一种转子串联可变电阻与卸荷电路配合的低电压穿越方法

陈豪君， 王星华， 刘升伟， 林 璞

（广东工业大学 自动化学院， 广东 广州 510006）

0 引言

近年，风力发电在电网中所占的比例不断提高。 双馈感应发电机（DFIG）作为主流风机类型，具有成本低、易维护，能实现有功、无功解耦控制和最大功率跟踪等优点。 然而由于DFIG 结构特殊，导致机组对系统扰动和故障比较敏感，当其受到严重干扰时可能导致脱网，对电网的稳定性和电能质量构成威胁。 因此，提高双馈风机的低电压穿越能力具有重要意义。

DFIG 的LVRT 方案总体可分为改进控制策略和增设硬件设备两类。 文献[1]通过灭磁控制减小定子磁链暂态分量的幅值， 加速其衰减速度，进而实现LVRT，但由于变流器容量有限，控制策略一般只能应对轻度故障的情形。 在实际工程中，撬棒保护装置应用得较为普遍，文献[2]，[3]提出了动态调整转子撬棒阻值的方式，对不同程度故障下的LVRT 具有良好的适用性。但是，撬棒投入后转子变流器被断开，导致故障期间有功和无功功率无法得到有效控制，不利于电网电压的恢复。 文献[4]，[5]在传统撬棒保护的基础上增加了一个串联电阻，尽管在一定程度上减少了撬棒的投入次数和时间，但没有从根本上解决转子变流器失控的问题。 文献[6]，[7]提出了转子串联电阻与卸荷电路协调控制， 但此方法面对未知故障的灵活性较低， 且电阻是按最严重的故障情况来整定， 忽略了轻度故障下投入大电阻对转子侧电路稳定性的影响。

针对双馈风机传统LVRT 方案的不足， 本文提出一种转子串联可变电阻（SDR）与卸荷电路配合的改进低电压穿越方式。 本方案本着“离线计算，在线匹配”的思想，无须在线整定，在一定程度上提高了方案的执行效率。 该方案离线整定出不同故障程度下所对应的制动电阻，并形成策略表，电网故障后， 根据并网点电压查表匹配出适合的电阻，通过控制IGBT 开关占空比实现等效接入；若当前的制动电阻无法抑制转子电流， 则按照策略表逐级增大电阻， 改变占空即能实时调整等效阻值。 在PSCAD/EMTDC 平台上搭建DFIG 模型，仿真风电机组的低电压穿越特性， 与传统方案进行对比分析， 验证了本文方案能够提高了转子侧保护电路的灵活性和机组暂态稳定性， 且转子变流器在故障过程中持续运行， 减少了风机吸收的无功，有助于电网恢复正常。

1 转子串可变电阻的LVRT 方案原理

1.1 拓扑结构图

转子侧保护电路的拓扑结构如图1 所示。

图1 转子侧保护电路拓扑结构Fig.1 Rotor side protection circuit topology

图中，R1，R2的投切由全控型电力电子器件IGBT 来控制。 通过控制IGBT1，IGBT2 的开关占空比可改变接入电阻的等效阻值。

投入的等效阻值为

式中：D1，D2分别为IGBT1，IGBT2 导通脉宽的占空比。

图2 为转子等效电路图。

图2 转子侧等效电路图Fig.2 Equivalent circuit of rotor side

故障期间，制动电阻投入后，转子绕组等效电阻增加，有效地缩短了直流分量的衰减时间，减小了衰减交流分量的初值及稳态交流分量的幅值，从而降低暂态转子电流峰值[3]。 同时，转子变流器仍然处于运行状态。

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1.2 方案原理

本文离线形成一份策略表，如表1 所示。 按照电压跌落程度分成9 个区间，每个区间的跌落深度间隔大概为10%，各区间均已整定出相应的接入电阻值。 电网发生故障瞬间，检测并网点电压， 查表后通过控制开关占空比D1，D2等效出预设电阻，并在电阻投入过程中，可以根据当前故障情况实时调整阻值以达到最佳限流效果。 制动电阻投入后若直流母线电压越限， 则启动卸荷电路消耗多余能量，维持变流器安全运行。

表1 串接电阻策略表Table 1 Series dynamic resistor strategy table

1.3 保护电路投切控制策略

转子串联可变电阻的投切策略流程图如图3所示。

图3 制动电阻投切策略流程图Fig.3 Dynamic resistor switching strategy

2 故障下DFIG 转子电流

文献[4]已详细地分析了故障期间转子的暂态过程，并给出了转子电流的表达式，本文仅简单阐述。

DFIG 正常运行下，转子电压在转子坐标参考系下的表达式为

式中： 上标r 为参数在转子坐标参考系下的表示形式； →ur0为定子磁链在转子侧感应出的电压；Rr，Lr为转子电阻、 电感；Lm为励磁电感；→irr为转子电流；σ=1-Lm2/LSLr为漏感系数。

当电网电压跌落时，根据磁链守恒，定子侧会出现衰减的定子磁链直流分量； 此分量在转子侧产生一个幅值与跌落程度有关的暂态电动势，故障后→urr0变为

式中：Us，Usf为故障前、 后的定子电压幅值；s 为转差率；ωs，ω 分别为同步转速、转差角频率；τs=LS/RS为等效定子时间常数。

由式（4）可知，DFIG 转子故障电流可分解为4 个分量[5]：

忽略定子电阻后有e-t/τs≈1，将各分量转换成三角函数的形式后：

3 可变制动电阻与卸荷电阻的整定

目前，还未有制动电阻准确的整定方法，可借鉴撬棒电阻整定的约束条件，以取得大致范围，整定要求： ①所串电阻应能将故障电流和电压抑制在变流器能承受的范围内；②所串电阻不能过大，防止转子电压超过变流器的安全电压阈值。

转子接入电阻后变流器持续运行， 考虑各分量在最大电流下的幅值，为了简化分析，令τ=τr，转子电流峰值为

4 仿真分析

在PSCAD/EMTDC 平台中建立容量为2 MW的DFIG 低电压穿越仿真模型，DFIG 经过0.69 kV/33 kV 和33 kV/110 kV 两台变压器并入无穷大电网， 且两台变压器分别为Yg/Yg和Yg/Δ 接线方式，风电机组参数如表2 所示。

表2 DFIG 机组参数Table 2 DFIG parameters

设t=5 s 时，并网点发生三相短路故障，持续200 ms，5.2 s 故障切除。 为了验证本文方案LVRT效果更好，分别在电压跌落30%，90%的情况下对本文提出的方案（方案1）、传统撬棒保护方案（方案2） 和转子串联固定电阻与卸荷电路配合方案（方案3）进行对比分析，3 种方案均采用检测转子电流、直流侧电压的方式来触发保护电路。其中转子电流额定值为0.55 kA， 直流母线电压额定值为1 150 V，卸荷电阻取值0.1 Ω，撬棒电阻为1.5 Ω，R1=0.18 p.u.，R2=0.76 p.u.。 为了给变流器的安全运行留一定的裕度，当转子电流＞1.6 IrN时投入撬棒电阻。

4.1 电压跌落30%下的低电压穿越分析

当电压跌落30%时，制动电阻的整定值如前文所述， 横坐标为仿真时间t，3 种方案的仿真结果如图5 所示。

图5 电压跌落30%时LVRT 特性对比Fig.5 Comparison of LVRT characteristics of 30% voltage sag

由图5 可知，电压跌落较轻时，3 种方案的限流能力相差不大， 但传统撬棒方案无法抑制直流母线电压的骤升，电压被抬升至1 230 V，比转子串联电阻方案高出50 V 左右； 对比功率发现，方案1 有功、无功损耗最少。电磁转矩的暂态特性与转子串接的电阻关系密切， 方案3 中固定电阻按故障最严重的情况整定， 突然接入大电阻会导致电磁转矩振荡幅度大， 而且会影响转子侧功率传输；相反，方案1 通过检测出实际的电压跌落程度后确定适当的接入阻值， 使串联电阻对机组干扰最小，有利于系统的暂态性能。

通常故障电流上升速度很快， 引用策略表可直接匹配到相应阻值并接入，无须在线整定，有效缩短了故障后接入电阻的时间， 并且在电阻投入过程中还可根据当前故障状况实时改变接入电阻大小，此方法在工程中更具有实际意义。

4.2 电压跌落90%时低电压穿越仿真

电网电压跌落90%时， 仿真对比结果如图6所示。

图6 电压跌落90%时LVRT 特性对比Fig.6 Comparison of LVRT characteristics of 90% voltage sag

由图6 可知， 方案1 中由于IGBT 开关频率较高，损耗相对大一些，但其无功损失较小，故障切除后恢复速度比方案3 快； 对于转子故障电流电压的抑制效果基本一样。 在方案1，方案2 中，尽管撬棒电阻与制动电阻取值相同， 但由于保护电路接入的方式不同， 导致机组的系统响应也有所不同。 撬棒保护动作后，转子电流、直流母线电压均超出安全阈值， 而且此时双馈风机变为异步电机， 从电网吸收了约1.5 MVar 的无功功率，影响并网点电压恢复；转子串电阻方案中，故障期间网侧有功损失更少，效率更高；同时电磁转矩振荡幅度比传统撬棒保护的小，暂态稳定性更高，有利于延长双馈风电系统齿轮箱的使用寿命。

5 结束语

由于转子侧串联背靠背变流器的特殊结构，DFIG 具有比其他风机更复杂的暂态特性，在不同的故障程度和故障时刻下， 转子电流有不同的特点。 传统撬棒保护动作过程中双馈风机从电网吸收无功，恶化了故障程度；而转子串联固定电阻灵活性低，难以兼顾各种程度的电压跌落。本文方案投入后，变流器处于可控状态，有助于电网电压恢复正常，同时在面对不同程度的故障时，不仅可以选择接入的电阻， 还能根据当前情况实时调整串接阻值，在一定程度上克服了固定电阻的缺点，有效改善了机组的瞬态性能， 具备更好的低电压穿越能力。