双馈风电机组低电压穿越综合控制策略研究

朱月洁，郭 志，詹仲强，侯继光，李广场

（1.国网新疆电力有限公司检修公司，新疆 乌鲁木齐 830001；2.国网安徽省电力有限公司淮南供电公司，安徽 淮南 232000；3.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

0 引言

电网发生短路故障导致风电机组的端电压下降，当电压降到某一值且无其他有效措施时，考虑到风电机组本身安全，将切除风机，因此为不影响电网运行，要求风电机组具备适当的低电压穿越能力［1］。在电网故障导致风电机组机端电压跌落较轻时，双馈风电机组通过一定的控制策略能够持续并网运行［2］。但在电网电压跌落严重时，转子侧电流及直流母线电压均会急剧增大，仅依靠风电机组自身控制策略难以满足并网要求，易造成变流器及直流母线电容损坏，因此必须借助其他措施进行保护。

目前国内通常借助撬棒（Crowbar）电路和直流卸荷（Chopper）电路来达到保护风电机组的目的。文献［3］从理论上分析转子故障电流，并验证Crowbar电路不同退出时刻的影响；文献［4］提出利用Chopper 电路可完成风电机组高电压穿越；文献［5］提出了通过控制Crowbar 电路在不同时刻投入不同电阻值的思路来提高风电机组低电压穿越能力，但未考虑Crowbar 电路电阻值较大时直流母线侧过电压问题；文献［6］分析了Crowbar 电路两种类型，即被动式与主动式，但振荡时间过长；文献［7］提出了电阻串联电容的改进Crowbar 电路结构，但未考虑转子侧及母线侧过电压问题。

针对上述问题，在分析电网故障时DFIG 暂态特性的基础上，提出了一种“电阻串联电容Crowbar 电路+Chopper 电路”的改进双馈机组结构，借助串联电容补偿故障期间DFIG 从电网吸收的无功功率，同时利用Chopper 电路防止直流母线过电压，并给出了Crowbar 电路电阻值与电容值的选取方法。

1 电网故障时DFIG 暂态特性分析

1.1 DFIG 数学模型

采用电动机惯例，忽略磁饱和现象，将双馈风机在ABC 静止坐标系下磁链方程转换到以定子轴为参考系的坐标轴中，如式（1）所示。

式中：us、is、Ψs是指以定子轴为参考系的坐标系下的定子电压、电流及磁链；ur、ir、Ψr是指以定子轴为参考系的坐标系下的转子电压、电流及磁链；ωr为转子旋转角速度；Ls、Lr、Lm分别为定子电感、转子电感与定子转子互感；Rs为定子电阻；Rr为转子电阻；p 为微分算子。

1.2 转子侧电流分析

由式（1）可得转子电流与磁链关系式为

当电网发生故障时，DFIG 机端电压瞬间跌落，而磁链根据守恒定律不能突变，此时转子磁链Ψr将有直流磁链分量Ψr1和交流磁链分量Ψr2共同组成，且有Ψr1>>Ψr2，忽略交流分量，转子磁链表达式为

将式（3）故障时刻转子磁链表达式转换到时域中，有

式中：｜Ψr1｜为故障瞬间转子磁链有效值；Tr为转子磁链直流分量衰减时间，Tr=（Ls1+Lr1）／Rr，Ls1和Lr1分别为定子励磁漏感、转子励磁漏感。

同理可得故障瞬间定子磁链有效值｜Ψs1｜及定子磁链直流分量衰减时间Ts，由于DFIG 的励磁电感Lm远大于Ls1、Lr1，忽略励磁漏感，将式（4）代入式（2）可得时域下故障时转子暂态电流表达式为

从式（5）可以看出，由于定转子漏感较小，所以磁链直流分量感应出的故障电流很大，甚至超出转子额定电流的5～10 倍，若不对转子侧变流器采取保护措施，很容易给双馈风机系统造成不可逆转的严重损伤。

2 双馈风机低电压综合控制策略分析

2.1 改进的双馈机组结构

Crowbar 电路是双馈机组低电压穿越的保护常用措施之一，其结构简单易于实现。在电网发生故障时，投入Crowbar 电路来短接转子侧变流器，能够保护转子侧变流器不被损坏。考虑到Crowbar 电路投入致使双馈机组变流器退出运行而成为异步发电机后，在暂态过程中会吸收大量无功功率，文献［7］在Crowbar 电路中串联电容用于补偿无功功率的损失，但未考虑机端电压跌落较深时，直流母线过压问题。因此采用主动式DC-Chopper 电路配合串联电容的Crowbar 电路的低电压穿越保护技术，如图1 所示。

图1 改进的双馈风电机组结构

2.2 Crowbar 电路电阻值的选取

对于Crowbar 电阻值的选取，主要考虑两个因素：一是如何较快地消耗故障时转子侧的浪涌电流，此时电阻值越大越好；二是防止母线过电压而击穿直流电容，此时电阻值不能过高。因此，对电阻值的选取采用如下方法。

转子暂态电流小于预设的最大值Imax，即：

由（6）可得Crowbar 电阻最小值为

同时，为防止母线过压而损坏母线侧电容器，则Crowbar 电阻段电压要小于转子侧最大电压与母线侧电容器电压中的较小值，即：

由式（8）可得Crowbar 电阻最大值为

式中：Us是指机端电压；Urmax为转子侧允许最大电压；Udc为直流母线电压。需要注意的是在对Udc进行选取时，由于DC-Chopper 电路的投入，能够较好保护直流母线电容不被损坏，因此相对没加入DC-Chopper电路的双馈机组而言，Udc选取值较大，由式（9）可知，Rmax可选取较大值，也就是说DC-Chopper 电路的加入，在一定程度上提高Crowbar 电路的电阻值，能够在一定程度上提升双馈机组低电压穿越能力［8］。

2.3 Crowbar 电路电容值的选取

Crowbar 电路串联电容后，能够减小转子侧的等效自感，因此减少了时间常数Tr，同时在一定程度上抑制转子浪涌电流幅值，缩短转子故障电流暂态过程。Crowbar 电路串联电容后的等效电路如图2 所示。电网电压跌落后，若使转子电流暂态时间常数Tr0=0，则转子电流暂态直流分量消除，以此来计算串联电容值的大小。

图2 串入电容后的Crowbar 电路T 型等值电路

根据图2 串入电容后的Crowbar 电路T 型等值电路可得定子及转子的时间常数Ts0和Tr0为：

式中：Lst0、Lrt0分别为加入电容后的定子电感和转子电感。

其中：

当Tr0=0 时，可以得到串联电容值为

2.4 双馈风机低电压综合控制策略

Crowbar 电路一般选择当检测到转子电流超过上限值Imax（通常为额定电流的1.2～1.5 倍）时投入。对于Crowbar 电路退出时刻而言，目前常采用2 种方案：方案Ⅰ在检测到转子电流低于下限值Imin（一般设定为额定电流）时，Crowbar 电路退出；方案Ⅱ在检测到故障消除后的一个周波退出Crowbar 电路。根据文献［9］可知，根据风电机组机端电压跌落程度的不同，两种控制策略均有各自适用范围。

对于DC-Chopper 电路投切控制，与上述Crowbar 电路类似，当检测到直流母线电压高于上限值Umax时投入运行，利用Chopper 电路电阻进行直流卸荷，在检测到直流母线电压下降至下限值Umin时Chopper 电路切除运行，以此来保护直流母线电容不被损坏。

3 仿真分析

首先在Matlab／Simulink 软件的仿真平台上搭双馈风力发电系统，如图3 所示。

图3 中双馈机组额定功率为1.5 MW，其参数如表1 所示，风机机组经575 V／25 kV 升压变压器接入电网，通过设置短路模块的接地电阻阻值和短路点发生位置，得到跌落不同程度的机端电压。

表1 双馈风力发电系统参数

图3 双馈风力发电系统仿真搭建

3.1 电阻串联电容Crowbar 电路仿真分析

根据式（9）选取Crowbar 电路电阻值，Imax、Umax分别设为1.5 pu 与1.1 pu，Imin、Umin设定为额定值，设置电网在t=0.5 s 时发生三相短路故障，机端电压跌落至0.2 pu，故障持续时间为0.3 s，Crowbar 电路退出时刻采用方案Ⅱ，对电阻串联电容电路进行仿真，双馈风电机组转子侧电流、直流母线电压及无功功率如图4 所示。

图4 Crowbar 纯电阻电路与电阻串联电容电路的转子电流及直流母线电压

由图4 可知，在0.5 s 电网发生三相短路故障后，Crowbar 纯电阻电路与电阻串联电容电路均能将转子侧电路控制在阈值以内。但是相较于纯电阻电路而言，投入电阻串联电容电路不仅使故障后转子过电流降至额定值的时间由原来的0.05 s 缩减到0.02 s，压缩故障初期的转子浪涌电流时间，减少了双馈机组暂态过程，而且有效减少了故障期间双馈机组向系统吸收的无功功率，有利于双馈机组低电压穿越。然而两种电路的直流母线电压均超过额定值的1.1 倍，对直流母线侧电容造成不利影响，因此需要考虑在直流母线侧加入DC-Chopper 电路。

3.2 电阻串联电容Crowbar 电路仿真分析

同样的设置t=0.5 s 时电网发生三相短路，机端电压跌落至0.2 pu，故障持续时间为0.3 s，Crowbar电路退出时刻采用方案Ⅱ，在直流母线侧加入Chopper 控制电路，其电阻值的选取0.45 Ω［8］，双馈机组转子侧电流与直流母线电压如图5 所示。

将图5 与图4（c）和图4（d）进行比较可知，加入Chopper 电路后，未发生直流母线电压越限情况，直流侧电容器安全得到保证，此外转子电流与无功功率也得到较好稳定。因此直流母线侧加入Chopper电路配合转子侧电容串联电阻的Crowbar 电路的低电压综合穿越控制策略能够有效提高双馈机组低电压穿越能力。

图5 DC-Chopper 电路加入后的转子电流及直流母线电压

4 结语

对转子暂态电流进行分析，给出转子暂态电流数学表达式，从理论上说明双馈机组低电压穿越必要性。在双馈机组低电压穿越时以抑制故障期间转子电流并兼顾防止直流母线过电压为目的，提出了在转子侧Crowbar 电路电阻串联电容，在直流母线侧加入Chopper 电路的双馈机组低电压综合穿越策略。依据转子暂态电流表达式从理论上给出了Crowbar 电路电阻值及串联的电容值的取值方法。在Matlab／Simulink 仿真平台上搭建系统模型，分别从Crowbar 纯电阻电路、Crowbar 电阻串联电容电路以及加入Chopper 电路后3 个方面进行仿真验证，结果表明该低电压综合穿越策略能够有效提升双馈风电机组低电压穿越能力。