提高雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)故障穿越能力的控制策略

鄧文浪， 陳智勇，2， 段斌

(1．湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南湘潭411105;2．湘電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭411102)

0 引言

雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)(doubly－fed induction generator，DFIG)廣泛應(yīng)用于單機(jī)容量為兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。其主要優(yōu)勢在于DFIG勵磁變頻器容量小，成本低。容量僅占同級別永磁同步發(fā)電機(jī)全功率變頻器容量的20% ～30%［1］。與全功率變頻器相比，勵磁變頻器對電網(wǎng)擾動更為敏感，并且要求特殊的變頻器保護(hù)電路。

為了避免電網(wǎng)故障期間DFIG脫網(wǎng)運(yùn)行對電網(wǎng)造成不利影響，風(fēng)力發(fā)電普及較高的國家已經(jīng)制定嚴(yán)格的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn):所有新安裝的風(fēng)力機(jī)應(yīng)該具有故障穿越(fault ride－through，F(xiàn)RT)或者低壓穿越(low voltage ride－through，LVRT)的能力。這種能力意味著所有的發(fā)電廠(包括風(fēng)電)應(yīng)該具有故障期間和低壓條件下維持并網(wǎng)的能力［2－3］。電網(wǎng)故障期間要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠向電網(wǎng)注入額外的無功功率用以支持公共連接點(point of common coupling，PCC)的電壓以及能夠在故障清除后立刻恢復(fù)有功功率輸出。德國E．ON公司分別于2006年4月和2008年4月頒布高壓與超高壓電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［4］和海上風(fēng)電場并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［5］。

為提高電網(wǎng)故障狀態(tài)下DFIG的LVRT性能，一般有如下3種方式:①加強(qiáng)向電網(wǎng)注入的無功電流量［6－11］;② 優(yōu)化變頻器控制環(huán)節(jié)［12－13］;③ 采用Crowbar限制轉(zhuǎn)子過流保護(hù)變頻器［14－20］。

通過對LVRT技術(shù)3種常用方式優(yōu)缺點的總結(jié)，本文采用一種新型FRT技術(shù)。這種控制技術(shù)包含雙PWM變頻器線路重構(gòu)、旁路電阻Crowbar裝置、無功電流給定和無功電流優(yōu)先原則4個部分。通過與常規(guī)Crowbar故障穿越技術(shù)的對比研究，驗證所采用的新型FRT技術(shù)能夠穩(wěn)定并提升風(fēng)電場終端電壓，加強(qiáng)有功與無功功率輸出，保護(hù)變頻器的安全運(yùn)行，幫助系統(tǒng)各項性能指標(biāo)在故障清除后及時恢復(fù)。

1 常規(guī)Crowbar故障穿越技術(shù)

提高DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的FRT性能，關(guān)鍵是要能夠有效抑制轉(zhuǎn)子過電流、直流母線過電壓以及電磁轉(zhuǎn)矩振蕩［18］。采用常規(guī)Crowbar技術(shù)能有效提高DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)FRT能力。

電網(wǎng)故障發(fā)生后，由于風(fēng)電場終端電壓跌落使得DFIG發(fā)出的功率不能及時送向電網(wǎng)。于是迫使直流母線電壓處于升高趨勢，并且在定、轉(zhuǎn)子線路上產(chǎn)生過電流。直流母線電容儲能驟升以及轉(zhuǎn)子線路電流甚高將威脅雙PWM變頻器的安全運(yùn)行。此時，將旁路電阻Crowbar裝置投入轉(zhuǎn)子線路中，為轉(zhuǎn)子過電流提供旁路，抑制并衰減轉(zhuǎn)子短路電流。

然而僅利用旁路電阻Crowbar裝置提高DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的FRT能力是有限的并且存在以下不足之處:

1)盡管轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器(rotor－side converter，RSC)功率開關(guān)在旁路電阻Crowbar裝置投入運(yùn)行時全部處于封鎖狀態(tài)，但是由于RSC仍然與轉(zhuǎn)子線路存在物理上的連接，Crowbar電阻產(chǎn)生的電壓若高于直流母線電壓，轉(zhuǎn)子過電流將通過RSC反向并聯(lián)的二極管流入直流母線［18］，使得直流母線電容儲能至更危險的水平。

2)電網(wǎng)電壓驟降時，為了維持終端電壓的穩(wěn)定，并且?guī)椭L(fēng)電場各項性能指標(biāo)在故障清除后及時恢復(fù)，風(fēng)電場必須向電網(wǎng)輸送額外無功電流［9－10］。RSC 在旁路電阻 Crowbar裝置動作期間始終保持封鎖狀態(tài)，只能從網(wǎng)側(cè)變頻器(grid－side converter，GSC)向電網(wǎng)注入額外無功電流［9，18］。由于DFIG的雙PWM勵磁變頻器容量限制，僅從GSC向電網(wǎng)注入額外無功電流能力十分有限。在設(shè)計具有FRT能力的雙PWM變頻器的容量時，存在容量與其成本之間的矛盾。

3)電網(wǎng)故障發(fā)生后，Crowbar裝置投入運(yùn)行之前，直流母線電壓瞬間超出額定值，母線電容被迫充電至較高水平。當(dāng)Crowbar裝置投入運(yùn)行時，RSC處于封鎖狀態(tài)，僅從 GSC 向電網(wǎng)釋放電容能量［1，14］。由于GSC容量的限制，電容不足以迅速釋放過儲能，不利于變頻器的安全運(yùn)行。一般需要在直流母線上加裝泄放回路以防止直流電壓升高。盡管泄放回路可以將母線電容多余儲能以熱能的形式釋放，但是其頻繁動作可能引起直流母線電壓的振蕩，延長故障清除后的調(diào)節(jié)時間。同時，泄放回路的散熱問題也應(yīng)該在設(shè)計雙PWM變頻器時予以考慮。

2 新型故障穿越技術(shù)

所設(shè)計的新型FRT技術(shù)將優(yōu)化基于旁路電阻Crowbar裝置的FRT暫態(tài)控制性能，在一定程度上解決常規(guī)Crowbar故障穿越技術(shù)的不足。

2.1 雙PWM變頻器的控制

采用常規(guī)FRT技術(shù)，僅GSC工作，不能及時釋放母線電容過量儲能，而且通過GSC向電網(wǎng)注入的額外無功電流嚴(yán)重不足。若能將閑置的RSC通過重構(gòu)線路與GSC并聯(lián)，通過濾波器接入電網(wǎng)，就可以提高變頻器的容量。若RSC與GSC容量相同，并聯(lián)變頻器組合將GSC容量擴(kuò)大了一倍。在不需要額外功率器件及選擇更高容量功率開關(guān)的前提下，一定程度上解決了設(shè)計具有FRT能力的雙PWM變頻器容量與其成本之間的矛盾。

圖1 新型FRT技術(shù)控制框圖Fig．1 Control block diagram for novel FRT technology

圖1為改進(jìn)常規(guī)Crowbar技術(shù)的新型FRT技術(shù)控制框圖。正常工作狀態(tài)下開關(guān)S1處于封鎖，開關(guān)S2導(dǎo)通a側(cè)。電網(wǎng)故障發(fā)生后，如果轉(zhuǎn)子電流或者直流母線電壓超過變頻器穩(wěn)態(tài)控制的閾值(分別為2pu和1.2pu)時，啟動新型 FRT技術(shù)，開關(guān) S1導(dǎo)通，旁路電阻Crowbar裝置投入運(yùn)行，開關(guān)S2封鎖a側(cè)導(dǎo)通b側(cè)。采用新型FRT技術(shù)后，轉(zhuǎn)子側(cè)線路通過旁路電阻Crowbar裝置串聯(lián)，而RSC不再與轉(zhuǎn)子線路物理連接。因此，避免了Crowbar電阻高壓威脅直流母線電容安全。

當(dāng)電網(wǎng)故障清除后，風(fēng)電場終端電壓恢復(fù)至0.85pu，認(rèn)為風(fēng)電場成功穿越故障［4］。此時Crowbar應(yīng)從轉(zhuǎn)子線路中切除，變頻器應(yīng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)，即開關(guān)S1封鎖，開關(guān)S2導(dǎo)通a側(cè)封鎖b側(cè)。

正常工作狀態(tài)下，RSC脈寬調(diào)制(PWM)的控制開關(guān)選擇a側(cè)，實現(xiàn)風(fēng)能跟蹤以及輸出有功功率與無功功率的解耦控制;電網(wǎng)故障狀態(tài)下，采用新型FRT技術(shù)時，開關(guān)選擇b側(cè)，此時兩個變頻器共用同一組PWM信號，實現(xiàn)并聯(lián)逆變器的暫態(tài)優(yōu)化控制。

正常工作狀態(tài)下，RSC工作在滑差頻率，暫態(tài)控制時切換至電網(wǎng)頻率。開關(guān)S2動作瞬間要求RSC功率開關(guān)有短暫封鎖，避免頻率切換暫態(tài)過程對電網(wǎng)造成影響。

正常工作狀態(tài)下，GSC的控制前向通道上的三個控制開關(guān)全部選擇a側(cè)，實現(xiàn)維持直流母線電壓的穩(wěn)定和勵磁功率的調(diào)節(jié);電網(wǎng)故障狀態(tài)下，采用新型FRT技術(shù)時開關(guān)全部選擇b側(cè)，實現(xiàn)無功電流的暫態(tài)優(yōu)化控制和限制直流母線過壓。

圖1 中 u、I、R、L 表示電壓、電流、電阻、電感;下標(biāo)g、r表示雙PWM變頻器網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)分量;下標(biāo)s、r、m表示定子、轉(zhuǎn)子、勵磁分量;上標(biāo)*表示參考量;ut為終端電壓;ωg、ωr為電網(wǎng)電壓、轉(zhuǎn)子電壓角速度;Lf、Rf網(wǎng)側(cè)濾波器等效電感、電阻(正常工作狀態(tài)時，Lf應(yīng)為Lf1和L2串聯(lián)有效值;逆變器并聯(lián)工作時，Lf應(yīng)為 Lf1、L1、L2串并聯(lián)有效值);Ig為 GSC 電網(wǎng)端電流;udc直流母線電壓;T*e為電磁轉(zhuǎn)矩給定值;Q無功功率;ψs定子磁鏈幅值;Δurd、Δurq轉(zhuǎn)子電壓補(bǔ)償d、q分量。

2.2 無功電流的控制

電網(wǎng)故障期間FRT控制應(yīng)該能夠向電網(wǎng)注入額外無功電流以支持電網(wǎng)電壓并幫助其盡快恢復(fù)?？刂葡到y(tǒng)的無功電流給定量應(yīng)該遵循相應(yīng)的電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。例如，德國E．ON公司頒布的高壓與超高壓電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)［4］指出:當(dāng)DFIG終端電壓有效值跌落超過正常水平的10%時，就必須通過發(fā)電機(jī)變壓器的低壓側(cè)向電網(wǎng)注入額外無功電流。無功電流注入應(yīng)該在發(fā)電廠識別電網(wǎng)故障后的20ms以內(nèi)開始。當(dāng)電壓恢復(fù)至死區(qū)范圍內(nèi)(見圖2)，額外無功電流注入必須繼續(xù)維持500ms以上。故障清除后發(fā)電廠終端電壓恢復(fù)至正常水平的暫態(tài)平衡過程必須在300ms內(nèi)結(jié)束。所設(shè)計的新型FRT技術(shù)的無功電流給定量按E．ON無功電流注入原則進(jìn)行。圖2中:In為額定電流;Iq為無功電流分量;Iq0為故障前無功電流分量;ut為故障期間終端電壓;ut0為故障前終端電壓;un為額定終端電壓。

圖2 E．ON電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)無功電流要求Fig．2 Reactive current injection for E．ON grid code

然而，勵磁變頻器容量的限制(即變頻器額定電流值較小)，為了使得并聯(lián)逆變器向電網(wǎng)注入的無功電流量在電網(wǎng)故障期間始終滿足圖2所示的要求，應(yīng)該采取無功電流優(yōu)先原則，描述為

采用無功電流優(yōu)先后，當(dāng)發(fā)電機(jī)終端電壓跌落至0.5pu以下時，無功電流優(yōu)先注入電網(wǎng)，變頻器滿負(fù)荷運(yùn)行，其冗余容量分配給有功電流。

2.3 共母線電容并聯(lián)逆變器環(huán)流產(chǎn)生條件

在新型FRT技術(shù)下，兩臺SPWM逆變器并聯(lián)是否產(chǎn)生環(huán)流現(xiàn)分析如下:

若某一時刻，逆變器1、2的開關(guān)序列分別為110、011，對應(yīng)的導(dǎo)通狀態(tài)見圖3所示。

圖3 并聯(lián)逆變器導(dǎo)通狀態(tài)Fig．3 Conduction state of parallel inverters

并聯(lián)逆變器對應(yīng)的A、B、C三相通過各自輸出電感串聯(lián)后形成三個電感并聯(lián)回路。圖3對應(yīng)的A、B、C三條并聯(lián)支路的環(huán)流電路圖分別如圖4所示。

圖4 并聯(lián)逆變器環(huán)流電路簡化圖Fig．4 Simplified diagrams for circulating circuit of parallel inverter

若電容串聯(lián)在各項輸出電感形成的串并聯(lián)支路中，會形成環(huán)流回路［21］。因此，A、C 相形成環(huán)流，僅B相不形成環(huán)流。由以上分析可知:只要在同一時刻共用直流母線電容并聯(lián)運(yùn)行的逆變器開關(guān)狀態(tài)保持一致，理論上不會產(chǎn)生環(huán)流。

為了滿足低損耗要求，一般利用載波移相技術(shù)消除并聯(lián)大功率逆變器的諧波。各個并聯(lián)逆變器共用一個調(diào)制信號，不同的逆變器之間的三角載波移相Tc/n個周期(Tc載波周期，n并聯(lián)逆變器數(shù))。載波移相技術(shù)使得各個逆變器的功率開關(guān)狀態(tài)不同步，因此并聯(lián)單元之間形成環(huán)流回路。采用載波移相技術(shù)消除諧波的同時不得不通過有效的控制途徑抑制環(huán)流。實際應(yīng)用時，電感L1、L2能夠抑制由于開關(guān)誤動作產(chǎn)生的環(huán)流。

提高雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)LVRT性能的主要矛盾不在于解決電網(wǎng)故障后風(fēng)電系統(tǒng)的諧波問題，而在于盡可能維持風(fēng)力機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行與勵磁變頻器承受過電流和過電壓之間的矛盾。同時，電網(wǎng)電壓跌落持續(xù)時間短暫(往往幾十至幾百毫秒)，F(xiàn)RT暫態(tài)控制逆變器并聯(lián)工作時間因此也很短。加之，勵磁變頻器容量相對較小，產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)影響不大?；谝陨戏治?，新型FRT技術(shù)采用兩并聯(lián)SPWM逆變器共用同一組調(diào)制和載波信號。

圖5為風(fēng)電場輸出電壓的a相諧波含量圖。電力系統(tǒng)及環(huán)境參數(shù)見3.1節(jié)，雙PWM變頻器的開關(guān)頻率為1 620Hz。風(fēng)電場正常工作時，輸出電壓的總諧波畸變THD=2.08%，見圖5(a)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相接地短路故障(電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落)，抽取暫態(tài)過程中4個周期的電壓進(jìn)行頻譜分析。采用常規(guī)Crowbar故障穿越技術(shù)，風(fēng)電場輸出電壓的THD=11.37%，見圖5(b)。采用新型FRT技術(shù)時輸出電壓的 THD=8.37%，見圖5(c)。另外，采用新型FRT技術(shù)但不提供額外無功電流支持，輸出電壓的THD=10.59%，見圖 5(d)。對比圖5(b)、5(c)，可以推斷:暫態(tài)過程中并聯(lián)逆變器對電網(wǎng)的諧波影響不大。對比圖 5(b)、5(c)、5(d)，可以推斷:新型FRT技術(shù)向電網(wǎng)注入額外無功電流能夠穩(wěn)定終端電壓，使得輸出電壓諧波含量比常規(guī)Crowbar故障穿越技術(shù)時有所減少。

3 仿真實現(xiàn)

3.1 電力系統(tǒng)環(huán)境

9MW的風(fēng)電場由6臺容量為1.5MW的DFIG風(fēng)力機(jī)組組成。6臺機(jī)組與25kV配電系統(tǒng)連接。風(fēng)電場由經(jīng)30公里25kV饋線向電力系統(tǒng)(120kV 2500MVA)輸送功率。同時風(fēng)電場575V輸出總線上連有500kW阻性負(fù)載和0.9MVar濾波器，見圖6。

三相接地短路故障發(fā)生在30km饋線遠(yuǎn)離風(fēng)電場端。故障發(fā)生在T=0.2s，通過隔離故障輸電線，故障在T=0.3s清除。故障對整個風(fēng)電場的6臺風(fēng)電機(jī)造成的影響相同。

圖5 兩種FRT技術(shù)的諧波比較Fig．5 Contrast for harmonic between two different FRT technologies

圖6 風(fēng)電場電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．6 Structure of wind farm

風(fēng)電系統(tǒng)基準(zhǔn)值:基準(zhǔn)功率為10MVA;基準(zhǔn)電壓為575V;基準(zhǔn)頻率為60Hz;基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度為1 000r/min;基準(zhǔn)風(fēng)速為11m/s。

DFIG和環(huán)境參數(shù):極對數(shù)P=3;額定功率Pnom=10MVA;額定頻率f=60Hz;直流母線額定電壓Udc=1 200V;直流母線電容:C=60mF;變頻器容量(網(wǎng)側(cè)逆變器的額定電流):0.5pu;風(fēng)速保持10m/s不變。

3.2 兩種FRT技術(shù)的暫態(tài)特性比較

當(dāng)三相接地短路故障發(fā)生在圖6所示的30km饋線遠(yuǎn)離風(fēng)電場端時，故障程度最為嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)終端電壓跌落至0.1pu。根據(jù)圖2無功電流注入原則，無功電流注入量應(yīng)當(dāng)最大化至1pu。由于雙PWM變頻器額定電流為0.5pu，并聯(lián)逆變器單個變頻器額外無功電流注入量應(yīng)達(dá)0.5pu，見圖7(a)。通過額外無功補(bǔ)償，發(fā)電機(jī)終端電壓得到抬升并有助于電壓的及時恢復(fù)，見圖7(b)。(本文發(fā)電機(jī)吸收功率時功率值為負(fù)，輸出功率時功率值為正。)

圖7 新型FRT技術(shù)應(yīng)對電網(wǎng)電壓跌落后的無功補(bǔ)償Fig．7 Reactive compensation during grid fault in novel FRT technologies

風(fēng)電場正常運(yùn)作時，發(fā)電機(jī)組吸收0.35pu的無功功率。電網(wǎng)故障時，并聯(lián)逆變器無功發(fā)生能力比常規(guī)Crowbar控制提高近一倍，見圖8(a)。由于發(fā)電機(jī)終端電壓跌落至0pu附近，見圖7(b)，定子吸收的無功功率相應(yīng)的降低至0pu，見圖8(b)。通過并聯(lián)逆變器的無功補(bǔ)償，發(fā)電系統(tǒng)能夠在故障期間向電網(wǎng)輸出0.1pu的無功功率，見圖8(c)。

圖8 兩種FRT技術(shù)的暫態(tài)無功功率特性比較Fig．8 Contrast for transient reactive power between two different FRT technologies

并聯(lián)逆變器的無功補(bǔ)償能夠穩(wěn)定并提升故障期間發(fā)電機(jī)的終端電壓，見圖7(b)。穩(wěn)定終端電壓能夠使得故障清除后發(fā)電機(jī)及時恢復(fù)有功功率輸出，見圖9(a)。重構(gòu)變頻器線路后，直流母線電容過量儲能能夠通過并聯(lián)逆變器及時釋放，見圖9(b)。

圖9 兩種FRT技術(shù)的有功功率特性及母線電壓比較Fig．9 Contrast for active power and DC-link voltage between two different FRT technologies

由于兩種FRT技術(shù)都采用Crowbar裝置，故障期間定子和轉(zhuǎn)子過電流都能得到有效衰減。故障清除后的恢復(fù)期間，新型FRT技術(shù)能提早使得轉(zhuǎn)子和定子電流恢復(fù)正常，見圖10(a)、10(b)。故障期間，兩種FRT技術(shù)對電磁轉(zhuǎn)矩的脈動都能有效抑制，見圖10(c)。新型FRT技術(shù)能夠使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過渡過程在電網(wǎng)故障清除后盡早結(jié)束，見圖10(d)。由于故障期間電磁轉(zhuǎn)矩的絕對值變小，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速因此有小幅度上升，見圖10(d)。

圖10 兩種FRT技術(shù)的定子和轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速比較Fig．10 Contrast for stator current，rotor current，electromagnetic torque and rotation speed between two different FRT technologies

若圖6所示的大電網(wǎng)遠(yuǎn)離風(fēng)電場端電壓跌落至0.5pu，電網(wǎng)故障時間從0.2s至0.3s。依據(jù)圖2的無功電流注入原則，通過單個并聯(lián)逆變器的無功電流補(bǔ)償量0.4pu，見圖11(a)。無功補(bǔ)償后，發(fā)電機(jī)終端電壓在故障期間比采用常規(guī)Crowbar技術(shù)有所提高，見圖11(b)。終端電壓的提高使得發(fā)電機(jī)輸出的有功功率得到了提高，見圖11(c)。同時，補(bǔ)償?shù)臒o功功率能夠降低發(fā)電機(jī)組對電網(wǎng)的無功需求量，見圖11(d)，必要時還能夠向電網(wǎng)提供無功功率，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。電網(wǎng)電壓跌落程度不太嚴(yán)重時，兩種FRT技術(shù)都能夠及時抑制定子和轉(zhuǎn)子過電流，見圖11(e)和圖11(f)。直流母線電容過儲能不高時，兩種FRT策略都能合理釋放電容過儲能，母線電壓保持在安全范圍內(nèi)，見圖11(g)。

圖11 應(yīng)對電網(wǎng)電壓非嚴(yán)重跌落時兩種FRT技術(shù)對比仿真Fig．11 Contrast for two different FRT technologies response to non-severe voltage sags in grid

4 結(jié)語

針對DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計具有FRT能力的雙PWM變頻器時，存在容量與成本之間的矛盾。本文在不擴(kuò)充功率器件容量以及數(shù)量的前提下，通過變頻器線路的結(jié)構(gòu)調(diào)整，擴(kuò)充了逆變器的容量，使得電網(wǎng)故障狀態(tài)下，提高了逆變器的無功發(fā)生能力。同時能夠確保直流母線電容過量儲能及時釋放以及變頻器的安全運(yùn)行。足量的無功補(bǔ)償能夠穩(wěn)定并且提升發(fā)電機(jī)終端電壓，幫助發(fā)電系統(tǒng)各項指標(biāo)在故障清除后的及時恢復(fù)。今后還將完善相應(yīng)的實驗研究。

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