雙饋風電機組低電壓穿越能力的提高

李鴻儒，金煒東，胡立錦

（1.西南交通大學電氣工程學院，成都 610031；2.新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830047）

雙饋風電機組低電壓穿越能力的提高

李鴻儒1，金煒東1，胡立錦2

（1.西南交通大學電氣工程學院，成都 610031；2.新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830047）

采用Crowbar保護會使電網故障時無功不足的情況更加嚴重，影響電壓恢復，而且故障時，變流器直流側母線會產生過電壓，尤其是故障發(fā)生點接近風電場時，轉子轉速會出現(xiàn)較大的振蕩。在DIgSILENT中建立了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)模型，仿真分析了通過Crowbar保護電路投入使網側變流器以STATCOM模式運行，并額外增加動態(tài)無功補償設備、電網發(fā)生故障時增加直流側耗能電路和附加轉速穩(wěn)定器這3種策略來有針對性地解決上述問題，提高雙饋風電機組的低電壓穿越能力。

雙饋風力發(fā)電機；低電壓穿越；靜止同步補償器；直流側耗能電路；附加轉速穩(wěn)定器

雙饋電機DFIG（doubly-fed induction generator）具備變速恒頻、有功和無功解耦控制、所需變流器容量小等特點，是目前的主流機型。電網故障時，DFIG轉子側出現(xiàn)過電流和過電壓[1]，不具備低電壓穿越LVRT（low voltage ride through）能力的機組將脫離電網以避免變流器被損壞，大容量風電機組的切出將導致電網功率不平衡，很可能發(fā)生連鎖反應，造成大規(guī)模停電[2]，而具備LVRT能力的風電機組可以在電網故障時不切出，幫助電網完成故障恢復，LVRT是風電并網中的核心技術。

目前主要采用Crowbar保護電路來實現(xiàn)風電機組在大干擾下也具有LVRT能力，而采用Crowbar保護會帶來一些新的問題：故障發(fā)生后，電網需要大量無功功率的支撐來完成電壓恢復，而投入Crowbar電路使得電機轉子被短接，DFIG以感應電機方式運行，也需要從電網吸收大量無功功率[3]，加劇了系統(tǒng)無功功率的不足，威脅風電場附近電網電壓穩(wěn)定性。

DFIG在面對電網故障時不僅僅在轉子中產生過電流，而且由于風電場終端電壓跌落使得風力機在故障過程中吸收的能量無法被及時送出，迫使變流器直流側母線產生過電壓，如果電壓跌落嚴重時，這個過電壓將達到很高的值，威脅變流器及電容的安全[4]。

如果電網故障發(fā)生點遠離風電場，網側變流器可對產生的定子功率波動起到一定的抑制作用，然而網側變流器并不能有效地抑制轉子轉速波動，尤其是故障發(fā)生在風電場附近時，轉子轉速過度的波動會造成機械耦合點產生很大的壓力，威脅傳動機構的安全，再者，相對于轉子轉速快速地變化，通過槳距角控制所產生的槳距角變化是較慢的，很難實現(xiàn)轉子轉速的快速恢復穩(wěn)定[5]。

針對上述3個問題并結合中國風電大規(guī)模遠距離的特點，在DIgSILENT中建立了DFIG的動態(tài)模型，并經過長距離輸電線與IEEE9節(jié)點電力系統(tǒng)相連，通過使網側變流器以靜止同步補償器STATCOM（static synchronous compensator）模式運行并額外增加動態(tài)無功補償設備，增加直流側耗能電路和附加轉速穩(wěn)定器等方法，提高了DFIG的LVRT能力。

1 DFIG發(fā)電系統(tǒng)

圖1為含有Crowbar保護的DFIG發(fā)電系統(tǒng)典型拓撲結構。DFIG由繞線式感應電機在其轉子上串接變流器構成[6]，Crowbar電路并聯(lián)于轉子和變流器之間，風力機把風能轉化為機械能，并經過齒輪箱提速后為感應電機提供轉矩。

圖1 DFIG發(fā)電系統(tǒng)拓撲結構Fig.1 Topology structure of the DFIG power generation system

圖2為含有Crowbar保護的DFIG等效電路[5，7]。當電網發(fā)生短路故障時，Kc閉合，由于Zc（Crowbar阻抗）很小，變流器被阻塞，實現(xiàn)了保護功能。

1.1 DFIG動態(tài)模型

DFIG數(shù)學模型與感應電機基本一致[8，9]，其電壓方程為

圖2 DFIG等效電路Fig.2 Equivalent circuitof the DFIG

式中：uds、uqs和udr、uqr分別為定子電壓Us和轉子電壓Ur的d軸、q軸分量；ids、iqs和idr、iqr分別為定子電流和轉子電流的d軸、q軸分量；φds、φqs和φdr、φqr分別為定子磁鏈和轉子磁鏈的d軸、q軸分量；Rs、Ls和Rr、Lr分別為定子繞組和轉子繞組的電阻與電感；Lls和Llr分別為定子和轉子的漏感；Lm為勵磁電感；w和wr分別為同步角速度和轉子角速度；p為微分算子。

轉子側變流器交流側電壓|Uac|與直流側電壓Udc的關系表達式[10]為

式中，m為變流器的調制系數(shù)。

1.2 變流器控制

圖3為網側和轉子側變流器控制系統(tǒng)框圖[5]。網側變流器主要功能是穩(wěn)定直流電壓，常采用基于電網電壓定向的雙閉環(huán)矢量控制，外環(huán)控制直流電壓、內環(huán)為電流環(huán)，一般令無功電流參考值iq_ref=0使網側有單位功率因數(shù)輸出。轉子側變流器主要用來控制功率，常采用基于定子磁鏈定向的雙閉環(huán)矢量控制來實現(xiàn)有功功率和無功功率解耦，外環(huán)為功率環(huán)，內環(huán)為電流環(huán)[11]。有功功率參考值由最大功率跟蹤MPPT（maximum power point tracking）控制給定，令無功功率參考值Qref=0。

圖3 變流器控制框圖Fig.3 Controlblock diagram of converter

2 低電壓穿越能力的提高

2.1 額外增加STATCOM

圖4為電壓型橋式STATCOM原理示意，其直流側為電容儲能元件，為STATCOM提供直流電壓支撐，通過逆變器將直流電壓轉換為交流電壓，控制逆變器的可關斷器件絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gatebipolar transistor）驅動脈沖可改變交流電壓的大小、頻率和相位，控制其對應的交流電流即可實現(xiàn)吸收或發(fā)出滿足需求的無功功率，并通過變壓器將逆變器的輸出電壓等級變換到補償點電壓等級，即可實現(xiàn)動態(tài)無功補償[12，13]。

圖4 STATCOM原理示意Fig.4 Sketchmap of STATCOM

采用電網電壓定向矢量控制時，STATCOM注入電網的有功功率和無功功率[14]分別為

即P與id及Q與iq分別成比例關系，通過對電流進行控制就可以實現(xiàn)功率的控制，id代表有功分量，iq代表無功分量。圖5為STATCOM的控制框圖，通過對逆變器直流電壓的控制使其保持在額定值是逆變器正常運行的前提。對逆變器輸出交流電壓進行控制，調整無功電流分量，可為系統(tǒng)提供動態(tài)無功補償。DIgSILENT中變流器的控制模式有多種[15]，文中采用了輸入量為電流及逆變器交流電壓相角正弦、余弦的模式。

圖5 STATCOM控制框圖Fig.5 Block diagram of STATCOM control

2.2 網側變流器STATCOM模式運行

Crowbar保護電路投入后，轉子側變流器被堵塞，但可以使網側變流器運行于STATCOM模式[16]。正常運行時設置iq_ref=0，故障時則切換到圖3中虛框A所示控制，即可實現(xiàn)網側變流器單位功率因素輸出和STATCOM運行兩種模式間的切換，為系統(tǒng)提供無功支撐，改善故障電壓恢復情況。

2.3 直流側耗能電路

圖6 直流側耗能電路控制策略Fig.6 DC-link chopper controlstrategy

電網發(fā)生故障時，DFIG變流器直流側母線會產生過電壓，其本質原因是風力機在故障過程中吸收的能量無法被及時送出，針對這個情況，在直流側母線增加一個能釋放直流電容儲能的通道，可以較快地降低直流母線電壓，實現(xiàn)保護變流器及直流電容的作用。直流側耗能電路連接在直流電容的正、負兩極，見圖1中虛框包含的部分，由耗能電阻和控制通道開閉的功率器件IGBT組成[4]。直流側耗能電路的控制策略如圖6所示，系統(tǒng)正常運行時，IBGT斷開，耗能電路不起作用。當電網發(fā)生故障時，判斷直流電容電壓是否超過設定的上限值Uhigh，如果超過則控制IGBT導通投入耗能電路；如果直流電容電壓低于設定的下限值Ulow，則關斷IGBT切出耗能電路。

2.4 附加轉速穩(wěn)定器

針對故障清除后，機組轉速產生的震蕩，增加一個轉速穩(wěn)定環(huán)節(jié)，作為Pref的補償量，見圖3中虛框B包含的部分，K1在故障發(fā)生時閉合，轉速恢復穩(wěn)定后斷開，可實現(xiàn)機組轉速快速趨于穩(wěn)定。其基本原理是：當機組轉速wr低于穩(wěn)態(tài)值wref時，減小給定的有功功率Pref，以減少向電網輸送的有功功率，阻止轉速進一步降低；反之，當wr＞wref時，為Pref提供正的補償量，以增加向電網輸送的有功功率，降低發(fā)電機的轉速[5]。有功功率補償量ΔP計算公式為

式中，K為比例控制環(huán)節(jié)，根據(jù)實際調整其值，充分發(fā)揮轉速穩(wěn)定器的性能。

3 仿真分析

在DIgSILENT中搭建含有DFIG的電力系統(tǒng)模型[6，15]如圖7所示。由10個5MVA的DFIG機組組成的風電場經過長距離輸電線與IEEE9節(jié)點電力系統(tǒng)相連，其中兩個虛框包含的部分分別為增加的STATCOM電路和直流側耗能電路。DFIG電力系統(tǒng)模型參數(shù)如表1～表3所示。

圖7 含有DFIG的電力系統(tǒng)模型Fig.7 M odelof power system w ith DFIG

表1 5MW風機參數(shù)（DIgSILENT軟件自帶）Tab.1 Parametersof the 5MW w ind generator（defaultparametersofDIgSILENT）

表2 IEEE9節(jié)點電力系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Parametersof the IEEE9 power system

表3 增加模塊參數(shù)Tab.3 Parametersof the increasedmodules

3.1 動態(tài)無功補償

t=0時，Bus處發(fā)生時長為0.2 s的三相短路故障，在網側變流器和額外增加的STATCOM同時進行無功補償、只有網側變流器進行無功補償和沒有任何無功補償這3種情況下，風電場從電網吸收的無功功率和機端電壓的運行情況如圖8所示。仿真結果表明，通過動態(tài)無功補償減少風電場從電網吸收的無功功率，可以有效地改善故障清除后機端電壓恢復情況；只有網側變流器為系統(tǒng)提供無功補償可以達到一定的效果；網側變流器和額外增加的STATCOM同時進行無功補償時效果是最好的。文中額外增加的STATCOM容量和網側變流器容量是一致的，實際中可根據(jù)具體需求，調整額外增加的STATCOM的容量。

3.2 直流側耗能電路

圖9為t=0時，Bus處發(fā)生時長0.2 s的三相短路故障，在直流側耗能電路投入與否的兩種情況下變流器直流電壓Udc和機端電壓Uac的運行情況。仿真結果表明，沒有耗能電路的情況下，變流器直流電容電壓在短路發(fā)生瞬間立刻上升到1.8 kV，并在故障清除前一直持續(xù)很高的電壓；而增加直流側耗能電路能有效快速地降低變流器直流電壓，從而可以對變流器和直流電容起到較好的保護作用。

3.3 附加轉速穩(wěn)定器

t=0時，Bus處發(fā)生時長0.2 s的三相短路故障，在采用轉速控制器與否兩種情況下，發(fā)電機轉速n和機端電壓U的運行結果如圖10所示。仿真結果表明，沒有附加轉速穩(wěn)定器時，機組轉速從故障發(fā)生時刻開始振蕩，3 s后都還不能完全穩(wěn)定；而采用附加轉速穩(wěn)定器時，機組轉速在故障發(fā)生后1 s就已經基本穩(wěn)定，在故障清除后能較快地恢復到穩(wěn)態(tài)值，提高了轉速穩(wěn)定性。

圖8 三相短路故障情況下機端電壓和無功功率Fig.8 Voltage and reactive power of PCC under three-phase short circuit fault conditions

圖9 三相短路故障情況下直流電壓和機端電壓Fig.9 DC voltagesand PCC voltagesunder three-phase short circuit fault conditions

圖10 三相短路故障情況下電機轉速和機端電壓Fig.10 Generator speedsand PCC voltagesunder three-phase short circuit fault conditions

4 結語

根據(jù)中國風電大規(guī)模遠距離的特點，在DIgSILENT中建立了含有DFIG的電網模型（風電占全部電力裝機容量的比例達13.6%）。仿真分析了在普通DFIG的基礎上，改進網側變流器的運行方式，使其在電網發(fā)生故障時運行于STATCOM模式，并額外增加STATCOM，可改善故障清除后機端電壓的恢復情況；增加的直流側耗能電路可快速有效地降低變流器直流電壓；附加轉速穩(wěn)定器能使發(fā)電機轉速在故障清除后能較快的恢復到穩(wěn)態(tài)值。文章以單機容量為5MW的DFIG及三相短路故障為例，但完全適用于其它單機容量不同的DFIG和各種類型的短路故障，分別從3個方面提高了DFIG的LVRT能力。

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Improved Low Voltage Ride Through Capability of Doubly-fed W ind Generator

LIHong-ru1，JINWei-dong1，HU Li-jin2
（1.SchoolofElectricalEngineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.College of Electrical Engineering，Xinjiang University，Urumqi830047，China）

Using the crowbar protectionmakes the shortage of reactive powermore seriouswhen faulthappens in the powergrid，which impactson the voltage recovery rate.Also，the faultwill result in over-voltage in DC busof converter.Especially in the case of the fault location closing towind farm，the rotor speed will show larger oscillation.A dynamicmodel of doubly-fed wind power generation system is established in DIgSILENT.The simulation ofmaking the grid side converter operate in STATCOM mode after the crowbar protection circuit is put into operation and increasing dynamic reactive compensation equipmentare analyzed.Results show that increasing DC-link chopper and additional speed stabilizerwhen powergrid faulthappens can solve above three problemsand improve the low voltage ride through（LVRT）capability ofdoubly-fed induction generator（DFIG）.

doubly-fed induction generator（DFIG）；low voltage ride through（LVRT）；static synchronous compensator（STATCOM）；DC-link chopper；additionalspeed stabilizer

TM614

A

1003-8930（2013）05-0007-06

李鴻儒（1986—），男，碩士研究生，從事風力發(fā)電系統(tǒng)建模與并網研究。Email：lhru1818@126.com金煒東（1959—），男，教授，博士生導師，從事系統(tǒng)仿真、自動控制和智能信息處理等領域的研究。Email：wdjin@home. swjtu.edu.cn

2012-05-28；

2012-08-22

國家自然科學基金（60971103）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金，智能電網關鍵技術

胡立錦（1986—），男，碩士研究生，從事風力發(fā)電機控制與繼電保護方面的研究。Email：hulijin11@163.com