雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電網(wǎng)故障穿越技術(shù)研究

董鵬程 華青松 張洪偉 隋宗強(qiáng) 李立偉

摘要： 針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)故障后持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行與調(diào)控能力亟待加強(qiáng)的問(wèn)題，本文對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電網(wǎng)故障穿越技術(shù)進(jìn)行研究。在建立雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（double fed induction generator，DFIG）轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充虛擬慣量控制的基礎(chǔ)上，引入設(shè)定初始值的槳距角控制，建立DFIG的復(fù)合頻率控制策略，實(shí)現(xiàn)頻率穿越，在轉(zhuǎn)子側(cè)添加主動(dòng)式Crowbar電路實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，從而提升DFIG的電網(wǎng)故障穿越能力，并通過(guò)DIgSILENT/PowerFactory實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，通過(guò)補(bǔ)充轉(zhuǎn)矩增加DFIG的虛擬慣量，設(shè)置初始槳距角增加備用有功，兩者共同作用的復(fù)合頻率策略在提升跌落度與穩(wěn)態(tài)值兩方面改善DFIG的調(diào)頻能力；主動(dòng)式Crowbar電路投切速度迅速，將其模塊引入Protection策略后，在電網(wǎng)故障消除后可立即向電網(wǎng)輸送有功，并在故障期間可向電網(wǎng)輸送無(wú)功。該研究有利于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)； 頻率穿越； 低電壓穿越； DIgSILENT/PowerFactory

中圖分類號(hào)： TM614； TM343文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

收稿日期： 20170518； 修回日期： 20170822

基金項(xiàng)目： 863計(jì)劃項(xiàng)目資助（2014AA052303）； 山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（Y2008F23）；山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目資助（2011GGB01123）；山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)（2014ZZCX05501）

作者簡(jiǎn)介： 董鵬程（1990），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)在線監(jiān)測(cè)及故障診斷。

通訊作者： 李立偉（1970），男，山東人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的智能監(jiān)測(cè)和狀態(tài)維修，可再生能源接入與智能配電網(wǎng)技術(shù)，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)與控制，高速列車運(yùn)行監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)及新能源汽車電控系統(tǒng)開發(fā)等。Email： ytllw@163.com 近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)快速發(fā)展，截止到2016年上半年，我國(guó)累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)137億千瓦[1]。在成為風(fēng)力發(fā)電大國(guó)的同時(shí)，快速增加的風(fēng)電滲透率增大了電力系統(tǒng)的安全隱患，電網(wǎng)故障后，傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)切機(jī)模式已不能滿足電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求[23]。目前，DFIG由于容量大、可實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功解耦等優(yōu)點(diǎn)，成為我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主流機(jī)型。電網(wǎng)故障穿越可分為電壓穿越和頻率穿越[4]。常規(guī)同步發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率存在耦合關(guān)系，當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之變化，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子動(dòng)能改變，通過(guò)吸收或釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能，阻止系統(tǒng)頻率的快速變化。而DFIG采用電力電子變換器能夠靈活的調(diào)節(jié)有功、無(wú)功，實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功解耦，失去常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組所具備的調(diào)頻能力[46]。自2011年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了多起大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故，通過(guò)對(duì)事故進(jìn)行研究，根本原因是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組沒有電網(wǎng)故障穿越能力。鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者為研究DFIG電網(wǎng)故障穿越措施進(jìn)行了大量的工作。賀益康等人[2]通過(guò)在網(wǎng)側(cè)變換器處添加蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，建立帶有儲(chǔ)能設(shè)備的虛擬同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生頻率跌落時(shí)，向電網(wǎng)輸送有功功率來(lái)穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)頻特性，但是成本高，而且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所受風(fēng)力實(shí)時(shí)變化，所以等值模型不固定，控制策略繁瑣；劉東霖等人[5]提出為增大備用容量，可使風(fēng)機(jī)不運(yùn)行在最大功率追蹤模式（maximum power point tracking，MPPT），而是沿次優(yōu)功率曲線運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)頻率跌落時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式向最優(yōu)功率曲線方式變換；徐殿國(guó)等人[7]提出了基于被動(dòng)式Crowbar電路的DIFG低電壓穿越技術(shù)。上述研究方法在一定程度上提升了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的持續(xù)并網(wǎng)與調(diào)節(jié)能力，但其成本和實(shí)踐結(jié)果還不能滿足電網(wǎng)對(duì)日益增加的風(fēng)電機(jī)組的依賴要求。因此，本文對(duì)原有風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)與原理進(jìn)行研究，結(jié)合DFIG系統(tǒng)原有控制策略的特點(diǎn)，提出了一種新的復(fù)合頻率控制策略，提升了DFIG的調(diào)頻能力；添加主動(dòng)式Crowbar電路；提升了DFIG低電壓穿越能力，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的有效性。該研究對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1頻率穿越

頻率穿越[8]被提出后還沒有明確定義，但很多國(guó)家對(duì)于電網(wǎng)故障后的風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行和頻率偏差都做了要求。目前，頻率穿越工作是研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)持續(xù)并網(wǎng)，主要幫助恢復(fù)電網(wǎng)頻率。

1.1虛擬慣量響應(yīng)控制

雖然雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之間失去了耦合關(guān)系，但DFIG釋放動(dòng)能的潛力巨大，對(duì)DFIG系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不容忽視[910]。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)虛擬慣量響應(yīng)控制直接引入有功功率補(bǔ)充，將有功功率差值引入到DFIG控制策略的功頻特性對(duì)應(yīng)的OverFreq Pwr Reduction模塊。通過(guò)觀察DFIG控制原理圖，當(dāng)直接進(jìn)行有功功率補(bǔ)充后，還需聯(lián)系PQ控制模塊、轉(zhuǎn)子電流控制模塊等到達(dá)DFIG電磁控制模塊，相對(duì)繁瑣且當(dāng)某一控制模塊發(fā)

由于P=wT，又因?yàn)镈FIG系統(tǒng)的變頻器可以控制交流勵(lì)磁電流改變瞬時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩，且在DFIG控制策略中機(jī)械轉(zhuǎn)矩控制模塊直接與DFIG電磁控制模塊相連。因此，本文提出補(bǔ)充轉(zhuǎn)矩的虛擬慣量響應(yīng)控制，當(dāng)獲得轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充控制目標(biāo)后，可將其引入風(fēng)機(jī)原有控制策略中。轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充控制框圖如圖1所示，將圖1中紅線框所示的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充控制策略引入原有DFIG控制策略的功頻特性對(duì)應(yīng)的Mechanics模塊。

圖1中，紅線框內(nèi)為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充控制策略框圖，其中上支路為引入Δf的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充方式，下支路為引入df/dt的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充方式，C為電網(wǎng)額定頻率。上、下支路轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充控制目標(biāo)函數(shù)T1和T2分別為

T1=KpΔf=Kp（fmeas-fc）， T2=9 550n×Ksdfdt（1）

式中，Δf為電網(wǎng)頻率偏差；fc為電網(wǎng)額定頻率，fc=50 Hz；fmeas為電網(wǎng)頻率實(shí)際測(cè)量值；Kp、Ks為控制系數(shù)；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。為獲得更好的頻率控制效果，本文將同時(shí)引入Δf和df/dt，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1.2槳距角控制

風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般以最大功率追蹤的方式運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)放棄最大功率追蹤運(yùn)行模式[10]，以次優(yōu)功率追蹤運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)有功功率備用。然而此方法獲得有功功率備用是以風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子超速減載來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上限值的控制，這種方法只適合風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速以下的情況。為實(shí)現(xiàn)DFIG系統(tǒng)便捷的具備有功功率備用容量，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率方程進(jìn)行分析。風(fēng)力機(jī)的輸入功率[2]為

Pv=12（ρSwv）v2=12ρSwv3（2）

風(fēng)能利用系數(shù)[2]為

Cp=PoPv（3）

所以，風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率[2]為

Po=12ρSwCpv3=12ρπR2Cp（λ，β）v3（4）

式中，ρ為空氣密度；Sw為風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積；v為進(jìn)入風(fēng)力機(jī)掃掠面之前的空氣流速（即未擾動(dòng)風(fēng)速）；λ為葉尖速比；β為槳距角。

由式（5）可知，可改變的是與風(fēng)機(jī)輸出功率相關(guān)的槳距角β，槳距角β與風(fēng)能利用系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)λ為定值時(shí)，β越大，Cp越小，因此Po越小，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距角為0°時(shí)，Po最大。因此，通過(guò)設(shè)定風(fēng)機(jī)葉片槳距角初始值，降低機(jī)組有功出力，使風(fēng)機(jī)留有一定的備用有功容量，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時(shí)起到有功功率補(bǔ)充的作用，可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。槳距角控制框圖如圖3所示。

2低電壓穿越

低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）能力是指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，在電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能不間斷并網(wǎng)運(yùn)行[2]。同時(shí)，在電網(wǎng)故障期間，電網(wǎng)可以輸送一定的無(wú)功功率，以幫助電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，當(dāng)電網(wǎng)故障消除后，需立即向電網(wǎng)輸送有功功率[1215]。部分國(guó)家對(duì)LVRT技術(shù)基本要求如表1所示。圖535 kV無(wú)窮大電網(wǎng)仿真模型為實(shí)現(xiàn)Crowbar電路的快速投切，通過(guò)添加絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）器件構(gòu)成主動(dòng)式Crowbar電路，主動(dòng)式Crowbar電路如圖4所示。電網(wǎng)故障一旦消除，就可以分別對(duì)機(jī)側(cè)變換器與主動(dòng)式Crowbar裝置的IGBT觸發(fā)信號(hào)，前者IGBT導(dǎo)通，后者IGBT關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了及時(shí)向電網(wǎng)輸送有功功率。同時(shí)，故障期間直流母線電容與網(wǎng)側(cè)變換器構(gòu)成靜止無(wú)功補(bǔ)充器，向電網(wǎng)輸送無(wú)功[1920]。

3仿真結(jié)果

在DIgSILENT/PowerFactory平臺(tái)下，搭建1臺(tái)5 MW的等值雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及35 kV無(wú)窮大電網(wǎng)的仿真模型，無(wú)窮大電網(wǎng)仿真模型如圖5所示。

對(duì)于虛擬慣量響應(yīng)控制，分別引入和同時(shí)引入頻率偏差Δf和頻率變化率df/dt，不同控制策略仿真結(jié)果如圖6所示。本文提出虛擬慣量響應(yīng)控制和槳距角控制組成的復(fù)合頻率控制，為獲得附加不同控制策略時(shí)的對(duì)比結(jié)果，明晰何種策略更優(yōu)，對(duì)不同控制策略進(jìn)行仿真測(cè)試，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)充控制仿真結(jié)果如圖7所示。

對(duì)于低電壓穿越，設(shè)置電網(wǎng)在3 s時(shí)發(fā)生三相短路故障，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至02 p.u持續(xù)05 s，加主動(dòng)式Crowbar前后輸出有功如圖8所示；加主動(dòng)式Crowbar前后輸出無(wú)功如圖9所示。

圖9加主動(dòng)式Crowbar前后輸出無(wú)功由圖8和圖9可以得出，通過(guò)補(bǔ)充轉(zhuǎn)矩增加DFIG的虛擬慣量及設(shè)置初始槳距角增加備用有功兩者共同作用的復(fù)合頻率策略，在提升跌落度與穩(wěn)態(tài)值方面改善DFIG的調(diào)頻能力；主動(dòng)式Crowbar電路投切速度迅速，將其模塊引入Protection策略后，在電網(wǎng)故障消除后可立即向電網(wǎng)輸送有功，而在故障期間可向電網(wǎng)輸送無(wú)功。

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的頻率穿越（電網(wǎng)故障后頻率調(diào)控）和低電壓穿越進(jìn)行了研究，利用DIgSILENT/PowerFactory軟件，對(duì)電網(wǎng)發(fā)生短路故障后引起的電網(wǎng)電壓跌落過(guò)程及頻率跌落過(guò)程進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后，引起電網(wǎng)頻率跌落時(shí)復(fù)合頻率控制策略具有更好的頻率穩(wěn)定控制性能，主動(dòng)式Crowbar電路可以使DFIG在電網(wǎng)故障期間持續(xù)運(yùn)行并可功率支撐的作用。復(fù)合頻率控制策略是建立在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身的控制策略基礎(chǔ)上，只需要優(yōu)化控制策略，而不需要添加外部硬件電路，在起到頻率調(diào)節(jié)功能的基礎(chǔ)上節(jié)約了成本，具有良好工程實(shí)踐應(yīng)用前景；主動(dòng)式Crowbar電路，在原先被動(dòng)式Crowbar電路的基礎(chǔ)上添加IGBT器件，易于實(shí)現(xiàn)。但是隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)容量的快速增加，電力系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的頻率調(diào)節(jié)響應(yīng)速度也產(chǎn)生更高的要求，如何使DFIG快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率的偏移，并實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)。同時(shí)，使DFIG在電網(wǎng)故障期間也能向電網(wǎng)輸送有功是下一步需要研究的重點(diǎn)。

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