羅普

(國電電力山東新能源開發(fā)有限公司,山東煙臺 264000)

雙饋風力發(fā)電機組低電壓穿越技術發(fā)展綜述

羅普

(國電電力山東新能源開發(fā)有限公司,山東煙臺 264000)

本文在參閱大量文獻基礎上詳細闡述了Crowbar電路和改進雙饋發(fā)電機勵磁控制策略的原理和特點,介紹了目前低電壓穿越常用方法,對它們的原理、研究的意義、不足之處進行了全面客觀的分析評價,提出了在研究Crowbar電路時存在的問題,介紹了改進勵磁控制策略最新的進展,提出了自己的想法,即“軟硬無結合”的策略,最后對該領域的研究現狀和未來趨勢進行了說明。

雙饋發(fā)電機 低電壓穿越 Crowbar 改進勵磁控制策略 軟硬無結合策略

1 引言

正雙饋感應發(fā)電機(DFIG)作為目前的主流風電機型之一，采用變速恒頻發(fā)電技術，具有變流器容量較小、風能利用效率高、有功和無功可獨立解耦控制的優(yōu)點[1-2]。但是由于其定子直接和電網相連、轉子的變頻器容量較小只能對發(fā)電機提供部分控制，而且對電網擾動及故障非常敏感，當電網電壓突然跌落時，其定子側有功功率不能及時送出會引起電機磁鏈振蕩以及轉子過壓和定轉子過流，該電流中含有大量的直流分量并切割轉子磁場，此時如果沒有及時采取保護措施，過大的電壓和電流將可能損壞雙饋變流器，進而形成系統(tǒng)保護性切機，導致嚴重的連鎖反應[5]風機脫網事故不可避免。

近年來風機脫網事故的頻發(fā)，說明并網運行的風電機組低電壓穿越能力較弱，且故障期間未能有效地提供動態(tài)無功支撐。一旦大量風電機組被切除，系統(tǒng)潮流會發(fā)生嚴重轉移造成局部電網的有功缺額[19]，電網電壓和頻率均受到影響，使得系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定，并可能造成局部甚至是系統(tǒng)全面癱瘓[3-4]。解決DFIG的低電壓穿越問題是目前風力發(fā)電并網中需要解決的重要課題[3]。

雙饋感應風力發(fā)電機的模型見文獻[6]。

2 低電壓穿越的概念

低電壓穿越(Low Voltage Ride-Through，LVRT)，又叫低電壓過渡，是指在風機并網點電壓跌落的時候風機能夠保持并網，甚至向電網提供一定的無功功率，支持電網恢復電壓，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間，可大大減少風電機組在故障時反復并網次數，減少對電網的沖擊。也就是說在一定電壓跌落的范圍內，風力發(fā)電機組能夠不間斷并網，從而維持電網的穩(wěn)定運行。

LVRT的提出主要是基于有功功率平衡的考慮，它是電力系統(tǒng)功率平衡與頻率穩(wěn)定的需要，也是局部電網電壓穩(wěn)定及電壓恢復的需要。當前，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)應對低電壓穿越問題常見的有兩大類方法：

(1)硬件方法：轉子短路保護技術(Crowbar電路)。增加硬件電路，例如Crowbar電路、動態(tài)電阻、網側電壓無功補償裝置等，其中Crowbar電路保護方案最為常見。

(2)軟件方法：改進DFIG勵磁控制策略。

目前雙饋風電機組LVRT常采用的方案[9]是：電網電壓跌落較小時，通過改變DFIG的控制策略來實現發(fā)電機組的不間斷運行；電網電壓跌落較大時，采用增加額外硬件設備來抑制DFIG轉子側瞬間能量浪涌，保護變流器。

3 Crowbar電路

3.1 Crowbar電路原理

轉子短路保護技術(Crowbar電路)，通常稱為撬棒技術，實質是通過功率開關連接在轉子側的旁路電阻電路，如圖1所示，是較早用于DFIG轉子變流器短路保護的技術[7]。該方法在故障期間投入旁路電路將轉子側變流器短路，通過增加轉子繞組電流的流通路徑保證變流器避開過電流的沖擊，來降低過電流對轉子側變換器的影響[8]。當電網電壓發(fā)生嚴重跌落時，該電路投入運行。

Crowbar電路工作原理是在外部系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，DFIG定子電流增加，定子電壓和磁通突降，在轉子側感應出較大的電流。轉子側變流器直接串連在轉子回路上，為了保護變流器不受損失，在轉子側裝設轉子短路器Crowbar電路，實時監(jiān)測轉子繞組電流和直流側母線電壓，一旦檢測到電網電壓驟降超過預先設定值，Crowbar電路被激活，短接轉子繞組以旁路轉子側變流器，轉子側變流器退出運行，電流從旁路電阻流通，讓電阻消耗掉多余的功率；電網側變流器及定子側仍與電網相連。當電網電壓恢復到允許范圍內時，則退出撬棒電路，轉子繞組重新接回轉子側變換器，以維持DFIG的不脫網運行。

Crowbar電路分為被動式Crowbar和主動式Crowbar[36]。其區(qū)別就在于使用的開關器件是否可控關斷。被動式Crowbar的開關器件使用晶閘管SCR，即所謂的“晶閘管(SCR)”撬棒[33]。主動式Crowbar的開關器件使用IGBT、GTO等可關斷器件。采用被動式時，當需要切除Crowbar時，并不能立即切除，必須要等到電流過零才能切除。這就有可能延長Crowbar的在線時間，這對于低電壓穿越是不利的。而采用被動式則可以瞬時切除電路，有利于提高LVRT的能力[12]，有鑒于此，主動式Crowbar成為主流之選。

3.2 Crowbar電路優(yōu)缺點

Crowbar電路具有以下優(yōu)點：(1)Crowbar電路原理簡單易于控制；(2)在故障過程中可以確保勵磁變頻器的安全，加快故障電流的衰減，能夠很好的保護轉子側；(3)可以解決電網電壓跌落時引起的轉子側過電流和直流側過電壓問題。

Crowbar電路具有以下缺點：(1)在電路投入期間，轉子繞組被短接，DFIG處于異步運行狀態(tài)，成為一個消耗感性無功的負載，需從電網側吸收無功功率進行勵磁，無法對故障的電網電壓提供支撐，阻礙故障切除后電網電壓的恢復，導致電網的運行狀況進一步惡化[11]；(2)需要增加新的保護裝置，從而增加了系統(tǒng)成本；(3)傳統(tǒng)的Crowbar保護電路的投切操作會對系統(tǒng)產生暫態(tài)沖擊；(4)DFIG不同運行狀態(tài)間的切換，需要較為復雜的控制邏輯，否則可能會引起較大的振蕩過程；(5)Crowbar可能會在恢復過程中再次啟動，這樣就更增加了恢復時間；(6)Crowbar的投入和切除時刻選擇較難，選擇不當將一方面引起Crowbar多次動作，另一方面可能引起大電流沖擊。

3.3 Crowbar技術還需解決的問題

Crowbar電路方面存在的問題有：

(1)目前在用的Crowbar電路對于非對稱故障的作用比較有限，風電機組的低電壓穿越能力考核已從對稱跌落故障擴展到不對稱跌落故障，同時對稱跌落時還要求風電機組在故障期間能迅速向電網注入持續(xù)、穩(wěn)定的無功電流，這使現有裝備Crowbar裝置的DFIG風電機組將無法滿足這一要求。研究更為先進的主動式Crowbar裝置[25]以及研究在非對稱故障條件下的低電壓穿越問題具有實際意義。

(2)Crowbar 電路在不同運行狀態(tài)間切換會產生過渡過程，尤其是在電壓恢復過程中，Crowbar的退出將會加劇過渡過程，對Crowbar切換過程的暫態(tài)分析同樣具有實際意義。

(3)實際的低電壓穿越效果嚴重依賴于風電系統(tǒng)的內部運行條件和電網故障特征，如何有效配合各投切邏輯，成為急需解決的問題。

(4)Crowbar旁路電阻的取值問題，是一個最優(yōu)問題，因為旁路電阻既要足夠大以避免變流器直流側過電壓，又要足夠小以有效抑制轉子側過電流，因此確定旁路電阻值時應綜合考慮。

4 調整DFIG勵磁控制策略

4.1 改進DFIG勵磁控制策略的原理

所謂改進DFIG勵磁控制策略，是指在電壓跌落深度較小時，不增加硬件設備的條件下，通過改進控制策略來實現DFIG的LVRT方法。需注意的是，勵磁控制算法比較適合于較小的跌落。

傳統(tǒng)的DFIG勵磁控制是基于定子磁場定向或定子電壓定向的矢量控制方法，實現有功、無功功率獨立調節(jié)，一般采用PI調節(jié)器[3]，具有一定的抗干擾能力。但是當電網電壓出現較大幅度的跌落時，PI調節(jié)器容易出現輸出飽和，難以回到有效調節(jié)狀態(tài)，使電壓下降和恢復之后的一段時間內，DFIG實際上處于非閉環(huán)的失控狀態(tài)。為了克服傳統(tǒng)矢量控制的缺點，相關學者提出了很多改進控制策略。

4.2 改進DFIG勵磁控制策略的優(yōu)缺點

僅改變策略程序，不需增加額外的硬件電路，可降低實現電網故障穿越的成本，經濟性較好，靈活性好。當電壓跌落比較嚴重時，勵磁控制策略不能解決變流器過電壓的問題.因此勵磁控制策略并不適用于嚴重電壓跌落情況。

5 低電壓穿越的研究現狀及未來趨勢

目前針對電網故障時改進勵磁控制技術正受到廣泛關注和研究，特別是考慮各種因素，將不同策略進行優(yōu)勢互補，提出綜合性的控制策略，盡可能提高LVRT的能力。如根據電壓跌落深度調整有功和無功參考值的自適應控制策略及低電壓穿越方案，具有較好的發(fā)展前景。隨著風電并網和運行要求的提高，所提出的改進控制策略的條件更加苛刻：所采取的對策應具備各種故障類型下的有效性；控制策略須滿足對不同機組、不同參數的適應性；工程應用中須在實現目標的前提下盡量少地增加成本等。

有學者目前在做雙饋風電機組故障暫態(tài)特性分析，從定量仿真分析角度去揭示雙饋風力發(fā)電機組在故障發(fā)生、切除全過程中的暫態(tài)響應特性。另一方面是DFIG在不對稱電網故障下的控制策略的研究。

我認為，應提出“軟硬無結合”的方法，即在風力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行或電壓小幅跌落時使用一種常規(guī)的勵磁控制策略，而在電網故障電壓跌落較大時加裝硬件電路的實現方式，實現軟、硬件協(xié)調配合控制，同時整個過程中都裝設靜止無功補償設備以實現無功支撐增加暫態(tài)穩(wěn)定性，將有利于提高DFIG的低電壓穿越的能力。需要研究的問題是如何確定電壓大跌落與小跌落的界限以及設備間的配合問題。

基于超級電容器(SC)儲能的DVR(簡稱SC—DVR)來實現DFIG電壓穿越的協(xié)調控制策略的新想法，其原理是在電網電壓故障期間，SC—DVR對DFIG端口電壓進行完全補償，使得其端口電壓始終維持在正常水平，并吸收或者輸出有功功率，以實現DFIG輸出有功功率和電網吸收有功功率間的功率平衡。研究的意義在于在故障過程中能有效地抑制直流側過電壓，并能由網側變換器向電網提供無功功率，支持電網恢復。

受動態(tài)電壓恢復器的啟發(fā)而提出的采用串聯(lián)網側變換器的新型雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)能夠實現零電壓穿越，具有優(yōu)良的低電壓穿越(LVRT)能力，是一種先進的LVRT技術。但此類研究還處于起步階段，國內外研究均較少[4]。

今后該技術將會圍繞以下幾個方面展開研究：針對各種電網故障情況的DFIG改進控制策略將是未來低電壓穿越技術研究的重點；現有的DFIG及勵磁變頻器的瞬態(tài)數學模型尚不夠精確，構建包含保護裝置(如Crowbar)在內的DFIG系統(tǒng)的瞬態(tài)數學模型，將成為LVRT技術研究的重要內容；研制各種低成本、高可靠性、控制簡單的保護裝置，以確保嚴重故障下DFIG特別是勵磁變頻器的安全，是低電壓穿越成功與否的關鍵；研究電網故障下的快速無功補償策略和相關的電力電子穩(wěn)壓裝置，減小電壓驟降對DFIG機組的沖擊，并利用DFIG幫助穩(wěn)定及恢復故障電網電壓，是一種可行的先進控制思想。

6 結語

單純的改變其控制策略雖然成本低，但對低電壓穿越的能力提升有限，這種局限性可以通過Crowbar電路來彌補，同時用靜止無功補償設備提供無功支撐，實現“軟硬無的結合”優(yōu)勢互補，更有利于DFIG的低電壓穿越。由于作者水平有限，有不足之處望批評指正。

[1]劉其輝,賀益康,張建華.并網型交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)控制研究[J].中國電機工程學報,2006,26(23):109-114．

[2]劉其輝,賀益康,趙仁德.變速恒頻風力系統(tǒng)最大風能追蹤控制[J].電力系統(tǒng)自動化,2003,27(20):62-67．

[3]張興,張龍云,楊淑英,等.風力發(fā)電低電壓穿越技術綜述[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2008,20(2):1-8．

[4]馬浩森,高勇,楊媛,等.變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越策略研究[J].電源技術,2012,36(8):1213-1217．

[5]秦原偉.變速恒頻雙饋感應風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術研究[D].上海:上海交通大學,2012.

[6]張祿,金新民,梁暉,等.電網電壓跌落下雙饋感應風電機組控制性能測試方案[J].電力系統(tǒng)自動化,2012,36(23):29-34．

[7]黎芹.雙饋風力發(fā)電機低電壓穿越技術的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2010．

[8]錢葉牛,強晟,胡星,等.靜止同步補償器增強風電場的低電壓穿越能力的應用分析[J]．廣東電力,2012,25(8):73-79,112．

[9]胡家兵,孫丹,賀益康,等.電網電壓驟降故障下雙饋風力發(fā)電機建模與控制[J].電力系統(tǒng)自動化,2006,30(8):21-26．

[10]張學廣,徐殿國,李偉偉.電網對稱故障下基于active crowbar雙饋發(fā)電機控制[J].電機與控制學報,2009,13(1):99-103．

[11]賀益康,周鵬.變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術綜述[J].電工技術學報,2009,24(9):140-146．

[12]向大為,楊順昌,冉立.電網對稱故障時雙饋感應發(fā)電機不脫網運行的系統(tǒng)仿真研究[J].中國電機工程學報,2006,26(10):130-135．

[13]蔚蘭,陳宇晨,陳國呈,等.雙饋感應風力發(fā)電機低電壓穿越控制策略的理論分析與實驗研究[J].電工技術學報,2011,26(7):30-36．

[14]朱穎,李建林,趙斌.雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越策略仿真[J].電力自動化設備,2010,30(6):20-24．

[15]徐殿國,王偉,陳寧.基于撬棒保護的雙饋電機風電場低電壓穿越動態(tài)特性分析[J].中國電機工程學報,2010,30(22):29-36．

[16]郭文勇,肖立業(yè),戴少濤.集成SMES和CS-SGSC的雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化,2012,36(14):101-107．

[17]薛安成,陳進美,畢天姝.基于電流補償策略的 DFIG 系統(tǒng)低電壓穿越研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(20):13-19．

[18]馬浩森,高勇,楊媛,等.雙饋風力發(fā)電低電壓穿越撬棒阻值模糊優(yōu)化[J].中國電機工程學報,2012,32(34):17-23．

[19]馬春明.雙饋風力發(fā)電機并網低電壓穿越技術的研究[D].上海:上海交通大學,2012.

[20]郭曉明,賀益康,何奔騰,等.不對稱電網電壓下雙饋風力發(fā)電機的直接功率控制[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(13):86-91．

[21]李締華.雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越技術研究[D].華中科技大學,2011.

[22]孔憲國.雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越性能分橋與優(yōu)化研究[D].華北電力大學,2012.

[23]陳福佳.雙饋式風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)的研究[D].華北電力大學,2012.

[24]趙新.雙饋型風力發(fā)電機控制策略及低電壓穿越技術研究[D].北京交通大學,2010.

[25]賀益康,胡家兵.雙饋異步風力發(fā)電機并網運行中的幾個熱點問題[J].中國電機工程學報,2012,32(27):1-15．

[26]孫萬義.提高雙饋風力發(fā)電機組低電壓穿越能力的控制技術研究[D].蘭州理工大學,2010.

[27]鄭建軍.系統(tǒng)參數對雙饋感應風電機組低電壓穿越影響的分析與研究[D].重慶大學,2012.

[28]趙士碩,尹忠東,劉莫然.一種恒速風力發(fā)電機低電壓穿越改進方案的研究[J].現代電力,2013,30(1):60-65．

[29]賀益康,周鵬.變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術綜述[J].電工技術學報,2009,24(9):140-146．

[30]XIANG Dawei,LI Ran．Control of a doubly fed induction generator in a wind turbine during grid fault ride-through[J]．IEEE Trans on Energy Conversion,2006,21(3):652-662．

[31]Zhou Peng,He Yikang．Control strategy of an active Crowbar for DFIG based on wind turbine under grid Voltage dips [C]．International Conference on Electrical Machines and Systems, Seoul,Korea,2007．

[32]Wenzhong Gao,Ge Wang,Jiaxin Ning.Development of low voltage ride-through control strategy for wind power generation using real time digital simulator[C].IEEE PES Power Systems Conference and Exposition, Seattle,Washington,USA,2009．

[33]Niiranen J．Voltage dip ride through of a doubly-fed generator equipped with an active crowbar[C]//Proceedings of Nordic Wind Power Conference,Chalmers University of Technology, Sweden:2004．

[34]Morern J,De Haan S W H.Ride through of wind turbines with doubly-fed induction generator during a voltage dip[J].IEEE Trans on Energy Conversion,2005,20(2):435-441．

[35]Sun T,Chen Z,Blaabjerg F．Voltage recovery of grid-connected wind turbines with DFIG after a short-circuit fault[C]// 2004 IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, Aachen,Germany:2004．

[36]NIIRANEN J．Voltage dip ride through of doubly-fed generator equipped with active crowbar[C]//Proceedings of the Nordic Wind Power Conference,March 1—2,2004,Gothenburg,Sweden:56-59．

[37]PETERSSON A,HARNEFORS L, THIRINGER T．Evaluation of current control methods for wind turbines using doubly-fed induction machines[J]．IEEE Trans on Electronics,2005,20(1):227-235．

[38]JERLICH I,KRETSCHMANN J, FORTMANN J,et al．Modeling of wind turbines based on doubly fed induction generators for power system stability studies[J].IEEE Trans on Power Systems, 2007,22(3):909-919．

[39]張學廣,徐殿國.電網對稱故障下基于 active crowbar 雙饋發(fā)電機控制[J].電機與控制學報,2009,13(1):99-103．

[40]楊耕,鄭重.雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術綜述[J].電力電子技術,2011,45(8):32-36,59．

[41]張永明,史偉偉.風力發(fā)電機低電壓穿越技術發(fā)展現狀[J].電機與控制運用,2012,39(7):6-11．

[42]Manoj R Rathi,Ned Mohan．A novel robust low voltage and fault ride through for wind turbine application operating in weak grids [C]．Proceedings of the 31St Annual Conference of IEEE on Industrial Electronics Society,2005:2481-2486．

[43]Rathi M R,Mohan N．A novel robust low voltage and fault through for wind turbine application operating in weak grid．Proceedings of IEEE 2005 31st Annual Conference of the Industrial Electronics Society, Nov 6-10,2005, Raleigh, NC,USA:2481-2486．

[44]李建林,徐鴻雁,梁亮.vscF一DFIG在電網電壓跌落瞬間情況下的對應策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2006,30(19):65-68．

[45]李輝,付博,楊超,等.雙饋風電機組低電壓穿越的無功電流分配及控制策略改進[J].中國電機工程學報,2012,32(22):24-31．

[46]熊小伏,歐陽金鑫．電網短路時雙饋感應發(fā)電機轉子電流的分析與計算[J]．中國電機工程學報,2012,32(28):114-121．

[47]李國慶,錢葉牛,劉旻 序.基于滑動模態(tài)控制的雙饋風電機組低電壓穿越控制策略的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(1):5-11．

[48]向大為,楊順昌,冉立.電網對稱故障時雙饋感應發(fā)電機不脫網運行的勵磁控制策略[J].中國電機工程學報,2006.26(3):164-170．

[49]姚俊,廖勇,唐建平.電網短路故障時交流勵磁風力發(fā)電機不脫網運行的勵磁控制策略[J].中國電機工程學報,2007,30(27):64-71．

[50]趙陽,鄒旭東,丁穩(wěn)房.不平衡電網電壓下并網型雙饋感應發(fā)電機勵磁控制策略[J].武漢大學學報,2009,42(l):110-113．

[51]遲永寧,王偉勝,戴慧珠.改善基于雙饋感應發(fā)電機的并網風電場暫態(tài)電壓穩(wěn)定性研究[J].中國電機工程學報,2007,25(27):25-31．

In this paper, refer to the extensive literature on the basis of elaborated Crowbar circuit and improved doubly-fed generator excitation control strategy principles and characteristics, describes the current low-voltage ride through common methods for their principles, the significance of research carried out deficiencies a comprehensive and objective analysis and evaluation, presented in the study Crowbar circuit problems on the latest developments to improve the excitation control strategy, put forward their own ideas, that "no combination of hard and soft" strategy, the final research in this field status and future trends are described.

doubly-fed generator low voltage ride through Crowbar improved excitation control strategy no combination of hardware and software strategy