鄧友漢，肖志懷，程遠(yuǎn)楚，張新龍

（1.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院新能源所，江蘇 南京 210003）

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大與單機(jī)容量的提高，風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生電能在我國(guó)電網(wǎng)中所占的比重也逐漸增加?；陔p饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）的風(fēng)電系統(tǒng)具有變流器容量小、有功功率與無功功率可以單獨(dú)調(diào)節(jié)、調(diào)速范圍廣等特點(diǎn)，因此在風(fēng)電場(chǎng)中被廣泛應(yīng)用[1-2]。當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，DFIG風(fēng)力機(jī)機(jī)端電壓下降、定子電流上升，磁通下降，感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流升高，若不能抑制此電流，會(huì)導(dǎo)致機(jī)側(cè)變頻器（GSC）過流或過壓保護(hù)而退出運(yùn)行，將造成電磁轉(zhuǎn)矩不可控，引起風(fēng)力機(jī)加速，勢(shì)必引起過速停車。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓故障時(shí)，大規(guī)模的風(fēng)力機(jī)組與電網(wǎng)解列，將降低電網(wǎng)電壓的支撐能力，影響電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。所以，很多國(guó)家都要求并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)力機(jī)必須能實(shí)現(xiàn)低電壓穿越（LVRT）[3]，我國(guó)也于 2009 年提出了《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（修訂版）》[4]。

目前，對(duì)電網(wǎng)電壓跌落故障下DFIG機(jī)組的行為特性及提高其低電壓穿越能力的研究，已成為國(guó)內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題[5]。已提出的方案有：定子側(cè)法[6]，在電網(wǎng)電壓故障期間，定子側(cè)并網(wǎng)開關(guān)斷開，將定子與電網(wǎng)暫時(shí)切除，直至系統(tǒng)電壓恢復(fù)再重新并網(wǎng)，此方法嚴(yán)格意義上并非不脫網(wǎng)運(yùn)行；直流母線電容保護(hù)法[7-8]，采用直流Crowbar吸收轉(zhuǎn)子側(cè)多余能量，控制直流母線不過壓，而對(duì)故障期間的直流母線電壓下降的處理方法是增加超級(jí)電容UPS，但此方法的成本過高，工程大量應(yīng)用受到了限制；轉(zhuǎn)子側(cè)并聯(lián)交流 Crowbar方法[9-12]，在電網(wǎng)電壓跌落期間利用Crowbar泄放轉(zhuǎn)子能量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的低電壓穿越。

我國(guó)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅速，大量已運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力。為使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，一般常采用增加硬件的方法來實(shí)現(xiàn)DFIG在電網(wǎng)低電壓故障下低電壓穿越運(yùn)行。鑒于我國(guó)電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)低電壓穿越的要求為嚴(yán)格意義上不脫網(wǎng)，直流母線電容保護(hù)法的成本較高，因此，我國(guó)現(xiàn)行實(shí)施低電壓穿越的方案中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)并聯(lián)交流主動(dòng)式Crowbar方案應(yīng)用相對(duì)較多。

本文通過對(duì)電網(wǎng)電壓驟降故障下DFIG的瞬態(tài)特性的研究，分析了電壓跌落故障對(duì)無穿越能力的DFIG機(jī)組的危害，提出了DFIG低電壓穿越運(yùn)行的具體控制目標(biāo)，并對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)子側(cè)并聯(lián)Crowbar低電壓穿越方案進(jìn)行分析；在此基礎(chǔ)上，提出了基于動(dòng)態(tài)剎車電阻（DBR）的交直流復(fù)用Crowbar低電壓穿越方案，并對(duì)該方案在故障過程中的風(fēng)力機(jī)低電壓穿越可行性及正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)故障期間的無功支撐能力、運(yùn)行安全性、故障過程持續(xù)可控性方面等進(jìn)行了分析。

1 DFIG的瞬態(tài)特性分析數(shù)學(xué)模型及風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越目標(biāo)

為了研究DFIG風(fēng)力機(jī)在電網(wǎng)電壓跌落故障下的瞬態(tài)特性，首先需要建立相應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。按電動(dòng)機(jī)在同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，DFIG的電壓和磁鏈方程分別為：

其中，Us、Ur分別為定子、轉(zhuǎn)子電壓；Is、Ir分別為定子、轉(zhuǎn)子電流；ψs、ψr分別為定子、轉(zhuǎn)子磁鏈；ω1、ωs分別為同步角轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差角轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式（3）、（4）得出定子電流與轉(zhuǎn)子電流的表達(dá)式為：

對(duì)DFIG機(jī)組而言，定子、轉(zhuǎn)子漏抗相對(duì)于勵(lì)磁電抗很小。由于故障瞬間磁通不能突變，電網(wǎng)電壓跌落，定子磁通中將產(chǎn)生一個(gè)直流分量，此直流分量大小與電網(wǎng)跌落程度保持一致性，即跌落越深此直流分量越大。系統(tǒng)電源跌落瞬間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速維持跌落前的轉(zhuǎn)速。因轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度較大且跌落瞬間轉(zhuǎn)速不會(huì)突變，會(huì)在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出很大的短路電流，當(dāng)電網(wǎng)電壓三相同時(shí)跌落至0時(shí)，短路電流約為5～10倍的額定電流，此電流將對(duì)定子、轉(zhuǎn)子及變頻器產(chǎn)生危害，同時(shí)，將引起風(fēng)力機(jī)齒輪箱機(jī)械扭矩突變，嚴(yán)重影響風(fēng)力機(jī)的安全。根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落對(duì)DFIG風(fēng)力機(jī)的影響分析，結(jié)合《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（修訂版）》的要求，將風(fēng)力機(jī)組實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的主要目標(biāo)歸結(jié)為：

a.電網(wǎng)故障期間，維持規(guī)定時(shí)間內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不脫網(wǎng)；

b.在電網(wǎng)故障期間，保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全；

c.在滿足安全和不脫網(wǎng)的要求下，提供連續(xù)、穩(wěn)定、最大能力的無功功率，以協(xié)助電網(wǎng)電壓恢復(fù)，減小電網(wǎng)電壓崩潰的可能性。

2 基于DBR的交直流復(fù)用Crowbar低電壓穿越方案

2.1 并聯(lián)交流主動(dòng)式Crowbar低電壓穿越方案

我國(guó)現(xiàn)行實(shí)施低電壓穿越的方案中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)并聯(lián)交流主動(dòng)式Crowbar技術(shù)應(yīng)用相對(duì)較多，其系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。此方案的可行性在大量文獻(xiàn)及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中已經(jīng)得到驗(yàn)證，但需將硬件觸發(fā)晶閘管型被動(dòng)式Crowbar單元，更換為軟件觸發(fā)IGBT型主動(dòng)式Crowbar，改變了風(fēng)力機(jī)原有的安全邏輯。

2.2 直流Crowbar低電壓穿越方案

圖1 并聯(lián)交流主動(dòng)式Crowbar LVRT拓?fù)鋱DFig.1 Topology of parallel active AC Crowbar LVRT system

直流Crowbar的工作原理為當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓升高，轉(zhuǎn)子能量通過GSC整流輸送至直流母線，直流母線電壓升高，通過控制DBR單元泄放直流母線能量，維持母線電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子故障能量泄放。根據(jù)DFIG的磁鏈方程式（6），當(dāng)電網(wǎng)電壓深度跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓、電流升高，考慮到風(fēng)力機(jī)GSC過流能力的限制，可能達(dá)到GSC的過電流保護(hù)值，當(dāng)檢測(cè)到過電流，GSC封鎖脈沖，GSC關(guān)斷，將導(dǎo)致低電壓穿越失敗，且可能引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電壓，引發(fā)安全事故。為實(shí)現(xiàn)深度跌落低電壓穿越，文獻(xiàn)[7]提出增加并聯(lián)一組GSC，增大GSC的過流能力，此方法能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓深度跌落的低電壓穿越，故障期間全可控，但對(duì)已運(yùn)行風(fēng)力機(jī)硬件更換帶來很大難度，且成本很高。

2.3 交直流復(fù)用Crowbar低電壓穿越方案

針對(duì)以上2種低電壓穿越方案的優(yōu)點(diǎn)和不足，結(jié)合DFIG低電壓穿越的主要目標(biāo)的要求，本文提出了一種基于DBR的交直流復(fù)用Crowbar低電壓穿越方案，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 基于DBR的交直流復(fù)用Crowbar LVRT系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2 Topology of AC-DC multiplexing Crowbar LVRT system based on DBR

DBR由風(fēng)力機(jī)IGBT控制通斷，其工作原理為：當(dāng)直流母線電壓大于啟動(dòng)電壓時(shí)，控制DBR回路的IGBT導(dǎo)通，耗散直流母線的能量，防止直流母線過壓，直至直流母線電壓低于關(guān)斷電壓時(shí)控制關(guān)斷IGBT，在現(xiàn)有風(fēng)力機(jī)中，大多已配置DBR裝置。本方案采用風(fēng)力機(jī)已配置的DBR裝置，添加一組整流橋單元連接于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與直流母線之間，替代并聯(lián)GSC（直流母線保護(hù)法）或者替代主動(dòng)式Crowbar（轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar法）。此整流橋單元與GSC并聯(lián)結(jié)合DBR裝置，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)低電壓穿越；當(dāng)電網(wǎng)電壓輕度跌落時(shí)，整流橋截止，DBR與GSC組合形成直流Crowbar，耗散轉(zhuǎn)子故障能量，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)低電壓穿越；當(dāng)電網(wǎng)電壓深度跌落時(shí)，GSC封鎖脈沖關(guān)斷，轉(zhuǎn)子電壓上升，整流橋?qū)ǎ珼BR與整流橋單元組合形成轉(zhuǎn)子交流Crowbar，耗散轉(zhuǎn)子故障能量，至GSC成功重啟，整流橋截止，切換為直流Crowbar，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的低電壓穿越。

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生輕度跌落時(shí)，對(duì)應(yīng)跌落過程中GSC未觸發(fā)故障保護(hù)的低電壓跌落（u/ur≥50%）：并網(wǎng)接觸器不動(dòng)作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保持GSC不封鎖脈沖仍正常運(yùn)行，并聯(lián)整流橋無電流，網(wǎng)側(cè)變頻器（LSC）正常工作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于持續(xù)全可控狀態(tài)，GSC可控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，與電網(wǎng)電壓跌落前運(yùn)行方式保持一致，通過控制并聯(lián)在直流母線上的DBR來吸收耗散風(fēng)力機(jī)組的故障能量，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組的輕度跌落低電壓穿越。此時(shí)DBR與GSC組合形成“直流Crowbar單元”，此工作方式定義為“直流Crowbar工作方式”。

當(dāng)電網(wǎng)電壓深度跌落時(shí)，對(duì)應(yīng)GSC故障保護(hù)封鎖脈沖的低電壓跌落（u/ur＜50%）：并網(wǎng)接觸器不動(dòng)作，根據(jù)DFIG的磁鏈方程式（6），發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓、電流升高，可達(dá)到GSC的過電流保護(hù)值，當(dāng)檢測(cè)到過電流，GSC封鎖脈沖，GSC關(guān)斷，轉(zhuǎn)子能量通過整流橋單元輸送至直流母線，此時(shí)IGBT旁路二極管同樣有整流電流通過。相當(dāng)于整流橋單元與機(jī)側(cè)IGBT旁路二極管并聯(lián)，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子能量輸送到直流母線，給直流母線充電，直流母線電壓升高，通過控制并聯(lián)在直流母線上的DBR通斷，釋放直流母線電容的能量，從而泄放轉(zhuǎn)子故障能量，維持直流母線電壓在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組的深度跌落低電壓穿越。此時(shí)，并聯(lián)整流橋與DBR組合形成一個(gè)“交流Crowbar單元”，此工作方式定義為“交流Crowbar工作方式”。當(dāng)檢測(cè)到整流電流小于GSC過流限值時(shí)，重啟GSC，工作方式切回直流Crowbar方式。

此方案的Crowbar工作方式隨電網(wǎng)跌落程度不同會(huì)發(fā)生切換，會(huì)工作于直流和交流Crowbar 2種工作方式，為交直流復(fù)用型Crowbar，因此DBR的阻值必須同時(shí)滿足2種工作方式的要求。DBR阻值的合理化選擇將是保證此方案可行性、提高方案優(yōu)越性的必要措施[13-14]。 文獻(xiàn)[15]推導(dǎo)出了交流 Crowbar阻值選取表達(dá)式：

其中，Isafe為GSC過流保護(hù)設(shè)定值；Udc為直流母線電壓。

直流Crowbar工作方式運(yùn)行時(shí)，DBR為變頻器的制動(dòng)電阻，考慮到DBR單元IGBT的過流能力限制，DBR的電流需要小于IGBT限制電流，且滿足發(fā)電機(jī)制動(dòng)的要求，電流為發(fā)電機(jī)額定電流的一半時(shí)可以達(dá)到與發(fā)電機(jī)額定扭矩相等的制動(dòng)扭矩，得出：

其中，Imax為DBR控制單元IGBT的過流保護(hù)設(shè)定值。

根據(jù)式（7）—（9）可得出DBR阻值范圍，同時(shí)結(jié)合電阻的溫度特性曲線，選取合適的電阻值。

3 方案驗(yàn)證與效果分析

3.1 試驗(yàn)方案

選取一個(gè)2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)參數(shù)如下：額定功率2 MW，定子電壓690 V，定轉(zhuǎn)子匝比0.36，轉(zhuǎn)子電阻114 mΩ，互感抗2.41 mΩ，定子漏感46 mΩ，極對(duì)數(shù)為 2，DBR 阻值 0.8 Ω。

針對(duì)圖2所示的基于DBR的交直流復(fù)用Crowbar低電壓穿越方案，分別進(jìn)行電網(wǎng)電壓為35%和50%的電壓跌落試驗(yàn)。試驗(yàn)中低電壓穿越過程的工作方式控制邏輯如圖3所示。

3.2 深度跌落試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)電網(wǎng)電壓深度跌落時(shí)，根據(jù)圖3的控制邏輯，系統(tǒng)處于交流Crowbar工作方式。對(duì)于深度跌落，滿功率運(yùn)行時(shí)發(fā)生電壓跌落對(duì)風(fēng)力機(jī)低電壓穿越能力的要求最高。選電網(wǎng)電壓平衡跌落至35%，電網(wǎng)故障前風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速為1800 r/min，輸出功率為額定功率2 MW，此工況下風(fēng)力機(jī)組實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的結(jié)果如圖4所示。圖中，從上至下分別代表風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總功率（P 和 Q）、定子側(cè)功率（Ps和 Qs）、LSC 功率（PLSC和 QLSC）、GSC 電流 IGSC、并聯(lián)整流橋電流 ID、電網(wǎng)相電壓有效值URMS、直流母線電壓Udc、DBR控制電壓UDBR、被動(dòng) Crowbar電流 Icrowbar。

如圖4所示，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓為35%對(duì)稱電壓跌落時(shí)，故障期間風(fēng)力機(jī)未脫網(wǎng)。發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落，GSC檢測(cè)到過電流，GSC脈沖封鎖，GSC關(guān)斷，轉(zhuǎn)子能量通過整流橋與IGBT旁路二極管輸送給直流母線。整流橋與DBR組合形成一個(gè)交流Crowbar單元，此期間工作于交流Crowbar方式。故障后45ms處，檢測(cè)到整流電流小于GSC過電流限值，GSC重啟，從GSC重啟至故障切除，GSC正常運(yùn)行，控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，此期間工作切回直流Crowbar方式。此次電壓跌落過程，直流母線電壓范圍為980～1220 V，在設(shè)計(jì)電壓范圍內(nèi)。發(fā)電機(jī)定子在[0，45]ms無功功率為0，（45，875]ms 無功功率為 559 kvar；[0，875]ms 網(wǎng)側(cè)無功功率為188 kvar。

圖3 基于DBR的交直流復(fù)用Crowbar LVRT流程圖Fig.3 Flowchart of AC-DC multiplexing Crowbar LVRT based on DBR

圖4 電壓深度跌落LVRT試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results of LVRT during deep grid voltage drop

3.3 輕度跌落試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生輕度跌落時(shí)，根據(jù)圖3所述，系統(tǒng)處于直流Crowbar工作方式。在輕度跌落時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速在接近同步轉(zhuǎn)速區(qū)運(yùn)行時(shí)發(fā)生電壓跌落故障，轉(zhuǎn)子故障電流幅值最大，對(duì)風(fēng)力機(jī)低電壓穿越要求最高。選電網(wǎng)電壓發(fā)生50%不平衡跌落，電網(wǎng)故障前風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速為1460 r/min，輸出功率500kW。此工況下風(fēng)力機(jī)組實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見，此次跌落為50%不對(duì)稱電壓跌落，整個(gè)跌落過程未脫網(wǎng)，GSC未封鎖脈沖，GSC正常運(yùn)行，并聯(lián)整流橋無電流，DBR根據(jù)直流母線電壓控制通斷，跌落過程中，直流母線電壓范圍為990～1231V，在設(shè)計(jì)電壓范圍內(nèi)，直流母線電壓穩(wěn)定。發(fā)電機(jī)定子在跌落期間持續(xù)發(fā)無功功率530 kvar，網(wǎng)側(cè)無功功率316 kvar。

圖5 電壓輕度跌落LVRT試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of LVRT during mild grid voltage drop

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，基于DBR的交直流復(fù)用Crowbar穿越方案，無論是深度跌落還是輕度跌落，均能實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的低電壓穿越，故障期間未與電網(wǎng)解列，且直流母線電壓均在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，LSC均能向電網(wǎng)提供無功支撐，發(fā)電機(jī)定子均能于75 ms后提供無功支撐。

4 結(jié)語

采用基于DBR的交直流復(fù)用Crowbar低電壓穿越方案，可防止當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落過程中轉(zhuǎn)子電壓陡升，維持風(fēng)力機(jī)不與電網(wǎng)解列，從而實(shí)現(xiàn)DFIG機(jī)組的低電壓穿越；對(duì)電網(wǎng)輕度跌落故障，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)故障過程持續(xù)全可控，對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的可控，跌落期間無功支撐滿足電網(wǎng)導(dǎo)則要求；對(duì)深度跌落故障，通過增加并聯(lián)整流橋，使風(fēng)力機(jī)形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，規(guī)避了GSC過流能力不足的缺陷，保證了風(fēng)力機(jī)深度跌落低電壓穿越的可行性，亦能實(shí)現(xiàn)跌落期間無功支撐滿足電網(wǎng)導(dǎo)則要求，降低了改造成本。同時(shí)本文所述方案未改動(dòng)風(fēng)力機(jī)原有硬件觸發(fā)被動(dòng)Crowbar單元的結(jié)構(gòu)，維持了風(fēng)力機(jī)原有安全邏輯設(shè)計(jì)，保證了風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行的安全性。