雙饋風電系統(tǒng)低電壓故障保護方法的研究

張 梅李先允吉同舟王書征

（1. 南京師范大學電氣與自動化學院，南京 210042; 2. 南京工程學院電力工程學院，南京 211167）

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雙饋風電系統(tǒng)低電壓故障保護方法的研究

張 梅1李先允2吉同舟1王書征2

（1. 南京師范大學電氣與自動化學院，南京 210042; 2. 南京工程學院電力工程學院，南京 211167）

提出一種基于串聯(lián)動態(tài)制動電阻（SDBR）的低電壓主動保護方法，在電網(wǎng)故障時吸收由于電網(wǎng)電壓跌落引起的不平衡功率，保證故障期間雙饋風電機組不脫網(wǎng)運行。分析SDBR對DFIG的暫態(tài)影響，提出SDBR的投切控制策略。根據(jù)低電壓穿越（LVRT）規(guī)范對無功功率的要求，研究轉子側變流器無功補償控制方式。利用PSCAD/EMTDC仿真平臺，建立基于SDBR的雙饋風電系統(tǒng)仿真模型，對三相對稱故障時 DFIG的低電壓穿越能力進行仿真研究。仿真結果表明，串聯(lián)動態(tài)制動電阻能夠有效的抑制定、轉子過電流，限制直流母線過電壓，從而提高 DFIG的低電壓穿越能力，保證風電系統(tǒng)的不脫網(wǎng)運行。

雙饋風電系統(tǒng)；低電壓穿越；串聯(lián)動態(tài)制動電阻（SDBR）；控制策略；無功補償

隨著風力發(fā)電裝機容量在電網(wǎng)中所占比例不斷提高，電網(wǎng)發(fā)生故障時大規(guī)模風電機組脫網(wǎng)將會嚴重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。DFIG的定子直接與電網(wǎng)相連，轉子通過雙PWM變流器與電網(wǎng)相連。轉子側變流器實現(xiàn)對有功功率和無功功率的控制，為發(fā)電機提供勵磁。另外，轉子變流器可以把風速波動或陣風產(chǎn)生的功率波動轉化成風輪的動能，再平滑地轉換為電能注入電網(wǎng)，降低了對齒輪箱的沖擊和注入電網(wǎng)的閃變，提高風電機組的出力效應。由于自身結構的特點，DFIG對電網(wǎng)故障尤其敏感電網(wǎng)發(fā)生故障時，定子電壓的突變引起定子磁鏈振蕩，定子電流隨之增大。由于定子與轉子的耦合關系，會引起轉子電流的增大。過大的轉子電流流過直流母線會導致直流母線電壓升高。因此，電網(wǎng)故障時對 DFIG保護方法的研究是十分有必要的，以保證風電機組在電壓跌落時能夠保持不脫網(wǎng)運行[1-3]。

對于 DFIG低電壓故障穿越的解決方法主要從控制策略和增加硬件輔助設備兩個方面來實現(xiàn)。硬件電路主要是在定子側、轉子側以及直流母線側加裝保護電路。Crowbar電路是目前普遍采用的有效措施，但 Crowbar電路的缺點是在故障時轉子側變流器被切斷，DFIG處于失控狀態(tài)，并且 Crowbar電路吸收無功功率會導致電網(wǎng)電壓惡化[4]。文獻[5-6]提出了一種在轉子側串聯(lián)動態(tài)電阻的方法以抑制電網(wǎng)故障時轉子側過電壓，從而限制轉子過電流。同時可以減少流過直流母線電容的電流，避免直流母線過電壓。但是在電網(wǎng)電壓跌落較深時需要協(xié)調其他控制方法抑制直流母線過電壓。文獻[7]提出在定子側串聯(lián)動態(tài)電阻的方法以提高定子電壓，減少定子磁鏈的振蕩。此方法需要結合轉子側電流控制以及直流母線過電壓控制，控制結構繁瑣。文獻[8]在電網(wǎng)故障時通過計算轉子電流與定子直流磁鏈之間的空間關系對轉子電流進行補償以消除定子暫態(tài)直流磁鏈，進而抑制定子直流磁鏈。但直流母線電壓需要配合其他保護裝置得以穩(wěn)定。

電網(wǎng)故障時 DFIG機端電壓的下降是造成定、轉子過電流、直流母線過電壓的主要原因。因此，電網(wǎng)故障時對 DFIG機端電壓的提高是實現(xiàn)低電壓穿越的主要途徑。本文從提高 DFIG機端電壓的角度，提出采用串聯(lián)動態(tài)制動電阻（SDBR）提高DFIG的低電壓主動保護能力。同時，網(wǎng)側變流器切換為故障模式向電網(wǎng)注入無功功率，支撐電網(wǎng)恢復。

1　SDBR對DFIG的影響

圖1為含SDBR的雙饋風電系統(tǒng)結構圖，其中SDBR由電阻器、旁路開關以及控制器組成。

圖1　含SDBR的DFIG結構框圖

串聯(lián)動態(tài)制動電阻及旁路開關等效模型如圖 2所示，其工作原理：電網(wǎng)電壓正常時，旁路開關閉合，動態(tài)制動電阻被短路，電網(wǎng)電流流經(jīng)路徑 1，系統(tǒng)正常運行。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，控制器根據(jù)母線電壓控制旁路開關斷開，動態(tài)制動電阻接入系統(tǒng)。此時，電網(wǎng)電流流經(jīng)路徑 2。故障時串聯(lián)動態(tài)制動電阻的直接作用是提升 DFIG的機端電壓。電網(wǎng)故障切除時，旁路開關恢復到原來的閉合狀態(tài)。

圖2　串聯(lián)制動電阻模型

基于電網(wǎng)電壓矢量控制，DFIG定子側有功功率Ps、轉子側有功功率Pr以及網(wǎng)側變流器瞬時有功功率Pg分別為

式中，uds、udr、ugd、us分別為：定子電壓d軸分量、轉子電壓d軸分量、電網(wǎng)電壓d軸分量、電網(wǎng)電壓。ids、idr、igd分別為：定子電流d軸分量、轉子電流d軸分量、網(wǎng)側變流器電流d軸分量。

電網(wǎng)電壓跌落期間，定子電壓減小。由于定子與轉子存在耦合關系，DFIG轉子會感應出高電壓。根據(jù)式（1）可知，電網(wǎng)電壓跌落期間，定子有功功率減少，轉子側有功功率增大，大部分的有功功率流進轉子側變流器。直流母線儲存的能量表示為：

式中，Pdc1表示轉子側變流器輸出功率，Pdc2表示為直流母線向網(wǎng)側變流器輸入功率。若忽略功率器件損耗，則Pdc1=Pr，Pdc2=Pg，因此在故障期間直流母線兩側的不平衡功率會導致直流母線電壓上升[9]。

電網(wǎng)電壓跌落時，電磁轉矩與機械轉矩之間產(chǎn)生不平衡轉矩會使轉子加速。為了解決這一系列問題，電網(wǎng)故障時迅速接入動態(tài)制動電阻提高輸出線路阻抗，提高 DFIG機端電壓，在一定程度上減少電磁轉矩的下降，避免轉子加速。圖1所示結構圖中，電網(wǎng)發(fā)生三相對稱故障時旁路開關斷開，接入制動電阻后DFIG并網(wǎng)點電壓由V1(1?p) 升高到V2，表示為

式中，p為電壓跌落深度，Ipcc為并網(wǎng)點電流，V1為電網(wǎng)正常時并網(wǎng)點母線電壓，V2為新的并網(wǎng)點母線電壓，RSDBR為串聯(lián)制動電阻阻值。其向量圖如圖3所示。

圖3　SDBR對DFIG機端電壓影響

電網(wǎng)故障時利用短路電流在制動電阻上產(chǎn)生的壓降來提升 DFIG機端電壓，進而提高電磁功率抑制轉子加速。定子電壓的提高減小定子磁鏈振蕩，避免轉子過電壓，并且使定子側有功功率、轉子側有功功率、及網(wǎng)側輸出有功功率以及直流母線電壓維持在穩(wěn)定值。由圖3可以看出當系統(tǒng)功率因數(shù)較小時，SDBR對DFIG機端電壓補償不夠明顯。SDBR只是通過電阻來改變系統(tǒng)電壓分布，并不能發(fā)出無功功率。因此，負荷功率因數(shù)較差時，串聯(lián)制動電阻不能有效的提高機端電壓[10]，本文提出了利用DFIG自身的無功調節(jié)能力向電網(wǎng)提供無功功率補償，提高系統(tǒng)的功率因素，滿足在低功率因數(shù)情況下SDBR同樣能夠補償DFIG的機端電壓。

2　SDBR的LVRT控制

文獻[11]研究了恒速異步風電機組（FSWT）中利用母線電壓和轉速以及兩者兼具的控制信號實現(xiàn)SDBR的投切，具有很好的控制效果。SDBR的投入是為了抑制因電網(wǎng)電壓跌落引起的轉子加速、直流母線過電壓以及轉子過電流?；趧討B(tài)穩(wěn)定域給出了LVRT投切策略：在電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時，如果轉子轉速、轉子電流、直流母線電壓脫離了動態(tài)穩(wěn)定范圍內，則投入LVRT控制，使其工作與穩(wěn)定范圍內。電網(wǎng)電壓恢復至故障前的正常運行狀態(tài)時，LVRT控制SDBR切除。SDBR的LVRT控制可以表示為

式中，RSDBR取1和0分別表示為SDBR的投入與切除；Wg、Udc、ir分別表示為轉子轉速、直流母線電壓以及轉子電流；Won、Udcmax、irmax分別表示為轉子轉速、直流母線電壓以及轉子電流最大允許安全值。

考慮到電網(wǎng)故障時母線電壓跌落是引起轉子加速、轉子過電流和直流母線過電壓的主要原因，母線電壓信號能夠準確的反應DFIG暫態(tài)特性。因此，本文選取影響較大的母線電壓穩(wěn)定域作為控制信號，控制斷路器的開斷。其原理圖如圖4所示。

圖4 SDBR投切控制原理圖

圖4中，Us為雙饋風電系統(tǒng)并網(wǎng)點母線電壓。Uon為SDBR投入基準電壓。Uoff為SDBR切出基準電壓。當 Us＜Uon時控制器輸出使斷路器斷開，投入動態(tài)制動電阻。當在SDBR作用下Us＞Uoff后，控制器輸出開關接通信號，旁路動態(tài)制動電阻。其中，延時1的作用是避免暫態(tài)過程中的電壓振蕩，延時2則是模擬斷路器的操作延時。

3　SDBR的取值

電網(wǎng)故障時，串入制動電阻后新的并網(wǎng)點電壓要接近電網(wǎng)正常時并網(wǎng)點電壓，避免SDBR選取過大，會因為并網(wǎng)點電壓過高而影響發(fā)電機轉速及功率的變化。即串聯(lián)制動電阻電壓上限值由并網(wǎng)點電壓控制，可以表示為

如果SDBR選取過小，對并網(wǎng)點電壓提升不夠明顯，會約束最嚴重故障（三相對稱故障）下低電壓穿越能力。因此，新的機端電壓越接近電網(wǎng)穩(wěn)定運行時的額定電壓，DFIG低電壓穿越能力越好。故本文RSDBR的大小通過電網(wǎng)電壓跌落深度選取，以并網(wǎng)點額定電流為控制目標，從而獲得動態(tài)制動電阻的取值大小，使接入電阻后的機端電壓接近電網(wǎng)正常時額定電壓。

式中，In取正常運行時并網(wǎng)點額定電流。

4　DFIG低電壓期間無功功率控制

由于SDBR只是通過阻值大小改變電壓分布情況，不能發(fā)出無功。DFIG在故障期間以及電網(wǎng)恢復時刻會從電網(wǎng)吸收無功，不利于電網(wǎng)電壓的恢復。本文充分利用 DFIG的無功調節(jié)能力，當電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓跌落，導致 DFIG轉子電流、直流母線電壓超過限制時，LVRT控制信號投入 SDBR補償DFIG機端電壓，抑制轉子電流，直流母線電壓的升高，起到保護轉子側變流器和直流母線的作用。此時無功功率控制策略由穩(wěn)態(tài)控制方式切換到故障控制方式，向電網(wǎng)注入無功功率，提高功率因數(shù)，支撐電網(wǎng)電壓的快速恢復。電網(wǎng)電壓恢復至故障前的正常運行狀態(tài)時，LVRT控制SDBR切除，同時無功功率控制恢復為穩(wěn)態(tài)控制方式，停止向電網(wǎng)注入無功功率。由于轉子側變流器以及網(wǎng)側變流器均可對無功功率進行控制，而在電網(wǎng)故障期間定子側向電網(wǎng)提供的無功功率遠大于網(wǎng)側變流器向電網(wǎng)提供的無功功率[12]。因此，本文主要從轉子側變流器控制的角度對電網(wǎng)提供無功功率補償以支撐電網(wǎng)恢復。其控制原理如圖5所示。

圖5　轉子側變流器矢量控制框圖

根據(jù)風電場低電壓穿越技術對無功支持能力的要求：風電場向電網(wǎng)注入的無功電流按式（7）給定：

式中，UN為DFIG并網(wǎng)點電壓；IN為DFIG并網(wǎng)點額定電流。

將式（7）轉換成無功功率參考量為

在LVRT期間，優(yōu)先考慮對轉子側無功功率控制以實現(xiàn)定子側向電網(wǎng)提供無功功率輸出，提高對電網(wǎng)電壓的支撐。功率外環(huán)控制首先根據(jù)式（8）求出電壓跌落至20%的額定電壓時，定子側無功功率參考值計算為為0.21p.u.，再與無功實測值Qg的偏差通過PI控制器得到無功電流的參考值i*g，以此向電網(wǎng)提供無功支持。

5　仿真分析

本文利用 PSCAD/EMTDC建立了 DFIG及SDBR的仿真模型。串聯(lián)制動電阻被安裝在風電系統(tǒng)并網(wǎng)點與升壓變壓器之間。本文選取最嚴重的三相對稱短路故障對 DFIG的動態(tài)特性進行分析。機組參數(shù)為：有功功率1.5kW；額定電壓0.69kV；定子電阻RS=0.005875p.u.；定子漏感LS=0.0976p.u.；轉子電阻Rr=0.006613p.u.；轉子漏感Lr=0.1634p.u.；互感 Lm=50136p.u.；RSDBR=0.386Ω；變壓器高壓側母線在 8s時發(fā)生三相對稱電壓跌落，跌落深度為80%，在8.3s時故障切除，故障時間持續(xù)0.3s。

圖6為電網(wǎng)發(fā)生故障時，DFIG含SDBR的各變量波形。圖6（a）中可以看出在電網(wǎng)故障期間制動電阻的接入，使得 DFIG的機端電壓得到明顯的提高。圖6（b）～圖6（c）波形可以看出在故障期間 DFIG定子側電流、轉子側電流能夠維持在穩(wěn)定運行時的正常值，SDBR的接入能夠有效的抑制定、轉子過電流。在電網(wǎng)故障發(fā)生和電網(wǎng)故障恢復時，其過電流幅值被限制在2倍的額定值之內，在一定的安全裕量范圍之內。圖6（d）中藍色曲線可以看出在電網(wǎng)故障時，直流母線電壓最大值可達到6倍的額定值。這是由于暫態(tài)過程中不平衡功率引起的。紅色曲線表明在電網(wǎng)故障時SDBR的接入能夠有助于直流母線電壓的穩(wěn)定。因此電網(wǎng)故障時SDBR的接入能夠幫助 DFIG的變流器恢復正常運行狀態(tài)。圖6（e）是DFIG的電磁轉矩，藍色曲線說明電網(wǎng)電壓跌落會導致發(fā)電機電磁轉矩下降。并且在電網(wǎng)電壓恢復時出現(xiàn)明顯的振蕩。而紅色曲線表明在SDBR的作用下，電磁轉矩的下降被迅速抑制。圖6 （f）中藍色曲線說明在電網(wǎng)電壓跌落時，由于DFIG的機端電壓跌落引起系統(tǒng)的有功功率減小，并且在電網(wǎng)故障恢復時刻有功功率出現(xiàn)振蕩且持續(xù)時間較長，這是因為此時電網(wǎng)電流不能夠發(fā)生突變。而紅色曲線說明SDBR可以使新的并網(wǎng)點有功功率恢復到穩(wěn)定值，同時電網(wǎng)電壓恢復時有功功率振蕩減小。圖6（g）中藍色曲線所示無功功率在8.0s電網(wǎng)發(fā)生故障時刻出現(xiàn)一個正向的尖峰，說明在電網(wǎng)跌落時的暫態(tài)過程中發(fā)電機向電網(wǎng)輸送無功。而在8.3s電網(wǎng)恢復時無功曲線出現(xiàn)一個負向尖峰，說明在電網(wǎng)恢復暫態(tài)過程中 DFIG從電網(wǎng)吸收無功功率。紅色曲線表明電網(wǎng)故障時，DFIG定子向電網(wǎng)提供0.21p.u.的無功，同時在電網(wǎng)恢復時 DFIG定子無功功率沒有出現(xiàn)負值并很快恢復穩(wěn)定，說明此暫態(tài)過程中DFIG向電網(wǎng)發(fā)出無功功率。

圖6　電網(wǎng)故障時含SDBR仿真結果

6　結論

本文采用SDBR在電網(wǎng)故障時提高風電機組端電壓，吸收過不平衡功率來提高 DFIG的低電壓主動保護能力。文中所提出的基于母線電壓穩(wěn)定域的SDBR投切控制策略可實現(xiàn)故障時 DFIG的穩(wěn)定運行。低電壓期間網(wǎng)側變流器能夠向電網(wǎng)提供無功功率，支撐電網(wǎng)恢復。本文所提出的串聯(lián)動態(tài)制動電阻的低電壓主動保護方法能夠有效的提高雙饋風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。

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Study on the Protection Method of Wind Turbine based on Double Fed Induction Generator in Low Voltages

Zhang Mei1Li Xianyun2Ji Tongzhou1Wang Shuzheng2

(1. School of Electrical & Automation Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042; 2. College of Electrical Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167)

A new protection of inserts series dynamic braking resistor (SDBR) is proposed. The SDBR dissipates the over-active power caused by the voltage drop to ensure uninterrupted operation of DFIG. The transient effect of DFIG was analyzed. The switching control strategy of SDBR via bus voltage stability domain was proposed. According to the Low Voltage fault through (LVRT) requirement for reactive power, the control of reactive power was researched. The simulation result in power system computer aided design and electromagnetic transient including (PSCAD/EMTDC) show that SDBR can effectively help to improve the terminal voltage of DFIG and limit the over-current of stator/rotor and the over-voltage of DC bus, which can improve the transient stability of DFIG in three-phase fault. It also proved that the SDBR guarantees the stable operation of wind power system.

double fed induction generation(DFIG); Low voltage ride-through(LVRT); series dynamic braking resistor (SDBR); control strategy; reactive power compensation

張 梅（1990-），女，碩士研究生，研究方向為為風力發(fā)電相關技術研究。

江蘇省產(chǎn)學研前瞻性聯(lián)合創(chuàng)新資助項目（BY2014009-003）

南京工程學院校級科研基金項目（CKJ2009003）