双馈异步风力发电机组电网故障穿越技术研究

董鹏程 华青松 张洪伟 隋宗强 李立伟

摘要： 针对风力发电机在电网故障后持续并网运行与调控能力亟待加强的问题，本文对双馈异步风力发电机组电网故障穿越技术进行研究。在建立双馈异步风力发电机（double fed induction generator，DFIG）转矩补充虚拟惯量控制的基础上，引入设定初始值的桨距角控制，建立DFIG的复合频率控制策略，实现频率穿越，在转子侧添加主动式Crowbar电路实现低电压穿越，从而提升DFIG的电网故障穿越能力，并通过DIgSILENT/PowerFactory實验平台进行仿真分析。仿真结果表明，通过补充转矩增加DFIG的虚拟惯量，设置初始桨距角增加备用有功，两者共同作用的复合频率策略在提升跌落度与稳态值两方面改善DFIG的调频能力；主动式Crowbar电路投切速度迅速，将其模块引入Protection策略后，在电网故障消除后可立即向电网输送有功，并在故障期间可向电网输送无功。该研究有利于电力系统安全稳定运行。

关键词： 双馈异步风力发电机； 频率穿越； 低电压穿越； DIgSILENT/PowerFactory

中图分类号： TM614； TM343文献标识码： A

收稿日期： 20170518； 修回日期： 20170822

基金项目： 863计划项目资助（2014AA052303）； 山东省自然科学基金项目资助（Y2008F23）；山东省科技发展计划项目资助（2011GGB01123）；山东省自主创新及成果转化专项（2014ZZCX05501）

作者简介： 董鹏程（1990），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统在线监测及故障诊断。

通讯作者： 李立伟（1970），男，山东人，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向为电力系统的智能监测和状态维修，可再生能源接入与智能配电网技术，电能质量调节与控制，高速列车运行监测、控制系统及新能源汽车电控系统开发等。Email： ytllw@163.com 近年来，风力发电在我国快速发展，截止到2016年上半年，我国累计并网装机容量达137亿千瓦[1]。在成为风力发电大国的同时，快速增加的风电渗透率增大了电力系统的安全隐患，电网故障后，传统的风机切机模式已不能满足电力系统的运行要求[23]。目前，DFIG由于容量大、可实现有功和无功解耦等优点，成为我国风力发电机的主流机型。电网故障穿越可分为电压穿越和频率穿越[4]。常规同步发电机、风机转速与电网频率存在耦合关系，当电网频率波动时，转子转速也会随之变化，进而引起转子动能改变，通过吸收或释放转子动能，阻止系统频率的快速变化。而DFIG采用电力电子变换器能够灵活的调节有功、无功，实现有功、无功解耦，失去常规同步发电机组所具备的调频能力[46]。自2011年以来，国内外发生了多起大规模风电机组脱网事故，通过对事故进行研究，根本原因是风力发电机组没有电网故障穿越能力。鉴于此，国内外学者为研究DFIG电网故障穿越措施进行了大量的工作。贺益康等人[2]通过在网侧变换器处添加蓄电池储能环节，建立带有储能设备的虚拟同步发电机，当电网发生频率跌落时，向电网输送有功功率来稳定电网频率，实现同步发电机的调频特性，但是成本高，而且风力发电机组所受风力实时变化，所以等值模型不固定，控制策略繁琐；刘东霖等人[5]提出为增大备用容量，可使风机不运行在最大功率追踪模式（maximum power point tracking，MPPT），而是沿次优功率曲线运行，当电网频率跌落时，风机运行方式向最优功率曲线方式变换；徐殿国等人[7]提出了基于被动式Crowbar电路的DIFG低电压穿越技术。上述研究方法在一定程度上提升了风力发电机组的持续并网与调节能力，但其成本和实践结果还不能满足电网对日益增加的风电机组的依赖要求。因此，本文对原有风力发电机控制系统与原理进行研究，结合DFIG系统原有控制策略的特点，提出了一种新的复合频率控制策略，提升了DFIG的调频能力；添加主动式Crowbar电路；提升了DFIG低电压穿越能力，仿真结果验证了所提方案的有效性。该研究对电力系统的安全稳定运行具有重要意义。

1频率穿越

频率穿越[8]被提出后还没有明确定义，但很多国家对于电网故障后的风机持续运行和频率偏差都做了要求。目前，频率穿越工作是研究风力发电机组的一次调频，实现风机持续并网，主要帮助恢复电网频率。

1.1虚拟惯量响应控制

虽然双馈发电机转速与电网频率之间失去了耦合关系，但DFIG释放动能的潜力巨大，对DFIG系统转动惯量不容忽视[910]。传统的风力发电机虚拟惯量响应控制直接引入有功功率补充，将有功功率差值引入到DFIG控制策略的功频特性对应的OverFreq Pwr Reduction模块。通过观察DFIG控制原理图，当直接进行有功功率补充后，还需联系PQ控制模块、转子电流控制模块等到达DFIG电磁控制模块，相对繁琐且当某一控制模块发

由于P=wT，又因为DFIG系统的变频器可以控制交流励磁电流改变瞬时转子转矩，且在DFIG控制策略中机械转矩控制模块直接与DFIG电磁控制模块相连。因此，本文提出补充转矩的虚拟惯量响应控制，当获得转矩补充控制目标后，可将其引入风机原有控制策略中。转矩补充控制框图如图1所示，将图1中红线框所示的转矩补充控制策略引入原有DFIG控制策略的功频特性对应的Mechanics模块。

图1中，红线框内为转矩补充控制策略框图，其中上支路为引入Δf的转矩补充方式，下支路为引入df/dt的转矩补充方式，C为电网额定频率。上、下支路转矩补充控制目标函数T1和T2分别为

T1=KpΔf=Kp（fmeas-fc）， T2=9 550n×Ksdfdt（1）

式中，Δf为电网频率偏差；fc为电网额定频率，fc=50 Hz；fmeas为电网频率实际测量值；Kp、Ks为控制系数；n为转子转速。为获得更好的频率控制效果，本文将同时引入Δf和df/dt，并进行仿真验证。

1.2桨距角控制

风力发电机一般以最大功率追踪的方式运行，使风机放弃最大功率追踪运行模式[10]，以次优功率追踪运行模式，实现有功功率备用。然而此方法获得有功功率备用是以风力发电机转子超速减载来实现，由于转子转速上限值的控制，这种方法只适合风机额定转速以下的情况。为实现DFIG系统便捷的具备有功功率备用容量，对风力发电机的功率方程进行分析。风力机的输入功率[2]为

Pv=12（ρSwv）v2=12ρSwv3（2）

風能利用系数[2]为

Cp=PoPv（3）

所以，风力机输出机械功率[2]为

Po=12ρSwCpv3=12ρπR2Cp（λ，β）v3（4）

式中，ρ为空气密度；Sw为风力机叶片迎风扫掠面积；v为进入风力机扫掠面之前的空气流速（即未扰动风速）；λ为叶尖速比；β为桨距角。

由式（5）可知，可改变的是与风机输出功率相关的桨距角β，桨距角β与风能利用系数的关系如图2所示。当λ为定值时，β越大，Cp越小，因此Po越小，风力发电机的桨距角为0°时，Po最大。因此，通过设定风机叶片桨距角初始值，降低机组有功出力，使风机留有一定的备用有功容量，当电网频率发生偏移时起到有功功率补充的作用，可实现频率调节。桨距角控制框图如图3所示。

2低电压穿越

低电压穿越（low voltage ride through，LVRT）能力是指当电网发生故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，风电机组能不间断并网运行[2]。同时，在电网故障期间，电网可以输送一定的无功功率，以帮助电网电压的恢复，当电网故障消除后，需立即向电网输送有功功率[1215]。部分国家对LVRT技术基本要求如表1所示。图535 kV无穷大电网仿真模型为实现Crowbar电路的快速投切，通过添加绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）器件构成主动式Crowbar电路，主动式Crowbar电路如图4所示。电网故障一旦消除，就可以分别对机侧变换器与主动式Crowbar装置的IGBT触发信号，前者IGBT导通，后者IGBT关断，实现了及时向电网输送有功功率。同时，故障期间直流母线电容与网侧变换器构成静止无功补充器，向电网输送无功[1920]。

3仿真结果

在DIgSILENT/PowerFactory平台下，搭建1台5 MW的等值双馈异步风力发电机及35 kV无穷大电网的仿真模型，无穷大电网仿真模型如图5所示。

对于虚拟惯量响应控制，分别引入和同时引入频率偏差Δf和频率变化率df/dt，不同控制策略仿真结果如图6所示。本文提出虚拟惯量响应控制和桨距角控制组成的复合频率控制，为获得附加不同控制策略时的对比结果，明晰何种策略更优，对不同控制策略进行仿真测试，转矩补充控制仿真结果如图7所示。

对于低电压穿越，设置电网在3 s时发生三相短路故障，并网点电压跌落至02 p.u持续05 s，加主动式Crowbar前后输出有功如图8所示；加主动式Crowbar前后输出无功如图9所示。

图9加主动式Crowbar前后输出无功由图8和图9可以得出，通过补充转矩增加DFIG的虚拟惯量及设置初始桨距角增加备用有功两者共同作用的复合频率策略，在提升跌落度与稳态值方面改善DFIG的调频能力；主动式Crowbar电路投切速度迅速，将其模块引入Protection策略后，在电网故障消除后可立即向电网输送有功，而在故障期间可向电网输送无功。

4结束语

本文对双馈异步风力发电机组的频率穿越（电网故障后频率调控）和低电压穿越进行了研究，利用DIgSILENT/PowerFactory软件，对电网发生短路故障后引起的电网电压跌落过程及频率跌落过程进行仿真，验证了当电网发生故障后，引起电网频率跌落时复合频率控制策略具有更好的频率稳定控制性能，主动式Crowbar电路可以使DFIG在电网故障期间持续运行并可功率支撑的作用。复合频率控制策略是建立在风力发电机组本身的控制策略基础上，只需要优化控制策略，而不需要添加外部硬件电路，在起到频率调节功能的基础上节约了成本，具有良好工程实践应用前景；主动式Crowbar电路，在原先被动式Crowbar电路的基础上添加IGBT器件，易于实现。但是随着风力发电机组并网容量的快速增加，电力系统对于风力发电机组的频率调节响应速度也产生更高的要求，如何使DFIG快速响应电网频率的偏移，并实现无差调节。同时，使DFIG在电网故障期间也能向电网输送有功是下一步需要研究的重点。

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