凌 禹，高 強，蔡 旭，3

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電研究中心，上海 200240；2.山西大同大學(xué) 電氣工程系，山西 大同 037003；3.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240）

0 引言

為了應(yīng)對能源危機和環(huán)境惡化，世界各國正積極地推動著可再生能源的開發(fā)和利用，其中風(fēng)力發(fā)電已成為科研人員和商業(yè)企業(yè)關(guān)注的焦點。這是因為風(fēng)能是一種可靠的、無限的、可再生的電力供應(yīng)源。風(fēng)電的大規(guī)模應(yīng)用既可以緩解能源危機，又能減輕常規(guī)能源使用所帶來的環(huán)境問題，從而減少二氧化碳氣體的排放。

然而，大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)卻給電網(wǎng)運行帶來了較大的挑戰(zhàn)。要想大規(guī)模的風(fēng)電接入電網(wǎng)運行，風(fēng)電機組必須具備低電壓穿越能力，甚至具備在故障切除后向電網(wǎng)提供無功和支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)的能力[1-2]。事實上，所有風(fēng)電機組都存在低電壓穿越的問題，其中雙饋機組最具挑戰(zhàn)性，這是因為雙饋機組對電網(wǎng)擾動尤其是電壓跌落最敏感。但雙饋機組因為其具有的較多優(yōu)點[3]已成為目前主流機型之一。

目前，較為成熟并商用的雙饋機組低電壓穿越技術(shù)是撬棒（Crowbar）技術(shù)。撬棒技術(shù)就是為轉(zhuǎn)子故障電流提供旁路通路，從而避免轉(zhuǎn)子過電流對變換器的破壞以實現(xiàn)機組的不間斷并網(wǎng)運行[4-8]。

然而，文獻[9]指出，對于持續(xù)時間較長的故障，撬棒技術(shù)不能實現(xiàn)雙饋風(fēng)電機組不間斷并網(wǎng)運行。這主要是因為，在低電壓期間可以認為風(fēng)速在電網(wǎng)故障時間內(nèi)是不變的，但網(wǎng)側(cè)電壓的突然跌落造成機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩差值較大，尤其是在故障發(fā)生時機組超同步運行的情況下，機組很容易過轉(zhuǎn)速而導(dǎo)致過速保護動作，使機組脫離電網(wǎng)，同時，電磁轉(zhuǎn)矩的突變也會對齒輪箱產(chǎn)生破壞，并弱化系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

為了保證機組在故障情況下運行在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，不至于過速保護動作，需要采用改變槳距角從而減小風(fēng)輪輸出機械轉(zhuǎn)矩的方法來實現(xiàn)，即緊急變槳控制。

本文首先闡述撬棒技術(shù)的控制，并針對其存在的缺點，采用緊急變槳與撬棒協(xié)調(diào)控制的方案改善雙饋風(fēng)電機組的低電壓穿越能力。為了改善緊急變槳控制的快速性，采用了一種簡單實用的緊急變槳控制策略。

1 撬棒控制原理及其分析

1.1 撬棒電路

撬棒保護電路即通常意義上的轉(zhuǎn)子短路保護技術(shù)，包括被動撬棒和主動撬棒2種。前者是一種自我保護形式的撬棒技術(shù)，故障時按感應(yīng)電動機方式運行，存在諸多缺點，如不僅無法對故障電網(wǎng)提供無功支持，還會從電網(wǎng)吸收大量的無功功率。尤其當電網(wǎng)電壓大幅跌落時，將出現(xiàn)系統(tǒng)無功不足，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓進一步下降，嚴重時可能使系統(tǒng)崩潰，且其投切操作會對系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)沖擊。

主動撬棒技術(shù)作為一種改進技術(shù)被提出。其與被動撬棒的主要區(qū)別在其利用可關(guān)斷器件對轉(zhuǎn)子回路強迫換流。通過對撬棒的合理設(shè)計和控制，在故障情況下，可以使雙饋發(fā)電機迅速恢復(fù)到可控運行狀態(tài)，并對電網(wǎng)提供一定的無功支持。

目前典型的撬棒電路如圖1所示[10]，其中圖1（a）為混合橋型撬棒電路，每個橋臂由GTO和二極管串聯(lián)而成；圖1（b）為由IGBT組成的撬棒電路，各橋臂由2個二極管串聯(lián)，直流側(cè)串入一個IGBT器件和一個吸收電阻；圖1（c）為旁路電阻型撬棒電路，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落時，通過功率開關(guān)器件將旁路電阻連接到轉(zhuǎn)子回路中，這就為電網(wǎng)故障期間所產(chǎn)生的大電流提供了一個旁路，從而達到限制大電流、保護勵磁變流器的作用。

圖1 典型Crowbar電路拓撲Fig.1 Topologies of typical Crowbar circuits

1.2 撬棒控制

撬棒電路的控制系統(tǒng)主要是控制其何時投入、何時退出的問題。通常，轉(zhuǎn)子電流和直流側(cè)電壓均可作為撬棒電路的啟動／退出信號[11]。一旦滿足上述2個條件的任何一個，就可以設(shè)置轉(zhuǎn)子側(cè)變換器參考電壓為零，同時撬棒電路接入轉(zhuǎn)子繞組以提供故障電流通路，防止過電流和直流側(cè)過電壓。通常撬棒電路運行期間，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器要退出運行。

撬棒電路退出運行可以是根據(jù)一個固定時間值，也可以采用其他標準，如出口電壓幅值或者轉(zhuǎn)子電流和直流側(cè)電壓恢復(fù)正常的時刻。

本文采用了圖1（b）所示的撬棒電路拓撲，其投入和退出信號的產(chǎn)生是同時基于轉(zhuǎn)子電流和直流側(cè)電壓。無論是轉(zhuǎn)子電流還是直流側(cè)電壓，只要超過其給定的參考值就啟動撬棒電路，否則撬棒電路退出運行，以此來盡可能地減少撬棒電路在故障期間的運行時間。通常，二者的參考值均設(shè)置為其額定值的1.5倍。

1.3 撬棒電路參數(shù)確定

撬棒電路中的主要參數(shù)是旁路電阻，該電阻阻值的大小對于其實現(xiàn)低電壓穿越能力至關(guān)重要。其合適的阻值必須滿足以下2個條件：

a.旁路電阻要足夠大以限制雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電流；

b.旁路電阻不能過大以避免雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組電壓過高。

根據(jù)文獻[12]，當旁路電阻接入轉(zhuǎn)子繞組且忽略定轉(zhuǎn)子繞組電阻時，雙饋發(fā)電機在機端短路時的定子最大電流可近似表示為：

其中，Rcb為轉(zhuǎn)子旁路電阻，Xs為雙饋電機定子瞬時電感，Us為雙饋電機定子電壓有效值，ismax為雙饋電機短路故障時的最大定子電流。

由于式（1）是基于電機的全部參數(shù)折算到定子側(cè)得出的，因此，短路故障時的最大轉(zhuǎn)子電流也可以近似認為與定子最大短路電流一致。于是轉(zhuǎn)子電壓可滿足：

其中，Ur為轉(zhuǎn)子電壓，irmax為轉(zhuǎn)子電流。

根據(jù)式（1）和式（2），可以求出旁路電阻的最大值應(yīng)滿足：

其中，Urmax為轉(zhuǎn)子繞組允許的最大電壓有效值。

1.4 撬棒技術(shù)存在的問題

按照前面所述，對于持續(xù)時間較長的電壓跌落故障，撬棒電路并不能實現(xiàn)雙饋風(fēng)電機組不間斷并網(wǎng)運行。這主要是因為，雙饋感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速取決于風(fēng)力機輸入機械功率和雙饋電機電磁功率之差，在電網(wǎng)低電壓故障期間，風(fēng)輪輸入機械功率可以認為是不變的，但網(wǎng)側(cè)電壓的突然跌落會造成機械功率和電磁功率差值變大，這將不僅使得轉(zhuǎn)速加速直至過速保護動作，使機組脫離電網(wǎng)，而且由于電磁轉(zhuǎn)矩的突變也會對齒輪箱產(chǎn)生破壞。

同時，當電網(wǎng)電壓跌落時，撬棒電路投入后，轉(zhuǎn)子變換器退出運行，使得風(fēng)輪失去控制而運行在鼠籠感應(yīng)電機模式，需向電網(wǎng)吸收大量無功功率。同時，由于撬棒電路的投入，轉(zhuǎn)子故障電流快速衰減，反而惡化了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，使機組轉(zhuǎn)速上升更快。如果電壓跌落故障時間較長，結(jié)果會進一步惡化。

為了說明上述問題，基于仿真軟件MATLAB／Simulink進行了試驗。

圖2給出了電壓跌落至0.2 p.u.，故障在3 s時發(fā)生，持續(xù)時間為625 ms時，無變槳控制的情況下，撬棒電路投入前后機組轉(zhuǎn)速（標幺值）的變化情況。從圖2中可以清楚地看出，盡管轉(zhuǎn)速在此運行條件下沒有過速，但在撬棒電路投入后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速上升加快，在故障切除的時候，已經(jīng)達到了過速保護動作值1.3 p.u.。

圖3給出了電壓跌落至0.2 p.u.，故障在3 s時發(fā)生，持續(xù)時間加長為700 ms時，無變槳控制的情況下，撬棒電路投入前后機組轉(zhuǎn)速（標幺值）的變化情況。從圖中同樣可以看出，撬棒電路的投入惡化了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速上升加快，同時，當電壓跌落故障發(fā)生時間較長時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速超過過速保護整定值1.3 p.u.。

圖2 電壓跌落625 ms機組轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig.2 Response of rotor speed to voltage drop for 625 ms

圖3 電壓跌落700 ms機組轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig.3 Response of rotor speed to voltage drop for 700 ms

2 緊急變槳與撬棒協(xié)調(diào)控制

為了彌補撬棒電路技術(shù)的不足和對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，本文采用了緊急變槳與撬棒電路協(xié)調(diào)控制的策略來提高系統(tǒng)低電壓穿越能力和改善系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。

通常，變槳是控制風(fēng)輪輸入功率的手段之一，其主要是通過調(diào)節(jié)槳葉的槳距角（氣流方向與葉片橫截面的弦的夾角）在0°～90°范圍內(nèi)變化，以使風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能相對穩(wěn)定，并保持在發(fā)電機容量允許的范圍以內(nèi)。然而，按前面所述，雙饋感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速取決于風(fēng)力機輸入功率和雙饋感應(yīng)電機輸出功率之差，電網(wǎng)電壓驟降期間，風(fēng)輪的輸入功率可以認為是不變的，而此時，由于雙饋感應(yīng)電機輸送至電網(wǎng)的有功功率劇降，不平衡的功率將導(dǎo)致雙饋感應(yīng)電機轉(zhuǎn)速快速升高，此時，應(yīng)及時增大槳葉槳距角以減小風(fēng)力機的輸入功率，從而阻止機組轉(zhuǎn)速上升，即實行變槳距控制[13]。

因此，在故障情況下，也可以采用變槳控制實現(xiàn)輸入機械功率的減少，抑制轉(zhuǎn)速升高，從而改善系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性，保證機組不間斷并網(wǎng)運行[14-16]。

考慮變槳響應(yīng)較電磁響應(yīng)慢的特點，采用一種緊急快速變槳控制的方法，其控制框圖見圖4[17]。

圖4 緊急變槳控制框圖Fig.4 Block diagram of emergency pitch control

圖中，Pw_lim是機械功率參考值；Pw是風(fēng)輪輸出機械功率；θref_em是緊急控制模式下的槳距角指令；Cp是功率系數(shù)，是槳距角θ和葉尖速比λ的函數(shù)，Cp=f（θ，λ），在仿真中，由 look up
Table 實現(xiàn)，其關(guān)系如圖5所示，這里假設(shè)λ是常數(shù)，且為最優(yōu)值；Cpmax和Cpmin分別是功率系數(shù)的最大值和最小值；θref_nor是正常模式下的槳距角指令，通常設(shè)為0；邏輯控制用來實現(xiàn)故障模式和正常模式的轉(zhuǎn)換。

圖5 槳距角和功率系數(shù)之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between pitch angle and power coefficient

電網(wǎng)正常情況下，槳距角為給定值，實現(xiàn)最優(yōu)功率系數(shù)運行，使雙饋感應(yīng)電機在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤發(fā)電；一旦檢測到電網(wǎng)電壓驟降，則馬上啟用緊急槳距角控制系統(tǒng)，根據(jù)故障時給定的風(fēng)力機極限功率來計算風(fēng)能功率系數(shù)，然后查表得出相應(yīng)槳距角的參考值，通過減小風(fēng)電機組的輸入機械功率來適應(yīng)電網(wǎng)故障下輸出電能的減小。

值得注意的是，槳距角的變化率是個很重要的參數(shù)，它決定了變槳控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度[17-18]，最終決定風(fēng)輪輸入機械功率減少的快慢，從而成為影響緊急變槳控制效果的主要因素[19]。按文獻[19]中所述，在緊急變槳控制中，槳距角變化率的最大范圍可達到 10°／s～20°／s，因此，本文折中將其設(shè)置為 15°／s。

3 仿真驗證

基于仿真軟件MATLAB／Simulink，驗證了上述緊急變槳與撬棒協(xié)調(diào)控制對機組低電壓穿越能力的提高和對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的改善。仿真中所使用的雙饋感應(yīng)電機參數(shù)為：額定功率PN=1.5 MW，額定電壓UN=575 V，額定頻率f=60 Hz，定子電阻Rs=0.00706 p.u.，定子漏感 Lls=0.171 p.u.，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0.005 p.u.，轉(zhuǎn)子漏感 Llr=0.156 p.u.，互感 Lm=2.9 p.u.，極對數(shù)p=3，慣性時間常數(shù)H=5 s。

3.1 實驗1

仿真條件如下：風(fēng)速為13.7 m／s，電壓跌落至20%，故障3 s時發(fā)生，持續(xù)時間為625 ms，槳距角變化率為 15°／s，初始轉(zhuǎn)速為 1.1 p.u.。

圖6給出了槳距角在仿真中的變化曲線，其對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的控制效果如圖7所示。從圖7中可以看出，采用協(xié)調(diào)控制后，轉(zhuǎn)速波動明顯變小，并且抑制了系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化率。按照圖8所示，采用協(xié)調(diào)控制也能抑制轉(zhuǎn)子故障電流，尤其是在故障切除后作用更加明顯。從圖9和圖10中看出，協(xié)調(diào)控制也能改善電機定子有功功率和無功功率的波動，尤其是對有功功率的穩(wěn)定性影響較大；并且，和撬棒控制相比，協(xié)調(diào)控制的采用，使得電機定子有功功率在故障切除后，產(chǎn)生的瞬間尖峰脈沖幅值略有減小，而此時對無功功率瞬間尖峰脈沖幅值并無改善。

圖6 電壓跌落625 ms槳距角變化曲線Fig.6 Variation curve of pitch angle during voltage drop for 625 ms

圖7 電壓跌落625ms機組轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig.7 Response of rotor speed to voltage drop for 625 ms

圖8 電壓跌落625 ms機組轉(zhuǎn)子電流響應(yīng)Fig.8 Response of rotor current to voltage drop for 625 ms

圖9 電壓跌落625 ms機組定子有功響應(yīng)Fig.9 Response of stator active power to voltage drop for 625 ms

圖10 電壓跌落625 ms機組定子無功響應(yīng)Fig.10 Response of stator reactive power to voltage drop for 625 ms

3.2 實驗2

為了進一步驗證撬棒和變槳協(xié)調(diào)控制對機組低電壓穿越能力的改善，尤其是持續(xù)時間較長的電壓故障，設(shè)計完成了另外一個仿真實驗。在該仿真驗證中，除了故障持續(xù)時間不同（電壓跌落故障持續(xù)700 ms）外，其他仿真條件均相同。

該仿真條件下，得出的結(jié)果和實驗1一致。圖11是槳距角的變化曲線，其對轉(zhuǎn)速的控制效果如圖12所示，由于電壓跌落故障持續(xù)時間較長，在撬棒控制下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過了過速保護的整定值1.3 p.u.。然而，協(xié)調(diào)控制的采用使得系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)，同時穩(wěn)定了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波動。圖 13同樣表明，協(xié)調(diào)控制能抑制轉(zhuǎn)子故障電流，尤其是故障切除后作用更加明顯，而圖14和圖15也說明，協(xié)調(diào)控制能改善系統(tǒng)有功功率和無功功率的波動。

需要強調(diào)的是，按照圖14和圖15所示，和撬棒控制相比，協(xié)調(diào)控制的采用，使得電機定子有功在故障切除后，產(chǎn)生的瞬間尖峰脈沖幅值略有減小，而對無功功率瞬間尖峰脈沖幅值并無改善。

圖11 電壓跌落700 ms機組槳距角變化曲線Fig.11 Variation curve of pitch angle during voltage drop for 700 ms

圖12 電壓跌落700 ms機組轉(zhuǎn)速響應(yīng)Fig.12 Response of rotor speed to voltage drop for 700 ms

圖13 電壓跌落700 ms機組轉(zhuǎn)子電流響應(yīng)Fig.13 Response of rotor current to voltage drop for 700 ms

圖14 電壓跌落700 ms機組定子有功響應(yīng)Fig.14 Response of stator active power to voltage drop for 700 ms

圖15 電壓跌落700 ms機組定子無功響應(yīng)Fig.15 Response of stator reactive power to voltage drop for 700 ms

4 結(jié)論

撬棒技術(shù)是目前風(fēng)機制造商優(yōu)先考慮的改善雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越能力的較為成熟的技術(shù)。但是，撬棒電路在故障期間的運行不僅使得機組向系統(tǒng)吸收無功功率，而且不利于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，對于時間較長的電壓跌落故障，機組可能過速跳閘，使得機組低電壓穿越失敗。因此，建議采用緊急變槳和撬棒協(xié)調(diào)控制來加強雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越能力。

然而，變槳控制相對電氣參數(shù)而言，變化較慢，因此在故障持續(xù)時間較短時，改善機組低電壓穿越能力的作用不是很明顯，但仍能改善機組轉(zhuǎn)速和輸出電磁功率的穩(wěn)定性，同時對轉(zhuǎn)子故障電流，尤其是故障切除后，有一定作用。而當系統(tǒng)遭受故障持續(xù)時間較長時，協(xié)調(diào)控制能有效限制轉(zhuǎn)速的上升，控制其在規(guī)定的范圍之內(nèi)，同時改善機組轉(zhuǎn)速和輸出電磁功率的穩(wěn)定性，并能起到抑制轉(zhuǎn)子故障電流、減小輸出機械功率、緩解轉(zhuǎn)矩大的變化對齒輪箱產(chǎn)生的沖擊的作用。