双馈风电系统低电压故障保护方法的研究

张 梅李先允吉同舟王书征

（1. 南京师范大学电气与自动化学院，南京 210042; 2. 南京工程学院电力工程学院，南京 211167）



双馈风电系统低电压故障保护方法的研究

张 梅1李先允2吉同舟1王书征2

（1. 南京师范大学电气与自动化学院，南京 210042; 2. 南京工程学院电力工程学院，南京 211167）

提出一种基于串联动态制动电阻（SDBR）的低电压主动保护方法，在电网故障时吸收由于电网电压跌落引起的不平衡功率，保证故障期间双馈风电机组不脱网运行。分析SDBR对DFIG的暂态影响，提出SDBR的投切控制策略。根据低电压穿越（LVRT）规范对无功功率的要求，研究转子侧变流器无功补偿控制方式。利用PSCAD/EMTDC仿真平台，建立基于SDBR的双馈风电系统仿真模型，对三相对称故障时 DFIG的低电压穿越能力进行仿真研究。仿真结果表明，串联动态制动电阻能够有效的抑制定、转子过电流，限制直流母线过电压，从而提高 DFIG的低电压穿越能力，保证风电系统的不脱网运行。

双馈风电系统；低电压穿越；串联动态制动电阻（SDBR）；控制策略；无功补偿

随着风力发电装机容量在电网中所占比例不断提高，电网发生故障时大规模风电机组脱网将会严重影响电力系统的稳定性[1]。DFIG的定子直接与电网相连，转子通过双PWM变流器与电网相连。转子侧变流器实现对有功功率和无功功率的控制，为发电机提供励磁。另外，转子变流器可以把风速波动或阵风产生的功率波动转化成风轮的动能，再平滑地转换为电能注入电网，降低了对齿轮箱的冲击和注入电网的闪变，提高风电机组的出力效应。由于自身结构的特点，DFIG对电网故障尤其敏感电网发生故障时，定子电压的突变引起定子磁链振荡，定子电流随之增大。由于定子与转子的耦合关系，会引起转子电流的增大。过大的转子电流流过直流母线会导致直流母线电压升高。因此，电网故障时对 DFIG保护方法的研究是十分有必要的，以保证风电机组在电压跌落时能够保持不脱网运行[1-3]。

对于 DFIG低电压故障穿越的解决方法主要从控制策略和增加硬件辅助设备两个方面来实现。硬件电路主要是在定子侧、转子侧以及直流母线侧加装保护电路。Crowbar电路是目前普遍采用的有效措施，但 Crowbar电路的缺点是在故障时转子侧变流器被切断，DFIG处于失控状态，并且 Crowbar电路吸收无功功率会导致电网电压恶化[4]。文献[5-6]提出了一种在转子侧串联动态电阻的方法以抑制电网故障时转子侧过电压，从而限制转子过电流。同时可以减少流过直流母线电容的电流，避免直流母线过电压。但是在电网电压跌落较深时需要协调其他控制方法抑制直流母线过电压。文献[7]提出在定子侧串联动态电阻的方法以提高定子电压，减少定子磁链的振荡。此方法需要结合转子侧电流控制以及直流母线过电压控制，控制结构繁琐。文献[8]在电网故障时通过计算转子电流与定子直流磁链之间的空间关系对转子电流进行补偿以消除定子暂态直流磁链，进而抑制定子直流磁链。但直流母线电压需要配合其他保护装置得以稳定。

电网故障时 DFIG机端电压的下降是造成定、转子过电流、直流母线过电压的主要原因。因此，电网故障时对 DFIG机端电压的提高是实现低电压穿越的主要途径。本文从提高 DFIG机端电压的角度，提出采用串联动态制动电阻（SDBR）提高DFIG的低电压主动保护能力。同时，网侧变流器切换为故障模式向电网注入无功功率，支撑电网恢复。

1　SDBR对DFIG的影响

图1为含SDBR的双馈风电系统结构图，其中SDBR由电阻器、旁路开关以及控制器组成。

图1　含SDBR的DFIG结构框图

串联动态制动电阻及旁路开关等效模型如图 2所示，其工作原理：电网电压正常时，旁路开关闭合，动态制动电阻被短路，电网电流流经路径 1，系统正常运行。当电网发生故障时，控制器根据母线电压控制旁路开关断开，动态制动电阻接入系统。此时，电网电流流经路径 2。故障时串联动态制动电阻的直接作用是提升 DFIG的机端电压。电网故障切除时，旁路开关恢复到原来的闭合状态。

图2　串联制动电阻模型

基于电网电压矢量控制，DFIG定子侧有功功率Ps、转子侧有功功率Pr以及网侧变流器瞬时有功功率Pg分别为

式中，uds、udr、ugd、us分别为：定子电压d轴分量、转子电压d轴分量、电网电压d轴分量、电网电压。ids、idr、igd分别为：定子电流d轴分量、转子电流d轴分量、网侧变流器电流d轴分量。

电网电压跌落期间，定子电压减小。由于定子与转子存在耦合关系，DFIG转子会感应出高电压。根据式（1）可知，电网电压跌落期间，定子有功功率减少，转子侧有功功率增大，大部分的有功功率流进转子侧变流器。直流母线储存的能量表示为：

式中，Pdc1表示转子侧变流器输出功率，Pdc2表示为直流母线向网侧变流器输入功率。若忽略功率器件损耗，则Pdc1=Pr，Pdc2=Pg，因此在故障期间直流母线两侧的不平衡功率会导致直流母线电压上升[9]。

电网电压跌落时，电磁转矩与机械转矩之间产生不平衡转矩会使转子加速。为了解决这一系列问题，电网故障时迅速接入动态制动电阻提高输出线路阻抗，提高 DFIG机端电压，在一定程度上减少电磁转矩的下降，避免转子加速。图1所示结构图中，电网发生三相对称故障时旁路开关断开，接入制动电阻后DFIG并网点电压由V1(1−p) 升高到V2，表示为

式中，p为电压跌落深度，Ipcc为并网点电流，V1为电网正常时并网点母线电压，V2为新的并网点母线电压，RSDBR为串联制动电阻阻值。其向量图如图3所示。

图3　SDBR对DFIG机端电压影响

电网故障时利用短路电流在制动电阻上产生的压降来提升 DFIG机端电压，进而提高电磁功率抑制转子加速。定子电压的提高减小定子磁链振荡，避免转子过电压，并且使定子侧有功功率、转子侧有功功率、及网侧输出有功功率以及直流母线电压维持在稳定值。由图3可以看出当系统功率因数较小时，SDBR对DFIG机端电压补偿不够明显。SDBR只是通过电阻来改变系统电压分布，并不能发出无功功率。因此，负荷功率因数较差时，串联制动电阻不能有效的提高机端电压[10]，本文提出了利用DFIG自身的无功调节能力向电网提供无功功率补偿，提高系统的功率因素，满足在低功率因数情况下SDBR同样能够补偿DFIG的机端电压。

2　SDBR的LVRT控制

文献[11]研究了恒速异步风电机组（FSWT）中利用母线电压和转速以及两者兼具的控制信号实现SDBR的投切，具有很好的控制效果。SDBR的投入是为了抑制因电网电压跌落引起的转子加速、直流母线过电压以及转子过电流。基于动态稳定域给出了LVRT投切策略：在电网电压发生故障时，如果转子转速、转子电流、直流母线电压脱离了动态稳定范围内，则投入LVRT控制，使其工作与稳定范围内。电网电压恢复至故障前的正常运行状态时，LVRT控制SDBR切除。SDBR的LVRT控制可以表示为

式中，RSDBR取1和0分别表示为SDBR的投入与切除；Wg、Udc、ir分别表示为转子转速、直流母线电压以及转子电流；Won、Udcmax、irmax分别表示为转子转速、直流母线电压以及转子电流最大允许安全值。

考虑到电网故障时母线电压跌落是引起转子加速、转子过电流和直流母线过电压的主要原因，母线电压信号能够准确的反应DFIG暂态特性。因此，本文选取影响较大的母线电压稳定域作为控制信号，控制断路器的开断。其原理图如图4所示。

图4 SDBR投切控制原理图

图4中，Us为双馈风电系统并网点母线电压。Uon为SDBR投入基准电压。Uoff为SDBR切出基准电压。当 Us＜Uon时控制器输出使断路器断开，投入动态制动电阻。当在SDBR作用下Us＞Uoff后，控制器输出开关接通信号，旁路动态制动电阻。其中，延时1的作用是避免暂态过程中的电压振荡，延时2则是模拟断路器的操作延时。

3　SDBR的取值

电网故障时，串入制动电阻后新的并网点电压要接近电网正常时并网点电压，避免SDBR选取过大，会因为并网点电压过高而影响发电机转速及功率的变化。即串联制动电阻电压上限值由并网点电压控制，可以表示为

如果SDBR选取过小，对并网点电压提升不够明显，会约束最严重故障（三相对称故障）下低电压穿越能力。因此，新的机端电压越接近电网稳定运行时的额定电压，DFIG低电压穿越能力越好。故本文RSDBR的大小通过电网电压跌落深度选取，以并网点额定电流为控制目标，从而获得动态制动电阻的取值大小，使接入电阻后的机端电压接近电网正常时额定电压。

式中，In取正常运行时并网点额定电流。

4　DFIG低电压期间无功功率控制

由于SDBR只是通过阻值大小改变电压分布情况，不能发出无功。DFIG在故障期间以及电网恢复时刻会从电网吸收无功，不利于电网电压的恢复。本文充分利用 DFIG的无功调节能力，当电网电压发生电压跌落，导致 DFIG转子电流、直流母线电压超过限制时，LVRT控制信号投入 SDBR补偿DFIG机端电压，抑制转子电流，直流母线电压的升高，起到保护转子侧变流器和直流母线的作用。此时无功功率控制策略由稳态控制方式切换到故障控制方式，向电网注入无功功率，提高功率因数，支撑电网电压的快速恢复。电网电压恢复至故障前的正常运行状态时，LVRT控制SDBR切除，同时无功功率控制恢复为稳态控制方式，停止向电网注入无功功率。由于转子侧变流器以及网侧变流器均可对无功功率进行控制，而在电网故障期间定子侧向电网提供的无功功率远大于网侧变流器向电网提供的无功功率[12]。因此，本文主要从转子侧变流器控制的角度对电网提供无功功率补偿以支撑电网恢复。其控制原理如图5所示。

图5　转子侧变流器矢量控制框图

根据风电场低电压穿越技术对无功支持能力的要求：风电场向电网注入的无功电流按式（7）给定：

式中，UN为DFIG并网点电压；IN为DFIG并网点额定电流。

将式（7）转换成无功功率参考量为

在LVRT期间，优先考虑对转子侧无功功率控制以实现定子侧向电网提供无功功率输出，提高对电网电压的支撑。功率外环控制首先根据式（8）求出电压跌落至20%的额定电压时，定子侧无功功率参考值计算为为0.21p.u.，再与无功实测值Qg的偏差通过PI控制器得到无功电流的参考值i*g，以此向电网提供无功支持。

5　仿真分析

本文利用 PSCAD/EMTDC建立了 DFIG及SDBR的仿真模型。串联制动电阻被安装在风电系统并网点与升压变压器之间。本文选取最严重的三相对称短路故障对 DFIG的动态特性进行分析。机组参数为：有功功率1.5kW；额定电压0.69kV；定子电阻RS=0.005875p.u.；定子漏感LS=0.0976p.u.；转子电阻Rr=0.006613p.u.；转子漏感Lr=0.1634p.u.；互感 Lm=50136p.u.；RSDBR=0.386Ω；变压器高压侧母线在 8s时发生三相对称电压跌落，跌落深度为80%，在8.3s时故障切除，故障时间持续0.3s。

图6为电网发生故障时，DFIG含SDBR的各变量波形。图6（a）中可以看出在电网故障期间制动电阻的接入，使得 DFIG的机端电压得到明显的提高。图6（b）～图6（c）波形可以看出在故障期间 DFIG定子侧电流、转子侧电流能够维持在稳定运行时的正常值，SDBR的接入能够有效的抑制定、转子过电流。在电网故障发生和电网故障恢复时，其过电流幅值被限制在2倍的额定值之内，在一定的安全裕量范围之内。图6（d）中蓝色曲线可以看出在电网故障时，直流母线电压最大值可达到6倍的额定值。这是由于暂态过程中不平衡功率引起的。红色曲线表明在电网故障时SDBR的接入能够有助于直流母线电压的稳定。因此电网故障时SDBR的接入能够帮助 DFIG的变流器恢复正常运行状态。图6（e）是DFIG的电磁转矩，蓝色曲线说明电网电压跌落会导致发电机电磁转矩下降。并且在电网电压恢复时出现明显的振荡。而红色曲线表明在SDBR的作用下，电磁转矩的下降被迅速抑制。图6 （f）中蓝色曲线说明在电网电压跌落时，由于DFIG的机端电压跌落引起系统的有功功率减小，并且在电网故障恢复时刻有功功率出现振荡且持续时间较长，这是因为此时电网电流不能够发生突变。而红色曲线说明SDBR可以使新的并网点有功功率恢复到稳定值，同时电网电压恢复时有功功率振荡减小。图6（g）中蓝色曲线所示无功功率在8.0s电网发生故障时刻出现一个正向的尖峰，说明在电网跌落时的暂态过程中发电机向电网输送无功。而在8.3s电网恢复时无功曲线出现一个负向尖峰，说明在电网恢复暂态过程中 DFIG从电网吸收无功功率。红色曲线表明电网故障时，DFIG定子向电网提供0.21p.u.的无功，同时在电网恢复时 DFIG定子无功功率没有出现负值并很快恢复稳定，说明此暂态过程中DFIG向电网发出无功功率。

图6　电网故障时含SDBR仿真结果

6　结论

本文采用SDBR在电网故障时提高风电机组端电压，吸收过不平衡功率来提高 DFIG的低电压主动保护能力。文中所提出的基于母线电压稳定域的SDBR投切控制策略可实现故障时 DFIG的稳定运行。低电压期间网侧变流器能够向电网提供无功功率，支撑电网恢复。本文所提出的串联动态制动电阻的低电压主动保护方法能够有效的提高双馈风电系统的低电压穿越能力。

[1] 贺益康, 周鹏. 变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述[J]. 电工技术学报, 2009, 24(9): 140-146.

[2] Tsili M, Papathanassiou S. A review of grid code technical requirements for wind farms[J]. IET Renewable Power Generation, 2009, 3(3): 308-332.

[3] 何世恩, 董新洲. 大规模风电机组脱网原因分析及对策[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(1): 131-137, 144.

[4] 马文龙. Crowbar保护在双馈异步风力发电系统电网故障穿越中的应用[J]. 电力自动化设备, 2011, 31(7): 127-130.

[5] 凌禹, 蔡旭. 基于转子串电阻的双馈风电机组故障穿越技术[J]. 电力自动化设备, 2014, 34(8): 25-30.

[6] Soliman MH, Soliman H, Soori PK. Analysis of the dynamic behavior and LVRT capability of a DFIG using SDBR during grid disturbances[C]//IEEE GCC Conference and exhibition. Doha, Qatar, 2013: 436-439.

[7] OKEDY K E, MUYEEN S M, TAKAGASGU R, TAMURA J. Application of SDBR with DFIG to augment wind farm fault ride through. in proc. 24th. Conf. Electrical Machines and systems (IEEE-ICEMS), Beijing, China, Aug, 2011, vol. 026.

[8] 薛安成, 陈进美, 毕天姝, 等. 基于电流补偿策略的DFIG系统低电压穿越研究[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(20): 13-19.

[9] 郭家虎, 张鲁华, 蔡旭. 双馈风力发电系统在电网三相短路故障下的响应与保护[J]. 电力系统保护与控制, 2010, 38(6): 40-44, 48.

[10] Causebrook A, Atkinson D J, Jack A G. Fault ridethrough of large wind farms using series dynamic braking resistors (March 2007)[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2007, 22(3): 966-975.

[11] 汤凡, 刘天琪, 李兴源. 通过串联制动电阻改善恒速异步发电机风电场的暂态稳定性[J]. 电网技术, 2010, 34(4): 163-167.

[12] 李辉, 付博, 杨超, 等. 双馈风电机组低电压穿越的无功电流分配及控制策略改进[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(22): 24-31, 22.

Study on the Protection Method of Wind Turbine based on Double Fed Induction Generator in Low Voltages

Zhang Mei1Li Xianyun2Ji Tongzhou1Wang Shuzheng2

(1. School of Electrical & Automation Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042; 2. College of Electrical Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167)

A new protection of inserts series dynamic braking resistor (SDBR) is proposed. The SDBR dissipates the over-active power caused by the voltage drop to ensure uninterrupted operation of DFIG. The transient effect of DFIG was analyzed. The switching control strategy of SDBR via bus voltage stability domain was proposed. According to the Low Voltage fault through (LVRT) requirement for reactive power, the control of reactive power was researched. The simulation result in power system computer aided design and electromagnetic transient including (PSCAD/EMTDC) show that SDBR can effectively help to improve the terminal voltage of DFIG and limit the over-current of stator/rotor and the over-voltage of DC bus, which can improve the transient stability of DFIG in three-phase fault. It also proved that the SDBR guarantees the stable operation of wind power system.

double fed induction generation(DFIG); Low voltage ride-through(LVRT); series dynamic braking resistor (SDBR); control strategy; reactive power compensation

张 梅（1990-），女，硕士研究生，研究方向为为风力发电相关技术研究。

江苏省产学研前瞻性联合创新资助项目（BY2014009-003）

南京工程学院校级科研基金项目（CKJ2009003）