交流电抗容量 2MVA，直流电容容量0.667Mvar。为了提高系统的稳定性，容量为10MW的动态无功补偿装置STATCOM装设在并网点PCC母线上。

2.1交直流保护装置对低电压穿越的影响

本文算例中，仿真条件设置为，双馈风电机组工作在单位功率因数模式，即故障期间，DFIG定子侧及GSC并不为系统提供无功功率，STATCOM未工作；t=1s时，系统侧Bus5电力系统发生三相交流短路故障，DFIG风电场并网PCC母线电压跌至0.4p.u.，并在1.625s时刻被切除。交流Crowbar装置动作时间为0，并在t=1.6s时刻切除故障，防止发电机持续从电网吸收无功功率，致使交流电压难以恢复。

方案一： Crowbar装置电阻值设为0.1p.u.

方案二： Crowbar装置电阻值设为1.0p.u.

方案三： Crowbar装置电阻值设为1.0p.u.，并在直流母线装置dc-chopper装置。

方案一、二的仿真结果如图5所示。从中我们看出，随着电阻值的增加，风电机组从电网吸收的无功功率在显著的减少，并网点电压跌落相对来说较轻。这是因为转子电阻的增加，使DFIG转子内功率因数得到了改善，并且有助于电网电压的恢复，转子电流及电磁转矩也能快速的得到抑制。但是Crowbar电阻值的增加，电网电压恢复期间，直流母线电压因Crowbar电阻值的增加产生过电压。

在方案二的基础上，本文采取方案三，针来解决直流母线过电压的问题，直流母线电压的上限设置为1.1p.u.，下限设置为0.95p.u.。通过仿真可知，增加直流卸荷电路后，对风电场并网点电压、转子电流等并没有特别明显的效果，但能有效地限制电压恢复时，因Crowbar电阻值选择过大引起直流母线过电压的问题。直流母线电压如图6所示。

2.2协调控制工作下的仿真

本文算例在2.1方案三的基础上启动了协调控制环节，控制GSC和STATCOM为风电场提供无功功率。当t=1s时，图6中系统侧Bus5电力系统发生三相交流短路故障，DFIG风电场并网PCC母线电压跌至0.2p.u.，并在1.2s时刻被切除，并与方案三进行对比。由图7可知，系统故

图5　方案一、二的运行结果

障期间，通过增加无功协调措施，电压跌落有所减轻，网侧变流器发出的无功功率为8MW,STATCOM

图6　方案三直流母线电压

发出的无功功率约为10MW。故障切除后，电压开始恢复，STATCOM具有2.5倍的超调量，系统提供足够的无功功率，发出的无功功率约为24MW,使得电压在0.5s内恢复正常值。所提出的协调装置对转子电流及直流母线电压都有所改善，但其作用主要体现在对并网点电压的快速恢复上面，防止引起暂态电压不稳定的发生。

3结语

本文具体分析了Crowbar电阻值对风电机组故障穿越的影响，进而采用交直流Crowbar配合使用的方式，实现风电场低电压穿越，在此基础上提出了基于协调网侧变流器及STATCOM的无功控制方式，得到如下结论：

(1) 故障期间，增加Crowbar电阻值有利于提高系统电压的恢复，并能减少风电场吸收的无功功率，然而电阻值过大往往引起直流母线过电压；

(2) 采用Crowbar配合直流卸荷电阻的使用方式，不仅能够限制转子过电流，又能防止直流母线过电压；

(3) 提出的无功协调控制方式，充分利用了DFIG的无功控制能力，故障时为系统提供足够的无功支撑，有效地减轻电压跌落，有利于电压的快速恢复，并能减少风电场动态无功配置容量，从而节约了系统投资。

【参 考 文 献】

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图7　采用协调控制运行结果

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*基金项目：上海市科委科技创新项目(14DZ1200905);上海市教委科研创新项目资助(12ZZ172)

作者简介：边晓燕(1976—)，女，博士，教授，研究方向为电力系统稳定与控制，新能源发电技术。 田春笋(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为风电机组故障穿越。

中图分类号：TM 614

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)06- 0069- 05

收稿日期：2015-07-29

A Improved Control Strategy of DFIG Wind Farm for Low Voltage Ride Through During Serious Fault*

BIANXiaoyan,TIANChunsun,FUYang

(College of electrical engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

Abstract：The DFIG becomes a conventional induction generator and starts to absorb reactive power, delaying the process of rebuilding the grid voltage.A new fast coordinated control scheme of STATCOM and DFIG was proposed for minimizing the capacity of centralized reactive power compensation device and making the best use of the reactive power control capability of DFIG. Simulation results show that the feasibility and advantage of the AC/DC protection for Low Voltage Ride Through during serious fault. The proposed coordinated control scheme can not only improve the transient voltage stability, but also help reducing the capacity of STATCOM so that the cost of investments in wind farms would be reduced.

Key words：doubly fed induction generator(DFIG)； crowbar; low voltage ride through(LVRT)； static synchronous compensator(STATCOM); DC-chopper

符杨(1970—)，男，博士，教授，研究方向为风力发电技术。