雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越研究熱點(diǎn)分析

姜騰， 王杰(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越研究熱點(diǎn)分析

姜騰， 王杰
(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

隨著電網(wǎng)中風(fēng)電機(jī)組容量的增加，為確保電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組的不脫網(wǎng)運(yùn)行，電力系統(tǒng)出臺了低電壓穿越規(guī)范。對各國低電壓穿越規(guī)程進(jìn)行了介紹，分析了與目前主流風(fēng)電機(jī)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)的低電壓穿越熱點(diǎn)問題，具體包括電網(wǎng)故障對風(fēng)電機(jī)組的影響和低電壓穿越控制方案兩個(gè)方面。對低電壓穿越技術(shù)的未來發(fā)展發(fā)展趨勢做出了展望。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；低電壓穿越；不對稱故障；無功補(bǔ)償；Crowbar電路

0 引 言

近年來，風(fēng)電容量占電網(wǎng)容量的比例逐年增加。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)運(yùn)行會(huì)加劇電網(wǎng)故障。因此，很多國家都對風(fēng)場接入電網(wǎng)提出了低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，簡稱LVRT)要求。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator，簡稱DFIG)具有能量利用率高、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可變、風(fēng)機(jī)機(jī)械應(yīng)力低、變流器容量和成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為目前最為廣泛應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型之一。但同時(shí)DFIG因其變流器容量較低，并且對電網(wǎng)故障尤其是電壓跌落十分敏感，因此對LVRT能力要求特別高。

1 LVRT并網(wǎng)規(guī)范

LVRT是指在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)電機(jī)組能夠保持并網(wǎng)，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供無功支撐，直至電網(wǎng)恢復(fù)正常。目前, 世界各國公司和研究機(jī)構(gòu)對風(fēng)電機(jī)組的LVRT能力提出了各自不同的要求。從電壓跌落程度和持續(xù)時(shí)間上來看, 英國要求并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落為15%時(shí)可持續(xù)140 ms, 丹麥要求并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落為20%時(shí)可持續(xù)500 ms, 德國、加拿大、澳大利亞等國家均要求并網(wǎng)點(diǎn)電壓降為0時(shí)能夠持續(xù)一定的時(shí)間[1]。我國的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)出臺較晚，2012年6月國家出臺《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》(GB/T 19963-2011)，其中對風(fēng)電機(jī)組的LVRT能力要求如圖1所示。風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差不超過±10%時(shí)應(yīng)保持并網(wǎng)正常運(yùn)行；風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至20%時(shí)應(yīng)具有保持并網(wǎng)625 ms的LVRT能力[2]。

圖1 中國LVRT規(guī)范曲線

本文將從電壓跌落對DFIG的影響和LVRT控制策略兩方面分別介紹國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

2 電壓跌落對DFIG的影響分析

研究電網(wǎng)電壓跌落時(shí)DFIG的動(dòng)態(tài)過程對于設(shè)計(jì)控制策略, 實(shí)現(xiàn)DFIG的LVRT有著基礎(chǔ)性的意義。由于電網(wǎng)故障中對稱故障即三相接地故障的比例很低[3], 且對稱故障可以看作不對稱故障的一種特殊形式, 因此本節(jié)將主要分析不對稱電網(wǎng)故障對DFIG的影響。

在不對稱電網(wǎng)電壓下, 采用電動(dòng)機(jī)慣例, DFIG的正負(fù)序模型在定子靜止坐標(biāo)系下的模型如圖2所示。

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)等效電路

DFIG等效電路對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[4]如下:

(1)

(2)

其中us,ur分別為定子和轉(zhuǎn)子電壓矢量；is,ir分別為定子和轉(zhuǎn)子電流矢量；ψs,ψr分別為定子和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚沪豶為轉(zhuǎn)子電角速度；Rs,Rr分別為定轉(zhuǎn)子電阻；Ls,Lr,Lm分別為定轉(zhuǎn)子自感和定轉(zhuǎn)子之間的互感。

文獻(xiàn)[5]指出轉(zhuǎn)子電壓ur近似等于轉(zhuǎn)子開路電壓ur0, 轉(zhuǎn)子開路電壓為:

(3)

以上公式可知轉(zhuǎn)子開路電壓由定子磁鏈變化產(chǎn)生。DFIG連入電網(wǎng)時(shí), 定子磁鏈由定子電壓決定。因此, 電網(wǎng)電壓的變化將通過改變定子磁鏈影響轉(zhuǎn)子電壓。電壓跌落將會(huì)導(dǎo)致定子磁鏈的大幅改變從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流驟升。

電網(wǎng)正常工作狀態(tài)下, 定子電壓矢量可表示為:

us=Uejωst

(4)

其中U為電網(wǎng)相電壓有效值，ωs為同步電角速度。忽略定子側(cè)電阻, 定子磁鏈?zhǔn)噶繛?

(5)

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時(shí), DFIG機(jī)端電壓將出現(xiàn)不對稱跌落。根據(jù)對稱分量理論, 不對稱電壓可分解為正序、負(fù)序和零序分量。在絕大多數(shù)風(fēng)場中, DFIG一般通過Y/Δ升壓變壓器同電網(wǎng)相連, 其定子側(cè)不含零序分量[6]。因此不對稱故障下DFIG定子側(cè)電壓可表示為正序分量與負(fù)序分量之和, 即:

us=U1ejωst+U2e-jωst

(6)

故障后穩(wěn)態(tài)磁鏈應(yīng)由正序磁鏈和負(fù)序磁鏈組成。然而, 在暫態(tài)過程中, 由于定子磁鏈不能突變, 若故障前后磁鏈穩(wěn)態(tài)值不同, 定子側(cè)將產(chǎn)生隨時(shí)間衰減的自由磁鏈。因此, 故障后定子磁鏈暫態(tài)表達(dá)式為:

(7)

將式(7)代入式(3)并轉(zhuǎn)化到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可得故障下轉(zhuǎn)子開路電壓為[7]:

(8)

式中s為轉(zhuǎn)差率,s=(ωs-ωr)/ωs。一般而言, -0.3

圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)看入DFIG等效模型

此外，文獻(xiàn)[10-11]指出不對稱電壓將導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子磁場的不均勻分布，從而引起磁飽和及定轉(zhuǎn)子過熱。此外不對稱電壓將導(dǎo)致DFIG產(chǎn)生電壓和電流的二倍頻分量，影響背靠背變流器功率交換的進(jìn)行。二倍頻分量的產(chǎn)生同樣會(huì)對軸系系統(tǒng)產(chǎn)生影響，負(fù)序分量將導(dǎo)致二倍頻的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)并減少平均轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩中的二倍頻脈動(dòng)將導(dǎo)致機(jī)械振蕩，降低風(fēng)機(jī)使用壽命并產(chǎn)生更高的噪聲[12-13]。

3 DFIG低電壓穿越技術(shù)

為提高電網(wǎng)故障時(shí)DFIG的LVRT能力，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，其主要思路如下: 1) 電壓小幅跌落時(shí)采用改進(jìn)控制策略，充分利用變流器自身容量實(shí)現(xiàn)LVRT；2) 電壓大幅跌落時(shí)采用改進(jìn)控制策略與硬件保護(hù)相結(jié)合的方法；3) 使用柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible Alternative Current Transmission Systems，簡稱FACTS)元件對電網(wǎng)無功補(bǔ)償，降低電壓跌落幅度。

3.1 改進(jìn)控制策略

3.1.1 改進(jìn)矢量控制

傳統(tǒng)矢量控制一般在RSC采用定子磁鏈定向控制, 該控制方法主要考慮定子磁鏈不變且始終位于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸上。然而如前所述, 電壓跌落時(shí)定子磁鏈減小并產(chǎn)生直流磁鏈, 此時(shí)定子磁鏈改變且無法始終位于d軸上。因此, 在電機(jī)模型中應(yīng)考慮定子磁鏈的暫態(tài)過程, 以此得到改進(jìn)的矢量控制。

文獻(xiàn)[14-15]通過在RSC傳統(tǒng)矢量控制中加入基于定子側(cè)磁鏈動(dòng)態(tài)變化的前饋電壓補(bǔ)償項(xiàng), 在一定程度上提高了RSC在電網(wǎng)故障時(shí)對轉(zhuǎn)子電流的控制能力, 降低了電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)程度。這種方案只需在原有控制方法基礎(chǔ)上稍作改進(jìn), 具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。但由于這種方案加入補(bǔ)償電壓, 轉(zhuǎn)子側(cè)電壓將會(huì)增加, 因此該方案只能在電壓小幅跌落時(shí)使用。

3.1.2 滅磁控制

這種方案的主要思路同樣在充分考慮定子磁鏈變化的基礎(chǔ)上, 通過RSC產(chǎn)生補(bǔ)償轉(zhuǎn)子電流以抵消或減小定子磁鏈中的直流分量和負(fù)序分量[16-17]。這種方案可以實(shí)現(xiàn)一定程度電壓跌落時(shí)DFIG的完全控制, 但同樣受到RSC容量的限制。研究表明, 在發(fā)生更加嚴(yán)重的電網(wǎng)故障時(shí), 該方案結(jié)合主動(dòng)加裝撬棒(簡稱Crowbar)的聯(lián)合控制方案可以有效降低Crowbar的投入時(shí)間, 從而緩解嚴(yán)重故障期間因DFIG吸收無功功率對電網(wǎng)故障的加劇。

3.1.3 非線性控制方案

傳統(tǒng)控制采用線性控制方案, 在考慮各種不利情況下缺乏魯棒性。因此, 很多學(xué)者在現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出非線性控制器以實(shí)現(xiàn)LVRT。文獻(xiàn)[18]利用狀態(tài)反饋線性化的方法設(shè)計(jì)了一種協(xié)調(diào)控制策略。該方案采用狀態(tài)反饋線性化和適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變化將非線性系統(tǒng)變?yōu)榫€性可控系統(tǒng), 最后通過線性最優(yōu)控制方法實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。文獻(xiàn)[19]在靜止坐標(biāo)系下設(shè)計(jì)了一種非線性滑?？刂? 并在不平衡電網(wǎng)故障下做了研究和測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種控制方法的有效性, 這種方案的局限性在于抖振問題。

總的來說, 非線性控制方案在電壓驟降時(shí)能夠得到很好的DFIG動(dòng)態(tài)特性, 有助于改善DFIG的暫態(tài)過程, 提高了DFIG的魯棒性, 它是未來控制策略研究的方向。但由于其控制算法復(fù)雜且需要重新設(shè)計(jì)控制器, 從而增加了工程實(shí)現(xiàn)的難度。

3.2 加裝硬件控制

3.2.1 Crowbar電路

Crowbar電路分為主動(dòng)型和被動(dòng)型兩類，其中主動(dòng)式Crowbar得到了廣泛應(yīng)用。主動(dòng)式Crowbar電路由半導(dǎo)體開關(guān)如絕緣柵雙極晶體管和卸荷電阻串聯(lián)組成。當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流或直流側(cè)母線電壓超過限定值時(shí)，Crowbar電路動(dòng)作，同時(shí)關(guān)斷RSC，使轉(zhuǎn)子故障電流經(jīng)Crowbar電阻而旁路從而使DFIG實(shí)現(xiàn)LVRT。其典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路示意圖

Crowbar電路的研究主要集中在以下幾點(diǎn):

(1) Crowbar電阻阻值的選取

Crowbar阻值過小無法起到泄放轉(zhuǎn)子側(cè)能量的目的, 而阻值過大又會(huì)導(dǎo)致RSC承受過電壓, 同時(shí)還會(huì)造成風(fēng)機(jī)過熱, 文獻(xiàn)[20-21]詳細(xì)討論了Crowbar阻值的選取問題。

(2) Crowbar電路的投切時(shí)間

Crowbar的投切控制是Crowbar保護(hù)的關(guān)鍵。對投入閾值的整定過低容易導(dǎo)致Crowbar誤動(dòng)作, 而整定過高又可能導(dǎo)致Crowbar拒動(dòng)作。同時(shí)切除時(shí)間也很重要, 過早會(huì)導(dǎo)致過電流沒有充分衰減, 過晚會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)吸收大量無功, 加劇電網(wǎng)故障。文獻(xiàn)[22-23]對Crowbar電路投切時(shí)間做了相關(guān)研究和仿真驗(yàn)證。

(3) 新型Crowbar電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究

傳統(tǒng)的Crowbar電路采用定阻值電阻的方法, 很難兼顧對轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓的抑制, 同時(shí)加入Crowbar電路也會(huì)對DFIG的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[24]設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)動(dòng)態(tài)電阻的Crowbar電路, 縮短了Crowbar電路的投入時(shí)間, 有利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。文獻(xiàn)[25]在分析Crowbar阻值對電磁轉(zhuǎn)矩影響的基礎(chǔ)上, 采用Crowbar電路附加串聯(lián)電感的方法抑制了電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。

除了在轉(zhuǎn)子側(cè)加裝Crowbar電路外, 還有的學(xué)者提出了在定子側(cè)或直流側(cè)加裝"類Crowbar"電路的方案。為避免轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路將RSC閉鎖導(dǎo)致風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)吸收無功, 文獻(xiàn)[26]提出了一種定子側(cè)串聯(lián)制動(dòng)電阻的方案。該方案在故障時(shí)通過定子側(cè)電阻泄放能量, 有助于DFIG故障后恢復(fù)運(yùn)行。但是, 在正常運(yùn)行時(shí)雙向開關(guān)的損耗較大, 因而需要特別考慮到電力電子元件的設(shè)計(jì)以便降低損耗。在直流側(cè)加裝"DC-Link Chopper"以降低直流側(cè)電容的過電壓也是一種常見的方法, 但這種方法無法限制轉(zhuǎn)子側(cè)過電流。文獻(xiàn)[27]采用了交直流Crowbar共同使用的方式, 取得了不錯(cuò)的效果, 但在實(shí)際應(yīng)用中如何有效配合各投切邏輯, 成為這種方法實(shí)用與否的關(guān)鍵。

3.2.2 增加儲(chǔ)能單元

文獻(xiàn)[28]提出了一種利用儲(chǔ)能電池系統(tǒng)控制直流側(cè)電壓的方法。在高風(fēng)速狀態(tài)下儲(chǔ)能電源吸收能量并在低風(fēng)速下將能量返回。同理，儲(chǔ)能電池在電壓跌落時(shí)可以吸收直流側(cè)的多余能量，從而維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。這種方案可以實(shí)現(xiàn)能量的有效利用，同時(shí)降低功率波動(dòng)，不過儲(chǔ)能單元的使用勢必將會(huì)極大地增加成本和設(shè)備體積。

3.2.3 增加槳距角控制系統(tǒng)

槳距角控制系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)槳距角減少故障時(shí)風(fēng)機(jī)對風(fēng)能的獲取。電網(wǎng)電壓跌落時(shí), DFIG對外輸出功率變低, 若采用定槳距控制, 輸入和輸出功率之間的不平衡會(huì)導(dǎo)致DFIG轉(zhuǎn)速上升, 從而對齒輪箱等設(shè)備產(chǎn)生不利影響。故障時(shí)通過變槳距控制可以降低DFIG的輸入功率, 從而降低對風(fēng)機(jī)的影響[29]。然而由于風(fēng)輪機(jī)械慣性較大, 調(diào)節(jié)時(shí)間較長, 因此只能作為輔助手段使用。

3.3 FACTS元件和補(bǔ)償技術(shù)

這類方法的關(guān)鍵在于在風(fēng)機(jī)定子側(cè)與電網(wǎng)之間通過并聯(lián)或串聯(lián)FACTS元件，通過無功補(bǔ)償支撐定子側(cè)電壓，從而抵消或緩解定子側(cè)電壓跌落程度，以此可實(shí)現(xiàn)LVRT。

3.3.1 并聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)

并聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)包括并聯(lián)靜止無功補(bǔ)償器(Static Var Compensator, 簡稱SVC)和同步無功補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator, 簡稱STATCOM)等方法。文獻(xiàn)[30]比較了幾種并聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)對風(fēng)機(jī)LVRT能力的影響。結(jié)果表明并聯(lián)SVC在低成本的前提下能夠顯著提高風(fēng)機(jī)的LVRT能力, 同時(shí)這種技術(shù)得到了很好的商業(yè)應(yīng)用。使用并聯(lián)STATCOM提高LVRT能力同樣得到了廣泛研究。文獻(xiàn)[31]通過比較SVC與STATCOM表明, 在相同情況下, STATCOM具有更寬的控制帶寬和更高的穩(wěn)定裕度, 能夠提供更多的無功支撐。同時(shí)STATCOM速度快且體積小, 因此其具有更好的LVRT性能。文獻(xiàn)[32]提出了一種利用STATCOM實(shí)現(xiàn)間接轉(zhuǎn)矩控制的方法。結(jié)果表明轉(zhuǎn)矩曲線更加平滑, 避免了電磁轉(zhuǎn)矩突然變化造成的機(jī)械應(yīng)力對齒輪箱的影響, 從而延長了元件壽命。

3.3.2 串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)

文獻(xiàn)[33]介紹了采用動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Restorer, 簡稱DVR)的方法提高DFIG的LVRT能力, 該方法原理如圖5所示。電網(wǎng)與DFIG通過DVR變壓器副邊相連, 正常運(yùn)行時(shí), DVR從系統(tǒng)中切除。電網(wǎng)故障時(shí), DVR迅速投入, 通過控制策略產(chǎn)生合適的補(bǔ)償電壓維持風(fēng)機(jī)側(cè)電壓穩(wěn)定。因此, 電網(wǎng)故障對風(fēng)機(jī)運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生任何影響。在串聯(lián)DVR方法中, 產(chǎn)生合適的補(bǔ)償電壓和控制算法的選取十分重要。文獻(xiàn)[34]指出電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí), 補(bǔ)償電壓usec應(yīng)由反相負(fù)序電壓-u-和一個(gè)正序電壓跌落Δu+組成, 即usec=-u-+Δu+。

文獻(xiàn)[35]提出了一種基于DFIG系統(tǒng)故障耐受程度的改進(jìn)DVR控制方法。該文獻(xiàn)通過計(jì)算得出電網(wǎng)故障時(shí)DVR只需補(bǔ)償部分故障電壓即可, 以此降低DVR的額定容量和成本。

圖5 DVR單相示意圖

使用FACTS元件和補(bǔ)償技術(shù)可以有效消除或降低DFIG定子側(cè)的電壓跌落,但由于該方案要投入大量的電力電子器件，硬件成本和所占空間將會(huì)大大增加。因此，優(yōu)化的元件結(jié)構(gòu)和控制方法需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語

本文主要給出了DFIG的LVRT技術(shù)的相關(guān)研究，對現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行了分析和探討，以期對未來LVRT技術(shù)的發(fā)展趨勢提出展望。

(1) 目前對DFIG在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)動(dòng)態(tài)特性的研究建立在很多假設(shè)的基礎(chǔ)上, 建立更加精確的DFIG數(shù)學(xué)模型并在此基礎(chǔ)上得到符合真實(shí)情況的DFIG動(dòng)態(tài)特性對研究LVRT控制方案具有重要意義。

(2) LVRT控制方案投入使用的速度和有效性取決于快速且準(zhǔn)確的電壓檢測技術(shù)?？焖偾覝?zhǔn)確的識別電壓的幅值、相位及頻率等信息是DFIG實(shí)現(xiàn)保護(hù)并合理安排控制策略的前提和關(guān)鍵。在不對稱故障控制中, 對定子電壓正負(fù)序分量的快速分離更是其控制的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)鎖相環(huán)仍存在鎖相角和頻率的抖動(dòng), 同時(shí)正負(fù)序分量的分離仍存在一定的滯后性, 因此, 亟需尋找一種快速準(zhǔn)確的鎖相技術(shù)。

(3) 現(xiàn)有控制策略中需要考慮無功補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的支撐作用, 若相關(guān)設(shè)備未及時(shí)調(diào)節(jié), 會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)抬高并網(wǎng)點(diǎn)電壓, 導(dǎo)致高電壓故障。因此, 在設(shè)計(jì)LVRT協(xié)調(diào)控制時(shí)要謹(jǐn)防引入此類故障并考慮高電壓穿越的必要性；④ 由于目前絕大多數(shù)DFIG均配備Crowbar電路, 因此, 對Crowbar投切策略的優(yōu)化和投切時(shí)間的研究依然是一個(gè)需要解決的工程問題。

[ 1 ] MANSOUR M, SYED M. Review of international grid codes for wind power integration: Diversity, technology and a case for global standard [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(6): 3876-3890.

[ 2 ] 全國電力監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 19963-2011風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S]. 2011.

[ 3 ] ZHANG L, BOLLEN M. Characteristic of voltage dips (sags) in power systems [J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 2000, 15(2): 827-832.

[ 4 ] XU L, WANG Y. Dynamic modeling and control of DFIG-based wind turbines under unbalanced network conditions [J]. IEEE Trans on Power Systems, 2007, 22(1): 314-323.

[ 5 ] LOPEZ J, SANCHIS P, ROBOAM X, et al. Dynamic behavior of the doubly fed induction generator during three-phase voltage dips [J]. IEEE Trans on Energy Conversion, 2007, 22(3): 709-717.

[ 6 ] MULJADI E, SAMAAN N, GEVORGIAN V, et al. Different factors affecting short circuit behavior of a wind power plant [J]. IEEE Trans. on Industry Applications, 2013, 49(1): 284-292.

[ 7 ] HU S, LIN X, KANG Y, et al. An improved low-voltage ride-through control strategy of doubly fed induction generator during grid faults [J]. IEEE Trans on Power Electron, 2011, 26(12): 3653-3665.

[ 8 ] 張祿, 金新民, 戰(zhàn)亮宇. 電網(wǎng)電壓不對稱跌落下雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子電壓分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(14): 136-142.

[ 9 ] ERLICH I, WREDE H, FELTES C. Dynamic behavior of DFIG-based wind turbines during grid faults [C]. Power Conversion Conference, Nagoya, 2007: 1195-1200.

[10] RUBIRA S, MCCULLOCH M. Control of doubly fed wind generators connected to the grid by asymmetric transmission lines [C]. Industry Applications Conference, St. Louis, USA, 1998, 3: 2381-2386.

[11] KIANI M, LEE W. Effects of voltage unbalance and system harmonics on the performance of doubly fed induction wind generators [J]. IEEE Trans on Industry Applications, 2010, 46(2): 562-568.

[12] BREKKEN T, MOHAN N. Control of a doubly fed induction wind generator under unbalanced grid voltage conditions [J]. IEEE Trans on Energy Conversion, 2007, 22(1): 129-135.

[13] HUA G, CONG L, GENG Y. LVRT capability of DFIG-based WECS under asymmetrical grid fault condition [J]. IEEE Trans on Industrial Electronics, 2013, 60(6): 2495-2509.

[14] 胡家兵. 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電網(wǎng)故障穿越(不間斷)運(yùn)行研究[D]. 杭州, 浙江大學(xué), 2009.

[15] 彭凌, 李永東. 電壓跌落下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)矢量控制的改進(jìn)[J]. 電氣傳動(dòng), 2010, 40(11): 9-12.

[16] 蔚蘭, 陳宇晨, 陳國呈，等. 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越控制策略的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 14(7): 30-36.

[17] LOPEZ J, GUBIA E, OLEA E, et al. Ride through of wind turbines with doubly fed induction generator under symmetrical voltage dips [J]. IEEE Trans. on Industrial Electronics, 2009, 56(10): 4246-4254.

[18] 程孟增. 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 上海, 上海交通大學(xué), 2012.

[19] COSTA J, PINHEIRO H, DENGER T. Robust controller for DFIGs of grid-connected wind turbines [J]. IEEE Trans. on Industrial Electronics, 2011, 58(9): 4023-4038.

[20] 張艷霞, 童銳, 趙杰，等. 雙饋風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)特性分析及低電壓穿越方案[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2013, 37(6): 7-11.

[21] 馬浩淼, 高勇, 楊媛，等. 雙饋風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越撬棒阻值模糊優(yōu)化[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(34): 17-23.

[22] LING P, FRANCOIS B, LI Y. Improved crowbar control strategy of DFIG based wind turbines for grid fault ride-through [C]. 24th Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition. Washington DC, 2009: 1932-1938.

[23] 林冠吾, 王貴鋒. 基于Crowbar的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)LVRT仿真研究[J]. 電工電能新技術(shù), 2013, 32(3): 46-50.

[24] 栗然,王倩,盧云，等. Crowbar阻值對雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)低電壓穿越特性的影響[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2014, 34(4): 101-107.

[25] 張曼, 姜惠蘭. 基于撬棒并聯(lián)動(dòng)態(tài)電阻的自適應(yīng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(2): 271-278.

[26] OKEDU K, MUYEEN S, TAKAHASHI R. Wind farms fault ride through using DFIG with new protection scheme [J]. IEEE Trans on Sustainable Energy, 2012, 3(2): 242-254.

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

[28] IBRAHIMA K, ZHAO C. Modeling of wind energy conversion system using doubly fed induction generator equipped batteries energy storage system [C]. International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies, Weihai, 2011: 1780-1787.

[29] HANSEN A, MICHALKE G, SORENSEN P, et al. Co-ordinated voltage control of DFIG wind turbines in uninterrupted operation during grid faults [J]. Wind Energy, 2007, 10(1): 51-68.

[30] ZHU W, CAO R. Improved low voltage ride-through of wind farm using STATCOM and pitch control [C]. Power Electronics and Motion Control Conference, Wuhan, 2009: 2217-2221.

[31] MOLINAS M, SUUL J, UNDELAND T. Low voltage ride through of wind farms with cage generators: STATCOM Versus SVC [J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 2008, 23(3): 1104-1117.

[32] SUUL J, MOLINAS M, UNDELAND T. STATCOM-Based indirect torque control of induction machines during voltage recovery after grid faults [J]. IEEE Trans on Power Electronics, 2010, 25(5): 1240-1250.

[33]IBRAHIM A, THANH H, LEE D. A fault ride-through technique of DFIG wind turbine systems using dynamic voltage restorers [J]. IEEE Trans on Energy Conversion, 2011, 26(3): 871-882.

[34] 張建忠, 熊良根, 杭俊,等. DFIG風(fēng)電機(jī)組串聯(lián)耦合補(bǔ)償?shù)蛪捍┰窖芯縖J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(1): 67-73.

[35] PENG C, HENG N. An improved control strategy for DFIG system and dynamic voltage restorer under grid voltage dip [C]. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Hangzhou, 2012: 1868-1873.

An Analysis of Hotspots about Low-voltage Ride-through on the Doubly-fed Wind Power Generator

JIANG Teng, WANG Jie
(Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

With increasing wind power unit capacity in the power grid, low-voltage ride-through (LVRT) codes are introduced by the electric power operators to keep wind power units connected to the grid during its faults. This paper introduces LVRT codes in different countries, and analyzes LVRT hotspots related to doubly-fed wind power unit - the main current wind generator type, including specifically two aspects, namely, impact on the wind power unit during grid faults and LVRT control scheme. It also gives a perspective on the future development trend of LVRT.

doubly-fed wind power generator; low-voltage ride through; asymmetric fault; reactive compensation; Crowbar circuit

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61374155)

10.3969/j.issn.1000-3886.2015.05.012

TM614

A

1000-3886(2015)05-0035-05

姜騰(1990-)，男，山東人，碩士生，研究方向?yàn)殡p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越。 王杰(1960-)，男，江蘇人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制等。

定稿日期: 2014-12-23