周 蕓，李志華

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 210000）

隨著風力發(fā)電在電力能源中所占比例的增大，風力發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響已經(jīng)不能忽視。常規(guī)的風力發(fā)電系統(tǒng)，當電網(wǎng)電壓降低到一定值時，風力發(fā)電機組便會自動脫網(wǎng)，這種情況對于風力發(fā)電容量較大的電力系統(tǒng)而言可能會造成電網(wǎng)電壓和頻率的崩潰。為了使風力發(fā)電機組在電網(wǎng)電壓瞬間跌落時仍能保持并網(wǎng)，電網(wǎng)安全運行準則要求風力發(fā)電機組具有一定的低電壓穿越（LVRT）能力[1]。我國根據(jù)實際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及風電發(fā)展情況對風力機組LVRT能力做出了具體的規(guī)定[2]：風電機組在并網(wǎng)點電壓跌落到20%額定電壓時能夠持續(xù)并網(wǎng)運行625 ms；風電機組在并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%，風電機組保持并網(wǎng)運行。

雙饋異步發(fā)電機（DFIG）以其較好的調(diào)速性能，有功和無功功率可獨立調(diào)節(jié)以及變流器容量、投資和損耗小等優(yōu)點，成為目前風電場的主流機型。目前，雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)低電壓穿越更為普遍和有效地方法是在轉(zhuǎn)子側(cè)增加保護電路（即Crowbar電路）和直流側(cè)卸荷電路，從而使得風機在不脫網(wǎng)的情況下轉(zhuǎn)子變流器可以重新開始工作，滿足LVRT的要求。

本文研究了轉(zhuǎn)子Crowbar保護電路和直流側(cè)卸荷電路的控制策略，并且在PSCAD仿真軟件中搭建了一臺2MW雙饋異步風力發(fā)電機模型，仿真對比了轉(zhuǎn)子Crowbar和直流側(cè)卸荷電路組成的組合電路與僅接入轉(zhuǎn)子Crowbar保護電路的LVRT效果，驗證了組合保護電路控制策略能夠更好地實現(xiàn)低電壓穿越。

1 風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越研究現(xiàn)狀

為了保證電網(wǎng)電壓跌落故障時雙饋異步發(fā)電機及其勵磁變流器安全不脫網(wǎng)運行，國內(nèi)外學術(shù)界和工程界對電網(wǎng)電壓跌落故障時雙饋異步發(fā)電機的保護原理與控制策略進行了大量研究。目前相關(guān)研究大體上可分為兩個方向：一是改進控制策略；二是增加硬件輔助電路。

通過控制策略的改進，只適用于電壓跌落不很嚴重的情況，一旦出現(xiàn)很嚴重的電壓跌落，無論怎樣控制都將出現(xiàn)過電流或是過電壓。這時，需增加硬件輔助電路實現(xiàn)LVRT。

文獻[3-4]對轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路和直流側(cè)卸荷電路的控制進行了仿真，但是該文獻中的 Crowbar電路是被動的，不能主動切除，失去了對 DFIG在電網(wǎng)故障情況下的主動控制。文獻[5]在機組直流側(cè)加入能量儲存系統(tǒng)（ESS），該系統(tǒng)在電網(wǎng)故障時將多余的能量存儲起來，故障結(jié)束時又將儲存的能量送回電網(wǎng)，但在直流側(cè)加入ESS系統(tǒng)加大了設(shè)計的難度，同時也增加了成本。文獻[6-7]在發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)和變流器之間增加Crowbar電路，當電網(wǎng)電壓跌落引起轉(zhuǎn)子側(cè)過電流時，投入 Crowbar電路，利用Crowbar電路吸收轉(zhuǎn)子側(cè)過電流，保證變流器避開過電流的沖擊，起到保護作用。這種保護電路使轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在電網(wǎng)故障時可以與轉(zhuǎn)子保持連接，當故障消除后通過切除保護電路，使風力發(fā)電系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運行，因而具有更大的靈活性。文獻[8]在雙饋風力發(fā)電機組直流母線側(cè)加入卸荷電路，當檢測到直流環(huán)節(jié)電壓過高時投入卸荷電路，消耗直流側(cè)多余能量，保持電壓穩(wěn)定，該方法簡單有效。

Crowbar電路中的電阻R的選取是一個難點[9]，R值過小則起不到限制轉(zhuǎn)子過電流的作用；R值選擇越大，轉(zhuǎn)子電流衰減越快，但R值過大則會導致直流母線和網(wǎng)側(cè)變流器功率開關(guān)器件上產(chǎn)生過電壓。因此本文采用Crowbar和直流側(cè)卸荷電路組成的組合電路，兼顧限制轉(zhuǎn)子側(cè)過電流和直流母線上過電壓。

2 雙饋風力發(fā)電機組LVRT實現(xiàn)

圖1為雙饋風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖，其中雙饋異步發(fā)電機的定子通過變壓器直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子通過變換器與電網(wǎng)相連。

圖1 雙饋風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the doubly fed wind turbine

由于DFIG定子直接與電網(wǎng)相連，當電網(wǎng)電壓瞬間跌落引起機端電壓驟降時，雙饋發(fā)電機定子電壓跌落，根據(jù)磁鏈守恒定律，定子磁鏈不能隨定子端電壓突變，從而產(chǎn)生直流分量，定子磁鏈幾乎不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會導致轉(zhuǎn)子電流迅速上升。轉(zhuǎn)子側(cè)電流迅速升高，同時機組不能正常向電網(wǎng)輸出能量，會導致勵磁變流器直流側(cè)電壓升高[10]。因此，需要采用一些控制策略，來限制轉(zhuǎn)子電流上升，并減小直流母線側(cè)電壓，抑制電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩。

2.1 主動式轉(zhuǎn)子Crowbar電路控制策略

主動式Crowbar保護電路如圖2所示，以不可控整流橋配合一個IGBT全控器件與電阻R串聯(lián)組成了Crowbar電路，其中電阻R用以限制故障期間轉(zhuǎn)子過電流，Crowbar電路與轉(zhuǎn)子變流器之間用斷路器相連，當投入Crowbar電路時開通斷路器，切除時斷開斷路器。

圖3為主動式轉(zhuǎn)子Crowbar電路投切原理圖，圖中i*rotor為設(shè)定的轉(zhuǎn)子電流限定值；irotor為轉(zhuǎn)子電流實際值。在電網(wǎng)電壓跌落期間Crowbar電路中的IGBT的控制信號與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制信號是互鎖的，即當IGBT導通時封鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制脈沖，當IGBT斷開時恢復(fù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制。

圖2 主動式轉(zhuǎn)子Crowbar保護電路Fig.2 Active Crowbar protection circuit

圖3 轉(zhuǎn)子Crowbar電路投切原理圖Fig.3 Principle diagram of Crowbar circuit

當電壓檢測電路檢測到電網(wǎng)發(fā)生故障導致電壓跌落時，即開通斷路器，投入Crowbar電路，同時DFIG定、轉(zhuǎn)子將會出現(xiàn)過電流。當與的差值大于限定值時，不是一直導通Crowbar電路中的IGBT，而是給IGBT斬波控制信號，因為當IGBT導通時轉(zhuǎn)子側(cè)變流器是不工作的，因此無法向外部輸出有功，所以應(yīng)該在限定轉(zhuǎn)子電流的前提下盡可能多的外部輸出有功，防止電網(wǎng)發(fā)生更為嚴重的故障；根據(jù)具體設(shè)置斷開斷路器，切除轉(zhuǎn)子Crowbar電路，同時恢復(fù)轉(zhuǎn)子變流器正常工作。

R阻值的選取是一個難點，因此在轉(zhuǎn)子Crowbar電路的基礎(chǔ)上再加上直流側(cè)卸荷電路，兼顧限制轉(zhuǎn)子側(cè)過電流和直流母線上過電壓。

2.2 直流側(cè)卸荷電路

直流側(cè)卸荷電路如圖4所示，由IGBT和卸載電阻R構(gòu)成，當電網(wǎng)電壓跌落時，直流母線側(cè)電壓高于給定值時投入直流側(cè)卸荷電路，利用電阻R消耗多余的能量，則可保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定[8]。

圖4 直流側(cè)保護電路Fig.4 DC dumping combination projection circuit

如圖5為直流側(cè)卸荷電路的控制原理圖，直流母線側(cè)卸荷電路動作設(shè)定值與直流母線側(cè)實際電壓的差值經(jīng)過滯環(huán)比較器后得出IGBT的控制信號S，當差值大于滯環(huán)比較器上上限時開通IGBT，小于滯環(huán)比較器下限是斷開IGBT。

2.3 LVRT組合保護電路控制策略的實現(xiàn)

LVRT組合保護電路將保護轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、直流母線側(cè)電容并且使機組持續(xù)運行不致從電網(wǎng)脫離。系統(tǒng)采用組合保護電路控制策略的控制過程如下：

1）在電網(wǎng)電壓跌落瞬間立即開通斷路器，投入Crowbar電路，當檢測到轉(zhuǎn)子電流超過限定值（本文中取額定值的1.5倍）時，給Crowbar電路中IGBT斬波控制脈沖；同時當直流母線側(cè)電壓超過設(shè)定值時，直流側(cè)卸荷電路投入運行。

圖5 直流卸荷電路控制原理圖Fig.5 Principle diagram of DC dumping combination projection circuit

2）電網(wǎng)電壓恢復(fù)時立即切除轉(zhuǎn)子Crowbar和直流側(cè)卸荷電路，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

3 雙饋風力發(fā)電機組LVRT建模與仿真

基于PSCAD仿真軟件，建立了雙饋風力發(fā)電機組仿真模型，如圖6所示。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器為電流滯環(huán)控制、網(wǎng)側(cè)變流器為SPWM控制[11-12]。

仿真參數(shù)如下：

1）雙饋異步發(fā)電機參數(shù)：額定容量為900 kVA，額定角速度為104.72 rad/s，極對數(shù)為3，定子額定電壓為 690 V，定子電阻為0.005 4 p.u，轉(zhuǎn)子電阻為0.006 07 p.u，定子漏感為0.1 p.u，轉(zhuǎn)子漏感為 0.11p.u；2）電網(wǎng)參數(shù)：線電壓 20 kV，50 Hz，電阻為 2.5，電感為 0.04 H；3）風機參數(shù)：葉片半徑 R為40 m，槳距角為0度，空氣密度為1.225 kg/m3，齒輪變比n為 67，額定功率為 2 MW；4）額定直流母線電壓 800 V，直流側(cè)電容7 800 μF，網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器無功給定值為0；5）轉(zhuǎn)子Crowbar電路中的電阻取2，IGBT斬波頻率選擇5 kHz、占空比選擇90%，直流側(cè)卸荷電阻取1.5 Ω。

為了驗證DFIG的低電壓穿越能力，選定風電并網(wǎng)低電壓穿越標準中最嚴重的電網(wǎng)電壓驟降：電網(wǎng)電壓在6 s時母線電壓發(fā)生三相對稱短路故障，跌落至額定電壓的20%，在6.2 s時恢復(fù)正常。

圖7為電網(wǎng)電壓跌落期間接入組合保護電路和單獨接入Crowbar電路的DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)的各物理量仿真結(jié)果的對比。

圖6 雙饋風力發(fā)電機組低電壓穿越仿真模型Fig.6 Simulation model of low voltage ride-through of doubly fed wind turbine

如圖 7 （a）、（b）所示，在僅接入 Crowbar電路的情況下直流母線側(cè)電壓是超過額定值的二倍；當接入卸荷電路的情況下，直流母線的峰值限定在1 kV以下，減少了對直流母線側(cè)電容的沖擊。說明直流母線側(cè)卸荷電路與轉(zhuǎn)子Crowbar電路的組合保護電路更好的保護了直流母線側(cè)電容。圖7（c）、（d）對比可得電網(wǎng)電壓跌落期間接入組合保護電路時有功功率波形振蕩比僅接入Crowbar電路時有功功率波形振蕩小。從圖 7（e）、（f）看出電網(wǎng)電壓跌落期間僅接入轉(zhuǎn)子 Crowbar電路時轉(zhuǎn)子電流有效值比接入組合保護電路時轉(zhuǎn)子電流有效值要大，說明結(jié)合轉(zhuǎn)子Crowbar和直流卸荷電路的組合保護電路能更好的限制電網(wǎng)電壓跌落期間引起的轉(zhuǎn)子過電流。綜上，組合保護電路能更加有利于DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越。

4 結(jié) 論

文中對比分析了轉(zhuǎn)子Crowbar電路與轉(zhuǎn)子Crowbar和直流卸荷電路組成的組合保護電路的DFIG低電壓穿越控制策略。組合電路控制策略是對轉(zhuǎn)子Crowbar電路控制策略的改進，該控制策略在電網(wǎng)故障時投入使用，限制轉(zhuǎn)子電流過高，并卸除多余能量，保護變流器和DFIG等器件。通過仿真驗證了即使在電網(wǎng)電壓嚴重跌落時，組合保護電路控制策略能很好地抑制轉(zhuǎn)子側(cè)電流和直流側(cè)電壓的上升，并減小輸出功率的振蕩，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

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圖7 接入組合保護電路與僅接入Crowbar電路系統(tǒng)各物理量響應(yīng)Fig.7 System response of combination projection circuit and crowbar circuit