故障下雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功協(xié)調(diào)控制策略

周玉琦，李東東，2，梁自超（.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.上海高校高效電能應(yīng)用工程研究中心，上海 200090）

故障下雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功協(xié)調(diào)控制策略

周玉琦1，李東東1，2，梁自超1
（1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.上海高校高效電能應(yīng)用工程研究中心，上海 200090）

摘要：提出基于改進(jìn)式雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的無功協(xié)調(diào)控制策略，以提高電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)機(jī)的無功調(diào)節(jié)能力。在DIgSILENT/PowerFactory平臺(tái)上，搭建改進(jìn)雙饋風(fēng)機(jī)的詳細(xì)模型。利用DC-Chopper和串聯(lián)動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻代替Crowbar保護(hù)電路，以實(shí)現(xiàn)背靠背變流器持續(xù)為電網(wǎng)提供無功支撐。通過協(xié)調(diào)分配風(fēng)電機(jī)組定子和網(wǎng)側(cè)變流器及補(bǔ)償單元之間的無功功率參考值，來提升電壓控制點(diǎn)的電壓。與傳統(tǒng)控制方法相比，所提控制策略可以充分利用變流器的無功發(fā)生能力，擴(kuò)大電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電場的無功輸出范圍，減小無功補(bǔ)償裝置的投資，并提高風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力。

關(guān)鍵詞：雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型；網(wǎng)側(cè)變流器；無功輸出極限；協(xié)調(diào)控制策略

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)DFIG（doubly-fed induc?tion generator）作為目前應(yīng)用最廣泛的機(jī)型之一，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制，對風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓有一定的支撐作用［1-2］。然而，由于雙饋風(fēng)機(jī)定子直接與電網(wǎng)相連，且變流器容量較小，使其對電網(wǎng)故障非常敏感。電網(wǎng)故障時(shí)，機(jī)端電壓上升，定、轉(zhuǎn)子電流迅速增大，轉(zhuǎn)矩大幅振蕩，嚴(yán)重威脅風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，針對電網(wǎng)故障的工況，研究雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的無功控制策略、充分利用雙饋風(fēng)電機(jī)組的快速無功調(diào)節(jié)能力，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的意義。

目前已有眾多學(xué)者對電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功電壓控制策略進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)［3-5］通過附加額外的硬件電路裝置改進(jìn)風(fēng)機(jī)的控制策略，但是控制方法均相對復(fù)雜，同時(shí)也增大了系統(tǒng)的投資。文獻(xiàn)［6］提出電網(wǎng)故障情況下利用網(wǎng)側(cè)變流器GSC（grid side converter）進(jìn)行無功功率補(bǔ)償?shù)臒o功控制策略。文獻(xiàn)［7］利用定子和網(wǎng)側(cè)變流器共同向電網(wǎng)提供無功支撐，但沒有考慮電網(wǎng)故障時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC（rotor side converter）被短接的情況。文獻(xiàn)［8］指出同時(shí)利用定子和網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，若兩者之間不進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，將引起發(fā)電機(jī)定子和網(wǎng)側(cè)變流器之間的無功環(huán)流，造成無功損失。文獻(xiàn)［9-11］都提出了對雙饋風(fēng)電機(jī)組自身的運(yùn)行方式進(jìn)行控制的方法，但均沒有反映電網(wǎng)真實(shí)的無功需求，不能充分利用風(fēng)機(jī)內(nèi)部變流器的無功發(fā)生能力，忽略了電網(wǎng)故障時(shí)定子將失去無功支撐的可能性。

雙饋風(fēng)機(jī)定子向電網(wǎng)注入無功電流的能力隨電網(wǎng)電壓跌落程度的增加而提高，因此電網(wǎng)故障時(shí)，發(fā)電機(jī)定子的無功發(fā)生能力強(qiáng)。但是傳統(tǒng)雙饋風(fēng)機(jī)多采用Crowbar技術(shù)［12-13］，在電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器會(huì)被Crowbar電路短接，雙饋風(fēng)機(jī)將以傳統(tǒng)的恒速異步發(fā)電機(jī)特性運(yùn)行，發(fā)電機(jī)定子從電網(wǎng)吸收無功功率［14-16］，成為消耗感性無功的負(fù)荷，此時(shí)無法利用定子的無功發(fā)生能力。

本文采用改進(jìn)的雙饋風(fēng)機(jī)模型，在直流母線側(cè)加入DC-Chopper，發(fā)電機(jī)定子串入串聯(lián)動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻SDBR（series dynamic braking resistor）代替Crow?bar保護(hù)電路。故障時(shí)，由于DC-Chopper對直流母線的保護(hù)和SDBR對轉(zhuǎn)子側(cè)過電流的限制，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器能夠安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了背靠背變流器持續(xù)為電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)無功支持的可能。

為了充分發(fā)揮電網(wǎng)故障時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)的無功調(diào)節(jié)能力，提高風(fēng)電機(jī)組應(yīng)對暫態(tài)故障的性能，本文在改進(jìn)雙饋風(fēng)機(jī)模型的基礎(chǔ)上提出風(fēng)電機(jī)組定子和網(wǎng)側(cè)變流器及補(bǔ)償單元之間的無功協(xié)調(diào)控制策略。本文以某風(fēng)電系統(tǒng)為例，對電網(wǎng)發(fā)生短路故障的工況進(jìn)行仿真分析，通過與傳統(tǒng)Crowbar技術(shù)下控制方法的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所提無功控制策略的有效性和可行性。

1 改進(jìn)的雙饋風(fēng)機(jī)模型

為保證雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器始終可控，防止其在電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落時(shí)被短接，對傳統(tǒng)雙饋風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行改進(jìn)。在直流側(cè)加入DC-Chopper，在發(fā)電機(jī)定子側(cè)串入SDBR，改進(jìn)的雙饋風(fēng)機(jī)模型如圖1所示。

1.1 DC-Chopper原理介紹

故障時(shí)變流器之間不平衡的能量流動(dòng)會(huì)造成直流母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)［17］，在直流側(cè)加入DC-Chop?per可以控制直流母線電壓，保護(hù)直流側(cè)電容。DCChopper由簡單的Chopper電路和電阻組成，當(dāng)直流側(cè)電壓超過設(shè)定閾值時(shí)，觸發(fā)絕緣柵雙極型晶體管，接通Chopper電路，電阻消耗能量；當(dāng)直流側(cè)電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，切除Chopper電路，如此反復(fù)，直至直流側(cè)電壓恢復(fù)到穩(wěn)定范圍內(nèi)。

圖1 改進(jìn)的雙饋風(fēng)機(jī)模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the improved DFIG model

1.2 SDBR原理介紹

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，定子磁鏈直流分量會(huì)在轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢和電流［18］。通過在發(fā)電機(jī)定子側(cè)串入SDBR可以加速定子勵(lì)磁直流分量的消減。SDBR取值一般較小，其投切判據(jù)量為轉(zhuǎn)子電流值。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流超過設(shè)定閾值時(shí)，開關(guān)斷開，SDBR接入；轉(zhuǎn)子電流低于設(shè)定閾值時(shí)，開關(guān)接通，SDBR退出。SDBR的投入能有效限制轉(zhuǎn)子過電流，避免轉(zhuǎn)子側(cè)變流器因過電壓而失去控制。

2 雙饋風(fēng)機(jī)無功功率調(diào)節(jié)能力

雙饋風(fēng)機(jī)通常采用定子電壓定向矢量控制，其定子無功功率主要受轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流最大值的限制［19］，即

式中：Ls、Lm分別為定子電感值、互感值；Us為機(jī)端電壓；Ps、Qs分別為發(fā)電機(jī)定子側(cè)發(fā)出的有功功率、無功功率；ω1為同步電角速度；Ir為轉(zhuǎn)子電流；Ir，max為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流最大值。

由式（1）可得，雙饋風(fēng)機(jī)定子無功功率輸出極限［20］為

式中：Qs，max與Qs，min分別為雙饋風(fēng)機(jī)定子側(cè)無功功率輸出的最大值和最小值；xm為勵(lì)磁電抗；Xss為定子回路等效電抗。

風(fēng)速較低時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器也可以用來控制與電網(wǎng)進(jìn)行無功功率的交換。若不計(jì)繞組損耗，雙饋風(fēng)機(jī)有功功率在定、轉(zhuǎn)子間按轉(zhuǎn)差率分配，可以得出網(wǎng)側(cè)變流器的無功功率輸出極限［21］為

式中：Qc，max與Qc，min分別為雙饋風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器無功功率輸出的最大值和最小值；Sc為網(wǎng)側(cè)變流器的容量；Pc與Qc分別為網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)出的有功和無功功率；s為轉(zhuǎn)差率。

由式（2）和式（3）可得雙饋風(fēng)機(jī)無功功率輸出極限值為

式中，Qg，max、Qg，min分別為雙饋風(fēng)機(jī)無功功率輸出的最大值和最小值。

雙饋風(fēng)機(jī)的PQ特性曲線如圖2所示。在不考慮網(wǎng)側(cè)變流器輸出的情況下，雙饋風(fēng)機(jī)定子側(cè)的PQ特性曲線如圖2中虛線所示，它是一個(gè)以為圓心的圓。網(wǎng)側(cè)變流器可調(diào)節(jié)的無功功率輸出范圍隨著有功出力的大小而發(fā)生變化，考慮網(wǎng)側(cè)變流器輸出后，雙饋風(fēng)機(jī)無功輸出的PQ曲線如圖2中的實(shí)線所示。圖2中右側(cè)陰影部分代表雙饋風(fēng)電機(jī)組容性無功調(diào)節(jié)能力，圖中QGSC，max代表當(dāng)前情況下雙饋風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器的無功功率極限值。顯然，定子的無功發(fā)生能力大于網(wǎng)側(cè)變流器。

圖2 雙饋風(fēng)機(jī)的PQ特性曲線Fig.2 PQ characteristic curves of DFIG

3 協(xié)調(diào)控制策略

3.1 基于Crowbar技術(shù)的傳統(tǒng)控制方法

傳統(tǒng)的雙饋風(fēng)機(jī)多采用Crowbar技術(shù)，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)加入Crowbar保護(hù)電路，以實(shí)現(xiàn)低電壓穿越LVRT（low voltage ride through）。采用基于Crowbar技術(shù)的傳統(tǒng)控制方法，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落時(shí)進(jìn)行閉鎖控制。Crowbar的動(dòng)作使轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被短接，發(fā)電機(jī)定子將從電網(wǎng)吸收無功，此時(shí)僅網(wǎng)側(cè)變流器能向電網(wǎng)提供無功支持。

3.2 基于改進(jìn)雙饋風(fēng)機(jī)模型的無功協(xié)調(diào)控制策略

3.2.1 無功協(xié)調(diào)控制策略基本原理

無功協(xié)調(diào)控制策略以維持電壓控制點(diǎn)電壓恒定為目標(biāo)，其原理示意如圖3所示。圖中，Umea和Uref分別為電壓控制點(diǎn)電壓測量值和參考值，Qref為網(wǎng)側(cè)所需的總無功功率，Qref_s、Qref_GSC和Qref_com分別為分配給發(fā)電機(jī)定子、網(wǎng)側(cè)變流器和補(bǔ)償單元無功功率的參考值。電壓控制點(diǎn)電壓的測量值和參考值的差經(jīng)過PI環(huán)節(jié)即可得出系統(tǒng)中所需求的總無功功率。無功分配環(huán)節(jié)再將系統(tǒng)總無功需求分配給風(fēng)機(jī)內(nèi)部和無功補(bǔ)償單元。風(fēng)機(jī)和無功補(bǔ)償單元無功功率的變化又將改變電壓控制點(diǎn)的電壓，對電壓控制點(diǎn)的電壓測量值Umea進(jìn)行進(jìn)一步修正。

圖3 協(xié)調(diào)控制原理示意Fig.3 Schematic of principle of coordinative control strategy

3.2.2 無功分配模塊的分配原則

無功功率參考值的分配原則是所提控制策略的關(guān)鍵和核心部分。控制系統(tǒng)需要將無功缺損值在雙饋風(fēng)機(jī)內(nèi)部、風(fēng)機(jī)與補(bǔ)償單元間進(jìn)行兩級分配：一級是將網(wǎng)側(cè)無功功率需求量分配到雙饋風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)定子和網(wǎng)側(cè)變流器的無功實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)范圍在兩者間進(jìn)行分配；二級是將網(wǎng)側(cè)無功需求量，根據(jù)風(fēng)機(jī)的無功調(diào)節(jié)范圍和補(bǔ)償單元的無功容量在兩者間進(jìn)行分配。

由圖2可知，雙饋風(fēng)機(jī)無功輸出極限隨有功功率的變化而存在波動(dòng)性，因此選取STATCOM作為補(bǔ)償單元，安裝在風(fēng)電場升壓變的低壓側(cè)，以抑制雙饋風(fēng)機(jī)風(fēng)電場無功輸出的波動(dòng)性，保證為系統(tǒng)提供連續(xù)的無功補(bǔ)償。本文將風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)PCC（point of common coupling）作為電壓控制點(diǎn)，以維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定為協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)，具體無功分配流程如圖4所示。圖中，QN為補(bǔ)償單元STATCOM的無功輸出容量，m、n、k分別為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制的定子、網(wǎng)側(cè)變流器及補(bǔ)償單元STATCOM的無功裕度系數(shù)，虛框內(nèi)數(shù)據(jù)為控制系統(tǒng)待分配的總無功功率參考值，實(shí)框內(nèi)定子、網(wǎng)側(cè)變流器和STATCOM分別表示需各自輸出無功功率的情況。

圖4 無功分配流程Fig.4 Flow chart of reactive power distribution

由無功功率的分配原則可得出以下規(guī)律。

（1）當(dāng)Qref＜mQs，max時(shí)，將Qref作為無功參考值分配給發(fā)電機(jī)定子，即

式中，Qref_STATCOM為分配給STATCOM的無功功率參考值。

（2）當(dāng)0＜Qref-mQs，max≤nQGSC，max時(shí)，分配給發(fā)電機(jī)定子和網(wǎng)側(cè)變流器的無功分別為mQs，max和Qref-mQs，max，即

（3）當(dāng)Qref-mQs，max-nQGSC，max＞0時(shí)，補(bǔ)償單元STATCOM將提供部分無功支持，則有

Qref-mQs，max-nQGSC，max-kQN＞0代表在滿足無功裕度的情況下，雙饋風(fēng)機(jī)和補(bǔ)償單元無功補(bǔ)償?shù)目偭啃∮诰W(wǎng)側(cè)無功需求量的情況。

4 仿真分析

本文采用DIgSILENT/PowerFactory軟件進(jìn)行時(shí)域仿真分析。以某風(fēng)電系統(tǒng)為例，建立18×5 MW雙饋風(fēng)電場及其接入系統(tǒng)的仿真模型，如圖5所示。改進(jìn)雙饋風(fēng)機(jī)經(jīng)箱變Ti、線路Li和集中升壓變T2升至110 kV，再經(jīng)線路L和變壓器T1接入220 kV輸電網(wǎng)；無功補(bǔ)償單元STATCOM接入風(fēng)電場升壓變低壓側(cè)，考慮到實(shí)際需要，將其總?cè)萘吭O(shè)定為25 MW。仿真系統(tǒng)的參數(shù)如表1和表2所示。

圖5 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic of structure of simulation system

表1 單臺(tái)雙饋風(fēng)機(jī)仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of single DFIG

表2 線路仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of lines

將所提基于改進(jìn)模型的無功協(xié)調(diào)控制策略和傳統(tǒng)控制方法在時(shí)域仿真中進(jìn)行對比，運(yùn)行仿真模型以驗(yàn)證所提無功控制策略的有效性和可行性。

仿真系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的變流器均采用變功率因數(shù)控制，設(shè)置t=0 s時(shí)節(jié)點(diǎn)9母線處發(fā)生三相對稱短路故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.15 s。DC-Chopper在直流母線電壓超過1.1 p.u.時(shí)投入，低于0.8 p.u.時(shí)投出。SDBR在故障后轉(zhuǎn)子電流超過4 kA時(shí)投入，35 ms后投出。

圖6為定、轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓波形對比圖。如圖6所示，采用傳統(tǒng)控制方法，定、轉(zhuǎn)子電流在故障發(fā)生時(shí)刻迅速上升，轉(zhuǎn)子電流瞬時(shí)值可達(dá)11.41 kA，此時(shí)Crowbar動(dòng)作，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被短接；采用改進(jìn)雙饋風(fēng)機(jī)模型的控制策略，在電網(wǎng)故障瞬間，定、轉(zhuǎn)子電流得到限制，轉(zhuǎn)子電流在故障切除后能更快恢復(fù)穩(wěn)定，為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的正常工作和定子向系統(tǒng)持續(xù)提供無功功率創(chuàng)造了條件。

從圖6（c）可以看出，采用基于Crowbar技術(shù)的傳統(tǒng)控制方法，在電網(wǎng)故障期間，直流母線電壓始終保持在1.7 p.u.以上，嚴(yán)重威脅直流側(cè)電容的安全；采用無功協(xié)調(diào)控制策略，故障時(shí)通過投切DCChopper能將直流母線電壓控制在設(shè)定范圍內(nèi)，減小直流側(cè)電壓的波動(dòng)，保護(hù)直流側(cè)電容，為網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)提供無功支持創(chuàng)造了條件。

圖6 定子、轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓波形對比Fig.6 Comparison of waveforms among stator current，rotor current and DC voltage

圖7為定子、網(wǎng)側(cè)變流器和STATCOM提供無功功率的波形對比。從圖7可以看出，采用基于Crowbar的傳統(tǒng)控制方法，發(fā)電機(jī)定子在電網(wǎng)故障期間失去無功支持能力，在故障切除后要從電網(wǎng)吸收大量無功功率。故障期間及故障切除后，STAT?COM均需向電網(wǎng)發(fā)出13 Mvar左右的無功。

在改進(jìn)模型下的協(xié)調(diào)控制策略中，在電網(wǎng)故障期間，發(fā)電機(jī)定子能夠向電網(wǎng)提供20 Mvar以上的無功支持，網(wǎng)側(cè)變流器能夠配合定子為電網(wǎng)提供更多無功功率。故障切除后定子和網(wǎng)側(cè)變流器能更快恢復(fù)穩(wěn)定，有利于雙饋風(fēng)機(jī)有功出力的恢復(fù)。在整個(gè)過程中風(fēng)機(jī)本身就能滿足系統(tǒng)所需的無功功率，STATCOM基本無需提供無功，從而可減少系統(tǒng)所需配置無功補(bǔ)償裝置的容量，體現(xiàn)了所提控制策略的經(jīng)濟(jì)性。顯然，所提控制策略可以充分發(fā)揮雙饋風(fēng)機(jī)定子和網(wǎng)側(cè)變流器的無功支撐能力，提高風(fēng)機(jī)應(yīng)對電網(wǎng)暫態(tài)故障的性能。

圖7 定子、網(wǎng)側(cè)變流器和STATCOM提供無功功率波形對比Fig.7 Comparison of reactive power waveforms among stator，GSC and STATCOM

當(dāng)電網(wǎng)電壓三相對稱跌落至20%時(shí)，風(fēng)電場PCC點(diǎn)的電壓和風(fēng)機(jī)變流器提供的無功電流如圖8所示。由圖可知，電網(wǎng)故障導(dǎo)致PCC點(diǎn)電壓跌落至0.2 p.u.，根據(jù)本文所提無功協(xié)調(diào)控制策略，機(jī)組向電網(wǎng)提供的無功電流值IQ是定子和網(wǎng)側(cè)變流器提供的無功電流之和。采用傳統(tǒng)控制方法，故障時(shí)機(jī)組不能向電網(wǎng)提供無功電流，對電網(wǎng)電壓無支撐作用；采用所提控制策略，電網(wǎng)電壓的恢復(fù)效果更好，機(jī)組向電網(wǎng)提供的無功電流IQ約為0.98 p.u.，其中定子向電網(wǎng)提供的無功電流大于網(wǎng)側(cè)變流器提供的無功電流，仿真結(jié)果與理論分析相符。

改變電網(wǎng)故障的條件，當(dāng)電網(wǎng)電壓三相對稱跌落至50%時(shí)，PCC點(diǎn)電壓和風(fēng)機(jī)變流器提供的無功電流如圖9所示。由圖可知，電網(wǎng)PCC點(diǎn)電壓跌落到0.5 p.u.時(shí)，采用本文所提控制策略，由發(fā)電機(jī)定子單獨(dú)提供約為0.5 p.u.的無功電流，仿真結(jié)果和理論分析相符；而在傳統(tǒng)控制方法下，機(jī)組仍然不能提供無功電流，不能為電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)無功支持，且故障恢復(fù)時(shí)PCC點(diǎn)電壓出現(xiàn)超調(diào)。

圖8 電壓跌落到20%時(shí)PCC點(diǎn)電壓和變流器無功電流Fig.8 PCC voltage and converter reactive current under the condition of 20%grid voltage drop

圖9 電壓跌落到50%時(shí)PCC點(diǎn)電壓和變流器無功電流Fig.9 PCC voltage and converter reactive current under the condition of 50%grid voltage drop

5 結(jié)論

（1）在電網(wǎng)故障時(shí)，改進(jìn)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可防止轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被短接，保護(hù)直流側(cè)電容，為定子和網(wǎng)側(cè)變流器持續(xù)向系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無功支持創(chuàng)造了條件，增強(qiáng)了風(fēng)機(jī)的無功調(diào)節(jié)能力。

（2）基于改進(jìn)風(fēng)機(jī)模型的無功協(xié)調(diào)控制策略，能充分利用風(fēng)機(jī)定子和網(wǎng)側(cè)變流器的無功發(fā)生能力，減少無功補(bǔ)償裝置的投資，提升故障情況下電網(wǎng)的電壓水平，協(xié)助雙饋風(fēng)機(jī)風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

文中采用的改進(jìn)風(fēng)機(jī)模型在電網(wǎng)不對稱故障時(shí)對負(fù)序電流引起的直流側(cè)電壓和轉(zhuǎn)子電流的抑制作用不明顯，后續(xù)將進(jìn)一步研究雙饋機(jī)組在電網(wǎng)不對稱故障下負(fù)序分量的抑制方法和運(yùn)行特性。

參考文獻(xiàn)：

［1］魏巍，王渝紅，李興源，等（Wei Wei，Wang Yuhong，Li Xingyuan，et al）.基于PSASP的雙饋風(fēng)電場建模及接入電網(wǎng)仿真（Large wind farm modeling and grid-connection simulation based on PSASP）［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備（Elec?tric Power Automation Equipment），2009，29（12）：68-73.

［2］陳思哲，吳捷，柳明（Chen Sizhe，Wu Jie，Liu Ming）.雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制（Low voltage ride through control of DFIG wind energy generation system）［J］.太陽能學(xué)報(bào)（Acta Energiae Solaris Sinica），2009，30 （11）：1527-1534．

［3］Wessels C，Gebhardt F，F(xiàn)uchs F W.Dynamic voltage re?storer to allow LVRT for a DFIG wind turbine［C］//IEEE International Symposium on Industrial Electronics.Bari，Italy，2010：803-808．

［4］徐殿國，王偉，陳寧（Xu Dianguo，Wang Wei，Chen Ning）.基于撬棒保護(hù)的雙饋電機(jī)風(fēng)電場低電壓穿越動(dòng)態(tài)特性分析（Dynamic characteristic analysis of doubly-fed in?duction generator low voltage ride-through based on crow?bar protection）［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSEE），2010，30（22）：29-36．

［5］崔楊，王蘇，王澤洋，等（Cui Yang，Wang Su，Wang Zey?ang，et al）.應(yīng)用STATCOM提高DFIG的低電壓穿越域（Improvement of low voltage ride through area of DFIG us?ing STATCOM）［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceed?ings of the CSU-EPSA），2014，26（7）：23-27．

［6］梁亮，李建林，許洪華（Liang Liang，Li Jianlin，Xu Hong?hua）.電網(wǎng)故障下雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的無功功率控制策略（Reactive power control strategy for doublyfed induction wind power generation system under fault in power network）［J］.電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technolo?gy），2008，32（11）：70-73．

［7］李輝，付博，楊超，等（Li Hui，F(xiàn)u Bo，Yang Chao，et al）.雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的無功電流分配及控制策略改進(jìn)（Reactive current allocation and control strategies improvement of low voltage ride though for doubly fed in?duction wind turbine generation system）［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSEE），2012，32（22）：24-31.

［8］Kayikci M，Milanovic J V.Reactive power control strate?gies for DFIG-based plants［J］.IEEE Trans on Energy Con?version，2007，22（2）：389-396．

［9］王曉蘭，孫萬義（Wang Xiaolan，Sun Wanyi）.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同電網(wǎng)故障下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真研究（Simu?lation study on dynamic response of doubly fed induction generators during system voltage sag caused by power grid faults）［J］.電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2010，34（8）：170-175．

［10］蔣雪冬，趙舫（Jiang Xuedong，Zhao Fang）.應(yīng)對電網(wǎng)電壓驟降的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)Crowbar控制策略（Crowbar control strategy for doubly fed induction genera?tor of wind farm during power grid voltage dips）［J］.電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2008，32（12）：84-89．

［11］李群，吳志，劉建坤，等（Li Qun，Wu Zhi，Liu Jiankun，et al）.基于微觀模型的風(fēng)電場無功仿真分析（Simulative analysis based on microscopic model for reactive power of wind farm）［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備（Electric Power Automa?tion Equipment），2011，31（10）：107-111．

［12］馬文龍（Ma Wenlong）.Crowbar保護(hù)在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)故障穿越中的應(yīng)用（Application of Crowbar circuit in grid fault riding through for doubly-fed induc?tion wind power generation system）［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備（Electric Power Automation Equipment），2011，31（7）：127-130．

［13］朱穎，李建林，趙斌（Zhu Ying，Li Jianlin，Zhao Bin）.雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越策略仿真（Simulation of LVRT strategy for DFIG wind power system）［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備（Electric Power Automation Equipment），2010，30 （6）：20-24．

［14］胡家兵，賀益康（Hu Jiabing，He Yikang）.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越運(yùn)行與控制（Low voltage ride through operation and control of doubly fed induction generator wind turbines）［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Elec?tric Power Systems），2008，32（2）：49-52．

［15］Morren J，de Haan Sjoerd W H.Ridethrough of wind tur?bines with doubly-fed induction generator during a voltage dip［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2005，20（2）：435-441．

［16］蔚蘭，陳宇晨，陳國呈，等（Yu Lan，Chen Yuchen，Chen Guocheng，et al）.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（A low voltage ridethrough control strategy of doubly fed induction generator）［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)（Transactions of China Electrotechni?cal Society），2011，26（7）：30-36．

［17］Yao Jun，Li Hui，Liao Yong，et al.An improved control strategy of limiting the DC-Link voltage fluctuation for a doubly fed induction wind generator［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2008，23（3）：1205-1213．

［18］張興，張?jiān)讫?，楊淑英，等（Zhang Xing，Zhang Yunlong，Yang Shuying，et al）.風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述（Low voltage ride-through technologies in wind turbine generation）［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSU-EPSA），2008，20（2）：1-8．

［19］Okedu Kenneth E，Muyeen S M，Takahashi Rion，et al.Wind farms fault ride through using DFIG with new pro?tection scheme［J］.IEEE Trans on Sustainable Energy，2012，3（2）：242-254．

［20］Datta R，Ranganathan V T.Variable-speed wind power generation using doubly fed wound rotor induction ma?chine：a comparison with alternative schemes［J］.IEEE Trans on Energy Conversion，2002，17（3）：414-421.

［21］張學(xué)廣，劉義成，海櫻，等（Zhang Xueguang，Liu Yicheng，Hai Ying，et al）.改進(jìn)的配電網(wǎng)雙饋風(fēng)電場電壓控制策略（Improved voltage control strategy of doublyfed induction generators wind farm in distribution net?works）［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSEE），2010，30（7）：29-35．

周玉琦（1991—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電與系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制等。Email：loljinx@163.com

李東東（1976—），男，博士，教授，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電與電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制、智能用電等。Email：upwgrp@163.com

梁自超（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電與系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制等。Email：liangqichao8@126.com

中圖分類號：TM614

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-8930（2016）07-0012-07

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.07.003

作者簡介：

收稿日期：2015-01-26；修回日期：2015-12-28

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51507100）；上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”資助項(xiàng)目（14DZ1200905）；上海市人才發(fā)展基金資助項(xiàng)目（201365）；上海市科委基金資助項(xiàng)目（15YF1404600，13DZ2251900，10DZ2273400）

Coordinative Reactive Power Control Strategy for DFIG Under Fault

ZHOU Yuqi1，LI Dongdong1，2，LIANG Zichao1
（1.School of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China；2.Shanghai Higher Institution Engineering Research Center of High Efficiency Electricity Application，Shanghai 200090，China）

Abstract：Based on an improved model of doubly-fed induction generator（DFIG），a coordinative reactive power con?trol strategy is proposed to strengthen its reactive power adjustment under fault in power network.A comprehensive im?proved model of DFIG is built on DIgSILENT/PowerFactory platform.Instead of protective Crowbar，DC-Chopper and series dynamic braking resistor（SDBR）are used to assist back-to-back converters with the capability of providing reac?tive power continually for the grid.The voltage of control point is improved by distributing the reference value of reactive power among stator，grid side converter and compensation unit.Compared with the traditional control method，the pro?posed control strategy can make full use of reactive power output of converters，enlarge the reactive power output of wind farm under fault，reduce the investment of reactive compensation devices and enhance the capability of low volt?age ride through（LVRT）.

Key words：model of doubly-fed induction generator（DFIG）；grid side converter；reactive power output limit；coordi?native control strategy