李 輝，唐顯虎，劉志詳，夏桂森

（重慶前衛(wèi)儀表廠風(fēng)電控制設(shè)備分公司 重慶 401121）

0 引言

可再生能源中風(fēng)能是一種分布廣泛、蘊藏豐富的清潔能源。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機組單機容量和并網(wǎng)運行風(fēng)電場的規(guī)模都在不斷增加，所采用控制技術(shù)的先進性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也隨之提高，特別是隨著近海風(fēng)力發(fā)電的利用和發(fā)展，無論是從電力系統(tǒng)對風(fēng)電場的運行角度，還是風(fēng)力發(fā)電機組的生產(chǎn)商角度都對大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計以及可靠性和安全性提出了更高的要求。此外，隨著我國風(fēng)電今后在電力系統(tǒng)中所占比重的逐步增加，大容量并網(wǎng)風(fēng)電場與電力系統(tǒng)的相互作用和影響也隨之加大[1-4]。從大型風(fēng)電機組和電力系統(tǒng)安全運行角度，一方面從電網(wǎng)對風(fēng)電機組的的影響出發(fā)，必須滿足在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時風(fēng)電機組能夠安全運行；另一方面，從電網(wǎng)的安全和風(fēng)電輸出的電能質(zhì)量出發(fā)，需要研究大型風(fēng)力發(fā)電機組在并網(wǎng)運行時對電網(wǎng)的影響和在電網(wǎng)故障切除后能盡快幫助系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運行的作用。因此，近年來，在當(dāng)前風(fēng)能利用和發(fā)展迅猛的一些國家的政府機構(gòu)及電力公司已紛紛針對大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組提出了一些入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如在丹麥和德國，他們在緊急電網(wǎng)規(guī)程里提出了在風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)處變壓器高壓側(cè)的電網(wǎng)電壓跌落85%以內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機組必須能并網(wǎng)運行一段時間，并且在電網(wǎng)故障切除后，風(fēng)力發(fā)電機能夠迅速恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，即所謂的風(fēng)電機組在電網(wǎng)故障下要求具有低電壓穿越(Low Voltage Ride-through:LVRT)能力，以免引發(fā)更大的后續(xù)擾動和更嚴(yán)重的系統(tǒng)故障[1]。最近一些國家的政府機構(gòu)甚至提出在電網(wǎng)電壓跌落到零時，風(fēng)力發(fā)電機組仍能并網(wǎng)運行，即所謂的零電壓穿越能力的苛刻要求[5]。另外，各國都要求并網(wǎng)風(fēng)電機組能承受更長的低電壓穿越持續(xù)時間。因此，為了保證電網(wǎng)和風(fēng)電機組的安全性、穩(wěn)定性，特別是今后對海上風(fēng)電機組更高的可靠性要求，風(fēng)電機組與電網(wǎng)之間的安全控制問題顯得尤為突出，也為大型風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

在各種并網(wǎng)大型風(fēng)力發(fā)電機組類型中，由于雙饋發(fā)電機組轉(zhuǎn)子繞組與幅值、頻率、相位和相序均可調(diào)節(jié)的四象限變頻器相連，所需的變頻器容量較少，并且可實現(xiàn)發(fā)電機定子有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)，已成為當(dāng)前兆瓦級大型風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的流行機組之一，也是我國海上大型風(fēng)電機組的主要備選機型之一。但是由于雙饋發(fā)電機定子三相繞組與電網(wǎng)直接相連，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障或電網(wǎng)電壓跌落時，機組的暫態(tài)運行性能及其承受電壓跌落的低電壓穿越能力的研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[1]。如文獻[5-6]從雙饋發(fā)電機不同電磁暫態(tài)模型出發(fā)，比較了采用簡化和詳細發(fā)電機模型時對其暫態(tài)性能的影響；文獻[7]研究了在電網(wǎng)電壓跌落發(fā)生期間和故障切除后，雙饋風(fēng)電機組的暫態(tài)響應(yīng)。此外，文獻[8]從電力系統(tǒng)角度出發(fā)，討論了電力系統(tǒng)對并網(wǎng)風(fēng)電機組承受低電壓能力的要求。同時，文獻[9-10]從低電壓保護電路角度綜述比較了當(dāng)前雙饋式風(fēng)電機組的低電壓穿越的各種措施。然而上述文獻大多集中于發(fā)電機本體或控制策略本身，對電力系統(tǒng)對風(fēng)電機組的低電壓穿越要求以及各種保護電路的拓撲結(jié)構(gòu)對機組運行能力的影響研究很少涉及。

本文從電力系統(tǒng)對風(fēng)電機組的低電壓穿越能力出發(fā)，結(jié)合雙饋式風(fēng)電機組的低電壓穿越原理，分析比較各種低電壓穿越技術(shù)的保護電路。在此基礎(chǔ)上，建立并網(wǎng)雙饋式風(fēng)電機組及其控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對兩種典型低電壓穿越控制策略進行仿真。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

1.1 風(fēng)電機組控制系統(tǒng)原理

雙饋發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)與繞線式感應(yīng)電機類似，其定子側(cè)接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子上由變頻電源提供對稱交流電勵磁，且勵磁電壓的幅值、頻率、相位、相序都可以根據(jù)要求加以控制，從而可以控制發(fā)電機勵磁磁場的大小、相對轉(zhuǎn)子的位置和電機轉(zhuǎn)速。在風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)風(fēng)電機組的最大風(fēng)能捕獲[1-5]。此外，雙饋發(fā)電機組的變流器能實現(xiàn)功率的雙向流動，即當(dāng)雙饋電機運行在次同步轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子側(cè)吸收有功功率，而運行在超同步轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子輸出有功功率，此時定子和轉(zhuǎn)子同時向系統(tǒng)提供功率輸出。雙饋式風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)基本原理如圖1所示[3,8,11]。其中，網(wǎng)側(cè)變流器控制所需的信號通常包括：定子電壓Uabc_s、變流器網(wǎng)側(cè)電流Iabc_conv、變流器直流電壓Udc、變流器直流電壓給定值Udc_ref、網(wǎng)側(cè)無功控制量Iq_ref；轉(zhuǎn)子側(cè)變流器用到的控制信號包括：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr、定子電流Iabc_s、轉(zhuǎn)子電流Iabc_r、變流器網(wǎng)側(cè)電流Iabc_conv、定子無功給定值Qs_ref。

圖1 雙饋風(fēng)電機組控制系統(tǒng)原理框圖

1.2 網(wǎng)側(cè)變頻器控制策略

雙饋風(fēng)力發(fā)電機網(wǎng)側(cè)變頻器的控制目標(biāo)是：保障輸出直流電壓恒定且具有良好的動態(tài)響應(yīng)能力，確保網(wǎng)側(cè)輸入電流正弦，輸入功率因數(shù)接近1。圖2為網(wǎng)側(cè)PWM變頻器的示意圖[4]。

圖2 網(wǎng)側(cè)PWM變頻電源示意圖

圖中ugabc是電網(wǎng)相電壓，ugcabc是網(wǎng)側(cè)變頻器端相電壓，iga、igb、igc是網(wǎng)側(cè)變頻器相電流，Rg與Lg分別是網(wǎng)側(cè)變頻器等效電阻和電容，idcg與idcr分別是網(wǎng)側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)的直流電流。其中，電網(wǎng)側(cè)的電壓暫態(tài)方程可表示為：

經(jīng)過坐標(biāo)變換，上式可以表示為：

式中，ugd、ugq分別為轉(zhuǎn)換到靜止坐標(biāo)系的電網(wǎng)電壓d、q分量，ugcd、ugcq為網(wǎng)側(cè)電壓d、q分量，igd、igq為網(wǎng)側(cè)變頻器電流的d、q分量，ωe是電網(wǎng)電壓的角頻率。

假定忽略變頻器開關(guān)損耗與諧波因素，直流側(cè)電容電壓、電流與網(wǎng)側(cè)電壓之間關(guān)系可以表示為[3]：

其中，m為網(wǎng)側(cè)變頻器開關(guān)量。從式（3）可以看出，直流側(cè)電容電壓可以通過控制igd來實現(xiàn)。

LED藻類植物光源的照度均勻性研 究 ……………………… 呂慧敏，崔世鋼，吳興利，張永立，何 林（18）

網(wǎng)側(cè)輸入無功功率可以表示為：

從上式可以看出，網(wǎng)側(cè)無功功率可以通過控制igq來實現(xiàn)。

通過式（3）和（4）可以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率的解耦控制，圖3為網(wǎng)側(cè)變頻器的功率解耦控制框圖。

圖3 網(wǎng)側(cè)PWM變頻器控制原理圖

1.3 轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制策略

為了實現(xiàn)對雙饋發(fā)電機的定子有功功率和無功功率的解耦控制，本文采用定子電壓定向的轉(zhuǎn)子電流控制方法，定子電壓為usd=Us，usq=0，而定子有功和無功功率可按照電機暫態(tài)模型得到[11]：

從式（5）可得，通過控制轉(zhuǎn)子電流d、q分量即可以控制定子有功和無功功率的解耦控制。圖4顯示了轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的功率解耦控制框圖。圖中，轉(zhuǎn)子電壓動態(tài)補償量可表示為：

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器有功、無功解耦控制框圖

2 雙饋風(fēng)電機組LVRT原理及其措施

2.1 風(fēng)電機組LVRT原理及其控制策略

當(dāng)雙饋風(fēng)電機組在外部電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，風(fēng)電機組端電壓降低，定子電流增大，轉(zhuǎn)子側(cè)電流由于定、轉(zhuǎn)子間的相互磁場耦合而增大，此時電力系統(tǒng)對風(fēng)電機組要求的低電壓穿越LVRT功能，即要求風(fēng)電機組能夠持續(xù)運行而不從電網(wǎng)脫離。在外部系統(tǒng)發(fā)生故障且故障導(dǎo)致的低電壓持續(xù)存在的情況下，雙饋式風(fēng)電機組的基本控制過為[3,8]：

1）當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)電流或變流器直流電壓超過設(shè)定限值時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器被轉(zhuǎn)子短路器（crowbar）旁路，而電網(wǎng)側(cè)變流器仍通過變壓器與電網(wǎng)相連。

2）當(dāng)故障清除后，機組端電壓恢復(fù)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器恢復(fù)正常運行。

2.2 轉(zhuǎn)子電路各種保護措施的比較

當(dāng)外部系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，雙饋發(fā)電機定子電流增加，定子電壓和磁通突降，在轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)出較大的電流。而轉(zhuǎn)子側(cè)變流器直接串連在轉(zhuǎn)子回路上，為了保護變流器不受損害，雙饋式風(fēng)電機組在轉(zhuǎn)子側(cè)都裝有轉(zhuǎn)子短路器，為轉(zhuǎn)子側(cè)電路提供旁路。在檢測到電網(wǎng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落,且轉(zhuǎn)子側(cè)電流超過設(shè)定值一定時間時，轉(zhuǎn)子短路器保護裝置被激活，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器閉鎖，達到限制通過變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組過電壓的作用，以此來維持發(fā)電機不脫網(wǎng)運行。

為了保證電網(wǎng)故障時雙饋風(fēng)力發(fā)電機組及其勵磁變流器能安全不脫網(wǎng)運行，適應(yīng)將來新電網(wǎng)運行規(guī)則的要求，對電網(wǎng)故障時雙饋發(fā)電機的保護原理與控制策略的研究正成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注焦點。目前采用的轉(zhuǎn)子短路技術(shù)方案主要有[3]。

1）兩相交流開關(guān)保護電路

圖5是采用兩相交流開關(guān)構(gòu)成的轉(zhuǎn)子保護電路，交流開關(guān)由晶閘管反向并聯(lián)構(gòu)成，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)故障時，通過交流開關(guān)短路轉(zhuǎn)子繞組，起到保護變流器的作用。采用這種電路時，由于轉(zhuǎn)子電流中通常存在較大的直流分量，使晶閘管過零關(guān)斷的特性不再適用，可能會造成保護電路拒動，而且晶閘管吸收電路的設(shè)計也比較困難。

圖5 兩相交流開關(guān)保護電路示意圖

2）二極管整流橋和晶閘管構(gòu)成的保護電路

圖6是由二極管整流橋和晶閘管構(gòu)成的保護電路，當(dāng)直流側(cè)電壓達到最大值時，通過觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子繞組的短路，同時斷開轉(zhuǎn)子繞組與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的連接，保護電路與轉(zhuǎn)子繞組一直保持連接，直到主回路開關(guān)將定子側(cè)徹底與電網(wǎng)斷開為止。這種電路控制簡單，但是晶閘管不能自行關(guān)斷，因此當(dāng)故障消除后，系統(tǒng)不能自動恢復(fù)正常，必須重新并網(wǎng)。

圖6 二極管整流橋加晶閘管保護電路示意圖

3）二極管整流橋加IGBT和電阻構(gòu)成斬波器

為盡可能快地切除保護電路，可采用如IGBT等自關(guān)斷器件。如圖7所示，每個橋臂由兩個二極管串聯(lián)，直流側(cè)串入一個IGBT器件和一個吸收電阻。這種保護電路使轉(zhuǎn)子側(cè)變流器在電網(wǎng)故障時可以與轉(zhuǎn)子保持連接，當(dāng)故障消除后通過切除保護電路，使風(fēng)電系統(tǒng)快速恢復(fù)正常運行，因而具有更大的靈活性。

圖7 二極管整流加IGBT和可變電阻的保護電路示意圖

3 不同保護電路對其LVRT性能仿真

為了進一步分析比較不同轉(zhuǎn)子保護電路對并網(wǎng)雙饋式風(fēng)電機組承受LVRT能力的影響，本文在前述的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組數(shù)學(xué)模型以及結(jié)合雙饋發(fā)電機的網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的功率解耦控制策略基礎(chǔ)上，在電網(wǎng)電壓故障下對采用兩相交流開關(guān)電路圖5和采用二極管整流橋加IGBT和電阻構(gòu)成斬波的保護措施圖7時機組的暫態(tài)性能分別進行了仿真比較。

本文仿真采用雙饋風(fēng)電機組的參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)力發(fā)電機組參數(shù)

在以下仿真中，假設(shè)穩(wěn)定運行的并網(wǎng)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在1.5 s時電網(wǎng)三相電壓分別下降30%，15%和15%，故障持續(xù)時間為0.1 s，即在時間第1.6 s時故障切除。采用兩相交流開關(guān)的轉(zhuǎn)子電路保護電路和采用二極管整流加IGBT和可變電阻的保護電路時，雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)定子電流、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)子電流分別如圖8和圖9所示。

圖8 采用兩相交流開關(guān)保護電路時機組暫態(tài)性能

圖9 采用二極管整流橋加IGBT和電阻保護時機組暫態(tài)性能

圖10和圖11為不同轉(zhuǎn)子保護電路時對應(yīng)的直流側(cè)電壓采用濾波前后的暫態(tài)變化曲線。

圖10 采用兩相交流開關(guān)保護電路時直流側(cè)電壓變化曲線

圖11 采用二極管整流橋加IGBT和電阻保護時直流側(cè)電壓變化曲線

從上述仿真結(jié)果比較可以看出，無論是采用兩相交流開關(guān)的轉(zhuǎn)子保護短路，還是采用二極管整流橋加IGBT和電阻構(gòu)成斬波的轉(zhuǎn)子保護措施，雙饋風(fēng)電機組都具有承受電網(wǎng)電壓故障時的LVRT能力。然而，相比采用兩相交流開關(guān)的轉(zhuǎn)子保護短路而言，采用二極管整流橋加IGBT和電阻構(gòu)成斬波方式的轉(zhuǎn)子保護電路具有較好的限制定、轉(zhuǎn)子電流的變化的效果，直流側(cè)電壓的變化幅值也相對較小。無論在電網(wǎng)故障期間還是電網(wǎng)故障消除后，該轉(zhuǎn)子電路保護措施具有更好的LVRT的能力。而采用兩相交流開關(guān)的轉(zhuǎn)子保護短路時，由于晶閘管沒有自關(guān)斷特以及沒有保護電路的吸收電阻，導(dǎo)致在故障期間，定、轉(zhuǎn)子電流的變化幅值很大，故障清除后無論是直流側(cè)電壓還是定、轉(zhuǎn)子電流都出現(xiàn)了較大幅值的振蕩。

4 結(jié)論

為了評價電網(wǎng)故障下大容量并網(wǎng)雙饋式風(fēng)電機組承受低電壓穿越能力，本文在建立雙饋式風(fēng)電機組數(shù)學(xué)模型和控制策略的基礎(chǔ)上，對雙饋式風(fēng)電機組的LVRT原理以及各種轉(zhuǎn)子電路的保護措施進行分析。在此基礎(chǔ)上，對典型兩種轉(zhuǎn)子保護電路措施在電網(wǎng)電壓三相不對稱故障下的機組暫態(tài)性能進行了仿真比較，結(jié)果表明，采用二極管整流橋加IGBT和電阻構(gòu)成斬波方式的轉(zhuǎn)子保護電路具有較好的限制定、轉(zhuǎn)子電流的變化的效果，直流側(cè)電壓的變化幅值也相對較小，具有較快的暫態(tài)響應(yīng)性能以及更好的LVRT能力。

以上結(jié)論將有助于分析海上風(fēng)電用雙饋式發(fā)電機組的控制系統(tǒng)保護電路的分析，為大容量的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性設(shè)計和分析提供參考。

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