基于耗能型Crowbar的风电机组低电压穿越能力研究

牛进才 王正创 唐瑞华 丁为民

（1.巢湖学院 电子工程学院，安徽 巢湖 238000；2.巢湖学院 信息工程学院，安徽 巢湖 238000）

0 引言

风能已成为我国发展最快的可再生能源，因其出色的低碳、绿色、节能、环保等优点得到大力的发展。目前，风力发电的总装机容量正在逐年增加，风力发电“十三五”规划将原规划的2020年风电总装机容量上调至2.1亿千瓦以上，“十三五”规划纲要明确提出将继续推进风力发电的发展。随着风电的快速发展，减少弃风限电现象的发生，大规模风电的并网运行已成为发展趋势。从电网运行的安全角度考虑，要求并网运行的风电机组具有低电压穿越能力。风电机组的低电压穿越（LVRT）能力，是指当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在一定的电压跌落范围之内，风电机组能够不间断并网运行，穿越电压跌落区，直至电网恢复正常运行。世界各国均对风电机组的低电压穿越能力提出了相关标准和技术要求。中国国家电网公司规定的风电场低电压穿越要求为[1]：

（1）要求风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时，能够保持并网运行625 ms的低电压穿越能力；

（2）风电场并网点电压在发生电压跌后3 s内能够快速恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组仍能够保持并网运行。

除上述规定外，当电网电压发生电压跌落时，风电机组的低电压穿越能力要求风电机组能够不间断对电网提供一定的无功功率，以支撑电网电压[2]。由风电机组并网点电压跌落的程度决定其提供无功功率的大小。一般情况下，风电场内的风电机组不参与电网系统的频率调整，但在需要时要求其根据电网的调度指令合理分配风电机组的有功功率。

1 电压跌落对直流母线的影响

风力发电系统按照发电方式的不同可分为恒速恒频系统（CSCF）和变速恒频系统（VSCF）两大类。目前，VSCF风电系统己逐步代替CSCF风电系统，其应用范围更加广泛。双馈型机组和永磁直驱型机组在VSCF发电系统中运用较多，发电效率较高。在双馈型风电机组中，风力机通过增速齿轮箱与发电机藕合，双馈异步发电机转子通过功率变流器与电网耦合。发电机定子直接与电网连接，可实现功率的双向流动，发电机通过转子变流器和定子绕组将所发电能馈入电网，同时电网也可以向其输入一定的无功功率。针对双馈型风电机组，由于受电力电子功率器件的过流能力限制，其是否能够实现低电压穿越，一直被学术界研究和关注。永磁直驱型风电机组通过背靠背全功率变流器与电网隔离，风电机组与电网之间不是直接相连，而是通过全功率变流器与电网耦合，因此永磁直驱型风电机组对电网的冲击较小，低电压穿越能力具有一定的优势，并能对电网进行无功功率补偿[3-4]。由于其机侧变流器未直接和电网连接，因此当电网发生故障时，功率将继续从风力发电机传送到机侧变流器。网侧变流器由于受电网故障的影响，同时又受到额定电流的限制，不能将机侧变流器输出的功率全部输送至电网，多余的能量将存储在直流环节的母线电容器之中，使直流侧母线电压骤升，甚至危害全功率变流器的安全运行。为避免对电网产生谐波污染，同时要在网侧变流器交流端加装滤波装置。

直流侧母线电容主要起能量缓冲的作用，当电网系统正常运行时，风电机组能够并网运行，直流侧母线电压能够维持平衡，流过直流母线电容的电流近似为零，且不会产生大的电压波动。若忽略功率开关器件和线路的功率损耗，可近似认为背靠背变流器两侧的瞬时功率相等，即机侧变流器的输入功率等于网侧变流器的输出功率。

当电网发生短路故障时，电网电压egd阶跃跌落至，机侧变流器输出的功率保持不变，由于全功率变流器的瞬时功率保持平衡，此时网侧变流器的有功电流从igd阶跃上升至，即机侧变流器输出的有功功率为：

由公式（3～6）可知，机侧变流器输出的剩余功率ΔP将存储于直流环节的电容器当中，势必电容器端电压Udc将高于电容器的起始电压，直至满足。因此为防止过电流损坏全功率变流器，必须对其进行限流保护[5-6]。假设过电流限流幅值用标幺值进行表示，取1.5 p.u，若电网发生短路故障前全功率变流器以额定功率运行，电网故障后电网电压跌落至额定电压的20%，则，显然此时的电流必须达到5 p.u才能实现功率平衡，远大于限流幅值的1.5 p.u。此时大量的能量将存储于直流母线侧的电容器当中，使直流母线电压骤升，进而损坏变流器，甚至造成风电机组和电网的解列运行，失去低电压穿越能力。因此必须采取措施消除直流侧母线过电压。

2 基于耗能型Crowbar的低电压穿越控制策略

为减少直流侧母线过电压，增强风电机组的低电压穿越能力，文献[7-11]对风电机组的低电压穿越技术进行了研究，其主要策略为：

（1）在发电机定子侧加装基于能量卸荷单元的撬棒电路，卸荷电阻经过晶闸管与风力发电机定子侧连接；

（2）在电网侧加装基于交流开关的保护电路，通过控制交流开关的状态来确定风电机组和电网的连接状况；

（3）在DC-link上加装耗能单元，当检测到直流母线电压过高时，通过卸荷电阻释放多余的能量；其电路结构简单，经济可靠，在风电系统中得到广泛应用。

（4）在DC-link上加装储能单元，当检测到直流母线电压过高时，将多余的能量存储在储能单元中，故障消除后再将存储的能量回馈至电网；

（5）额外加装一套备用网侧变流器，当检测到电网电压跌落时，利用备用变流器转移多余的能量。

针对控制策略（3），本文采用基于耗能型Crowbar电路的低电压穿越控制策略，其由两种拓扑结构组成，如图1和图2所示。在图1的机侧变流器和网侧变流器之间，加装耗能单元，卸荷电阻通过绝缘栅双极型晶体管（IGBT）与直流母线并联，通过控制电路对IGBT的导通和关断进行控制，维持直流侧母线电压恒定。图2的卸荷电阻与电感器串联，经过晶体管和IGBT以及直流母线侧电容器后，组成Buck电路。由Buck变换器消耗掉直流母线侧多余的能量。引入Buck变换器后，降低了功率开关管导通时的冲激电流。延缓了直流母线侧电容电压的上升和下降速度，最终维持直流侧母线电压恒定。

图1 基于卸荷电阻的耗能型Crowbar电路图

图2 基于Buck电路的耗能型Crowbar电路图

利用脉冲宽度调制技术，采用合理的控制方式，实时调节IGBT的占空比，进而维持直流母线恒定。系统正常运行时，耗能型Crowbar电路不会被切入运行，当电网发生故障，发生电压跌落时，进入低电压区域后，切入保护电路。直流母线侧功率发生波动时，通过卸荷电阻消耗掉多余的功率，以此来抑制直流侧母线过电压。当电网故障解除后，系统恢复正常运行，Crowbar保护电路随即自动切除。卸荷电阻的阻值取决于消耗的功变化量和直流母线的峰值电压，若忽略电路元件的非线性作用，则有：

Crowbar电路的控制方程为：

其中，Udc_max为直流母线侧所允许的最大峰值电压，ΔP为机侧变流器的输出功率与网侧变流器的输入功率之差，Idc_max为直流侧母线所允许的最大峰值电流，C为直流侧母线电容。

3 控制策略的仿真分析

基于上述的控制策略和分析方法，建立起耗能型Crowbar风电机组的低电压穿越能力控制模型，利用matlab/simulink仿真工具箱，对其进行仿真分析。以电力系统的故障类型中概率最大的单相接地短路故障为例，分析由此引起的电压跌落现象。假设电网发生单相接地短路故障，电网系统在0.33 s时发生电压跌落事故，电压跌落深度为50%左右，在0.43 s后系统恢复正常运行。基于此假设，系统在0.33 s时发生电压跌落，进入低电压区域后，切入耗能型Crowbar电路，功率偏差通过耗能电阻消耗掉。0.43 s后系统恢复正常运行时自动切除该电路。其基于Buck电路的耗能型Crowbar电路低电压穿越控制策略仿真参数选择为：

电阻R=0.005 Ω，电感L=0.01 mH，直流母线峰值电压Udc_max=1.1 p.u。风电机组输出的电压、电流波形如图3所示，电压和电流的幅值用标幺值进行表示。

风电机组输出的有功功率和无功功率如图4所示。通过其波形可以看出，当电网发生电压跌落时，风电机组输出的有功功率降低，并向系统提供一定的无功功率。当电网故障排除后，机组输出的有功功率和无功功率恢复正常。仿真结果也表明直流母线电压较为平稳，当电网发生电压跌落时，其电压发生波动，但其波动幅度不超过4%。

4 结论

由仿真结果来看，采用耗能型Crowbar电路作为风电机组的低电压穿越控制策略，其电路结构简单，可靠性较高，易于数字化实现，电压跌落时，一部分能量被耗能电阻单元所消耗。系统的有功功率恢复较快，但无功功率恢复较慢，可采用一些无功补偿装置，例如采用并联移相电容，静止无功补偿器和静止无功发生器等对其进行补偿。

图3 电压、电流波形图（标幺值）

图4 有功、无功功率（标幺值）

为增强风电机组的低电压穿越能力，可在机侧变流器串联或并联耗能电阻，也可在直流母线上串接耗能电阻，以此来限制直流侧过电流。通过电力系统负荷预测等手段，合理规划电源的分布情况，将大数据与电网相结合，通过建设坚强智能电网，减少电网的电压跌事故。采用超级电容器，超导储能以及飞轮储能等新的储能技术，让风电机组穿越电压跌落区，实现低电压穿越。