張建華，丁磊，戴春蕾，沈浩然，于東霞

（揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

基于定子側(cè)新型Crowbar的雙饋發(fā)電機低電壓穿越研究

張建華，丁磊，戴春蕾，沈浩然，于東霞

（揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127）

針對電網(wǎng)電壓跌落時投入現(xiàn)有被動式轉(zhuǎn)子Crowbar保護，只能實現(xiàn)對雙饋風電機組的系統(tǒng)保護，而無法實現(xiàn)低電壓穿越的不足，提出故障時在定子中串接由電感組成的新型Crowbar。首先從理論上對雙饋發(fā)電機電壓跌落極限下激起的電磁過渡過程進行分析計算，揭示影響電磁過渡過程的本質(zhì)規(guī)律。在此基礎上，給出雙饋發(fā)電機在電壓跌落極限下新型Crowbar電感值整定方法及勵磁控制策略。理論分析和仿真結(jié)果表明，新型Crowbar與控制策略相結(jié)合即使在電壓跌落極限下，也能夠?qū)﹄p饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器提供保護，并向電網(wǎng)提供無功支撐，實現(xiàn)電壓跌落極限下低電壓穿越。

雙饋發(fā)電機；電壓跌落；新型Crowbar；低電壓穿越

為了提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行能力，國內(nèi)外的電網(wǎng)公司都制定了風電場接入電網(wǎng)新的技術(shù)標準。新標準都要求風電場具備低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）［1-2］能力，即當電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓跌落故障時，風電場保持不脫網(wǎng)運行，并向電網(wǎng)提供無功功率支撐電網(wǎng)電壓的恢復。我國技術(shù)標準要求當電壓跌至20%額定電壓時，風電場內(nèi)的風電機組也要能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625 ms［3］。

雙饋感應發(fā)電機（doubly fed induction generator，DFIG）因其變流器容量小、有功和無功功率獨立可調(diào)等特點在風電場中廣泛應用。由于DFIG定子直接與電網(wǎng)相連，變流器容量小，因而對電網(wǎng)故障特別敏感。為確保DFIG在電網(wǎng)電壓故障下安全不脫網(wǎng)運行同時滿足并網(wǎng)LVRT要求，國內(nèi)外學者對風電機組保護原理及其控制策略進行了大量研究，大致可以分為以下兩方面［4-7］：1）改進變流器的勵磁控制策略。如文獻［4］，提出一種DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器低電壓穿越控制策略，改善了DFIG在電網(wǎng)故障時定、轉(zhuǎn)子過電流的情況，但是該方法只適用于電網(wǎng)電壓輕度跌落情況下，在電網(wǎng)發(fā)生較大幅度跌落的情況下很難滿足要求；2）增加硬件保護電路。如文獻［5］，提出電壓跌落時在DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)安裝Crowbar［6-7］電路通過短接轉(zhuǎn)子側(cè)變流器達到保護電機的目的，但是該方法投入Crowbar電路使得DFIG轉(zhuǎn)子被短接，DFIG作感應電機運行，從電網(wǎng)吸收大量無功功率，加劇了風電場附近電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定性。

針對上述情況，本文提出一種將轉(zhuǎn)子勵磁控制策略和新型Crowbar硬件電路相結(jié)合的控制方法，即使在電壓跌落極限下，也能提供無功支撐實現(xiàn)LVRT。文中建立了DFIG在dq坐標系的數(shù)學模型，對電網(wǎng)電壓跌落極限下所激起的DFIG電磁過渡過程進行分析和計算，得出揭示DFIG電流本質(zhì)規(guī)律精確表達式。在DFIG瞬態(tài)分析基礎上，提出新型Crowbar電路參數(shù)整定方法以及勵磁控制策略，最后，本文在Matlab/Simulink環(huán)境下對所提方案進行仿真研究，驗證了理論分析和所提方法的正確性及有效性。

1　雙饋電機數(shù)學模型

含有新型Crowbar電路的DFIG結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　含新型Crowbar電路的雙饋電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　System structure chart of DFIG with new Crowbar circuit

由圖1可見，新型Crowbar相比于轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar有以下不同：

1）所處的位置而言，轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar電路安裝在DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)，而新型Crowbar電路則安裝在DFIG的定子側(cè)；

2）結(jié)構(gòu)方面而言，轉(zhuǎn)子Crowbar電路采用電阻短接變換器達到保護電機的目的，而新型Crowbar電路則采用定子串接電感限制電流達到保護電機目的。

本文中DFIG定、轉(zhuǎn)子建模均依據(jù)電動機慣例。根據(jù)文獻［8-9］可以得到DFIG定、轉(zhuǎn)子在同步旋轉(zhuǎn)（dq）坐標系下的電壓平衡方程如下所示：

定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程：

式中：r1，r2分別為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組電阻；ids，iqs，idr，iqr為定、轉(zhuǎn)子繞組中電流d，q軸分量；uds，uqs，udr，uqr為定、轉(zhuǎn)子電壓 d，q軸分量；Ψds，Ψqs，Ψdr，Ψqr為定、轉(zhuǎn)子磁鏈d，q軸分量；ωr，ω1分別為轉(zhuǎn)子角速度、同步角速度；Ls，Lr分別為定轉(zhuǎn)子繞組的自感，Ls=L1+Lm，Lr=L2+Lm，L1為定子漏電感，L2為轉(zhuǎn)子漏電感，Lm為勵磁電感。

將式（1）、式（2）消去磁鏈后得到DFIG的狀態(tài)空間方程如下：

式中：I為電流列向量；U為電壓列向量；A，B為狀態(tài)空間方程的系數(shù)矩陣。

由于穩(wěn)態(tài)運行時DFIG定子電流中只含有恒定的工頻分量，所以電壓和電流分量在dq旋轉(zhuǎn)坐標下均為常量，此時由式（3）能夠得到穩(wěn)定運行時電壓與電流的關(guān)系式為

2　瞬態(tài)特性分析

2.1電流瞬態(tài)特性

在DFIG電壓跌落極限暫態(tài)過程的分析中，為了避免數(shù)學描述電壓突變問題，故將其轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定運行狀態(tài)與0.8倍反向電壓的過渡過程的疊加。

在時域內(nèi)對式（4）求解，解析得到定子電流在dq旋轉(zhuǎn)坐標系下的表達式，再經(jīng)坐標變換后得到穩(wěn)定運行時定子電流的解析表達式。以定子A相電流為例，穩(wěn)定運行時（uds=0，uqs=1）定子電流的表達式如下：

其中

加反向電壓時uds=0，uqs=-0.8?？汕蠼夥匠淌剑?），由于求解過程的復雜性，本文直接給出疊加后定子A相電流的解析表達式：

根據(jù)式（6）可以發(fā)現(xiàn)該系數(shù)與DFIG的運行狀態(tài)、轉(zhuǎn)子勵磁電壓以及電機參數(shù)有關(guān)。另在電壓跌落極限下DFIG定子電流中出現(xiàn)了直流分量ia、諧波分量i（1-s）以及基波分量i1，且諧波分量較大且逐漸衰減。從保護電機的角度考慮，應該限制電流將其幅值限制在2（標幺值）范圍內(nèi)［10-11］。

2.2轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)特性

電壓跌落極限下DFIG將產(chǎn)生很大的故障電流，這部分電流不僅對電網(wǎng)以及DFIG不利，而且會產(chǎn)生沖擊轉(zhuǎn)矩損壞DFIG以及傳動機構(gòu)。因此，必須分析轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)特性。

在對時域內(nèi)DFIG定轉(zhuǎn)子電流分析的基礎上可以得到穩(wěn)定狀態(tài)下電磁轉(zhuǎn)矩為

由式（7）可見，DFIG穩(wěn)定運行時電磁轉(zhuǎn)矩中只包含恒定的單向轉(zhuǎn)矩。而單向轉(zhuǎn)矩的大小僅與轉(zhuǎn)子勵磁電壓以及電機運行狀況、參數(shù)有關(guān)。

對電壓跌落極限下DFIG定轉(zhuǎn)子電流分析可知，dq坐標系下定轉(zhuǎn)子電流分量中不僅含有恒定的直流分量，還有隨時間變化的s倍頻分量和工頻分量。

帶入dq坐標下電磁轉(zhuǎn)矩方程可得：

由式（8）可見，電壓跌落電磁轉(zhuǎn)矩過渡過程中不僅包含單向轉(zhuǎn)矩分量還有工頻分量、s倍頻分量以及（1-s）倍頻分量。若不對其進行控制將影響電機及傳動機構(gòu)［12-13］的穩(wěn)定運行。

2.3功率瞬態(tài)特性

根據(jù)現(xiàn)代低電壓穿越標準要求，DFIG在電壓跌落極限下須保持不脫網(wǎng)運行并向電網(wǎng)注入無功功率幫助電網(wǎng)故障恢復。為此，必須對電壓跌落極限下的DFIG功率特性進行分析。

對DFIG電壓跌落極限時定子電流的dq分量分析可得到穩(wěn)定運行時有功功率和無功功率，由于求解過程的復雜性這里直接給出結(jié)果。

由式（9）、式（10）可見，雙饋電機DFIG電壓跌落極限時，因其功率中含有諧波分量、基波分量和直流分量，如不對其進行控制將會對電網(wǎng)造成諧波污染。

3　電壓跌落極限下低電壓穿越研究

根據(jù)文獻［14-15］可知，轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制策略只適用于電壓輕度跌落的過程中，在電壓跌落極限下單純地施加轉(zhuǎn)子勵磁電壓無法實現(xiàn)DFIG的保護。因此本文提出將轉(zhuǎn)子勵磁電壓與新型Crowbar電路相結(jié)合的控制方法，不僅限制了跌落極限下故障電流的大小，保護轉(zhuǎn)子側(cè)變換器；同時能向電網(wǎng)提供無功功率，支撐電網(wǎng)故障恢復。

3.1轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制

根據(jù)文獻［16-18］以及式（6）可知，DFIG在電壓跌落極限下定子電流中不僅含有幅值較小的基波分量和直流分量，還包含幅值很大且逐漸衰減的諧波分量。如果消除了諧波分量，不僅減小了DFIG電壓跌落極限下故障電流的大小，同時消除諧波后電流中只有較小的直流分量以及恒定的基波分量，從而縮減了跌落過程的持續(xù)時間。

由于電壓跌落極限下諧波系數(shù)與轉(zhuǎn)子勵磁電壓dq軸分量有關(guān)，故本文從控制諧波系數(shù)的角度來消除諧波電流。

在電壓跌落極限下設轉(zhuǎn)子側(cè)dq軸分量分別為穩(wěn)定運行時kd倍和kq倍。

令諧波分量的系數(shù)Au=0，Bu=0，可以得到kd和kq如下所示：

由式（11）可得，雙饋電機電壓跌落時需要施加的轉(zhuǎn)子勵磁控制電壓為

式中：udrc，uqrc分別為消除諧波電流下的轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁控制電壓。

3.2新型Crowbar電路的參數(shù)整定

新型Crowbar硬件電路由控制開關(guān)和電感構(gòu)成，當檢測到電壓跌落信號時，控制開關(guān)閉合通過定子回路串接電感來限制電流保護電機。

根據(jù)式（6）和式（12）消去諧波電流后定子電流中僅存在基波分量和直流分量，而直流分量很小可忽略不計，故控制基波電流幅值在2（標幺值）內(nèi)可求得改進Crowbar硬件電路的電感參數(shù)，由于計算過程的復雜性這里直接給出計算結(jié)果。

式中：Lsk=Ls+Lk，Lk為Crowbar電路電感。

以1.5 MW的DFIG具體的參數(shù)帶入式（14）可求得：Lk≈0.26。目前三相串聯(lián)限流電感器的價格與Crowbar電阻器價格基本相當，故在經(jīng)濟上具有可行性。

3.3低電壓穿越運行特性研究

3.3.1電流特性

在電壓跌落極限下，通過本文的控制方法，可得在該控制方法下的雙饋電機定子電流為

由式（15）可知，采用本文提出的控制方法后，定子電流中只存在基波分量和恒定的直流分量，其大小取決于DFIG的運行狀態(tài)、參數(shù)以及電壓跌落深度。由于定子電流中不存在諧波分量，因此低電壓穿越過程中不會對電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3.3.2轉(zhuǎn)矩特性

本文控制方法下，雙饋電機轉(zhuǎn)矩表達式為：

由式（16）可見，采用本文提出的控制方法，DFIG的電磁轉(zhuǎn)矩中不再含有諧波分量，只存在工頻分量和單向轉(zhuǎn)矩分量。工頻分量在1個周期內(nèi)的平均值為零，不會改變DFIG的運行狀況，故1個周期內(nèi)只有單向轉(zhuǎn)矩分量，而單向轉(zhuǎn)矩其值大小只與電壓跌落深度以及電機的運行狀態(tài)、參數(shù)有關(guān)。在電壓跌落極限下，采用本文的控制方法為保持DFIG的轉(zhuǎn)速不變只需調(diào)節(jié)風力機的漿距角便可實現(xiàn)機械轉(zhuǎn)矩與單向轉(zhuǎn)矩相等。

3.3.3功率特性

在本文的控制方法下，由于消除了諧波電流，因而DFIG注入電網(wǎng)的瞬時功率中包含了2種分量即工頻分量和恒定分量，工頻分量在1個周期內(nèi)平均值為零，因此DFIG注入電網(wǎng)的平均有功功率和無功功率如下：

由文獻［16］可知電壓跌落前DFIG有功功率及無功功率分別如下所示：

由式（17）～式（20）化簡得到電壓跌落極限時功率與穩(wěn)定運行時功率的關(guān)系如下：

DFIG在穩(wěn)定運行時應向電網(wǎng)注入有功功率和無功功率。在本文的分析中，因為DFIG采用的是電動機慣例，因此穩(wěn)定運行時 P穩(wěn)定＜0和Q穩(wěn)定＜0。又因為電壓跌落時L1?Lm和L2?Lm，故有a2?β，所以QLVRT＜0。因此DFIG保持不脫網(wǎng)運行的同時也向電網(wǎng)注入無功功率。

4　仿真結(jié)果及其分析

為驗證所提出的DFIG低電壓穿越控制方法的有效性，基于Matlab/Simulink平臺以1臺1.5 MW的DFIG為例進行仿真分析，根據(jù)文獻［19-20］搭建電壓跌落模型如圖2所示。

圖2　雙饋電機仿真模型Fig.2　Simulation model of DFIG

1.5MW的DFIG在標幺值下仿真參數(shù)如下：L1=0.171，L2=0.156，Lm=2.9，r1=0.007 1，r2= 0.005；假設正常運行時電機功率因數(shù)為1，轉(zhuǎn)差率s=0.05，轉(zhuǎn)子電壓udr=0.018 5，uqr=0.047 4。

圖3為DFIG電壓跌落到20%時理論分析和建模仿真得到的定子電流iA的波形。

圖3　電壓跌落到20%時定子A相電流波形Fig.3　Stator A phase current waveform when voltage drops to 20%

由圖3可見，解析表達式繪制的曲線和Matlab繪制的曲線變化規(guī)律相同，這說明本文分析方法的正確性。

圖4為DFIG電壓跌落到20%時轉(zhuǎn)子電流iA的波形。

圖4　電壓跌落到20%時轉(zhuǎn)子A相電流波形Fig.4　Rator A phase current waveform when voltage drops to 20%

由圖3和圖4比較可知，定子側(cè)電流和轉(zhuǎn)子側(cè)電流的幅值相等，相位相反，與文獻［14］中所述相符，故本文僅以定子側(cè)為例進行分析，得出本文所采取的低電壓穿越控制策略。從圖中可以看出在電壓跌落到20%時，轉(zhuǎn)子電流的幅值遠大于2倍的額定電流，因此必須對雙饋電機采取相應的保護措施。

圖5為DFIG電壓跌落到20%時轉(zhuǎn)矩波形。由圖5可知，電磁轉(zhuǎn)矩的幅值很大，若不采取保護措施將損壞風電機組傳動系統(tǒng)。

圖5　電壓跌落到20%時轉(zhuǎn)矩波形Fig.5　The waveform of electromannetic torque when voltage drops to 20%

本文首先采用轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制策略，根據(jù)式（12）可以得到電壓跌落到20%時DFIG轉(zhuǎn)子勵磁電壓為udr1=0.012 5，uqr1=-0.000 2。施加轉(zhuǎn)子勵磁電壓后DFIG定子電流iA控制后的仿真波形如圖6所示。

圖6　轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制后定子A相電流仿真波形Fig.6　Stator A phase current simulation waveform after rotor excitation voltage work

由圖6可見，轉(zhuǎn)子勵磁電壓作用后定子A相電流的幅值仍然大于2（標幺值）。因此，進一步說明單純采用轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制策略無法達到保護電機的目的。

在對轉(zhuǎn)子勵磁電壓的研究基礎上，將新型Crowbar電路與轉(zhuǎn)子勵磁電壓相結(jié)合后定子A相電流和轉(zhuǎn)子A相電流的仿真波形如圖7、圖8所示。

圖7　轉(zhuǎn)子勵磁電壓和新型Crowbar作用后定子A相電流仿真波形Fig.7 Stator A phase current simulation waveform after rotor excitation voltage and new Crowbar work

圖8　轉(zhuǎn)子勵磁電壓和新型Crowbar作用后轉(zhuǎn)子A相電流仿真波形Fig.8　Rator a phase current simulation waveform after rotor excitation voltage and new Crowbar work

由圖7、圖8可見，采用本文控制方法后，定子A相電流和轉(zhuǎn)子A相電流的最大幅值均為2（標幺值），滿足低電壓穿越中對電機的保護要求。

轉(zhuǎn)子勵磁電壓和新型Crowbar電路共同作用下電磁轉(zhuǎn)矩控制前后的波形如圖9所示。

圖9　轉(zhuǎn)子勵磁電壓和新型Crowbar作用前后轉(zhuǎn)矩仿真波形Fig.9　Torque simulation waveform under rotor excitation voltage and new Crowbar

由圖9可見，采用本文的控制方法后電磁轉(zhuǎn)矩的最大幅值約為額定值的2倍，完全在DFIG的承受范圍內(nèi)。故該控制策略可以實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的保護。

現(xiàn)代低電壓穿越的要求中明確提出在低電壓穿越期間，為了能夠支撐電網(wǎng)電壓恢復，風電機組還應向其提供無功功率。轉(zhuǎn)子勵磁電壓和新型Crowbar電路共同作用下無功功率控制前后波形如圖10所示。

圖10　轉(zhuǎn)子勵磁電壓和新型Crowbar共同作用前后無功功率仿真波形Fig.10　Reactive power simulation waveforms under rotor excitation voltage and new Crowbar

由圖10可見，在電壓跌落極限下若不采用控制策略時在無功功率的波形為正，平均無功功率的大小約為2.8；在轉(zhuǎn)子勵磁電壓和新型Crowbar電路共同作用下無功功率的波形為負，平均無功功率大小約為-0.7，與式（22）的分析結(jié)果一致，因此本文的控制方法在電壓跌落的整個暫態(tài)過程中，DFIG向電網(wǎng)輸送無功功率幫助電網(wǎng)故障恢復。

5　結(jié)論

本文在電壓跌落極限下為保護轉(zhuǎn)子勵磁變換器同時快速向電網(wǎng)提供無功支撐，提出了一種基于定子側(cè)新型Crowbar電路的低電壓穿越控制方法。將轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制策略和新型Crowbar硬件電路相結(jié)合，改進了電壓跌落極限下對轉(zhuǎn)子變流器的保護。對DFIG電壓跌落極限下理論與仿真研究結(jié)果表明：

1）采用本文控制方法克服了電網(wǎng)電壓深度跌落下單純施加轉(zhuǎn)子勵磁電壓無法實現(xiàn)低電壓穿越的不足，實現(xiàn)電壓跌落極限下的低電壓穿越；

2）采用本文控制方法解決了DFIG電壓跌落極限下轉(zhuǎn)子Crowbar電路投入期間無法提供無功功率的問題，增強了DFIG的低電壓穿越能力。

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Research of Doubly-fed Induction Generator LVRT Based on Stator Side New Crowbar

ZHANG Jianhua，DING Lei，DAI Chunlei，SHEN Haoran，YU Dongxia
（College of Water Conservancy and Energy Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，Jiangsu，China）

Aiming at the deficiency which the existing passive rotor Crowbar can only achieve the doubly-fed wind turbine protection，but can′t achieve LVRT during grid voltage drop，proposed a new type of Crowbar which was composed of stator concatenated inductance.Firstly，analysed and calculated the electromagnetic transient process of the doubly-fed induction generator under voltage drop limit in theory，revealed the essential discipline which influenced the electromagnetic transient process.On this basis，proposed the new Crowbar inductance tuning method and excitation control strategy of the doubly-fed induction generator under voltage drop limit.Theoretical analysis and simulation results show that，the new Crowbar combined with the control strategy can protect the doubly-fed induction generator rotor side converter，and provide reactive power support，realize LVRT under voltage drop limit.

doubly-fed induction generator；voltage drop；new Crowbar；low voltage ride through.

TM614

A

2015-09-29

修改稿日期：2016-02-24

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863）（2012AA050214）；住房和城鄉(xiāng)建設部研究開發(fā)項目（2016-K6-015）

張建華（1960-），男，博士，副教授，Email：jianhuazhang0508@sina.com