應(yīng)用于雙饋風(fēng)機高低壓穿越的定子串聯(lián)阻抗保護方案

葉迪卓然，蔡 旭，饒芳權(quán)

（上海交通大學(xué)風(fēng)力發(fā)電研究中心，上海 200240）

隨著轉(zhuǎn)子撬棒（crowbar）保護廣泛應(yīng)用于雙饋感應(yīng)發(fā)電機 DFIG（doubly-fed induction generator），多數(shù)DFIG已初步具備低電壓穿越能力。但隨著風(fēng)電接入比例的持續(xù)提升[1]，Crowbar電路的固有缺陷凸顯。從風(fēng)機側(cè)看，Crowbar保護投入將短路DFIG轉(zhuǎn)子，機側(cè)變流器失去了控制轉(zhuǎn)子電流的能力，無法調(diào)節(jié)定子有功和無功輸出；從電網(wǎng)側(cè)看，轉(zhuǎn)子短路的DFIG作為感應(yīng)電機運行，吸收電網(wǎng)無功，不利于電網(wǎng)電壓恢復(fù)。另外，Crowbar電路無法保護定子繞組，難以實現(xiàn)高電壓穿越。

2011年的風(fēng)電國家標(biāo)準(zhǔn)除規(guī)定了DFIG的低壓不脫網(wǎng)運行能力以外，還提出了故障期間的動態(tài)無功支撐要求，動態(tài)無功電流IT應(yīng)滿足IT≥1.5×（0.9-UT）IN，其中，UT為風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓標(biāo)幺值；IN為風(fēng)電場額定電流。2016年的中國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進一步要求風(fēng)電場能夠穿越過最高1.2倍的故障高電壓。因此，既有的Crowbar保護難以滿足以上的無功支撐和高電壓穿越需求，保護措施亟需改進。

目前，國內(nèi)外對DFIG的故障穿越已有較多研究[2-6]，對DFIG的無功調(diào)節(jié)機理亦有闡明[7-9]，但對于電網(wǎng)故障期間DFIG無功支撐能力的分析較少，這可能與Crowbar電路的固有限制有關(guān)，需要探索新型電路拓撲和控制策略。文獻[10]使用靜止無功補償器，在高電壓故障時吸收無功電流，使并網(wǎng)點電壓下降；文獻[11]使用動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR（dynamic voltage restorer）在低壓穿越期間維持風(fēng)機出口電壓；文獻[12]利用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器補償定子電壓，但額外的逆變橋成本較高；文獻[13]采用多功能串聯(lián)補償器，能夠限制風(fēng)機電流突升；文獻[14]在電壓驟升時利用網(wǎng)側(cè)變流器進線電抗分壓，穩(wěn)定直流母線電壓，但其未能解決定子繞組過壓問題；文獻[15]通過增加轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻的方式，改善了低壓穿越期間機組的瞬態(tài)特性；文獻[16]提出通過定子串聯(lián)阻抗解決DFIG低壓穿越，但未充分利用轉(zhuǎn)子變流器的控制能力，使阻抗整定值過大。

針對上述不足，本文提出一套定子串聯(lián)阻抗與無功電流配合的故障穿越方案。電網(wǎng)故障時，通過及時投入串聯(lián)阻抗抑制轉(zhuǎn)子過流，同時控制轉(zhuǎn)子變流器調(diào)整定子無功電流，實現(xiàn)串聯(lián)阻抗的分壓作用并補償定子出口電壓。給出串聯(lián)阻抗的整定方法。該方案可實現(xiàn)DFIG的高、低壓穿越，并在低壓穿越期間向電網(wǎng)注入無功電流，高壓穿越期間吸收電網(wǎng)過剩無功，為電網(wǎng)提供功率支撐?；赗TDS的硬件在環(huán)仿真平臺驗證方案的有效性。

1 故障期間DFIG定子功率邊界

為了確定故障期間DFIG定子的功率支撐能力，有必要分析DFIG的定子功率極限。將DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)歸算到定子側(cè)，并且設(shè)定定子側(cè)采用發(fā)電機慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動機慣例，可得DFIG等效電路，如圖1所示。

圖1 DFIG等效電路Fig.1 Equivalent circuit of DFIG

DFIG的數(shù)學(xué)模型可以表達為

并定義定子、轉(zhuǎn)子感抗為

式中：Rs、Rr分別為定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻；Xσs、Xσr、Xm分別為定子漏抗、轉(zhuǎn)子漏抗、磁化電抗；Is、Ir、Im分別為定子電流、轉(zhuǎn)子電流、勵磁電流有效值；s為DFIG轉(zhuǎn)差率；Ps、Qs為定子輸出的有功和無功功率；Pr、Qr為轉(zhuǎn)子注入的有功和無功功率。

將定子電流Is分解為有功分量Ids和無功分量Iqs，并代入式（1）得

式（3）體現(xiàn)了轉(zhuǎn)子與定子間電流的折算關(guān)系，表明轉(zhuǎn)子電流不受轉(zhuǎn)差率的影響，只與定子電流的有功分量、無功分量有關(guān)。定子電流與定子側(cè)有功、無功功率的關(guān)系為

將式（4）代入式（3），整理可得轉(zhuǎn)子電流與定子功率之間的關(guān)系為

實際機組運行時，制約定子有功、無功運行范圍的主要是定子電流限制和轉(zhuǎn)子電流限制，設(shè)最大定子電流為Ismax，最大轉(zhuǎn)子電流為Irmax，則定子功率應(yīng)滿足

根據(jù)式（6）可以判定DFIG的定子功率運行范圍。故障期間，由于電網(wǎng)電壓降低，并網(wǎng)點無功功率隨之下跌，不同電網(wǎng)故障深度對應(yīng)不同的無功功率。因此，并網(wǎng)點的無功電流值才能更準(zhǔn)確地衡量故障期間的無功支撐能力，并網(wǎng)導(dǎo)則中對無功支撐能力的規(guī)定亦體現(xiàn)了該原則。對于DFIG，在忽略定子電阻的情況下，由式（4）和式（6）可以解出故障期間定子無功電流Iqs支撐能力的邊界值為

2 基于定子串聯(lián)阻抗的高、低壓穿越

2.1 定子串阻抗抑制轉(zhuǎn)子過流機理分析

DFIG遭遇電網(wǎng)故障時，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出過壓過流，危及變流器安全，因此抑制轉(zhuǎn)子過流是實現(xiàn)故障穿越的關(guān)鍵。采用定子串聯(lián)阻抗保護電路，能夠抑制故障瞬間的轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流，保證轉(zhuǎn)子變流器對DFIG的控制能力。

串聯(lián)阻抗SI（series impedance）保護電路如圖2所示，其結(jié)構(gòu)主要由快速開關(guān)和阻抗支路組成。在正常工作時，旁路開關(guān)閉合，阻抗支路被旁路。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，旁路開關(guān)斷開，將阻抗支路串入DFIG定子與電網(wǎng)間。

圖2 定子串聯(lián)阻抗結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of stator series impedance

電網(wǎng)發(fā)生三相對稱故障時，設(shè)電網(wǎng)額定電壓為Um，故障時電網(wǎng)電壓為Ug，電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值h=Ug/Um。故障瞬時相位對三相合成定子磁鏈無影響，由于故障時刻定子磁鏈連續(xù)，故障后的定子磁鏈可以分為穩(wěn)態(tài)磁鏈和暫態(tài)磁鏈兩部分，最終在定子坐標(biāo)系下定子磁鏈可表示為分量之和，即

根據(jù)雙饋發(fā)電機空間矢量模型電壓方程及磁鏈方程，可得轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子開路電壓方程為

將式（8）轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下，代入式（9）可得轉(zhuǎn)子故障開路電壓為

式中，τs=Ls/Rs。設(shè)串聯(lián)電感Lsi在故障發(fā)生瞬間投入，串聯(lián)電感投入后的轉(zhuǎn)子故障開路電壓為

考慮轉(zhuǎn)子接變流器時，根據(jù)轉(zhuǎn)子電流動態(tài)方程可得實際轉(zhuǎn)子回路電流與轉(zhuǎn)子開路電壓、變流器電壓的關(guān)系，即

根據(jù)式（12），實際的故障轉(zhuǎn)子電流受轉(zhuǎn)子開路電壓uro、變流器控制電壓ur共同影響，變流器控制電壓ur在轉(zhuǎn)子變流器容量范圍內(nèi)可控。在串聯(lián)阻抗Lsi投入后，等效增大了定子漏感Ls，從而限制了故障瞬間轉(zhuǎn)子的開路電壓。當(dāng)變流器能夠輸出與相匹配的控制電壓時，轉(zhuǎn)子涌流將被抑制，保證了轉(zhuǎn)子變換器的安全。此時定子電壓和磁鏈將依照設(shè)定的控制規(guī)律，受轉(zhuǎn)子電流控制變化，則有

串聯(lián)電感作為儲能元件，在故障恢復(fù)、阻抗切出時存在感性電流續(xù)流，如遇重合閘等間斷故障工況，將影響保護效果。因此，串聯(lián)阻抗應(yīng)以電抗分量為主，并串入適當(dāng)?shù)碾娮枰钥焖俸纳㈦姼兄械倪^剩能量。

2.2 定子電壓的動態(tài)補償機制

電網(wǎng)故障期間，DFIG調(diào)節(jié)定子無功電流，利用串聯(lián)阻抗分壓作用補償定子出口電壓，滿足正常工作電壓要求。以電網(wǎng)電壓為參考向量，設(shè)定子出口電壓為s，串聯(lián)阻抗分壓為si，利用單相分析法分析串入阻抗的機組定子電路，如圖3所示。

圖3 DFIG定子電路Fig.3 DFIG stator circuit

電網(wǎng)故障期間，DFIG定子應(yīng)提供無功電流支撐，在條件允許時保持有功功率輸送。DFIG定子出口電壓可表示為電網(wǎng)電壓與阻抗分壓之和，即

將有功、無功電流解耦，得

圖4 定子電壓向量Fig.4 Stator voltage vector

式（16）有功無功解耦后，整理得

式（17）為關(guān)于Iqs的二次方程，通過定子電流限制可以舍去其中一解，得無功電流給定的計算公式為

2.3 考慮最大無功能力的串聯(lián)阻抗整定

依據(jù)第2.2節(jié)分析，選定較大的串聯(lián)阻抗有利于補償定子電壓，但串聯(lián)大阻抗削弱了風(fēng)機與電網(wǎng)的聯(lián)系，不利于對電網(wǎng)提供有功、無功支撐。現(xiàn)以保障風(fēng)機安全和充分利用定子無功容量為目標(biāo)進行串聯(lián)阻抗整定。

考慮最嚴重的電網(wǎng)三相電壓驟降故障，此時電網(wǎng)電壓跌落至0.2 p.u.。在該嚴重故障下，設(shè)定定子有功給定為0，以保證定子具有足夠的無功容量。定子無功電流極限主要受轉(zhuǎn)子變流器容量限制，根據(jù)式（7）和 Ids=0 可得

定子電壓正常工作的范圍為 0.95Um≤Us≤1.05Um。另外，定子電流極限亦在式（19）的計算值基礎(chǔ)上保留5%安全余量。為補償定子出口電壓使其Us≥0.95Um，忽略串聯(lián)阻抗的電阻分量，可計算串聯(lián)電抗約為

由于電感的儲能性質(zhì)，有必要串聯(lián)電阻，使故障恢復(fù)、阻抗切出后電感電流盡快耗散。設(shè)計電感電流在1 000 ms內(nèi)衰減完畢，此時定子時間常數(shù)約為t0=200 ms，根據(jù)電抗值和Lsi/Rsi≈0.2 s，可推算串聯(lián)電阻為

串聯(lián)阻抗中，與Xsi相比，電阻分量Rsi占比很小，符合第2.1節(jié)中所述串聯(lián)阻抗以電抗分量為主的分析。

3 主動穿越策略配合

3.1 快速電網(wǎng)故障檢測

主動故障穿越的實現(xiàn)需要保護裝置快速檢測到電網(wǎng)故障，定子電壓的補償需要用到電網(wǎng)實時電壓，這都要求實現(xiàn)快速電網(wǎng)電壓檢測。常用于DFIG控制的鎖相環(huán)檢測需要1/2電網(wǎng)周期的延時，該延時不利于保護的主動投入。本研究應(yīng)用了無鎖相環(huán)的電網(wǎng)電壓檢測方法[17-18]，電網(wǎng)電壓經(jīng)αβ變換后，求一階導(dǎo)數(shù)可得 U'g，α（t）和 U'g，β（t）為

根據(jù) U'g，α（t）和 U'g，β（t），理想電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值 h可表示為

實際求導(dǎo)運算可能會放大噪聲及諧波含量，因此通常采用離散數(shù)字量求差分計算代替求導(dǎo)運算，并配合使用數(shù)字濾波器[19]。應(yīng)用該電壓檢測方法后，檢測延時小于1/4電網(wǎng)周期，其快速性優(yōu)于傳統(tǒng)鎖相環(huán)檢測方案，有利于提高串聯(lián)阻抗保護性能。

3.2 阻抗投入時序及變流器控制策略

當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值h跳變至0.2≤h≤0.9或1.1≤h≤1.3區(qū)間時，判定電網(wǎng)分別發(fā)生驟降或驟升故障。及時投入串聯(lián)阻抗，以限制轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電流Ir，保障變流器可控。串聯(lián)阻抗投入后，延時50 ms控制轉(zhuǎn)子變流器，使DFIG定子重新輸出功率。

故障穿越過程中，轉(zhuǎn)子變流器須調(diào)節(jié)定子有功、無功電流輸出，補償定子出口電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓驟降時，應(yīng)將有功電流給定Ids,req清零,保證有充足的無功電流裕度；而電網(wǎng)電壓驟升時，定子有能力保持有功功率輸出，因此由最大功率點跟蹤MPPT（maximum power point tracking）模塊決定有功電流給定。根據(jù)式（18）可以計算出策略所需的無功電流Iqs，作為無功電流給定。故障穿越策略流程如圖5所示。

圖5 故障穿越策略流程Fig.5 Flow chart of fault ride-through strategy

使用經(jīng)典矢量控制策略控制DFIG，采用雙閉環(huán)控制轉(zhuǎn)子變流器，使用PI控制器控制轉(zhuǎn)子變流器電壓udr、uqr。網(wǎng)側(cè)變流器則運行在直流電壓穩(wěn)定模式，完整控制流程如圖6所示。檢測到電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，DFIG定子停止向電網(wǎng)注入無功電流，此時串聯(lián)電抗不再承擔(dān)分壓作用。待100 ms后重新短路串聯(lián)阻抗，DFIG恢復(fù)為正常運行。

圖6 DFIG變流器控制流程Fig.6 Flow chart of DFIG converter control

4 案例設(shè)計與無功支撐分析

現(xiàn)以2 MW的DFIG為算例，進行串聯(lián)阻抗整定，并分析各故障深度下的無功支撐能力。DFIG參數(shù)見表1。

表1 2 MW DFIG主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of 2 MW DFIG

4.1 DFIG串聯(lián)阻抗整定

根據(jù)式（20），可計算串聯(lián)電抗約為

其對應(yīng)的電感量為0.746 mH。根據(jù)式（21）可推算串聯(lián)電阻約為3.790 mΩ。

采用上述串聯(lián)阻抗參數(shù)，在0.2 p.u.的嚴重低電壓故障下，可補償DFIG定子出口電壓至額定電壓的95%，也即為0.656 kV。同時，定子提供無功支撐電流1.26 kA，對應(yīng)無功支撐功率0.301 Mvar。在1.3 p.u.的嚴重高電壓故障下，串聯(lián)阻抗能夠保證定子繞組安全，在發(fā)出1.5 MW有功功率的同時吸收1 Mvar過剩無功功率。

4.2 不同故障深度下DFIG無功支撐能力分析

在選取了合適的串聯(lián)阻抗后，DFIG在電網(wǎng)電壓為0.2～1.3 p.u.的不同故障深度下，均可保持不脫網(wǎng)運行，并提供無功支撐。本節(jié)分析電網(wǎng)在各故障深度下，DFIG定子的無功支撐能力，并與并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中的無功支撐需求進行對比。

4.2.1 低壓穿越

電網(wǎng)低電壓故障時，DFIG應(yīng)提供感性無功電流支撐，以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。圖7為不同深度的低電壓故障下DFIG所能提供的感性無功支撐電流。

基于串聯(lián)阻抗的故障穿越策略下，DFIG定子容量得到充分利用，已能夠提供并網(wǎng)導(dǎo)則所要求的大部分無功電流。DFIG網(wǎng)側(cè)變流器無功容量投入后，在各故障深度下均能滿足并網(wǎng)導(dǎo)則要求，支撐電網(wǎng)故障恢復(fù)。

圖7 低壓穿越時的感性無功支撐電流Fig.7 Inductive reactive support current during LVRT

4.2.2 高壓穿越

與低壓穿越相反，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生高電壓故障時，常見于電網(wǎng)節(jié)點感性無功過剩，需要DFIG吸收過剩無功，防止故障擴大。電網(wǎng)電壓升高有利于功率傳輸，在DFIG容量允許時應(yīng)保持有功送出。因此，高壓穿越時無功電流Iqs與電網(wǎng)電壓Ug與有功電流Ids均有關(guān)。不同故障深度下DFIG無功吸收能力如圖8所示。

圖8 高壓穿越時的感性無功吸收電流Fig.8 Inductive reactive current absorbing during HVRT

高壓穿越時，DFIG可以在較大范圍內(nèi)運行，并補償定子電壓，實現(xiàn)安全穿越。同時，高壓穿越時由于同時輸出有功和無功功率，其定子電流較大，應(yīng)注意轉(zhuǎn)子變流器和定子容量限制，超出時降低有功電流給定值。

由于補償了定子出口電壓，且各繞組電流在額定值以內(nèi)，在故障期間DFIG可保持長時間運行。

5 電網(wǎng)高低壓故障穿越仿真驗證

實時數(shù)字仿真器（RTDS/RSCAD）能夠?qū)崟r、精確地模擬電力系統(tǒng)的運行，其小步長模塊仿真步長可低至1.4 μs，能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)電力電子器件開關(guān)特性。同時，RTDS可與硬件控制器實時通訊，實現(xiàn)硬件在環(huán)仿真。為驗證本文所提的動態(tài)無功支撐策略，基于RTDS實時仿真器和風(fēng)機硬件主控DSP構(gòu)建了DFIG故障穿越硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。

RTDS中的仿真模型包括DFIG、變流器、串聯(lián)阻抗保護和電網(wǎng)，詳細結(jié)構(gòu)如圖9所示。DFIG接于0.69 kV電網(wǎng)，經(jīng)0.69 kV/35 kV變壓器接入35 kV電網(wǎng)。DFIG參數(shù)、串聯(lián)阻抗參數(shù)與第4.1節(jié)一致。實時仿真模型的控制信號均由外部引入。通過數(shù)/模實時接口，風(fēng)機主控接收三相電壓電流信號，并輸出12路控制脈沖，發(fā)出阻抗投切指令。實際控制器的接入最大限度地再現(xiàn)了DFIG的實時特性。在檢測到故障發(fā)生時，通過ISR中斷，服務(wù)開啟中斷，DSP可第一時間進入中斷，執(zhí)行本文所述動態(tài)無功支撐策略邏輯。

圖9 DFIG硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)Fig.9 DFIG hardware-in-the-loop simulation system

電網(wǎng)電壓為理想三相電壓，通過控制電壓模擬故障的發(fā)生，分低電壓穿越和高電壓穿越2種情形進行硬件在環(huán)仿真分析。

5.1 低壓穿越

在仿真時間t=0.2 s時，35 kV電網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路故障，使0.69 kV電網(wǎng)電壓跌落至0.2 p.u.，故障持續(xù)625 ms后恢復(fù)。基于串聯(lián)阻抗的動態(tài)無功支撐策略下，低壓穿越過程如圖10和圖11所示。

圖10 低壓穿越時定子出口、串聯(lián)阻抗及電網(wǎng)電壓Fig.10 Voltage of stator,series impendence and grid during LVRT

圖10顯示了故障穿越過程中DFIG定子側(cè)各元件電壓。故障發(fā)生時，電網(wǎng)電壓瞬間跌落。故障發(fā)生后，串聯(lián)阻抗及時投入開始支撐起定子出口電壓。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)定子無功電流，串聯(lián)阻抗承受了定子出口與電網(wǎng)之間合適的電壓差，使得定子出口電壓被補償為接近額定電壓。

圖11中的定、轉(zhuǎn)子電流顯示了本文第3.2節(jié)闡述的故障穿越過程。在電網(wǎng)故障發(fā)生后，通過及時投入串聯(lián)阻抗限制了轉(zhuǎn)子過壓過流，轉(zhuǎn)子電流呈現(xiàn)先驟增后被抑制的趨勢，未超過額定值1.1倍的安全范圍，保證了轉(zhuǎn)子變流器可控。故障發(fā)生后，預(yù)留50 ms等待電網(wǎng)電壓及轉(zhuǎn)子電流穩(wěn)定，自250 ms起轉(zhuǎn)子變流器開始有效控制轉(zhuǎn)子電流，調(diào)節(jié)DFIG定子電流，最終定、轉(zhuǎn)子電流均呈現(xiàn)為穩(wěn)定的三相正弦波形。

圖11 低壓穿越時定子、轉(zhuǎn)子三相電流Fig.11 Three-phase stator and rotor current during LVRT

故障穿越期間，DFIG定子發(fā)出感性無功電流，補償定子出口電壓并為電網(wǎng)提供無功支撐，感性無功電流約為1.2 kA，與第4.1節(jié)中理論分析結(jié)果一致。轉(zhuǎn)子電流在安全范圍內(nèi)，其數(shù)值亦符合理論分析。故障結(jié)束、電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，串聯(lián)阻抗在100 ms后切除，再過100 ms有功給定恢復(fù)，DFIG重新輸出有功功率。全過程DFIG定子出口電壓過渡平滑，轉(zhuǎn)子電流控制有效，可以較長時間工作。

采用傳統(tǒng)Crowbar保護與動態(tài)無功補償策略進行對比，其中Crowbar電阻在檢測到電網(wǎng)故障時投入，保持其投入至故障結(jié)束后退出，Crowbar電阻設(shè)為0.8 Ω。故障穿越的無功電流、轉(zhuǎn)子電流對比如圖12所示。

轉(zhuǎn)子電流圖中，由于Crowbar保護屬于被動保護，撬棒電阻投入后轉(zhuǎn)子變流器被短路，無法控制轉(zhuǎn)子電流和定子電流。仿真顯示Crowbar投入后轉(zhuǎn)子電流接近0，變流器無法提供控制電流，DFIG定子繞組容量無法利用。改用串聯(lián)阻抗保護后，故障期間轉(zhuǎn)子變流器保持了控制能力，故障穿越過程中始終維持了0.4 kA的控制電流。

通過并網(wǎng)點的感性無功支撐電流可以看出，Crowbar策略下故障穿越期間的無功支撐電流為負值，其原因是Crowbar投入使轉(zhuǎn)子短路，DFIG運行方式類似于感應(yīng)電動機，運行時氣隙磁場的建立須吸收電網(wǎng)感性無功功率，將不利于電網(wǎng)電壓恢復(fù)，更無法滿足并網(wǎng)導(dǎo)則對無功支撐的要求。動態(tài)無功補償策略下，通過定子電壓補償保證了DFIG的工作條件，使定子容量得到充分利用。變流器控制定子輸出了1.2 kA的感性無功電流，用于支撐電網(wǎng)電壓，有助于電網(wǎng)故障恢復(fù)。

圖12 不同策略下無功電流、轉(zhuǎn)子電流對比Fig.12 Comparison of reactive current and rotor current under different strategies

5.2 高壓穿越

在t=0.2 s時，35 kV電網(wǎng)發(fā)生三相電壓驟升故障，使0.69 kV電網(wǎng)電壓升至1.3 p.u.，持續(xù)1 000 ms后恢復(fù)。考慮到高電壓故障常由節(jié)點無功過剩引發(fā)，設(shè)定了一個電網(wǎng)電壓上升率以模擬該故障過程。高壓穿越過程如圖13和圖14所示。

相較于低壓穿越，高壓穿越時電壓突變程度較輕，因此整體故障穿越過程較為平滑。保護策略與低壓穿越相同，不再贅述。高電壓穿越過程中，串聯(lián)阻抗承擔(dān)了定子出口與電網(wǎng)間的電壓差及相位差，定子出口無過壓，保障了高電壓故障下的定子繞組絕緣安全。故障期間DFIG本身電壓、電流等工作條件與正常運行時無異，可以長時間穩(wěn)定運行。

圖14顯示了高壓穿越期間的定子電流和并網(wǎng)點功率。故障期間，DFIG發(fā)出1 MW有功功率、吸收1 Mvar無功功率，顯示出串聯(lián)阻抗的投入并未影響有功功率的送出，且吸收電網(wǎng)過剩無功將有助于電網(wǎng)高電壓故障的恢復(fù)。由于電網(wǎng)電壓升高有利于功率的送出，故障期間定子總電流為0.85 kA，未超過正常工況下的額定值1.5 kA。

圖13 高壓穿越時定子出口、串聯(lián)阻抗及電網(wǎng)電壓Fig.13 Voltage of stator,series impendence and grid during HVRT

圖14 高壓穿越時定子電流和并網(wǎng)點功率Fig.14 Stator current and PCC power during HVRT

6 結(jié)論

本文在對DFIG定子無功調(diào)節(jié)機理分析的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)Crowbar保護電路的不足，提出了定子串聯(lián)阻抗配合動態(tài)無功支撐的控制策略，解決DFIG低壓穿越和高壓穿越問題。結(jié)論如下。

（1）根據(jù)DFIG定轉(zhuǎn)子容量限制，確定了電網(wǎng)故障期間定子無功支撐電流的范圍。

（2）采用定子側(cè)串聯(lián)阻抗的技術(shù)路線，提出了高、低壓故障穿越控制策略，確定了定子無功電流值的設(shè)定方法，給出了串聯(lián)阻抗值的整定依據(jù)。

（3）新方案與傳統(tǒng)保護方案相比，保障了高電壓故障下DFIG的定子繞組安全，提高了故障穿越期間轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制能力，提供了符合并網(wǎng)導(dǎo)則的無功支撐電流。

（4）基于RTDS構(gòu)建了硬件在環(huán)仿真平臺，分別復(fù)現(xiàn)了DFIG高、低壓故障穿越的全過程，并驗證了串聯(lián)阻抗保護方案的有效性。