具有低電壓穿越功能的雙饋風力發(fā)電模擬平臺的設計

宋修璞，葛寶明，畢大強，王鑫

（1.北京交通大學電氣工程學院，北京100044；

2.電力系統(tǒng)國家重點實驗室清華大學電機系，北京100084）

具有低電壓穿越功能的雙饋風力發(fā)電模擬平臺的設計

宋修璞1，葛寶明1，畢大強2，王鑫1

（1.北京交通大學電氣工程學院，北京100044；

2.電力系統(tǒng)國家重點實驗室清華大學電機系，北京100084）

詳細闡述了雙饋風力發(fā)電變流器的一種主流的控制算法，基于此算法設計了一種功能完整、上位機友好的7.5 kW變速恒頻風力發(fā)電模擬系統(tǒng)平臺。為了達到新的電網導則對風電機組低電壓穿越能力的要求，提出并設計了一套完整的雙饋風力發(fā)電的低電壓穿越策略Crowbar控制邏輯。實驗結果表明本平臺變流器算法控制精確，達到了控制目標；提出的Crowbar控制邏輯使平臺順利實現(xiàn)低電壓穿越。設計了基于LabView的上位機監(jiān)控系統(tǒng)，易于模擬系統(tǒng)各部分的操作控制與運行結果展示，可方便用于實驗室條件下風力發(fā)電技術的研究。

雙饋風力發(fā)電；雙PWM變流器；Crowbar電路；低電壓穿越；LabView

1 引言

由于風能的爆發(fā)性和隨機性以及現(xiàn)場條件的限制，使得風電技術的研究不便在風電場進行。為了加快風電并網遇到的諸多瓶頸問題的解決，不僅有必要在實驗室模擬風力機的特性，更重要的是必須建立能驗證變流器控制算法的平臺。

另一方面，在實際的電網中，會因大功率電機啟動、電網短路故障等產生較大的電壓跌落。電網電壓跌落會產生一系列的電磁暫態(tài)響應，容易造成變流器和機組的損壞。要想大規(guī)模的風電接入電網運行，風電機組必須具有低電壓穿越能力，相比永磁直驅風電發(fā)電機組，雙饋風力發(fā)電機組的低電壓穿越更具挑戰(zhàn)性［1］。目前的研究提出的主要方法是采用轉子回路外接Crowbar電路，使得DFIG在一定的電壓跌落時間內不脫網。但是在Crowbar及低電壓穿越技術中，關于優(yōu)化其電路拓撲結構，確定Crowbar的動作電壓、動作電流，特別是怎樣選擇Crowbar的投入和切除時刻以保證風電機組安全實現(xiàn)低電壓穿越，國內外鮮有詳細研究報道［2］。這就為實驗室進一步設計帶有低電壓穿越功能的風力發(fā)電模擬平臺提供了必要性。文獻［3］概述了Crowbar控制方法，但具體的控制方式沒有給出也沒有驗證效果。文獻［2］給出了穿越短時間電壓跌落的方法，但沒有總結出完整的Crowbar控制策略流程。

針對目前風力發(fā)電模擬平臺存在問題，本文設計了一種功能完整、接口開放、上位機友好的雙饋風電模擬平臺。該平臺可方便地通過計算機控制變頻器，實現(xiàn)三相異步電機的轉速調節(jié)模擬風機出力；在此基礎上，設計了軟硬件結構，驗證了轉子側按定子電壓定向的矢量控制策略和網側PQ解耦控制策略?；诖似脚_，應對電壓驟降故障，提出并設計了一套采用主動Crowbar保護電路實現(xiàn)雙饋電機低電壓穿越的方案流程。

該方案通過Crowbar保護電路切入和切出時刻的把握，有效防止了轉子過電流和直流過電壓對變頻器器件的損壞，并在故障期間可向電網注入一定的無功功率幫助電網電壓的恢復。實驗結果表明，該平臺較理想地完成了設定的控制目標，證明了該平臺的有效性、實用性。通過此平臺驗證了提出的Crowbar控制邏輯能夠實現(xiàn)雙饋風電機組與電網之間的協(xié)調控制和雙饋電機在不同狀態(tài)間切換時的平穩(wěn)過渡。

2 變流器的數(shù)學模型

2.1 DFIG轉子側數(shù)學模型

在定子磁鏈定向控制中要對定子磁鏈進行觀測，在一定程度上增加了控制的復雜度。由于DFIG定子與電網直接相連，電壓恒定且易檢測，按定子電壓定向矢量控制策略［4］降低了控制復雜難度，同樣可以達到較好的控制效果。

在忽略定子電阻Rs的情況下，當同步速ω旋轉坐標系的d軸定向于定子電壓矢量Us上時，有電壓方程和磁鏈方程如下［4］：

式中：Us為定子電壓矢量的幅值；σ為發(fā)電機的漏磁系數(shù)；Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq分別為定、轉子磁鏈的d，q軸分量；isd，isq，ird，irq分別為定、轉子電流的d，q軸分量；Lm，Lr分別為dq坐標系定轉子同軸等效繞組間互感和轉子等效兩相繞組自感；usd，usq，urd，urq分別為定、轉子電壓的d，q軸分量。Rs，Rr分別為定子電阻、轉子電阻；ωs為轉差角速度。

根據式（2）可繪制出基于定子電壓定向矢量控制的轉子電流閉環(huán)控制框圖，如圖1所示。

圖1 DFIG按定子電壓定向矢量控制策略Fig.1 Vector control strategy of DFIG based on stator voltage orientation

2.2 網側變流器的控制方法

網側變流器主要有兩方面功能：一是維持直流母線電壓恒定；二是調節(jié)輸入功率因數(shù)。在電網電壓恒定的情況下，對輸入電流有功分量的控制，其實質是對交流側有功功率的控制；對輸入電流無功分量的控制，其實質是對輸入功率因數(shù)的控制［5］。

整個網側變流器的控制系統(tǒng)分為兩環(huán)控制，電壓外環(huán)控制和電流內環(huán)控制，具體如圖2所示。直流母線電壓環(huán)和d軸電流環(huán)負責將風力機捕獲的有功功率傳遞到電網，q軸電流環(huán)根據電網的需求產生所需的無功功率。如果系統(tǒng)要求變流器運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，此時q軸電流應為0。

圖2 網側變流器控制原理框圖Fig.2 Control diagram of grid-side converters

3 基于主動Crowbar電路的低電壓穿越控制策略

對于DFIG而言，由于雙饋電機定子與電網直接相連接，因而變流器僅能對發(fā)電機實施部分的控制，并且雙饋電機定子電壓方程又具有欠阻尼特性，這樣在電網電壓發(fā)生跌落時，雙饋電機會產生較大的電磁暫態(tài)過渡過程，表現(xiàn)為電機轉子回路的過流或者過壓。

從能量守恒的角度考慮，電網電壓驟降會使DFIG產生的電能不能全部送出，因此這部分未能輸出的能量將消耗在機組內部。首先，定子電壓驟降會引起定子電流增大，由于定、轉子之間的強耦合，使得轉子側也感應出過流和過壓。再考慮到大電流會導致電機鐵心飽和、電抗減小，使定、轉子電流進一步增大。轉子能量一部分被網側變流器傳遞到電網，剩下的給直流電容充電，導致直流母線電壓的快速升高。如果不及時采取保護措施，僅靠定、轉子繞組自身漏阻抗不足以抑制浪涌電流，過大的電流和電壓將導致勵磁變頻器、定轉子繞組絕緣以及直流母線電容的損壞［7］。本文研究的是最典型的電網電壓三相對稱驟降故障。

當電網電壓驟降時，為了保護勵磁變頻器，一種常用的方法是通過電阻短接轉子繞組以旁路轉子側變換器（RSC），為轉子側的浪涌電流提供一條通路，即Crowbar電路。當切入轉子Crowbar電路時，轉子側被旁路而得到保護，網側變流器仍保持與電網連接。等轉子過電流消失并保持穩(wěn)定一段時間以后，切除轉子Crowbar保護，轉子側變流器恢復工作，從而實現(xiàn)DFIG在電壓跌落時不脫離電網，而變流器也免受過流損壞。適合于DFIG的Crowbar有多種拓撲結構，本平臺采用的主動式Crowbar電路如圖3所示，轉子側Crowbar電路由二極管整流橋后采用IGBT和電阻構成。

圖3 DFIG的Crowbar示意圖Fig.3 Sketch map of the Crowbar for DFIG

轉子Crowbar電路觸發(fā)時，轉子電壓和電流會瞬態(tài)跳變，然后通過轉子Crowbar旁路后在Rcrow的作用下快速衰減。一定范圍內Rcrow越大，轉子電流衰減越快，但Rcrow過大會導致轉子變頻器中的功率開關上產生過電壓，所以其大小受到功率開關耐壓的限制。當Rcrow上的電壓高于直流母線電壓時，轉子變頻器中的反并聯(lián)二極管導通，轉子側能量流入母線電容，反而導致直流母線電壓增大［7］。又需要顧及Rcrow電阻在故障期間的發(fā)熱問題，本平臺選取Rcrow=10 Ω，功率為1 kW。

考慮到以上因素，本文提出并設計了一套完整的DFIG的低電壓穿越策略Crowbar控制邏輯，撬棒保護電路被觸發(fā)和被禁止的邏輯關系可描述如下。

1）首先通過對網側電壓和雙饋電機轉子電流的監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)網側電壓大幅度驟降或轉子電流超過1.5倍的額定值，即刻觸發(fā)轉子Crowbar電路動作，短路雙饋電機的轉子電路。

2）在Crowbar保護電路被觸發(fā)動作后，繼續(xù)監(jiān)視電機轉子電流，當轉子電流低于設定值，并且衰減一段時間如40 ms，則進入切除Crowbar電路動作。在切除Crowbar電路且轉子變流器重新恢復工作時，為避免轉子變流器PI控制器引起的電流跳變再次觸發(fā)Crowbar電路，需要將電流調節(jié)器的積分項復位，將轉子電流控制指令設定為實時的轉子電流的實際值。

3）在Crowbar被禁止后，此時如果依然處于電網電壓驟降期間，雙饋電機需迅速增加對無功功率的控制，以對電網電壓進行最大限度的補償。如果Crowbar保護電路被禁止時，電網電壓已經恢復，則雙饋電機和網側變流器恢復正常無功功率控制。

4）電壓恢復時刻和電壓跌落時刻的系統(tǒng)暫態(tài)變化類似，暫態(tài)磁鏈矢量同樣會造成定、轉子繞組過電流。此時也要監(jiān)測轉子電流的變化，一旦發(fā)現(xiàn)轉子電流到達額定電流的1.5倍，則進入撬棒電路動作。待轉子電流低于設定值，切除撬棒電路動作，轉子變頻器按有功功率優(yōu)先的原則，恢復有功功率到電壓跌落之前的水平。

4 模擬平臺的設計與研究

4.1 模擬平臺結構和功能設計

根據上述原理，搭建了一臺以TMS320F2812為控制核心，功率為7.5 kW的變速恒頻雙饋風力發(fā)電模擬平臺，電氣連接圖如圖4所示。

圖4 雙饋風力發(fā)電模擬平臺電氣連接圖Fig.4 The electric schematic of the simulation platform for double fed wind power generation system

拖動電機為異步電機，額定功率為9 kW，額定電壓為380 V，額定轉速為1 200 r/min；雙饋發(fā)電機額定功率為7.5 kW，額定電壓為380 V，額定轉速為1 200 r/min。

變流器采用TMS320F2812作為主控芯片，雙PWM開關頻率為10 kHz；網側進線電感為3 mH；通過控制雙PWM變流器，驗證了變流器算法，實現(xiàn)最大功率跟蹤，穩(wěn)定直流母線電壓，并控制流向電網的有功和無功功率。定子并網電壓為380 V。轉子通過雙PWM變流器并網電壓為220 V。當網側電壓跌落時，通過轉子側外加Crowbar電路，實現(xiàn)系統(tǒng)的低電壓穿越功能。

4.2 模擬平臺實驗監(jiān)控

基于美國NI公司的LabView軟件設計研發(fā)了試驗平臺的上位機監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控界面分為4個部分：主界面、風力機模擬界面、曲線觀測界面和低電壓實驗界面。上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485通訊與變頻器、電壓跌落控制器、機側變流器和網側變流器相聯(lián)，如圖5所示為雙饋風力發(fā)電模擬平臺的上位機主界面。該主界面包括：狀態(tài)變量觀測區(qū)域、網側通訊區(qū)域、變頻器通訊區(qū)域、機側通訊區(qū)域、低電壓通訊區(qū)域和數(shù)據保存區(qū)域。

圖5 雙饋風力發(fā)電機試驗臺上位機主界面Fig.5 The main customer interface of the platform for double fed wind power generation system

主界面包括主電路合閘、主電路斷開、啟動網側、啟動原動機、勵磁、并網、脫網等按鈕，通過上位機的操作控制整個系統(tǒng)的正常運行和故障穿越，一些故障信號的復位也可以通過主界面清除。

如圖6為模擬平臺并網功率7.0 kW，原動機轉速1 100 r/min時的上位機曲線觀測界面。如圖6所示，直流母線電壓穩(wěn)定在400 V左右，顯示機側發(fā)出有功功率7.0 kW左右。

圖6 原動機額定轉速下，并網功率為7.0 kW時的曲線觀測界面Fig.6 The interface of the curve observation for drive motor in rated speed and power

4.3 實驗結果與波形深入分析

以下是針對平臺的實驗結果和波形分析。如圖7所示為額定功率時定子電流波形，從圖7中可以看出定子并網波形良好。如圖8所示為電機運行狀態(tài)從次同步到同步到超同步狀態(tài)時的轉子電流波形，圖8中稀疏部分為電機同步運行狀態(tài)，頻率為0.6 Hz，從圖8中可以看出轉子電流波形良好，電機從次同步到同步再到超同步狀態(tài)過渡平穩(wěn)。從圖7和圖8可以看出平臺可以實現(xiàn)轉子側變流器的控制目標。

圖7 額定功率時定子并網電流波形Fig.8 The current waveform of the stator at power rating

圖8 發(fā)電機3種狀態(tài)切換時的轉子電流波形Fig.8 The rotor current waveform when the the 3 status switching of the DFIG

如圖9所示分別為電壓跌落60%，持續(xù)時間為1 409 ms時的電網電壓（CH7）、轉子三相電流（CH2，CH3，CH4）、定子單相電流（CH9）和Crowbar電阻電流（CH10）波形圖。

圖9反應了Crowbar保護電路被觸發(fā)和被禁止的邏輯關系，顯示了機組順利實現(xiàn)了低電壓穿越目標。在電壓跌落瞬間定子、轉子過流（從幅值12 A突變到25 A），Crowbar切入，此時轉子電流被旁路，持續(xù)40 ms后Crowbar電路切出，定子電流呈斜坡下降。電壓跌落期間提供了一定的無功功率，電網恢復時刻定子、轉子過流，Crowbar再次切入并持續(xù)40 ms，然后以有功功率優(yōu)先的原則有功功率恢復到電壓跌落前的水平。從圖9中Crowbar電阻電流波形可以看出Crowbar電路的動作。機組順利實現(xiàn)低電壓穿越。

圖9 電壓跌落時各狀態(tài)變量的波形圖Fig.9 The waveform of the various variable when grid voltage dip happens

5 結論

為解決實驗室驗證風力發(fā)電變流器算法，建立了開放性的雙饋風力發(fā)電實驗平臺，平臺較理想地完成了設定的控制目標。為了達到實現(xiàn)平臺的低電壓穿越功能，進一步基于此平臺，驗證了提出的完整的Crowbar保護電路動作邏輯，實現(xiàn)了故障期間風力發(fā)電機與電網之間的協(xié)調控制和雙饋電機在不同運行狀態(tài)間切換時的平穩(wěn)過渡。此平臺可方便用于實驗室條件下風力發(fā)電技術的研究。

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Design of the Simulation Platform for Double Fed Wind Power Generation System Having Low Voltage Ride Through Function

SONG Xiu-pu1，GE Bao-ming1，BI Da-qiang2，WANG-xin1
（1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；2.State Key Lab of Power Systems，Dept.of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The mainstream control strategy of double fed wind power generation system was elaborated.Based this strategy，a simulation platform for DFIG was designed，which has complete function and friendly customer interface.In order to meet the new grid guideline that the turbine was allowed to disconnect during voltage dips have been set，a protection strategy based crowbar circuit was put forward and designed.The test results show that the platform can realize the control functions and check the suggested protection strategy.A LabView based computer monitor system has been designed，which has friendly interface and easy to operate the simulation platform.In a word the platform can be easily used to study the technology of wind power in the laboratory condition.

double fed induction generator；double PWM converter；Crowbar circuit；low voltage ride through（LVRT）；LabView

TM614；TM464

A

2013-08-27

修改稿日期：2014-05-08

國家高技術發(fā)展研究計劃（863計劃）項目（2012AA051201）

宋修璞（1987-），男，碩士研究生，Email：songxiupu@126.com