韓華玲，魏磊，葛路明，賈宏剛，周鄴飛，孫川永

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，江蘇南京 210003；2.西北電網(wǎng)有限公司，陜西西安 710048）

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電得到了迅猛的發(fā)展，在電力能源中所占的比例越來(lái)越大。截至2011年底，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)并網(wǎng)容量突破6200萬(wàn)kW，且單一風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)日益增加的趨勢(shì)[1]。大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)也帶來(lái)了新的問題和挑戰(zhàn)。由于大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)一般直接接入輸電網(wǎng)，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的要求也由電能質(zhì)量逐步擴(kuò)展到電壓調(diào)節(jié)、有功控制、安全穩(wěn)定與調(diào)度等許多方面[2]。其中，電力系統(tǒng)存在各種擾動(dòng)及故障，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的特性與在正常情況下會(huì)存在一定差異，會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定產(chǎn)生影響。目前，由于具備有功和無(wú)功功率獨(dú)立控制、可變速運(yùn)行及勵(lì)磁變流器容量較小等特點(diǎn)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）已在兆瓦級(jí)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到較為廣泛的應(yīng)用，如何進(jìn)一步提高DFIG風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)異常或故障情況下的不間斷運(yùn)行能力也已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。綜上，有必要分析電網(wǎng)不同故障下DFIG的運(yùn)行特性，研究相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，為大型風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行控制提供參考。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電網(wǎng)發(fā)生故障情況時(shí)電網(wǎng)所受風(fēng)電場(chǎng)的影響進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[3-5]從不同角度分析建立了DFIG的動(dòng)態(tài)模型，并分析了DFIG的不同控制策略。文獻(xiàn)[6]對(duì)不同電壓跌落水平的DFIG運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真，但只對(duì)仿真波形進(jìn)行了描述，并未進(jìn)行深入分析。文獻(xiàn)[2]重點(diǎn)研究了普通異步發(fā)電機(jī)與DFIG對(duì)系統(tǒng)短路電流的貢獻(xiàn)，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的其他運(yùn)行特性未做深入研究。對(duì)于DFIG的研究大多側(cè)重于電機(jī)本身的控制策略方面，對(duì)電網(wǎng)不同故障下DFIG運(yùn)行特性的分析較少。鑒于此，本文在DIgSILENT/PowerFactory下建立了DFIG模型，利用含風(fēng)電場(chǎng)的WSCC三機(jī)九節(jié)點(diǎn)仿真系統(tǒng)，進(jìn)行了電網(wǎng)不同故障情況下的一系列仿真，重點(diǎn)分析了電網(wǎng)不同故障情況下DFIG的運(yùn)行特性，研究了風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間的交互影響及相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，為大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的運(yùn)行控制提供依據(jù)。

1 基于DIgSILENT/PowerFactory的DFIG模型

DFIG的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，DFIG的定子直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過雙PWM變流器與電網(wǎng)相連[7]。

圖1 DFIG的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of doubly fed induction generator

利用DIgSILENT/PowerFactory中的DSL（Dynamic Simulation Language）建立DFIG的仿真模型，包括風(fēng)力機(jī)模型(風(fēng)速模塊，空氣動(dòng)力學(xué)?？欤瑯嘟强刂颇K，傳動(dòng)系統(tǒng)模塊)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制模型（功率外環(huán)控制模塊，電流內(nèi)環(huán)控制模塊，MPT控制模塊），網(wǎng)側(cè)變流器控制模型（電壓外環(huán)控制模塊，電流內(nèi)環(huán)控制模塊）以及保護(hù)模型（過電壓保護(hù)，Crowbar保護(hù)）。其中，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制采用傳統(tǒng)的定子磁鏈定向的矢量控制方法，實(shí)現(xiàn)DFIG的有功無(wú)功解耦控制，最大風(fēng)能捕獲和定子無(wú)功功率調(diào)節(jié)。網(wǎng)側(cè)變流器采用Udc-Q控制方式，在實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的同時(shí)，控制著直流母線電壓的穩(wěn)定，并調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。

槳距角控制器基本原理如圖2所示。槳距角在不同情況下采用不同的策略，在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，槳距角控制用于風(fēng)電機(jī)組功率的尋優(yōu)，已獲得最大風(fēng)功率；在風(fēng)速超過風(fēng)速限值，或者功率超過額定功率時(shí)，槳距角控制器動(dòng)作，調(diào)節(jié)槳距角以限制風(fēng)力機(jī)的出力，將功率限制在恒功率區(qū)，維持風(fēng)力機(jī)的安全運(yùn)行。由于槳距角控制器類似于同步發(fā)電機(jī)的快關(guān)氣門功能，可用于電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定控制。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生暫態(tài)擾動(dòng)，暫態(tài)過程中的過電流將很容易燒壞DFIG變流器。當(dāng)要求風(fēng)電機(jī)組具備故障穿越能力或低電壓穿越能力時(shí)，此時(shí)將采用轉(zhuǎn)子短路器保護(hù)（Crowbar Protection），在轉(zhuǎn)子側(cè)電流超過設(shè)定值時(shí)，旁路DFIG轉(zhuǎn)子回路，保護(hù)變流器不被過電流損壞。

2 電網(wǎng)不同故障時(shí)的仿真分析

電壓跌落是電網(wǎng)中最為常見的故障之一，引起電壓跌落的故障類型包括單相接地故障、兩相接地故障、相間故障和三相故障等。其中，單相接地故障占故障類型的70%，兩相接地故障占到15%，相間故障占到10%，三相故障占到5%。上述故障類型還可以分為對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障，大部分電壓跌落故障屬于不對(duì)稱故障。一般情況下，系統(tǒng)故障以三相短路故障時(shí)電壓跌落最為嚴(yán)重。本文針對(duì)在三相短路故障和單相短路故障情況下，DFIG的運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證其控制策略和保護(hù)措施的有效性。仿真系統(tǒng)如圖3所示，50 MW風(fēng)電場(chǎng)接入WSCC三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。

圖2 槳距角控制器的框圖Fig.2 Block diagram of blade angle controller

2.1 三相短路故障仿真分析

風(fēng)速為14 m/s，故障前，風(fēng)電場(chǎng)出力為45 MW。1 s風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)母線PCC發(fā)生三相短路故障，短路接地阻抗為0，1.2 s故障清除，仿真時(shí)間5 s，Crowbar電阻和電抗均為0.1 pu，Crowbar在1.005 s時(shí)投入，1.509 s時(shí)退出運(yùn)行。仿真波形如圖4所示。仿真分析如下：

1）在故障發(fā)生瞬間，由于電壓瞬間跌落造成發(fā)電機(jī)端電壓突變，而定子磁鏈不能隨定子端電壓突變，從而產(chǎn)生直流分量并衰減，使得發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小。由于風(fēng)速?zèng)]有變化，風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩不能突變，只能逐漸減少，轉(zhuǎn)矩的不平衡導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速增大，見圖4（a），當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到超過給定值時(shí)，通過變槳距機(jī)構(gòu)增大槳距角來(lái)限制氣動(dòng)功率捕獲，降低輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩，限制轉(zhuǎn)速增加。最終隨著電壓的恢復(fù)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速和槳距角又逐漸恢復(fù)到初始值。

2）圖4（c）、（d）分別為風(fēng)電場(chǎng)定子側(cè)、網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功功率和無(wú)功功率變化曲線。故障瞬間由于定子電壓跌落至0，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大，產(chǎn)生較大滑差，感生較大轉(zhuǎn)子電勢(shì)并產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)子電流。為了彌補(bǔ)轉(zhuǎn)子電流的增加，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器增加了轉(zhuǎn)子電壓的參考值，所以通過變流器注入電網(wǎng)的功率將會(huì)激增。同時(shí)，并網(wǎng)母線的電壓在故障瞬間跌至0，網(wǎng)側(cè)變流器無(wú)法輸送所有功率到電網(wǎng)。網(wǎng)側(cè)控制器的直流電壓將很快達(dá)到其限值，余下的有功將會(huì)對(duì)電容充電，直流側(cè)電容電壓激增。

圖3 仿真系統(tǒng)Fig.3 Simulation system

圖4 三相短路仿真分析Fig.4 Simulation waveform of three-phase short circuit

3）電壓跌落產(chǎn)生的過電流導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變流器直流側(cè)電壓升高，會(huì)損害變流器，過電壓則會(huì)損壞發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，必須采用過電壓過電流保護(hù)措施。當(dāng)其中一個(gè)監(jiān)測(cè)變量，超過設(shè)定值，保護(hù)系統(tǒng)激活，Crowbar動(dòng)作，旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于經(jīng)過電阻短路，這時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的有功無(wú)功解耦控制作用消失。同時(shí)，在Crowbar動(dòng)作瞬間，電容器開始放電，網(wǎng)側(cè)變流器控制電容電壓至其參考值。雙饋電機(jī)完全失去了勵(lì)磁控制，轉(zhuǎn)子變流器電壓輸出為0，相當(dāng)于普通異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

4）1.2 s故障清除瞬間，定子電壓開始恢復(fù)，有功功率和電磁轉(zhuǎn)矩開始增加。隨著電網(wǎng)電壓和磁鏈的增加，轉(zhuǎn)子電流和定子電流增加。注意到，當(dāng)故障清除后，電壓沒有立即恢復(fù)，只是在故障清除后達(dá)到某一個(gè)低于其額定值的電壓值，在Crowbar斷開后，才恢復(fù)到其額定值。這是因?yàn)楣收锨宄鼵rowbar未斷開時(shí)，DFIG依然以普通異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，仍然需要吸收無(wú)功功率。此時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器不起作用，無(wú)法為發(fā)電機(jī)提供足夠的無(wú)功功率進(jìn)行勵(lì)磁。這樣，發(fā)電機(jī)只能從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，電網(wǎng)電壓將很快恢復(fù)到額定值。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)到一定值時(shí)，Crowbar斷開。機(jī)側(cè)變流器開始發(fā)揮有功無(wú)功解耦控制的作用，電壓快速恢復(fù)，發(fā)電機(jī)電流和電壓恢復(fù)到故障前值。

2.2 單相短路故障仿真分析

仿真基于單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，即風(fēng)電場(chǎng)接入無(wú)窮大電網(wǎng)。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速為14 m/s，故障前，風(fēng)電場(chǎng)出力為45 MW。0.1 s風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)母線PCC發(fā)生a相短路故障，短路阻抗為0，0.2 s故障清除，仿真時(shí)間1 s，Crowbar電阻和電抗均為0.1 pu，Crowbar在0.105 s時(shí)投入，0.605 s時(shí)退出。仿真波形如圖5所示。

仿真分析如下：

1）由圖5單相短路故障仿真波形可以看出，從0.1 s故障發(fā)生到0.2 s故障清除期間，風(fēng)電場(chǎng)定子側(cè)a相電壓為0，有短路沖擊電流，風(fēng)電場(chǎng)有功功率和無(wú)功功率輸出出現(xiàn)較大波動(dòng)，發(fā)電機(jī)d、q轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子三相電流不對(duì)稱，故障對(duì)轉(zhuǎn)速的影響較小，槳距角不變。對(duì)比圖5（e）與圖5（g），故障對(duì)定子側(cè)功率輸出的影響比對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器功率輸出的影響大。

2）由于Crowbar是在轉(zhuǎn)子上接入短路電阻，Crowbar投運(yùn)期間，DFIG相當(dāng)于鼠籠型異步機(jī)運(yùn)行。在0.6 s左右，Crowbar退出運(yùn)行后，電壓、功率等才恢復(fù)到故障前的值。

3）由于電網(wǎng)電壓的不對(duì)稱跌落，故不僅存在正序分量也存在負(fù)序分量，負(fù)序分量在網(wǎng)側(cè)變換器的控制中，表現(xiàn)為以電網(wǎng)角速度同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系下的2倍頻波動(dòng)分量，而在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制中體現(xiàn)為電機(jī)的同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的2倍頻波動(dòng)分量。以圖5（f）風(fēng)電場(chǎng)定子側(cè)有功、無(wú)功功率波形的FFT分析為例，其中可見100 Hz左右的功率波動(dòng)。

4）電網(wǎng)電壓不平衡不但引起了三相交流電流的高度不平衡，易于發(fā)生過電流現(xiàn)象，而且造成了變換器輸出有功、無(wú)功功率與直流環(huán)節(jié)電壓的2倍電網(wǎng)頻率（100 Hz）波動(dòng)。其中直流電壓的2倍頻波動(dòng)不僅會(huì)引起轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流諧波并影響轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制實(shí)施的準(zhǔn)確性，且會(huì)對(duì)整個(gè)PWM勵(lì)磁變頻器構(gòu)成過電壓、過電流的危害，特別是影響直流母線電容的使用壽命，進(jìn)而嚴(yán)重危及整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

圖5 單相短路故障仿真分析Fig.5 Simulation analysis of single-phase short circuit

2.3 仿真結(jié)論

由于DFIG定子直接接入電網(wǎng)，電網(wǎng)故障將直接引起定子電流的變化，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，電壓發(fā)生不同程度的驟降，DFIG的定子側(cè)會(huì)有很大的故障電流。由于定轉(zhuǎn)子之間的強(qiáng)耦合，會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子電流，又由于電壓驟降使得電磁轉(zhuǎn)矩減低，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，會(huì)使得雙PWM傳遞的轉(zhuǎn)差功率增大，引起轉(zhuǎn)子回路過電壓和過電流。由于DFIG的變流器容量較小，其對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制效果較小。因此，在研究相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施時(shí)應(yīng)從轉(zhuǎn)子側(cè)變流器保護(hù)控制方面進(jìn)行考慮，研究轉(zhuǎn)子過電流、電容電壓等的保護(hù)控制措施。

文中采用Crowbar電路配合雙PWM變流器運(yùn)行，可有效對(duì)變流器提供保護(hù)，但是在Crowbar退出運(yùn)行時(shí)，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)暫態(tài)沖擊，且在Crowbar投入運(yùn)行期間，DFIG作為感應(yīng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，會(huì)從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功使得電壓進(jìn)一步惡化。

3 保護(hù)措施建議

由于DFIG的定子直接與電網(wǎng)相連，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極容易產(chǎn)生過電壓和過電流，因此應(yīng)采取有效措施避免電網(wǎng)故障時(shí)轉(zhuǎn)子過電流問題，提高DFIG風(fēng)電系統(tǒng)的故障穿越能力。目前對(duì)于電網(wǎng)故障下DFIG保護(hù)控制方案可分為兩大類：一類是硬件方面，增加風(fēng)電機(jī)組配置；一類是軟件方面，研究改進(jìn)變流器控制策略。

增加風(fēng)電機(jī)組配置的保護(hù)控制方案主要有：

1）增加Crowbar電路；

2）轉(zhuǎn)子側(cè)串聯(lián)電阻；

3）定子側(cè)加裝串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變流器[8]；

4）網(wǎng)側(cè)變流器帶有卸載電阻；

5）增大直流側(cè)電容；

6）在直流側(cè)安裝蓄電池、飛輪等儲(chǔ)能裝置。

改進(jìn)變流器控制策略的保護(hù)控制方案主要有：

1）改進(jìn)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型；

2）針對(duì)故障期間定子磁鏈出現(xiàn)的負(fù)序和直流分量制定控制策略[9-13]；

3）采用現(xiàn)代控制理論中的H∞及μ-analysis方法設(shè)計(jì)全新的控制器[14]。

各種方法都存在優(yōu)缺點(diǎn)，在制定保護(hù)方案的時(shí)候，有必要針對(duì)電網(wǎng)故障特點(diǎn)和嚴(yán)重程度，對(duì)各保護(hù)方案的應(yīng)用范圍和控制效果進(jìn)行綜合評(píng)估，選擇最優(yōu)方案，暫未見這方面的深入研究。例如，一般而言，只有在故障較為嚴(yán)重時(shí)考慮使用Crowbar保護(hù)，在故障相對(duì)不嚴(yán)重時(shí)，采用改進(jìn)變流器控制策略或增大電容儲(chǔ)能的保護(hù)控制方案。

4 結(jié)論

通過國(guó)家“863”科技項(xiàng)目《電網(wǎng)友好型新能源發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及示范應(yīng)用》的研究工作，本文在DIgSILENT/PowerFactory下建立了DFIG模型，利用含風(fēng)電場(chǎng)的IEEE三機(jī)九節(jié)點(diǎn)仿真系統(tǒng)，進(jìn)行了電網(wǎng)三相短路故障和單相短路故障的仿真，重點(diǎn)分析了電網(wǎng)不同故障情況下DFIG的運(yùn)行特性，研究了風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間的交互影響及相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，為大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的運(yùn)行控制提供了依據(jù)。

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