双馈风电机组低电压穿越能力的提高

李鸿儒，金炜东，胡立锦

（1.西南交通大学电气工程学院，成都 610031；2.新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 830047）

双馈风电机组低电压穿越能力的提高

李鸿儒1，金炜东1，胡立锦2

（1.西南交通大学电气工程学院，成都 610031；2.新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 830047）

采用Crowbar保护会使电网故障时无功不足的情况更加严重，影响电压恢复，而且故障时，变流器直流侧母线会产生过电压，尤其是故障发生点接近风电场时，转子转速会出现较大的振荡。在DIgSILENT中建立了双馈风力发电系统模型，仿真分析了通过Crowbar保护电路投入使网侧变流器以STATCOM模式运行，并额外增加动态无功补偿设备、电网发生故障时增加直流侧耗能电路和附加转速稳定器这3种策略来有针对性地解决上述问题，提高双馈风电机组的低电压穿越能力。

双馈风力发电机；低电压穿越；静止同步补偿器；直流侧耗能电路；附加转速稳定器

双馈电机DFIG（doubly-fed induction generator）具备变速恒频、有功和无功解耦控制、所需变流器容量小等特点，是目前的主流机型。电网故障时，DFIG转子侧出现过电流和过电压[1]，不具备低电压穿越LVRT（low voltage ride through）能力的机组将脱离电网以避免变流器被损坏，大容量风电机组的切出将导致电网功率不平衡，很可能发生连锁反应，造成大规模停电[2]，而具备LVRT能力的风电机组可以在电网故障时不切出，帮助电网完成故障恢复，LVRT是风电并网中的核心技术。

目前主要采用Crowbar保护电路来实现风电机组在大干扰下也具有LVRT能力，而采用Crowbar保护会带来一些新的问题：故障发生后，电网需要大量无功功率的支撑来完成电压恢复，而投入Crowbar电路使得电机转子被短接，DFIG以感应电机方式运行，也需要从电网吸收大量无功功率[3]，加剧了系统无功功率的不足，威胁风电场附近电网电压稳定性。

DFIG在面对电网故障时不仅仅在转子中产生过电流，而且由于风电场终端电压跌落使得风力机在故障过程中吸收的能量无法被及时送出，迫使变流器直流侧母线产生过电压，如果电压跌落严重时，这个过电压将达到很高的值，威胁变流器及电容的安全[4]。

如果电网故障发生点远离风电场，网侧变流器可对产生的定子功率波动起到一定的抑制作用，然而网侧变流器并不能有效地抑制转子转速波动，尤其是故障发生在风电场附近时，转子转速过度的波动会造成机械耦合点产生很大的压力，威胁传动机构的安全，再者，相对于转子转速快速地变化，通过桨距角控制所产生的桨距角变化是较慢的，很难实现转子转速的快速恢复稳定[5]。

针对上述3个问题并结合中国风电大规模远距离的特点，在DIgSILENT中建立了DFIG的动态模型，并经过长距离输电线与IEEE9节点电力系统相连，通过使网侧变流器以静止同步补偿器STATCOM（static synchronous compensator）模式运行并额外增加动态无功补偿设备，增加直流侧耗能电路和附加转速稳定器等方法，提高了DFIG的LVRT能力。

1 DFIG发电系统

图1为含有Crowbar保护的DFIG发电系统典型拓扑结构。DFIG由绕线式感应电机在其转子上串接变流器构成[6]，Crowbar电路并联于转子和变流器之间，风力机把风能转化为机械能，并经过齿轮箱提速后为感应电机提供转矩。

图1 DFIG发电系统拓扑结构Fig.1 Topology structure of the DFIG power generation system

图2为含有Crowbar保护的DFIG等效电路[5，7]。当电网发生短路故障时，Kc闭合，由于Zc（Crowbar阻抗）很小，变流器被阻塞，实现了保护功能。

1.1 DFIG动态模型

DFIG数学模型与感应电机基本一致[8，9]，其电压方程为

图2 DFIG等效电路Fig.2 Equivalent circuitof the DFIG

式中：uds、uqs和udr、uqr分别为定子电压Us和转子电压Ur的d轴、q轴分量；ids、iqs和idr、iqr分别为定子电流和转子电流的d轴、q轴分量；φds、φqs和φdr、φqr分别为定子磁链和转子磁链的d轴、q轴分量；Rs、Ls和Rr、Lr分别为定子绕组和转子绕组的电阻与电感；Lls和Llr分别为定子和转子的漏感；Lm为励磁电感；w和wr分别为同步角速度和转子角速度；p为微分算子。

转子侧变流器交流侧电压|Uac|与直流侧电压Udc的关系表达式[10]为

式中，m为变流器的调制系数。

1.2 变流器控制

图3为网侧和转子侧变流器控制系统框图[5]。网侧变流器主要功能是稳定直流电压，常采用基于电网电压定向的双闭环矢量控制，外环控制直流电压、内环为电流环，一般令无功电流参考值iq_ref=0使网侧有单位功率因数输出。转子侧变流器主要用来控制功率，常采用基于定子磁链定向的双闭环矢量控制来实现有功功率和无功功率解耦，外环为功率环，内环为电流环[11]。有功功率参考值由最大功率跟踪MPPT（maximum power point tracking）控制给定，令无功功率参考值Qref=0。

图3 变流器控制框图Fig.3 Controlblock diagram of converter

2 低电压穿越能力的提高

2.1 额外增加STATCOM

图4为电压型桥式STATCOM原理示意，其直流侧为电容储能元件，为STATCOM提供直流电压支撑，通过逆变器将直流电压转换为交流电压，控制逆变器的可关断器件绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gatebipolar transistor）驱动脉冲可改变交流电压的大小、频率和相位，控制其对应的交流电流即可实现吸收或发出满足需求的无功功率，并通过变压器将逆变器的输出电压等级变换到补偿点电压等级，即可实现动态无功补偿[12，13]。

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

采用电网电压定向矢量控制时，STATCOM注入电网的有功功率和无功功率[14]分别为

即P与id及Q与iq分别成比例关系，通过对电流进行控制就可以实现功率的控制，id代表有功分量，iq代表无功分量。图5为STATCOM的控制框图，通过对逆变器直流电压的控制使其保持在额定值是逆变器正常运行的前提。对逆变器输出交流电压进行控制，调整无功电流分量，可为系统提供动态无功补偿。DIgSILENT中变流器的控制模式有多种[15]，文中采用了输入量为电流及逆变器交流电压相角正弦、余弦的模式。

图5 STATCOM控制框图Fig.5 Block diagram of STATCOM control

2.2 网侧变流器STATCOM模式运行

Crowbar保护电路投入后，转子侧变流器被堵塞，但可以使网侧变流器运行于STATCOM模式[16]。正常运行时设置iq_ref=0，故障时则切换到图3中虚框A所示控制，即可实现网侧变流器单位功率因素输出和STATCOM运行两种模式间的切换，为系统提供无功支撑，改善故障电压恢复情况。

2.3 直流侧耗能电路

图6 直流侧耗能电路控制策略Fig.6 DC-link chopper controlstrategy

电网发生故障时，DFIG变流器直流侧母线会产生过电压，其本质原因是风力机在故障过程中吸收的能量无法被及时送出，针对这个情况，在直流侧母线增加一个能释放直流电容储能的通道，可以较快地降低直流母线电压，实现保护变流器及直流电容的作用。直流侧耗能电路连接在直流电容的正、负两极，见图1中虚框包含的部分，由耗能电阻和控制通道开闭的功率器件IGBT组成[4]。直流侧耗能电路的控制策略如图6所示，系统正常运行时，IBGT断开，耗能电路不起作用。当电网发生故障时，判断直流电容电压是否超过设定的上限值Uhigh，如果超过则控制IGBT导通投入耗能电路；如果直流电容电压低于设定的下限值Ulow，则关断IGBT切出耗能电路。

2.4 附加转速稳定器

针对故障清除后，机组转速产生的震荡，增加一个转速稳定环节，作为Pref的补偿量，见图3中虚框B包含的部分，K1在故障发生时闭合，转速恢复稳定后断开，可实现机组转速快速趋于稳定。其基本原理是：当机组转速wr低于稳态值wref时，减小给定的有功功率Pref，以减少向电网输送的有功功率，阻止转速进一步降低；反之，当wr＞wref时，为Pref提供正的补偿量，以增加向电网输送的有功功率，降低发电机的转速[5]。有功功率补偿量ΔP计算公式为

式中，K为比例控制环节，根据实际调整其值，充分发挥转速稳定器的性能。

3 仿真分析

在DIgSILENT中搭建含有DFIG的电力系统模型[6，15]如图7所示。由10个5MVA的DFIG机组组成的风电场经过长距离输电线与IEEE9节点电力系统相连，其中两个虚框包含的部分分别为增加的STATCOM电路和直流侧耗能电路。DFIG电力系统模型参数如表1～表3所示。

图7 含有DFIG的电力系统模型Fig.7 M odelof power system w ith DFIG

表1 5MW风机参数（DIgSILENT软件自带）Tab.1 Parametersof the 5MW w ind generator（defaultparametersofDIgSILENT）

表2 IEEE9节点电力系统参数Tab.2 Parametersof the IEEE9 power system

表3 增加模块参数Tab.3 Parametersof the increasedmodules

3.1 动态无功补偿

t=0时，Bus处发生时长为0.2 s的三相短路故障，在网侧变流器和额外增加的STATCOM同时进行无功补偿、只有网侧变流器进行无功补偿和没有任何无功补偿这3种情况下，风电场从电网吸收的无功功率和机端电压的运行情况如图8所示。仿真结果表明，通过动态无功补偿减少风电场从电网吸收的无功功率，可以有效地改善故障清除后机端电压恢复情况；只有网侧变流器为系统提供无功补偿可以达到一定的效果；网侧变流器和额外增加的STATCOM同时进行无功补偿时效果是最好的。文中额外增加的STATCOM容量和网侧变流器容量是一致的，实际中可根据具体需求，调整额外增加的STATCOM的容量。

3.2 直流侧耗能电路

图9为t=0时，Bus处发生时长0.2 s的三相短路故障，在直流侧耗能电路投入与否的两种情况下变流器直流电压Udc和机端电压Uac的运行情况。仿真结果表明，没有耗能电路的情况下，变流器直流电容电压在短路发生瞬间立刻上升到1.8 kV，并在故障清除前一直持续很高的电压；而增加直流侧耗能电路能有效快速地降低变流器直流电压，从而可以对变流器和直流电容起到较好的保护作用。

3.3 附加转速稳定器

t=0时，Bus处发生时长0.2 s的三相短路故障，在采用转速控制器与否两种情况下，发电机转速n和机端电压U的运行结果如图10所示。仿真结果表明，没有附加转速稳定器时，机组转速从故障发生时刻开始振荡，3 s后都还不能完全稳定；而采用附加转速稳定器时，机组转速在故障发生后1 s就已经基本稳定，在故障清除后能较快地恢复到稳态值，提高了转速稳定性。

图8 三相短路故障情况下机端电压和无功功率Fig.8 Voltage and reactive power of PCC under three-phase short circuit fault conditions

图9 三相短路故障情况下直流电压和机端电压Fig.9 DC voltagesand PCC voltagesunder three-phase short circuit fault conditions

图10 三相短路故障情况下电机转速和机端电压Fig.10 Generator speedsand PCC voltagesunder three-phase short circuit fault conditions

4 结语

根据中国风电大规模远距离的特点，在DIgSILENT中建立了含有DFIG的电网模型（风电占全部电力装机容量的比例达13.6%）。仿真分析了在普通DFIG的基础上，改进网侧变流器的运行方式，使其在电网发生故障时运行于STATCOM模式，并额外增加STATCOM，可改善故障清除后机端电压的恢复情况；增加的直流侧耗能电路可快速有效地降低变流器直流电压；附加转速稳定器能使发电机转速在故障清除后能较快的恢复到稳态值。文章以单机容量为5MW的DFIG及三相短路故障为例，但完全适用于其它单机容量不同的DFIG和各种类型的短路故障，分别从3个方面提高了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

李鸿儒（1986—），男，硕士研究生，从事风力发电系统建模与并网研究。Email：lhru1818@126.com金炜东（1959—），男，教授，博士生导师，从事系统仿真、自动控制和智能信息处理等领域的研究。Email：wdjin@home. swjtu.edu.cn

2012-05-28；

2012-08-22

国家自然科学基金（60971103）；中央高校基本科研业务费专项资金，智能电网关键技术

胡立锦（1986—），男，硕士研究生，从事风力发电机控制与继电保护方面的研究。Email：hulijin11@163.com