黃 晶 朱 武

（上海電力學(xué)院，上海 200000）

近年來，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）憑借其可變速運行、電機(jī)造價低、發(fā)電效率高以及有功和無功功率可獨立調(diào)節(jié)等諸多優(yōu)點，占據(jù)了國際最主要的市場[1]。DFIG機(jī)組定子側(cè)與電網(wǎng)直接相連，對電網(wǎng)電壓波動非常的敏感，并且隨著基于 DFIG風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場容量的逐年增大，其對電網(wǎng)的影響已不可忽視。為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定，世界風(fēng)電各國均要求DFIG風(fēng)電機(jī)組具備低電壓穿越（LVRT）的能力[2]。中國制定的《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T 19963—2011）已于 2012年 6月正式實施[3]。因此相關(guān)研究也成為熱點。

系統(tǒng)發(fā)生故障時，由于DFIG變流器容量較小，一般為1/3額定容量，對DFIG系統(tǒng)提供的控制能力有限，抗電網(wǎng)電壓擾動能力不強(qiáng)。因此電網(wǎng)發(fā)生故障時，必須關(guān)注故障引起的轉(zhuǎn)子過電流以及隨之而來的直流母線過電壓[4]。為了改進(jìn)DFIG風(fēng)電機(jī)組在故障下不脫網(wǎng)運行，不少學(xué)者提出了不少改進(jìn)控制策略，文獻(xiàn)[5-6]通過改進(jìn)的內(nèi)外環(huán)PI控制策略，通過引入前饋補(bǔ)償?shù)姆乐梗瑢崿F(xiàn)風(fēng)電場低電壓穿越，這種方法局限于電壓跌落較輕的情況，并且其控制效果受到變流器容量的限制；文獻(xiàn)[7-8]采用定子磁鏈去磁法等，這類方法的優(yōu)點是不僅能應(yīng)對三相對稱故障，并且對不對稱故障也能起到有效的作用。然而這些方法往往算法比較復(fù)雜，增加了在工程的實現(xiàn)難度。目前，行之有效的辦法大多需要在轉(zhuǎn)子側(cè)加入撬棒保護(hù)（Crowbar）電路[9-10]，也是GE，ABB等風(fēng)機(jī)制造商普遍采用的方法，從而確保勵磁變流器的運行安全，并能加快故障電流及定子暫態(tài)磁鏈的衰減，然而，撬棒保護(hù)動作期間，DFIG與普通異步機(jī)無異，將吸收大量的無功功率，不利于電壓恢復(fù)。Crowbar電阻值的選擇也是影響低電壓穿越的重要參數(shù)[11]。

為此，首先分析了我國制定的風(fēng)電場低電壓穿越的要求。通過仿真研究不同阻值對低電壓穿越的影響，在此基礎(chǔ)上，針對Crowbar動作后產(chǎn)生的直流母線過電壓及風(fēng)機(jī)吸收無功功率的問題，提出一種聯(lián)合主動Crowbar保護(hù)和直流側(cè)卸荷電路方法，并用STATCOM為系統(tǒng)提供無功功率。仿真結(jié)果驗證了所提出的低電壓穿越方案的有效性及可行性。

1 低電壓穿越要求

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量以及風(fēng)電場規(guī)模的不管增大，風(fēng)電接入及運行對電力系統(tǒng)的影響越來越不可忽視。由于各國電力系統(tǒng)配置，風(fēng)電的比重等各不相同，目前國際上還沒有通用的風(fēng)電接入系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。我國也于2011年，制定了的《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，其中明確要求風(fēng)電場應(yīng)具備低電壓穿越能力，其基本要求如圖1所示，風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓跌至20%標(biāo)稱電壓時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行；風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms[2]。并且，針對風(fēng)電場發(fā)生三相短路引起的電壓跌落問題，為了故障電壓的快速恢復(fù)，總裝機(jī)容量在百萬千瓦級規(guī)模及以上的風(fēng)電場群，每個風(fēng)電場在低電壓穿越過程中應(yīng)具有一定的動態(tài)無功支撐能力。我國風(fēng)力資源豐富，風(fēng)電裝機(jī)容量偏小，并且常常處于電力系統(tǒng)末端，我國制定的風(fēng)電低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)相對歐美風(fēng)電大國偏低，但符合我國的國情。

圖1 低電壓穿越曲線

2 LVRT技術(shù)方案

本文采用的是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（DFIG），如圖2所示，風(fēng)力機(jī)通過一個多級齒輪箱連接到風(fēng)力機(jī)。DFIG的定子側(cè)通過一個升壓變壓器直接連接到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過三相交-直-交變頻器實現(xiàn)交流勵磁，并經(jīng)升壓變壓器連接到電網(wǎng)，該變頻器采用的是電壓型 PWM 變頻器，可分為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RSC）和一個網(wǎng)側(cè)變流器（GSC），二者由電容器連接。其中RSC用于DFIG的運行控制，其控制效果直接影響DFIG的運行性能，而GSC主要是控制直流母線電壓的恒定。為了減少風(fēng)電場內(nèi)部的功率損耗，二者均運行在恒功率運行模式，即穩(wěn)態(tài)運行時與電網(wǎng)沒有無功功率的交換。該系統(tǒng)采用Crowbar電路保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器及直流母線卸荷電路DC-chopper聯(lián)合保護(hù)的方式，實現(xiàn)風(fēng)電場低電壓穿越。在并網(wǎng)點并聯(lián)動態(tài)無功補(bǔ)償裝置 STATCOM，實現(xiàn)對風(fēng)電場無功功率的連續(xù)迅速調(diào)節(jié)。

圖2 雙饋風(fēng)電系統(tǒng)接線圖

2.1 主動型Crowbar保護(hù)電路

本文采用的主動型Crowbar保護(hù)電路是整流橋式Active crowbar 電路，它由交流開關(guān)、二極管整流橋和旁路電阻構(gòu)成，如圖3所示。該保護(hù)電路相比被動型Crowbar可以根據(jù)轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、直流側(cè)電壓作為撬棒電路的切入、切出，并能靈活快速得實現(xiàn)切入、切出。

圖3 主動型Crowbar電路

旁路電阻的選取至關(guān)重要，電阻值要足夠大以限制雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，使暫態(tài)分量快速地衰減。然而，電阻值過大，由可能會造成轉(zhuǎn)子側(cè)的過壓，使直流母線電容反充電，同時還有可能損壞轉(zhuǎn)子側(cè)變換器。旁路電阻應(yīng)優(yōu)先考慮限制轉(zhuǎn)子電流，進(jìn)而在考慮引起的定子及直流母線過電壓問題。

2.2 直流卸荷電路

直流卸荷電路（DC-Chopper）由半導(dǎo)體功率器件和卸荷電阻R并聯(lián)后與全控性器件IGBT串聯(lián)組成。故障期間，由于網(wǎng)側(cè)變流器不能及時的將能量輸送到電網(wǎng)內(nèi)，導(dǎo)致直流電容兩端功率不平衡，過剩能量將引起直流母線電壓升高并產(chǎn)生波動。忽視網(wǎng)側(cè)變換器內(nèi)部的的功率損耗，可得

式中，PRSC為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸出的有功功率；PGSC為網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功功率；Vdc為直流母線電壓；C為直流電容值大小。

通過在雙饋變流器直流母線安裝加裝DC-Chopper，可將直流母線兩端故障功率吸收，從而能夠限制母線電壓上升及波動，并能降低crowbar的動作幾率。本文采用的DC-chopper的控制框圖如圖4所示?？赏ㄟ^控制功率器件的投入和切出電阻來調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓，從而降低直流環(huán)節(jié)過電壓及電壓波動。當(dāng)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生跌落時，功率偏差信號ΔP通過PI調(diào)節(jié)器，得到PWM信號控制功率器件的占空比，直流電壓作為輔助判斷條件，彌補(bǔ)PI控制不夠快的缺點。

圖4 直流卸荷電路控制框圖

2.3 STATCOM控制模型

STATCOM 裝置由一個變壓器、一個電壓源變流器、一個電容器及其控制器組成，其主要功能是通過向電網(wǎng)輸出動態(tài)無功功率實現(xiàn)對電壓的控制及支撐。其典型結(jié)構(gòu)及控制框圖如圖5所示，控制器主要包括外環(huán)電壓、直流電壓控制及內(nèi)環(huán)電流控制，系統(tǒng)發(fā)生故障時，并網(wǎng)點電壓及直流電壓偏差信號分別經(jīng)過各自外環(huán)的PI控制器，可得到給自內(nèi)環(huán)電流控制的輸入信號isq_ref、isd_ref，進(jìn)而得到PWM的觸發(fā)信號，STATCOM 開始短時間內(nèi)向電網(wǎng)輸出無功功率，從而有利于支撐電網(wǎng)電壓及故障切除后并網(wǎng)點電壓的快速恢復(fù)。

圖5 STATCOM控制框圖

3 仿真分析

本文使用Digsilent仿真軟件對DFIG系統(tǒng)的低電壓穿越能力展開研究，采用的是三機(jī)九節(jié)點系統(tǒng)，原系統(tǒng)的G3同步發(fā)電機(jī)組，由10臺額定容量為雙饋風(fēng)電機(jī)組代替，不考慮風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)機(jī)的接線形式，風(fēng)電場通過升壓變壓器連接至電網(wǎng)。單臺DFIG風(fēng)機(jī)及網(wǎng)側(cè)變流器的參數(shù)數(shù)見表 1。按照我國《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)》中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓運行能力的要求，仿真步驟簡要如下：仿真系統(tǒng)從t=0開始運行，輸入風(fēng)速13.8m/s；t=1s時雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)處母線發(fā)生80%的三相對稱電壓跌落；t=1.625s恢復(fù)正常，仿真時間持續(xù)4s。

圖6 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 雙饋風(fēng)電機(jī)組及網(wǎng)側(cè)變流器參數(shù)

3.1 Cowwbar不同旁路電阻時對低電壓穿越性能比較

為了研究Crowbar旁路電阻對風(fēng)電場低電壓穿越的影響，仿真在三種情況下進(jìn)行，情況一：Rc=0.1pu，情況二：Rc=0.4pu，情況三：Rc=1.0pu。仿真結(jié)果如圖7—圖11所示，在該電壓跌落的情況下，DFIG定子有功功率、無功功率、轉(zhuǎn)子電流及直流母線電壓，均有出現(xiàn)尖峰，在工程中，這種尖峰就表現(xiàn)為震蕩。并且隨著Rc阻值的增加，并網(wǎng)點電壓相對來講有更好的恢復(fù)，并且從電網(wǎng)吸收的無功功率在減小。并且在Crowbar旁路電阻的投入，使得故障功率被消耗，轉(zhuǎn)子電流得到快速抑制。然而，旁路電阻值選擇過大，不僅起不到明顯的效果，反而導(dǎo)致故障切除時刻的直流母線電壓過高。本文建議電阻值選取為0.4pu左右。

圖7 并網(wǎng)點電壓

圖8 DFIG定子有功功率

圖9 定子無功功率

圖10 轉(zhuǎn)子繞組電流

圖11 直流母線電壓

3.2 采用聯(lián)合保護(hù)方式實現(xiàn)低電壓穿越

針對章節(jié)3.1出現(xiàn)的問題，在其基礎(chǔ)上，在直流側(cè)加入了卸荷電路，并在風(fēng)電場并網(wǎng)點并聯(lián)容量為15MVar的STATCOM為系統(tǒng)提供無功功率。仿真結(jié)果如圖12—圖14所示。由圖12可知，引入STATCOM后，故障期間，并網(wǎng)點電壓被提升至0.3pu，這是因為STATCOM在故障期間為系統(tǒng)提供了13Mvar的無功功率，如圖13所示。故障切除瞬間，并網(wǎng)點電壓能夠瞬間被提升至較高的水平，并能更快的恢復(fù)正常運行水平狀態(tài)，由圖14可知，并且采用交直流聯(lián)合保護(hù)的防止，不僅能有效的限制轉(zhuǎn)子過電流，直流環(huán)節(jié)過電壓也能得到較好的抑制。

圖12 并網(wǎng)點電壓

圖13 STATCOM無功功率

圖14 轉(zhuǎn)子繞組電流

4 結(jié)論

本文對提高基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)風(fēng)電場低電壓穿越問題進(jìn)行了研究，提出了一種協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)子撬棒保護(hù)和直流卸荷電路聯(lián)合控制方案，并利用STATCOM為系統(tǒng)提供無功功率，支撐并網(wǎng)點電壓，以改善雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，解決因撬棒保護(hù)投入運行引起的風(fēng)電場無功需求以及直流母線過電壓問題。通過含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)仿真計算驗證了所提出低電壓穿越方案的可行性及有效性。研究結(jié)果表明，隨著Crowbar旁路電阻增加，轉(zhuǎn)子過電流被抑制的越明顯，然而，旁路電路選擇過大之后，其并不太明顯，反而會引起直流母線過電壓；在直流側(cè)增加卸荷電阻之后能有效的解決直流母線過電壓問題；利用STATCOM可提高風(fēng)電場的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。

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