鄧秋玲，楊國靈，廖宇琦，艾文豪，朱明浩

（湖南工程學院 電氣與信息工程學院，湘潭 411104）

0 引言

雙饋風力發(fā)電機（DFIG）系統(tǒng)的功率變換器通過集電環(huán)和電刷接在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子回路，僅對發(fā)電機的轉(zhuǎn)差功率進行變換，因此變流器額定功率僅為發(fā)電機額定容量的三分之一左右，這是雙饋風力發(fā)電機的優(yōu)勢；另外，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)還可以通過矢量控制對發(fā)電機輸出的有功功率和無功功率進行解耦控制，使系統(tǒng)運行在單位功率因數(shù)下，以降低系統(tǒng)的損耗.

然而，正因為雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)變流器容量小的緣故，使它對電網(wǎng)故障相當敏感，也使得它對電網(wǎng)故障的抵御能力比全功率直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)差［1-2］.研究表明，當電網(wǎng)電壓跌落到一定數(shù)值時，如果不采取任何措施，DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)將會從電網(wǎng)中解列開來.這對風力發(fā)電所占比例不高的電力系統(tǒng)來說是可以接受的.然而，對風電滲透較高的電力系統(tǒng)來說，就會造成電網(wǎng)電壓和頻率的控制難題，更嚴重的情況是使系統(tǒng)崩潰.

從圖1所示的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)可以看出，發(fā)電機的定子直接連接到電網(wǎng)中，當電網(wǎng)出現(xiàn)故障引起電壓驟降時會在定子繞組中引起較大的故障電流.通過定子和轉(zhuǎn)子之間的電磁感應(yīng)作用，會在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出一個較大的電流.定、轉(zhuǎn)子中過大的電流會導致鐵心飽和、磁導率下降、電抗減小，使轉(zhuǎn)子電流進一步增加，引起DFIG電磁轉(zhuǎn)矩劇烈變化，對風力發(fā)電機組的沖擊很大，有可能損壞機組.另外，當電網(wǎng)出現(xiàn)故障而使電壓下降時，由于變流器中電力電子器件的熱容量有限，必須對變流器輸出電流進行限制，因此在變流器的保護作用下輸出電流不會增大，使得輸送到電網(wǎng)的功率減小，剩下的能量給直流母線的電容充電，從而直流母線電壓增加過快，將導致電容有損壞的風險.

圖1 變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)原理圖

當電網(wǎng)電壓驟降時，DFIG控制策略的主要目標是對轉(zhuǎn)子過電流、直流母線過電壓以及電磁轉(zhuǎn)矩振蕩的有效控制［1］.通常采取的解決方法有兩種：一是在電網(wǎng)發(fā)生故障引起輸送到電網(wǎng)的功率減小時，立即改變風電機組的控制策略，使風力發(fā)電機輸出的功率減少.即可以采用風力機變槳距以降低風力發(fā)電機捕獲的能量來使系統(tǒng)功率獲得平衡.二是采用Crowbar保護電路來消耗吸收剩余的能量或采用儲能裝置來儲存剩余的能量［2］.但增加儲能裝置和輔助變流器將會增加系統(tǒng)的成本，況且電網(wǎng)故障持續(xù)的時間不長，因此常采用Crowbar保護電路.

本文首先介紹槳距角控制方案，然后研究電網(wǎng)故障下的Crowbar保護電路，最后對故障期間和故障后的電網(wǎng)電壓支持控制策略進行研究.

1 電網(wǎng)故障下的風輪控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

DFIG在電網(wǎng)出現(xiàn)故障情況下運行的控制目標［3-4］包括以下幾個方面：（1）保持電網(wǎng)故障期間不脫網(wǎng)運行，以防發(fā)電機從電網(wǎng)解列引發(fā)弱電網(wǎng)產(chǎn)生更大的后續(xù)故障；（2）電網(wǎng)故障出現(xiàn)低電壓時，快速向電網(wǎng)提供無功功率，以幫助電網(wǎng)電壓快速恢復，避免電網(wǎng)電壓崩潰；（3）消耗吸收產(chǎn)生故障時的剩余能量，保證功率變換器和直流母線電容安全可靠；（4）將故障期間電磁轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)值控制在轉(zhuǎn)軸和齒輪箱可承受的范圍之內(nèi)（約2～2.5倍額定轉(zhuǎn)矩）；（5）抑制轉(zhuǎn)速增加，防止飛車事故.

DFIG風輪機組在電網(wǎng)故障下的控制和保護結(jié)構(gòu)主要包括槳距角控制系統(tǒng)與DFIG在電網(wǎng)故障期間的保護和控制系統(tǒng)［5］，如圖2所示.

圖2 電網(wǎng)故障下DFIG風輪的保護和控制框圖

2 槳距角控制

當電網(wǎng)電壓發(fā)生故障跌落時，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器輸送到電網(wǎng)的功率將降低，如果機側(cè)不采取相應(yīng)的措施限制發(fā)電機的輸出功率，則會使直流母線兩端的功率不平衡，將會導致雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)速快速上升，此時可采用增大風輪機的槳距角，即采用變槳距控制來使風電機組輸出的功率減小，從而達到阻止風電機組轉(zhuǎn)速上升的目的，典型的變槳距角控制方案如圖3所示.在電網(wǎng)正常的條件下，按照最大功率點跟蹤控制策略，由風速Vwind來調(diào)節(jié)槳距角θ；當系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)跌落故障時，馬上采取變槳距控制策略，此時應(yīng)根據(jù)故障時設(shè)定的極限功率，利用系數(shù)Cp_lim來估算風能，然后查表選定槳距角的設(shè)定值，則可以通過限定風力發(fā)電機組的輸出功率Pwind來平衡故障下網(wǎng)側(cè)變流器輸出功率的下降.

圖3 槳距角控制

由于槳距角可以直接控制發(fā)電機速度，無論在正常運行時還是在電網(wǎng)故障時都能夠防止發(fā)電機過速.不同的是，在電網(wǎng)正常時，變槳距機構(gòu)可由電網(wǎng)提供電力來工作，而在電壓跌落后，則需要采用備用電源供電，進一步增加了成本和復雜程度［7］.這種方法受變槳執(zhí)行機構(gòu)等因素限制，響應(yīng)速度較慢.

3 電網(wǎng)故障下雙饋風電機組的保護與控制

3.1 電網(wǎng)故障下DFIG風輪的保護系統(tǒng)

變流器只是對發(fā)電機的轉(zhuǎn)差功率進行控制，在電網(wǎng)故障期間，將很快達到其極限值，因而不能繼續(xù)對發(fā)電機的功率進行控制，結(jié)果使得電網(wǎng)故障期間轉(zhuǎn)子電壓和電流都增大.在電網(wǎng)電壓降落時，網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）不能將功率從網(wǎng)側(cè)變流器進一步輸送到電網(wǎng)，因此，多余的能量給直流母線電容器充電，直流母線電壓將會升高得很快.

為了限制過大的發(fā)電機電流和通過RSC流向直流母線的不可控制的能量流動，DFIG變流器必須有一個合適的保護系統(tǒng).一個簡單的方法是通過滑環(huán)將一外部轉(zhuǎn)子阻抗——Crowbar裝置連接到發(fā)電機轉(zhuǎn)子使轉(zhuǎn)子回路短路［6］，如圖2所示，其作用是限制轉(zhuǎn)子電流和保護變流器.保護系統(tǒng)、監(jiān)視不同的信號，如轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓；當其中有一個被監(jiān)測的信號超過各自的繼電器設(shè)定值時，保護系統(tǒng)被激活.

當Crowbar被觸發(fā)，轉(zhuǎn)子通過Crowbar短路，RSC控制失去作用，因此DFIG就像是一個串了轉(zhuǎn)子電阻的鼠籠感應(yīng)發(fā)電機（SCIG），RSC控制的失效導致在故障檢測期間，失去了對有功和無功功率的獨立控制性.這意味著：在正常運行時發(fā)電機的勵磁是通過RSC在轉(zhuǎn)子電路里完成，在出現(xiàn)故障時，必須通過電網(wǎng)在定子中完成勵磁.

電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，在發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生大的瞬態(tài)電流.當檢測到電網(wǎng)故障時，轉(zhuǎn)子通過Crowbar短路，能量消耗在Crowbar裝置中.因為網(wǎng)側(cè)變流器（GSC）不是直接連接到發(fā)電機繞組，而是連接在電網(wǎng)側(cè)，在電網(wǎng)故障期間它作為一個STATCOM去產(chǎn)生無功功率，幫助電網(wǎng)恢復電壓到額定值.當電網(wǎng)電壓恢復到一定值時，根據(jù)附加的指標，如電網(wǎng)電壓的幅值，移去Crowbar保護.當Crowbar電路移去后，RSC又恢復原來的功能，即又能單獨控制有功和無功功率.

在發(fā)生故障時，Crowbar對轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩都有一個有效的阻尼作用.阻值越大，轉(zhuǎn)子電流衰減越快，電流、轉(zhuǎn)矩振蕩幅值也越小.但如果Crowbar電阻太大，當把Crowbar移去時，會導致RSC中的功率開關(guān)上產(chǎn)生過電壓，還會使得直流母線電壓振蕩幅值增加［1，6］.因 此，必 須 正 確 選 擇Crowbar電阻的值.目前的研究發(fā)現(xiàn)Crowbar電阻的值為0.5～0.8 p.u.是比較恰當?shù)倪x擇［7］.

3.2 電網(wǎng)故障期間的DFIG控制系統(tǒng)

在正常運行模式下，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制轉(zhuǎn)子的電流和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，對電網(wǎng)的有功和無功功率進行解耦控制，然而不管轉(zhuǎn)子功率的大小和方向如何，GSC必須保持直流母線電壓恒定，確保變流器運行在單位功率因數(shù)（零無功功率）下［8］.轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC和網(wǎng)側(cè)變流器GSC的控制都是采用兩級控制器來實現(xiàn)，第一級控制采用電流控制器，第二級控制則采用功率控制器，第二級控制器的輸出為第一級控制器提供轉(zhuǎn)子電流參考值，如圖4所示.

圖4 正常運行時DFIG的控制結(jié)構(gòu)圖

電網(wǎng)故障期間的DFIG控制是在DFIG正常運行控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行擴展而建立的.第二級功率控制器中的有功和無功功率參考值的設(shè)定取決于風電機組的運行狀態(tài)，即運行在正常工作模式或是運行在故障運行模式.例如，在正常運行時，RSC的有功功率參考點P由最大功率跟蹤點（MPPT）查表得到，對于每個風輪速度，只有一個發(fā)電機速度導致最大氣動效率Cp.如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障，發(fā)電機速度變化不是由于風速的改變而是由于電氣轉(zhuǎn)矩減小，則此時的有功功率設(shè)置點P必須與正常運行時不同，即將P定義為阻尼控制器的輸出.阻尼控制器的設(shè)計是用來抑制振蕩的，因為電網(wǎng)故障將在機械驅(qū)動鏈中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振蕩.當檢測到有故障發(fā)生時，阻尼控制器就會起作用.有功功率參考點P將會在正常運行（即MPPT）時的設(shè)定值和故障運行（阻尼控制器）時的設(shè)定值之間進行切換，如圖5所示.

圖5 正常和故障運行時有功設(shè)置點確定

RSC的無功功率參考點Q根據(jù)無功功率的需求而設(shè)為某一個值或零.在正常運行時，為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，GSC只與電網(wǎng)交換有功功率，無無功功率交換，即Q=0.因此，從DFIG傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的無功功率只通過定子.

分析風電系統(tǒng)在嚴重干擾下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時，使用兩質(zhì)量機械模型可以使風輪在電網(wǎng)故障期間得到更精確的響應(yīng)，以便更精確地預測電網(wǎng)故障對電力系統(tǒng)的影響［5］.用一個大質(zhì)量的模塊對應(yīng)于風輪機轉(zhuǎn)子慣量Jrot，而另一個模塊等效于發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣量Jgen.

風輪的低速軸和高速軸的運動方程分別為：

Tmec=Tshaft/ngear.ngear為齒輪箱的比率.ωrot為風輪機轉(zhuǎn)子的角速度，ωgen為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的角速度，轉(zhuǎn)子上的氣動轉(zhuǎn)矩Tareo作用在驅(qū)動軸的一端，而發(fā)電機側(cè)的機械轉(zhuǎn)矩Tmec作用在驅(qū)動軸的另一端，其合成轉(zhuǎn)矩是軸上的扭矩.在穩(wěn)態(tài)時，所有的轉(zhuǎn)矩是平衡的，即氣動轉(zhuǎn)矩Tareo等于風輪機軸上轉(zhuǎn)矩Tshaft，機械轉(zhuǎn)矩Tmec等于電氣轉(zhuǎn)矩Tel.

在電網(wǎng)故障時，電氣轉(zhuǎn)矩顯著地減小，因此驅(qū)動系統(tǒng)就像是一個松開的扭轉(zhuǎn)彈簧.由于驅(qū)動鏈的這個特性，機械轉(zhuǎn)矩、氣動轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機轉(zhuǎn)速都以自由頻率開始振蕩.

用k為剛度（韌性）系數(shù)，Jeq是驅(qū)動鏈模型等效的轉(zhuǎn)動慣量，由式（4）決定.

由于槳距中存在幾個延時機構(gòu)，槳距控制不能抑制阻尼扭轉(zhuǎn)振蕩，只能抑制發(fā)電機速度中慢的頻率振蕩，然而快的發(fā)電機速度振蕩必須用阻尼控制器來抑制.調(diào)節(jié)阻尼控制器可有效地抑制電網(wǎng)故障在驅(qū)動鏈中引起的扭轉(zhuǎn)振蕩，若沒有PI控制器的調(diào)節(jié)或PI控制器調(diào)節(jié)不夠都可能導致驅(qū)動鏈系統(tǒng)的自激勵，并且有可能為了抵抗振蕩進行保護而造成跌落的危險.在電網(wǎng)出現(xiàn)故障期間，PI阻尼控制器根據(jù)實際運行時發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與其設(shè)定值之間的偏差為RSC控制器獲得一個有功功率設(shè)定值P，轉(zhuǎn)速信號則根據(jù)當時風速的最佳速度曲線來選取，如圖5所示.

為了表明阻尼控制器的效果，圖6說明了當系統(tǒng)突然受到激勵，例如，風速變化1 m/s，阻尼系統(tǒng)對DFIG風輪的阻尼效果.從圖中可以看出：沒有阻尼系統(tǒng)時，風速變化會激勵大的振蕩，發(fā)電機速度的振幅增加，結(jié)果使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定.而使用阻尼系統(tǒng)后這些振蕩很快地被抑制了.因此，附加的阻尼系統(tǒng)可以提高DFIG風輪的穩(wěn)定運行.

圖6 阻尼控制器效果

3.3 DFIG風輪的電壓支持

電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范要求風輪在電網(wǎng)故障期間仍能聯(lián)網(wǎng)，并且在電網(wǎng)故障期間提供電網(wǎng)電壓支持.DFIG的電網(wǎng)電壓支持能力不僅取決于注入的無功功率量，也取決于從發(fā)電機到與電力系統(tǒng)連接點的線性特性.

在電網(wǎng)故障小（如沒有觸發(fā)Crowbar）或無功功率略有不平衡時，RSC和GSC的功能仍能正常運行.然而在受到嚴重電網(wǎng)故障時，若要DFIG風輪維持聯(lián)網(wǎng)，必須根據(jù)電力系統(tǒng)操作人員制定的電網(wǎng)規(guī)范，設(shè)計一個特定的電網(wǎng)支持策略.

在原理上，電網(wǎng)電壓可以由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制，也可以由網(wǎng)側(cè)變流器控制或由兩者一起進行控制.為了提高DFIG在電網(wǎng)故障時的電網(wǎng)支持能力，控制策略的設(shè)計采用由兩個變流器協(xié)調(diào)工作來提供無功功率［8-11］.用RSC作為缺省的無功功率源，而GSC在RSC受阻期間作為一個補充的無功功率源，使之相當于一臺同步補償器（STATCOM）［1，4］.當轉(zhuǎn)子電路的過流或直流母線的過壓而觸發(fā)Crowbar時，RSC被阻斷，在故障期間最需要RSC起作用的時候，RSC單獨控制有功和無功功率的能力也失去了，使得DFIG對電網(wǎng)的支持能力大幅度減小.因此希望當RSC被阻斷時，電網(wǎng)電壓（無功功率）控制由GSC來接管，GSC就作為STATCOM運行.重新起動RSC，可以按照不同的標準來完成，如電網(wǎng)電壓或轉(zhuǎn)子電流的大小.當RSC開始運行，移去Crowbar保護后，又將GSC設(shè)置為零，視為無功功率輸出.注意：RSC重新起動的時間太短可能會在故障清除時再一次引起變流器的跌落.

為了在電網(wǎng)故障期間提高DFIG電網(wǎng)電壓支持能力，在正常運行時的DFIG控制結(jié)構(gòu)中加入了第三級控制.三級控制級中包含3個控制器，分別為阻尼控制器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流電壓控制器（如圖7（b）所示）和網(wǎng)側(cè)無功補償器.如圖7（a）所示，第三個（電壓）控制級為故障運行時的第二級控制器提供參考信號.當Crowbar電路保護沒有被觸發(fā)時，RSC電壓控制器為RSC提供無功功率參考信號Q.

圖7 提高電網(wǎng)電壓支持能力的DFIG擴展控制結(jié)構(gòu)

RSC電壓控制器根據(jù)公共連接點的實際電網(wǎng)電壓U與它的參考值U的偏差，為RSC的第二級控制器提供無功功率參考信號Q.

為了評估RSC控制器的性能，用一個無功功率sink連接到DFIG風輪的高電壓端來進行仿真.圖8分別表示在有或沒有RSC電壓控制器的情況下，DFIG風輪機組在公共連接點處的電壓、無功功率和有功功率.

圖8 RSC電壓控制器性能（從上到下分別為：端電壓；有功功率；無功功率）

在無功功率sink連接的瞬間電壓跌落大約4%（產(chǎn)生一個不足以使Crowbar電路觸發(fā)的小的電壓跌落）.RSC控制器檢測到了電壓的偏差，命令RSC發(fā)出更多的無功功率.在不到10 ms內(nèi)，DFIG提供的無功功率增加，使電壓回到它的額定值（1 p.u.）.在1 s后斷開sink，在斷開無功功率sink的瞬間，電壓突然增加，但是RSC電壓控制器通過吸收無功功率再一次很快地將電壓控制到它的額定值.此時無功功率在連接和斷開的過程中分別有一個小的降落/峰值，其他時候基本上是穩(wěn)定的.在沒有RSC電壓控制時，電壓不能通過無功功率來補償，只有當無功功率sink斷開的時候才會恢復到它的額定值.

一旦RSC被阻斷時，GSC無功補償器（補充的無功功率控制器）為GSC控制產(chǎn)生無功功率參考信號Q，GSC被當作一個STATCOM.當RSC有效時，無功功率補償器提供零作為無功功率參考值.如果RSC被阻斷時，GSC就提供最大無功功率（1 p.u.）作為參考值.這意味著在嚴重的電網(wǎng)故障下，GSC為支持電網(wǎng)提供最大無功容量，GSC控制還必須保持直流母線電壓在一個預先設(shè)定的值之上.當端點電壓降低時，GSC在電網(wǎng)故障期間的控制容量小于RSC在正常運行時的控制容量.

圖9表明在DFIG風輪高電壓端出現(xiàn)100 ms三相故障時，GSC無功補償?shù)男Ч?在預定的時間，即在Crowbar被觸發(fā)后200 ms時移去Crowbar保護.在這個仿真中，為了更好地說明在Crowbar連接期間GSC怎樣改善電壓質(zhì)量，選擇了50%的電壓降.

圖9對風輪高壓端的電壓和GSC無功功率的產(chǎn)生進行了說明.GSC補償?shù)臒o功功率改善了電網(wǎng)故障期間的電壓質(zhì)量，不僅在故障期間和故障清除期間，也在Crowbar斷開后.Crowbar連接會引起無功功率增加，因此將參考值設(shè)為1 p.u..當Crowbar電路斷開，GSC就被設(shè)定為無功功率Q=0，GSC無功功率補償失效，重新被RSC電壓控制所代替.

圖9 GSC無功功率補償效果（從上到下分別為公共點PCC電壓和GSC無功功率）

4 結(jié)論

本文針對雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時可能出現(xiàn)的定、轉(zhuǎn)子電流過大、直流母線電壓過高和電磁轉(zhuǎn)矩振蕩等問題，分別提出了：采用Crowbar電路來抑制定、轉(zhuǎn)子的過流；采用變槳距控制器來平衡故障時變流器直流母線側(cè)兩側(cè)的功率，以維持電流母線電壓的穩(wěn)定；采用阻尼控制器來抑制機械轉(zhuǎn)矩振蕩.最后對電網(wǎng)故障期間電壓恢復的控制策略進行了研究，提出了增加第三級控制的方法.仿真結(jié)果驗證了所提出的方案的合理性.