風(fēng)電雙饋機(jī)組基于協(xié)同控制的低電壓穿越策略研究

／大唐洱源鳳羽風(fēng)電有限責(zé)任公司 周維賓／

風(fēng)電雙饋機(jī)組基于協(xié)同控制的低電壓穿越策略研究

／大唐洱源鳳羽風(fēng)電有限責(zé)任公司 周維賓／

本文首先分析了作為目前國(guó)內(nèi)主流機(jī)型的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能上采用的轉(zhuǎn)子撬棒（Crowbar）和直流卸荷電路（Chopper）兩種方案的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。隨后提出了協(xié)同控制的策略，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的不同工況采用不同的控制方式，通過(guò)協(xié)調(diào)Crowbar和Chopper的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)LVRT控制，同時(shí)提出了故障期間以單閉環(huán)取代傳統(tǒng)雙閉環(huán)模式的電機(jī)側(cè)變流器控制策略，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。最后通過(guò)Matlab/Simulink系統(tǒng)建模仿真、風(fēng)場(chǎng)LVRT實(shí)測(cè)對(duì)波形進(jìn)行對(duì)比分析，證明了該策略的有效性，并展望了該策略在今后加入故障穿越概念后的進(jìn)一步優(yōu)化空間。

風(fēng)力發(fā)電；雙饋發(fā)電機(jī)；低電壓穿越；協(xié)同控制

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量不斷加大，其間歇性、不穩(wěn)定性的固有缺點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的消極影響也被越來(lái)越多地提及。國(guó)標(biāo)GB/T 19963—2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的頒布，標(biāo)志著風(fēng)電設(shè)備供應(yīng)商在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，必須考慮風(fēng)電場(chǎng)在電能質(zhì)量、耐受電壓頻率波動(dòng)以及低電壓穿越方面的能力。在這些技術(shù)要求中，低電壓穿越（Low-Voltage Ride Through， LVRT）能力相對(duì)而言較難實(shí)現(xiàn)，從而也成為了風(fēng)電領(lǐng)域?qū)W術(shù)界討論的熱點(diǎn)之一。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）由于其轉(zhuǎn)子和定子間的電磁關(guān)系，配套變流器僅需提供轉(zhuǎn)差功率即可實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功的解耦控制與最大風(fēng)能跟蹤，其高效率、低成本所帶來(lái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使得它成為了國(guó)內(nèi)風(fēng)電市場(chǎng)的主流機(jī)型。然而，正是因?yàn)樗褂昧诵∪萘康淖兞髌?，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)將產(chǎn)生較大的暫態(tài)直流分量，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電壓電流、直流母線(xiàn)電壓泵升，若不加任何控制策略強(qiáng)行運(yùn)行，極端情況下將會(huì)損毀變流器。因此，必須增加相應(yīng)的硬件設(shè)備配置控制策略，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)DFIG在電網(wǎng)故障狀態(tài)下的不間斷運(yùn)行，并對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行一定的無(wú)功支撐。

目前，有兩種主流的應(yīng)對(duì)方案，分別是利用轉(zhuǎn)子撬棒（Crowbar）和直流卸荷電路（Chopper）。兩種方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)將在下面章節(jié)進(jìn)行闡述，針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了一種同時(shí)采用Crowbar和Chopper，根據(jù)不同工況進(jìn)行協(xié)同控制的解決方案，從而提高整機(jī)的穩(wěn)定性，并在LVRT過(guò)程中調(diào)整控制策略，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間以及加快電壓恢復(fù)后的功率恢復(fù)時(shí)間。最后給出了Matlab/Simulink建模仿真結(jié)果與風(fēng)場(chǎng)認(rèn)證實(shí)測(cè)波形，證明了控制策略的有效性。

1 基于Crowbar的LVRT控制策略

Crowbar作為最早提出的LVRT保護(hù)設(shè)備，其有效性和可靠性已得到了驗(yàn)證[1]。它的工作原理非常簡(jiǎn)單，即通過(guò)在電網(wǎng)故障時(shí)刻短路發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，來(lái)抑制能量倒灌入變流器，從而起到限制過(guò)壓過(guò)流、實(shí)現(xiàn)故障不間斷運(yùn)行的效果。可分為被動(dòng)型（Passive Crowbar）和主動(dòng)型（Active Crowbar）兩種。

典型的Passive Crowbar如圖1所示，其拓?fù)湟话阌删чl管、二極管等組件構(gòu)成，屬于最早期的方案之一。其控制策略就是在故障狀態(tài)持續(xù)投入裝置，故障結(jié)束后退出。由于晶閘管是一種“半控型”器件，因此無(wú)法有效迅速地控制裝置的切出，一般這種方案僅作為保護(hù)裝置使用，故障后需要重新并網(wǎng)，響應(yīng)時(shí)間、無(wú)功支撐等根本無(wú)從談起，難以實(shí)現(xiàn)國(guó)標(biāo)的相關(guān)要求。另外，由于其在故障期間必須持續(xù)投入，在LVRT持續(xù)時(shí)間內(nèi)雙饋電機(jī)相當(dāng)于作為鼠籠式異步電機(jī)接入電網(wǎng)，因此將會(huì)吸收大量無(wú)功，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓更加難以恢復(fù)[2]。所以目前此類(lèi)設(shè)備基本已被棄用。

圖1 典型的Passive Crowbar拓?fù)?/p>

典型的Active Crowbar如圖2所示，與Passive Crowbar相比，其最大的改進(jìn)是采用了IGBT、GTO等“全控型”器件代替原先的晶閘管，從而能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的快速投切，無(wú)需在整個(gè)故障時(shí)間內(nèi)持續(xù)投入，控制更為靈活。但是即便如此，其投入期間短路轉(zhuǎn)子，使得電機(jī)變?yōu)槭蠡\式異步電機(jī)，大量吸無(wú)功的本質(zhì)并未改變，因此絕不能長(zhǎng)時(shí)間投入，否則將無(wú)法對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行必要的無(wú)功支撐。

圖2 典型的Active Crowbar拓?fù)?/p>

2 基于Chopper的LVRT控制策略

典型的Chopper電路如圖3所示，它直接并接于變流器直流母線(xiàn)上。該裝置通過(guò)間接保護(hù)的方式進(jìn)行工作，其原理如下：當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣▌t，定子繞組會(huì)感生一衰減直流磁鏈，該磁鏈交鏈轉(zhuǎn)子繞組感生的轉(zhuǎn)子電壓瞬時(shí)升高，而變流器不足以提供如此高壓，因此轉(zhuǎn)子回路會(huì)產(chǎn)生很大的暫態(tài)沖擊電流，為保護(hù)設(shè)備，通常將控制脈沖封鎖，于是沖擊電流會(huì)經(jīng)IGBT 反向并聯(lián)的大容量續(xù)流二極管導(dǎo)通，導(dǎo)致直流母線(xiàn)電壓不斷升高，若不加以控制，電力電容器將會(huì)因過(guò)壓而擊穿炸毀，因此必須通過(guò)Chopper進(jìn)行卸荷[3]。

圖3 典型的Chopper電路拓?fù)?/p>

控制策略上，一般通過(guò)斬波控制方式（即母線(xiàn)電壓高于上限值即投入，恢復(fù)至下限值切出）抑制直流母線(xiàn)電壓的泵升，起到保護(hù)設(shè)備的作用。

與Crowbar方案相比，Chopper方案的優(yōu)勢(shì)在于控制靈活，成本低廉，易改造，無(wú)須改變轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)鏈。但是缺點(diǎn)也十分明顯，即容量有限，無(wú)法泄放大量能量，對(duì)于深度跌落和不對(duì)稱(chēng)跌落的工況較為無(wú)力，經(jīng)常由于達(dá)到Chopper本身的溫升限值而被迫切出。

3 協(xié)同控制策略

3.1 協(xié)同控制原理

前文的分析可知，基于Crowbar和Chopper的LVRT控制策略各有優(yōu)劣，那么如果考慮將兩者配合使用，并根據(jù)不同的工況進(jìn)行控制策略調(diào)整，或許可以提高整個(gè)系統(tǒng)的低穿能力和穩(wěn)定性。

圖4為協(xié)同控制策略的變流器系統(tǒng)框圖。

圖4 協(xié)同控制變流器系統(tǒng)框圖

根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度、平衡與不平衡跌落和電壓跌落時(shí)刻機(jī)組的有功功率等外部條件將控制策略劃分為以下三種：

（1） 嚴(yán)苛

這類(lèi)工況一般為超同步狀態(tài)、大功率、深度跌落、不平衡跌落。此時(shí)由于定子磁鏈暫態(tài)直流分量很大，將會(huì)產(chǎn)生較高的轉(zhuǎn)子過(guò)壓和過(guò)流，投入Chopper不足以卸荷，還可能會(huì)導(dǎo)致Chopper回路電阻溫度突升，加速老化甚至燒毀的問(wèn)題。因此，可以考慮在電壓跌落發(fā)生時(shí)刻不使能Chopper，強(qiáng)制切入Crowbar一小段時(shí)間，使得系統(tǒng)能避開(kāi)最劇烈的動(dòng)態(tài)過(guò)程，然后馬上切出Crowbar，同時(shí)使能Chopper控制、開(kāi)通電機(jī)側(cè)變流器控制無(wú)功支撐，以滿(mǎn)足故障期間的容性無(wú)功要求。

（2）適中

這類(lèi)工況一般為接近同步速狀態(tài)、中等功率、中等跌落深度、平衡跌落。此時(shí)轉(zhuǎn)子瞬時(shí)過(guò)壓過(guò)流并不太劇烈，無(wú)需強(qiáng)制切入Crowbar，在整個(gè)故障過(guò)程中可以用Chopper來(lái)實(shí)現(xiàn)直流母線(xiàn)過(guò)壓的保護(hù)，同時(shí)開(kāi)通電機(jī)側(cè)變流器控制無(wú)功支撐，發(fā)出容性無(wú)功。

（3） 輕度

這類(lèi)工況一般為亞同步狀態(tài)、低功率、低跌落深度、平衡跌落。此時(shí)轉(zhuǎn)子瞬時(shí)僅有輕微的過(guò)壓過(guò)流，可以不使能Crowbar、Chopper投切，正常使能無(wú)功功率控制，同時(shí)通過(guò)微調(diào)控制器的參數(shù)以改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

采用這種互相配合協(xié)同的控制策略后，Crowbar和Chopper的優(yōu)勢(shì)得到了充分利用，又有效彌補(bǔ)了各自的缺陷，從而減少了整個(gè)系統(tǒng)的失控時(shí)間，提高了系統(tǒng)的相應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性。

3.2 電機(jī)側(cè)變流器動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制

傳統(tǒng)的電機(jī)側(cè)變流器控制策略如圖5所示，一般是采用基于定子磁鏈定向的電壓電流雙閉環(huán)的控制方式[4]。但這種控制方式的缺點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)性能較弱，這就體現(xiàn)在電壓跌落后，系統(tǒng)無(wú)法盡快地通過(guò)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制發(fā)出容性無(wú)功支撐電網(wǎng)，使得故障恢復(fù)時(shí)間變長(zhǎng)。為了解決此問(wèn)題，可以在故障期間采用單環(huán)控制的方式替代正常運(yùn)行時(shí)的雙閉環(huán)方式，即在LVRT期間去掉功率外環(huán)的控制，直接給定轉(zhuǎn)子電流有功分量Ird和無(wú)功分量Irq。這樣可以加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)出容性無(wú)功支撐電網(wǎng)，在故障恢復(fù)后在切回雙閉環(huán)模式，繼續(xù)執(zhí)行有功功率加載。

圖5 電機(jī)側(cè)變流器控制策略

4 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

4.1 Matlab/Simulink系統(tǒng)建模仿真結(jié)果

筆者根據(jù)圖4所示系統(tǒng)配置搭建了2MW雙饋風(fēng)電機(jī)組LVRT控制模型。

通過(guò)電抗器分壓的電網(wǎng)短路裝置，執(zhí)行了額定功率（以2MW進(jìn)行標(biāo)幺）運(yùn)行下75%跌落幅度（三相平衡）、50%跌落幅度（三相不平衡）和20%跌落幅度（三相平衡）三種工況的電壓跌落，仿真得出系統(tǒng)有功無(wú)功功率波形如圖6～8所示。

圖6 仿真電壓跌落至75%（三相平衡）

圖7 仿真電壓跌落至50% （三相不平衡）

圖8 仿真電壓跌落至20% （三相平衡）

從仿真結(jié)果可知，這種協(xié)同控制的方式理論上可以實(shí)現(xiàn)各種工況下的LVRT控制，同時(shí)相應(yīng)速度快，能夠及時(shí)進(jìn)行必要的無(wú)功支撐，并能在故障結(jié)束后迅速恢復(fù)正常運(yùn)行。

4.2 1.25MW雙饋風(fēng)電變流器風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

筆者將此控制策略應(yīng)用于2MW風(fēng)力發(fā)電變流器機(jī)型中，并于風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了LVRT實(shí)測(cè)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采中國(guó)電科院的標(biāo)準(zhǔn)電抗器分壓模式的模擬跌落裝置進(jìn)行，測(cè)得4.1三種工況下的波形如圖9～11所示。

圖9 實(shí)測(cè)電壓跌落至75%（三相平衡）

圖10 實(shí)測(cè)電壓跌落至50% （三相不平衡）

圖11 實(shí)測(cè)電壓跌落至20%（三相平衡）

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)波形擬合對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)波形基本一致，誤差帶保持在可接受范圍內(nèi)，證明這種協(xié)同控制的策略可以滿(mǎn)足LVRT相關(guān)的技術(shù)要求，同時(shí)擁有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。另外，目前國(guó)內(nèi)仍處于理論研究階段的高電壓穿越、頻率穿越（與低電壓穿越一起并稱(chēng)為“故障穿越”），今后國(guó)家可能會(huì)提出新的技術(shù)要求，而這種Crowbar和Chopper相結(jié)合的結(jié)構(gòu)可以在滿(mǎn)足新指標(biāo)的同時(shí)盡可能減少二次改造所帶來(lái)的不便，或?qū)⒊蔀殡p饋式機(jī)型的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。

[1]趙靜. 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越時(shí)的Crowbar保護(hù)技術(shù)[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[2]胡娜. 基于CROWBAR電路的雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制策略研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2010.

[3]唐浩，等. 考慮Chopper 動(dòng)作的雙饋風(fēng)電機(jī)組三相短路電流分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015（2）.

[4]黎芹. 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.