电网故障时双馈风力发电机无功电流分配及控制策略

高 阳

(天津国投津能发电有限公司，天津 300480)

电网故障时双馈风力发电机无功电流分配及控制策略

高 阳

(天津国投津能发电有限公司，天津 300480)

为满足风电机组低电压穿越的要求，提出向电网注入无功电流的故障穿越控制策略。利用双馈风力发电机等效电路图推导定子侧和网侧无功电流极限，得出定子侧无功电流发生能力优于网侧。根据电网电压跌落程度对无功电流极限的影响，提出电网故障时无功电流的分配原则，在保证无功调节不越限的基础上提高系统的无功处理能力。不同于常规研究中只给出无功极限的理论推导，还对电网电压跌落不同程度时无功电流极限进行仿真分析，结果表明所提无功电流分配及控制策略的有效性，在为系统提供无功支撑的同时提升并网点电压，有利于系统稳定性的恢复，完成低电压穿越。

无功电流； 电流极限； 分配原则； 低电压穿越

0 引言

风能作为一种清洁、无污染的绿色能源，受到世界各国的广泛关注。我国2016年新增风电装机容量为2 337万kW，累计装机容量达1.69亿kW[1]。可再生能源发展“十三五”规划要求，到2020年，风电装机规模达到2.1亿kW以上，风电装备技术创新能力达到国际先进水平[2]。随着并网风力发电规模的不断扩大，风力发电机组的安全稳定运行对系统的影响已不容忽视。双馈感应风力发电机(Double-Fed Induction Generation，DFIG)以其风能转换率高、有功无功解耦控制等诸多优点，逐渐取代恒速恒频风力发电机，成为风电市场的主流机型[3]。DFIG定子侧直接并网，使其对电压故障尤为敏感。电网电压骤降引起定子侧过电流，由于定、转子磁链的相互耦合，转子侧也会出现过电压和过电流现象，损坏变频器和电机本身[4-6]。此外，故障期间输出功率和负荷功率的严重不平衡甚至可能导致电网崩溃。因此，各国的风电并网导则要求双馈风力发电机应具备一定的故障穿越能力。

电网电压跌落时，不仅要求风电机组能够并网运行一段时间，而且在故障期间能够对电网有一定的动态无功支撑能力，在电网故障切除后，风电机组可以迅速恢复至正常的工作状态[7-8]。电网电压跌落故障严重威胁双馈风机和电网的安全稳定运行，因此，研究DFIG的无功控制策略，利用双馈机组自身的无功调节能力，对系统的稳定运行有非常重要的意义。

文献[9]对双馈风力发电机的无功功率机制及特性进行研究，但其着重讨论了转差率和定子无功对转子无功的影响；文献[10]总结了DFIG固有无功调节容量，简述了功角特性、静态稳定、电网导则对双馈风电机组无功调节容量的约束；文献[11]推导双馈风力发电机组在不同风速下的无功调节能力，建立了面向并网点电压要求的风电机组无功功率控制策略；文献[12]分析了双馈风机的无功极限，定子侧输出无功功率对电机损耗的影响，提出2种无功功率参考值的确定方法。文献[13]根据无功调节能力提出无功控制策略，可通过减小有功出力来扩大双馈风力发电机的无功范围。但以上文献均未涉及电网电压跌落不同程度时无功电流极限的相关问题。文献[14]为充分利用风电场自身的无功调节能力，根据有功出力指令确定风电场发出的无功极限；文献[15]优先利用网侧换流器输出无功功率，不同于本文优先利用转子侧换流器输出无功功率。

DFIG在电网故障时运行于单位功率因素状态没有充分利用机组自身的无功调节能力，本文提出一种电网故障时无功电流的分配及控制策略。根据双馈风机的等效电路图得出定子侧和网侧无功电流极限表达式，其无功电流极限除与双馈风机本身的参数有关外，还与电压跌落程度和定子发出有功功率的大小有关。推导出定子侧无功电流发生能力优于网侧换流器。给出在电网故障时无功电流的分配原则，优先考虑利用转子侧换流器通过定子为电网提供无功电流；在超过其无功功率极限时，让网侧换流器工作于非单位功率因素模式下，提高系统的无功处理能力，缓解定子侧的压力，使无功调节不越限。不同于常规研究中只给出无功极限的理论推导，还对电网电压跌落不同程度时的无功电流极限进行了仿真分析，仿真结果验证了所提无功电流的分配及控制策略的有效性。

1 无功电流极限分析

1.1 定子输出无功电流极限

双馈风力发电机定子侧和转子侧都采用电动机惯例，且将转子侧参数折算到定子侧，在同步旋转坐标系下的T型等效电路如图1所示。

图1 双馈风力发电机等效T型电路图

根据等效电路图可得电压、磁链、定子侧功率为：

(1)

(2)

(3)

式中：Us、Ur为定、转子电压矢量，Us=usd+jusq、Ur=urd+jurq；Is、Ir为定、转子电流矢量，Is=isd+jisq，Ir=ird+jirq；ψs、ψr为定、转子磁链矢量，ψs=ψsd+jψsq，ψr=ψrd+jψrq；R为电阻；L为电感；Lm为定转子间互感；ω1为同步旋转角速度；ωs为转差角速度。

Us=jω1ψs

(4)

将式(4)代入式(2)可得定、转子电流关系为：

(5)

据此得出转子dq轴电流分量与定子侧有功功率和无功功率的表达式为：

(6)

(7)

当转子电流取其最大幅值Ir_max时，由式(7)可知转子侧输出最大无功电流极限为：

(8)

可以看出，转子侧输出最大无功电流除与双馈风力发电机本身的参数即定子电感、定转子间的互感、转子侧换流器允许最大电流值有关外，还与电网电压跌落程度和定子输出有功功率相关。转子侧最大电流随有功功率输出的增加而减小，这是因为当有功功率增加时，转子电流的有功分量增加，此时用于励磁的无功分量减小，从而DFIG的无功输出能力变小。

1.2 网侧输出无功电流极限

通常情况下网侧换流器运行在单位功率因数下，即igq=0，此时不发出无功功率，主要用于维持直流母线电压的稳定。网侧换流器是一个电压型PWM整流器，可以实现四象限运行。当系统需要无功功率时，可以考虑由网侧换流器在其功率允许情况下提供无功支持。忽略各种损耗(线路损耗、开关损耗等)后，当网侧换流器和转子侧换流器有功功率相平衡时，Pg=Pr=-sPs，此时，网侧换流器瞬时有功功率和无功功率分别为：

(9)

在网侧换流器电流取其最大幅值Ig_max时，得到其输出最大无功电流的极限：

(10)

网侧换流器输出最大无功电流与转差率、网侧换流器允许最大电流值有关外，还与电网电压跌落程度和定子输出有功功率相关，随有功功率输出的增加而减小，并且随电网电压跌落程度的增大而增加。因此同时考虑定子侧和网侧换流器无功电流输出能力时，双馈风力发电机组的无功电流最大调控能力为：

Iq_max=igq_max+isq_max

(11)

在双馈风机参数一定，取转子侧换流器的电流最大值为额定转子电流的120%，网侧换流器电流最大值也取为额定转子电流的120%来设计，根据式(8)、式(10)可得DFIG的无功电流调节能力，在风速一定的情况下即有功输出一定时，若取转差率为-0.2，当电网电压跌落为额定值的20%时，此时定子侧输出最大无功电流为0.98 p.u.，网侧输出最大无功电流为0.2 p.u.，仅占总无功电流的17%；而定子侧输出无功电流占83%。由此可以看出，定子侧无功电流输出能力远大于网侧换流器无功输出能力。

2 无功电流分配及控制

目前，双馈异步风力发电机大多运行在最大风能捕获状态，其有功功率不能任意调节，为了充分挖掘其无功补偿能力，DFIG定子绕组和网侧换流器均具有一定的无功电流输出能力，通过对转子侧换流器和网侧换流器的控制以及二者之间的协调配合实现系统的无功需求。

由上一节的分析可以看出，定子侧输出无功电流极限要远大于网侧输出无功电流极限。因此在电网故障期间，定子侧向电网提供无功电流的能力要优于网侧换流器。所以，提出优先利用转子侧的无功电流控制来实现定子侧向电网注入无功电流，提升并网点电压。当电网所需的无功电流未超出定子侧输出无功电流极限时，利用定子侧换流器向电网提供无功电流；当电网所需的无功电流超出定子侧输出无功电流极限时，利用网侧和定子侧换流器共同向电网提供无功电流。此时，采取最大无功电流发生能力的比值进行无功电流分配，转子侧换流器和网侧换流器的无功指令为：

(12)

式中：itotal为总的无功电流需求；itotal_lim为总的无功电流极限，itotal_lim=isq_max+igq_max，isq_max、igq_max为定子和网侧最大输出无功电流。此时转子侧和网侧换流器的控制策略如图2和图3所示。其中，1均为电网电压正常时的控制方式；2为电网电压跌落时的控制方式。

在此种调节模式下，可以充分利用转子侧和网侧换流器的无功调节能力，缓解定子侧无功调节的压力。

图2 双馈风力发电机转子侧换流器控制框图

图3 双馈风力发电机网侧换流器控制框图

3 仿真验证及结果分析

在MATLAB/SIMULINK仿真平台上搭建如图4所示的仿真系统图，双馈风电场经升压变压器将电压等级提升至25 kV，经过30 km的传输线路后经变压器接入120 kV大电网中。

图4 双馈风电场仿真系统图

风电场由6台相同型号的双馈感应发电机组成9 MW的仿真平台，DFIG的仿真参数：额定功率为1.5 MW，额定频率为50 Hz，极对数为3，定子额定线电压为575 V，直流母线额定电压为1 200 V，定子电阻为0.010 8 p.u.，转子电阻为0.0102 p.u.，定子漏感为0.102 p.u.，转子漏感为0.11 p.u.，定转子间的互感为3.362 p.u.，风速恒为11 m/s。

3.1 电压跌落40%仿真分析

电网电压在1.5 s时跌落到额定值的40%，故障持续300 ms，1.8 s时电网电压恢复正常。图5给出了转子电流、直流母线电压、并网点电压、定子侧和网侧输出无功电流及其无功电流极限、无功功率的动态响应波形。

图5 电压跌落40%双馈风机瞬态响应

可以看出，在电压跌落为额定值的40%时，定子无功电流没有超出无功电流极限，仅利用定子侧输出无功电流就可以满足总无功电流的需求，此时不需要网侧提供无功电流。并网点电压较传统控制策略有所提升，转子电流在安全限值2 p.u.以内，直流母线电压也在1.2 p.u.以内，没有发生转子侧过电流和直流母线过电压现象，满足低电压穿越的要求，且与理论分析相一致，验证了所提控制策略的有效性。

3.2 电压跌落80%仿真分析

电网电压在1.5 s时跌落至额定值的20%，故障共持续300 ms，1.8 s时电网电压恢复正常。图6给出了若只利用定子侧提供无功电流时定子侧无功电流极限波形。

图6 定子无功电流及无功电流极限

可以看出，此时定子侧需要提供的总无功电流超出其无功电流极限，所以在电网电压跌落到额定值的20%时，需要由定子侧和网侧共同为系统提供所需的无功电流。

图7给出了在采用本文所提的无功电流分配策略下转子电流、直流母线电压、并网点电压、定子侧和网侧输出无功电流及其无功电流极限、无功功率的动态响应波形。可以看出，在电压跌落为额定值的20%时，定子侧所提供的无功电流超过0.8 p.u.；而网侧提供的无功电流在0.1 p.u.左右，证明了定子侧无功电流的发生能力优于网侧变流器。并网点电压有所提高，有利于系统的稳定。转子电流和直流母线电压也限制在安全限值以内，并没有发生转子过电流和直流母线过电压现象，满足低电压穿越的要求。

图7 电压跌落800%双馈风机瞬态响应

4 结论

本文提出的电网故障时无功电流的分配及控制策略，根据定子侧无功电流发生能力优于网侧，在电网故障时优先考虑利用转子侧换流器通过定子为电网提供无功电流；在超过其无功功率极限时，让网侧换流器工作于非单位功率因素模式下，提高系统的无功输出能力，此时由定子侧和网侧共同为系统提供无功电流，缓解定子侧的压力，使无功调节不越限。不同电网电压跌落程度时无功电流极限的仿真结果表明，所提出的无功电流分配及控制策略的有效性，在为系统提供无功支撑的同时提升并网点电压，有利于系统稳定性的恢复，改善机组的瞬态响应，完成低电压穿越运行。

[1]中国可再生能源学会风能专业委员会. 2016年中国风电装机容量统计[J]. 风能, 2017(2): 32-44.

[2]中国可再生能源学会风能专业委员会.《可再生能源发展“十三五”规划》印发[J]. 风能, 2016(12):16.

[3]ANCA D H, LARS H H. Wind turbine concept market penetration over 10 years (1995- 2004)[J]. Wind Energy, 2007, 10(1):81-97.

[4]高扬，于会群，张浩，等. 变速恒频双馈风力发电系统并网控制仿真[J]. 电力科学与工程, 2014, 30(2): 1-6.

[5]柳鑫，刘晓华，吕文芳，等 考虑撬棒保护动作的双馈风机故障暂态特性分析[J]. 电力科学与工程, 2016, 32(1): 49-52.

[6]孙丽玲, 孟娜娜. 基于撬棒保护电路的双馈风电机组的无功协调控制方法研究[J]. 电机与应用控制, 2016, 43(6):64-68.

[7]SONG Z F, XIA C L, SHI T N. Assessing transient response of DFIG based wind turbines during voltage dips regarding main flux saturation and rotor deep-bar effect[J]. Applied Energy, 2010, 87(10):3283-3293.

[8]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):25-29.

[9]刘其辉, 王志明. 双馈式变速恒频风力发电机的无功功率机制及特性研究[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(3):82-89.

[10]陈宁, 王松岩, 胡朝燕, 等. 考虑静态稳定约束的双馈风电机组无功调节容量[J]. 电力系统自动化, 2011, 35(24):33-38.

[11]严干贵, 王茂春, 穆钢, 等. 双馈异步风力发电机组联网运行建模及无功静态调节能力研究[J]. 电工技术学报, 2008, 23(7):98-104.

[12]秦涛, 吕跃刚, 徐大平. 采用双馈机组的风电场无功功率控制技术[J]. 电网技术, 2009, 34(2):105-110.

[13]王松, 李庚银, 周明. 双馈风力发电机组无功调节机理及无功控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2014, 35(16):2714-2720.

[14]张乐丰，王增平，李国煌.混合风电场无功极限的研究[J]. 华北电力大学学报(自然科学版), 2014, 41(6): 34-38.

[15]AGHATEHRANI R, FAN L, KAVASSERI R. Coordinated reactive power control of DFIG rotor and grid side converters[C]//Canada: IEEE Power & Energy Society General Meeting, 2009:1-6.

Reactive Current Distribution and Control Strategy of Doubly-fed Induction Generator in Grid Fault

GAO Yang

(Tianjin SDIC Tianjin Power Generation Co. Ltd., Tianjin 300480, China)

In order to meet the requirements of low voltage ride through of wind turbines, a control strategy is proposed to inject the reactive current into the grid. Using the equivalent circuit of doubly fed wind generator, the reactive current limit of the stator and the grid sides are deduced, and the ability of reactive current generation on stator side is better than that on the grid side. According to the influence of the degree of voltage drop on the reactive current limit, the distribution principle of reactive current is then put forward. On ensuring not to limit the reactive power regulation, the reactive power of the system is improved. Differing from the theoretical derivation of the reactive power limit in the conventional research, we also analyze the reactive current limit at different levels of the grid voltage drop. The results verify the effectiveness of the proposed reactive current allocation and control strategy, which boosts the voltage while providing reactive support for the system. And meanwhile, the proposed strategy is conducive to the restoration of system stability as well as completing the low voltage ride through.

reactive current; current limit; distribution principle; low voltage ride through

2017-07-24。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.12.005

TM614

A

1672-0792(2017)12-0028-06

高阳(1993-)，男，助理工程师，主要研究方向为发电运行。