張宏艷，青志明，傅 望，周 飛

（國網(wǎng)重慶市電力公司技能培訓(xùn)中心，重慶400053）

基于Crowbar保護動作分群的風(fēng)電場無功控制策略

張宏艷，青志明，傅 望，周 飛

（國網(wǎng)重慶市電力公司技能培訓(xùn)中心，重慶400053）

針對雙饋感應(yīng)發(fā)電機（doubly fed Induction generator，DFIG）組成的風(fēng)電場，提出一種基于Crowbar動作分群的風(fēng)電場無功控制策略。通過分析Crowbar保護動作期間DFIG的低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）特性，改進了DFIG網(wǎng)側(cè)變流器的控制，并仿真驗證該控制策略的有效性。在充分考慮Crowbar保護動作對風(fēng)電場LVRT能力影響的基礎(chǔ)上，采用一種基于電壓跌落臨界值的方法，對Crowbar保護動作情況進行預(yù)判斷并同調(diào)分群，并針對不同機群的不同運行特性，分別采用低電壓穿越控制和基于Crowbar保護動作分群的無功控制策略，仿真驗證了該控制策略能有效提高風(fēng)電場的LVRT能力。

風(fēng)電場；雙饋感應(yīng)發(fā)電機；Crowbar保護；無功控制

風(fēng)電作為最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗陙戆l(fā)展勢頭迅猛。而風(fēng)電的大規(guī)模并網(wǎng)也給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。其中，風(fēng)電場的無功電壓問題是極為關(guān)鍵而重要的問題之一［1－3］。

由于風(fēng)電場多與弱電網(wǎng)相連，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致電網(wǎng)電壓跌落時，風(fēng)電機組會由于轉(zhuǎn)子過電流而脫網(wǎng)。近年來已發(fā)生多起大規(guī)模風(fēng)電機組脫網(wǎng)事故，其原因乃是風(fēng)電場內(nèi)機組不具備低電壓穿越（LVRT）能力。我國的風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準對風(fēng)電場的LVRT能力提出了要求，在風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓跌落至20%額定值時能并網(wǎng)運行625 ms。并且對于沒有脫網(wǎng)的風(fēng)電機組，要求發(fā)出無功功率支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。為提高風(fēng)電場的LVRT能力，目前的研究主要集中在雙饋感應(yīng)發(fā)電機（DFIG）單機和風(fēng)電場層面上。提高DFIG的LVRT能力，主要是改進變流器控制策略和增加硬件電路。文獻［4－5］研究得出，引起DFIG轉(zhuǎn)子過電流的根本原因是，并網(wǎng)點電壓跌落時DFIG的定子磁鏈負序與直流分量以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化感生的電動勢。文章提出了在電網(wǎng)電壓跌落時動態(tài)補償定子磁鏈的變化量，減少磁鏈變化對轉(zhuǎn)子回路的影響，從而抑制轉(zhuǎn)子過電流，提升DFIG的LVRT能力。文獻［6－7］在DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器增加一個Crowbar保護電路，在電壓跌落引起轉(zhuǎn)子過電流時，通過Crowbar保護電流短路轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，為轉(zhuǎn)子過電流提供回路，并且討論了Crowbar保護電阻阻值的選取。文獻［8］提出一種以風(fēng)電場出口變壓器高壓側(cè)電壓為控制目標(biāo)，考慮風(fēng)電場的無功輸出極限，研究了一種風(fēng)電場無功控制策略和其分配原則，并制訂了一種故障緊急電壓控制策略，以提高風(fēng)電場的LVRT能力。文獻［9］提出一種綜合利用風(fēng)電場內(nèi)的DFIG和無功補償裝置SVC的控制策略，并將風(fēng)電場的無功缺額進行三層分配，且綜合考慮了繼電保護控制，大大提高了風(fēng)電場的LVRT能力。

上述的風(fēng)電場無功控制策略，只考慮了單個風(fēng)電機組的特性。而實際風(fēng)電場由于風(fēng)電機組的地理位置、風(fēng)速風(fēng)向、運行工況等的不同，其運行特性也不同，對風(fēng)電場內(nèi)的機組采用統(tǒng)一的控制策略會帶來偏差。

目前提高DFIG單機LVRT能力使用最廣泛的是增加Crowbar保護電路。本文針對采用Crowbar保護的DFIG組成的風(fēng)電場，在分析Crowbar保護動作對風(fēng)電場LVRT能力影響的基礎(chǔ)上，改進了一種網(wǎng)側(cè)變流器控制策略。并考慮風(fēng)電場內(nèi)DFIG的同調(diào)性，采用一種根據(jù)電壓跌落臨界值的方法對Crowbar保護動作情況進行預(yù)判斷并分群，對不同機群的DFIG根據(jù)其不同的運行特性采用不同的無功控制策略，仿真驗證了該基于Crowbar保護動作情況分群的無功控制策略的有效性。

1 基于Crowbar保護的LVRT控制

1．1 雙饋感應(yīng)發(fā)電機的Crowbar保護原理

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障引起電壓跌落時，DFIG由于定子磁鏈變化會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過電流。過高的轉(zhuǎn)子電流不但不利于變流器的安全運行，且會引起保護動作致使DFIG脫網(wǎng)。因而在轉(zhuǎn)子側(cè)加裝Crowbar保護電路，為過高的轉(zhuǎn)子電流提供回路，降低轉(zhuǎn)子過電流并保護變流器，提高了DFIG的LVRT能力。Crowbar保護電路根據(jù)開關(guān)電子元件的不同，可以分為被動式和主動式。當(dāng)Crowbar保護電路投入運行時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流閉鎖，此時的DFIG如同1臺普通異步電機掛網(wǎng)運行，需要從電網(wǎng)吸收無功功率。如果長時間如此運行，對電網(wǎng)電壓的恢復(fù)不利。因此，在轉(zhuǎn)子過電流得到有效降低時，應(yīng)主動解除Crowbar保護電路，投入轉(zhuǎn)子側(cè)變流器運行。其中這種運行方式的Crowbar保護電路即為主動式Crowbar保護電路。圖1所示為一種典型主動式Crowbar保護電路。

圖1 主動式Crowbar保護電路圖

1．2 基于Crowbar保護的LVRT控制

為提高DFIG的LVRT能力，采用基于Crowbar保護的LVRT控制，其控制流程如圖2所示。當(dāng)DFIG的機端電壓不低于0．9 p．u．時，其繼續(xù)按照正常的P－Q控制運行；當(dāng)檢測到機端電壓跌落到0．9 p．u．以下時，檢測轉(zhuǎn)子電流作為Crowbar保護的動作信號。若轉(zhuǎn)子電流達到設(shè)定的保護動作閾值，則投入Crowbar保護，閉鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變流器；若轉(zhuǎn)子電流沒有達到設(shè)定的動作閾值，DFIG進入LVRT控制模式，根據(jù)并網(wǎng)導(dǎo)則要發(fā)出無功功率支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

圖2 基于Crowbar保護的LVRT控制

2 網(wǎng)側(cè)變流器的改進控制策略

普通的DFIG網(wǎng)側(cè)變流器采用的是單位功率因數(shù)控制，與電網(wǎng)不發(fā)生無功交換。而當(dāng)Crowbar保護投入時，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器閉鎖，DFIG如同1臺普通異步電機掛網(wǎng)運行，需要從電網(wǎng)吸收無功功率，對電網(wǎng)電壓的恢復(fù)不利。因而本文改進了原有的網(wǎng)側(cè)變流器控制策略，根據(jù)Crowbar的不同動作情況，讓網(wǎng)側(cè)變流器工作在不同的運行狀態(tài)。其控制策略流程圖如圖3所示。在Crowbar未動作時，網(wǎng)側(cè)變流器采用單位功率因數(shù)控制，其與電網(wǎng)不發(fā)生無功交換；Crowbar動作時，網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)出無功功率支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器的改進控制策略

其中Vpac和Vpcc＿ref分別是DFIG并網(wǎng)點電壓和其參考值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得出其無功電流參考值iq＿ref1，而iq＿ref2是單位功率因數(shù)控制時的無功電流參考值，通常設(shè)置為0。當(dāng)Crowbar未動作時，其動作信號為0，此時最終的無功電流參考值iq＿ref＝iq＿ref2為0；當(dāng)Crowbar動作時，其動作信號為1，此時iq＿ref＝iq＿ref1其值根據(jù)電壓測量動態(tài)計算。

采用這種網(wǎng)側(cè)變流器的改進控制策略能在Crowbar動作、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器閉鎖期間，充分利用網(wǎng)側(cè)變流器的容量，發(fā)出一定量的無功功率，支持電網(wǎng)電壓，提高DFIG的LVRT能力和暫態(tài)穩(wěn)定性。在Power Factory／Digsilent軟件平臺中，搭建DFIG單機模型并仿真，驗證該網(wǎng)側(cè)變流器的改進控制策略的有效性。DFIG的拓撲如圖4所示。設(shè)置1 s在PCC處發(fā)生三相短路故障，持續(xù)0．625 s后清除。Crow bar保護設(shè)置為檢測轉(zhuǎn)子電流達到額定值的2倍時動作，投入0．11 s后退出運行，結(jié)果如圖5至圖8所示。

圖4 DFIG單機拓撲

圖5 并網(wǎng)點PCC電壓

圖6 機端電壓

圖7 定子發(fā)出的無功功率

圖8 網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)出的無功功率

通過以上仿真圖（圖5至圖8）可以看出，在Crowbar動作期間，網(wǎng)側(cè)變流器可以發(fā)出一定量的無功功率，無論是并網(wǎng)點電壓還是機端電壓都有一定的提高，能增加DFIG的暫態(tài)穩(wěn)定性。但由于網(wǎng)側(cè)變流器的容量有限，在轉(zhuǎn)子過電流得到有效抑制后，應(yīng)讓Crowbar保護及時退出運行，投入轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制，使定子發(fā)出大量的無功功率。

3 控制策略

3．1 同調(diào)性概念

本文依據(jù)Crowbar保護動作情況對風(fēng)電場內(nèi)的DFIG進行分群，其分群思想來源于同調(diào)性的概念［10］。所謂同調(diào)性是指發(fā)電機的功角同步搖擺，實際是指轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相同［11－12］。DFIG在實際運行過程中，由于其地理位置分布、風(fēng)速風(fēng)向等的不同，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也不同。轉(zhuǎn)速相近的DFIG往往運行特性相似，可以視為同調(diào)機組，將其劃為一個機群，則同調(diào)機群內(nèi)的DFIG應(yīng)具有相似的運行特性。

現(xiàn)常用的同調(diào)機群劃分方法有基于地形和尾流效應(yīng)作用后風(fēng)速差異的分群方法、風(fēng)速變化和故障導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速變化的分群方法、用多狀態(tài)量表征風(fēng)電機組運行特征的分群方法［13－15］等。由于現(xiàn)DFIG普遍裝設(shè)Crowbar保護電路以提高其LVRT能力，因此Crowbar保護的動作情況對DFIG的運行特性影響巨大。本文采用Crowbar保護動作情況對風(fēng)電場內(nèi)的DFIG進行同調(diào)分群更加準確。

3．2 分群方法

常用的Crowbar動作觸發(fā)信號使轉(zhuǎn)子過電流，當(dāng)DFIG參數(shù)確定時，轉(zhuǎn)子電流的大小只受有功和無功功率、穩(wěn)態(tài)機端電壓、機端電壓跌落值和轉(zhuǎn)速的影響。對于具有MPPT功能的DFIG，其轉(zhuǎn)速與功率之間存在對應(yīng)關(guān)系。由此，當(dāng)DFIG的轉(zhuǎn)子電流一定時，機端電壓跌落值只與DFIG的功率和穩(wěn)態(tài)機端電壓值有關(guān)。因此，對由DFIG組成的風(fēng)電場，采用這種基于電壓跌落臨界值為判據(jù)的方法對風(fēng)電場內(nèi)DFIG進行Crowbar動作預(yù)判斷并分群［16］。方法如下：

1）風(fēng)電場建模；2）推導(dǎo)影響DFIG轉(zhuǎn)子電流大小的相關(guān)因子；3）繪制機端電壓跌落值與DFIG功率和穩(wěn)態(tài)機端電壓值的關(guān)系圖；

4）考慮風(fēng)電場拓撲對機端電壓跌落值的影響并修正；

5）采用該方法對DFIG組成的風(fēng)電場進行Crowbar保護動作預(yù)判斷并分群。

3．3 基于Crowbar保護動作分群的風(fēng)電場無功控

制策略

對風(fēng)電場內(nèi)的DFIG進行預(yù)判斷，再根據(jù)判斷情況進行同調(diào)分群?；贑rowbar保護動作分群的風(fēng)電場無功控制流程如圖9所示。在電網(wǎng)發(fā)生故障電壓跌落時，檢測到電網(wǎng)電壓到0．9 p．u．后，采用上述分群方法，對風(fēng)電場內(nèi)DFIG進行預(yù)判斷并同調(diào)分成兩個機群。對于Crowbar保護動作的機群，采用網(wǎng)側(cè)變流器改進的控制策略，讓其網(wǎng)側(cè)變流器在Crowbar保護動作期間發(fā)出無功功率；而Crowbar保護未動作的機群采用LVRT控制策略，通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制定子發(fā)出無功功率。這樣的風(fēng)電場無功控制策略，能充分發(fā)揮DFIG和變流器的無功發(fā)生能力，有效提高風(fēng)電場的LVRT能力，有利于風(fēng)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

圖9 基于Crowbar保護動作分群的風(fēng)電場無功控制

對于短時電網(wǎng)故障，在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器閉鎖不能控制定子發(fā)出無功功率的情況下，通過網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)出無功功率，能有效提高電網(wǎng)和DFIG的機端電壓，調(diào)高風(fēng)電場的LVRT能力。而當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生長時間故障時，依靠網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)出無功功率已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)的需求。此時，需要Crowbar及時退出運行，恢復(fù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制，依靠定子發(fā)出大量的無功功率，支持電網(wǎng)電壓。本文采用的基于Crowbar保護動作分群的風(fēng)電場無功控制策略完全符合該理論。

4 仿真分析

以某實際風(fēng)電場為算例，驗證本文提出的基于Crowbar保護動作分群的風(fēng)電場無功控制策略的有效性。該風(fēng)電場由11排6列共66臺DFIG組成。額定功率5 MW，額定風(fēng)速14 m／s，變流器出口額定電壓690 V，定子額定電壓3．3 kV，由三繞組變壓器變至35 kV。相鄰風(fēng)機之間距離400 m，DFIG經(jīng)饋線連至中壓母線MV，風(fēng)電場經(jīng)過出口變壓器連至220 kV母線HV＿A，由雙回線接入電網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖10所示。風(fēng)電場在某時刻實測風(fēng)速下的DFIG出力情況如表1所示。DFIG具體參數(shù)見表1。該風(fēng)電場沒有配置其他無功源，其無功來源于風(fēng)電場內(nèi)的DFIG。在Power Factory／Digsilent軟件平臺搭建風(fēng)電場模型，驗證本文提出策略的有效性。

設(shè)置該風(fēng)電場0．1 s時，在HV＿A母線20 km處發(fā)生三相短路故障，0．625 s后清除。DFIG的Crowbar保護設(shè)置為檢測轉(zhuǎn)子電流達到2倍額定值時投入，0．11 s后退出。根據(jù)上文所述基于電壓跌落臨界值為判據(jù)的方法，對Crowbar保護動作情況進行預(yù)判斷，依據(jù)預(yù)判斷結(jié)果對風(fēng)電場內(nèi)DFIG進行分群，其分群結(jié)果如表2所示。

圖10 風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)拓撲

表1 風(fēng)電場某時刻DFIG出力

表1（續(xù)）

表2 風(fēng)電場內(nèi)DFIG分群結(jié)果

對Crowbar保護動作的機群A采用網(wǎng)側(cè)變流器改進的控制策略，而轉(zhuǎn)子側(cè)仍然采用LVRT控制，對Crowbar未動作的機群B采用轉(zhuǎn)子側(cè)LVRT控制。故障條件如上所述，仿真對比基于Crowbar動作分群的風(fēng)電場無功控制策略和風(fēng)電場內(nèi)所有DFIG均采用LVRT控制策略，其得到風(fēng)電場出口處并網(wǎng)特性如圖11至圖14所示。

圖11 HV＿A母線電壓

圖12 中壓母線MV電壓

圖13 風(fēng)電場發(fā)出的有功功率

通過仿真圖可以看出，在電網(wǎng)故障的整個過程中，基于Crowbar動作分群的風(fēng)電場無功控制策略能發(fā)出較多無功功率，對風(fēng)電場出口母線HV＿A和中壓母線MV的電壓都有提高，并且有功功率也相對較高，有利于系統(tǒng)頻率平衡。該策略下充分利用了網(wǎng)側(cè)變流器的無功發(fā)生能力。從整個控制過程來看，故障前0．11 s發(fā)出的無功功率較之后要少，這是因為網(wǎng)側(cè)變流器的容量有限，在轉(zhuǎn)子過電流得到有效抑制后，應(yīng)及時投入轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制定子發(fā)出大量的無功功率，以支撐電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，提高風(fēng)電場的LVRT能力。

圖14 風(fēng)電場發(fā)出的無功功率

5 總結(jié)

本文提出一種基于Crowbar保護分群的風(fēng)電場無功控制策略。在建立具有差異化的風(fēng)電場模型基礎(chǔ)上，依據(jù)對Crowbar保護動作預(yù)判斷的結(jié)果對風(fēng)電場內(nèi)DFIG分群，針對不同機群的不同運行特性，采用不同的無功控制策略，提高風(fēng)電場的LVRT特性。本文的主要貢獻如下：

1）改進了DFIG網(wǎng)側(cè)變流器的控制，并驗證了該控制策略能有效提高其LVRT能力；

2）采用一種基于電壓跌落臨界值的方法對Crowbar保護動作情況進行預(yù)判斷，并根據(jù)預(yù)判斷結(jié)果對風(fēng)電場內(nèi)的DFIG進行同調(diào)分群；

3）針對不同機群的DFIG采用不同的無功控制策略。仿真算例表明，基于Crowbar保護動作分群的風(fēng)電場無功控制策略能有效提高風(fēng)電場的LVRT能力；

4）考慮風(fēng)電場內(nèi)機組的差異性，本文以Crow bar保護動作情況為判據(jù)，后續(xù)可研究更加能體現(xiàn)風(fēng)電機組運行特性的特征量對其進行同調(diào)分群。

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A Study on the Strategy for Reactive Power Control of theW ind Farm Based on the Clustering of the Crowbar Protection Action

ZHANG Hongyan，QING Zhiming，F(xiàn)UWang，ZHOU Fei
（Skills Training Center of State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 400053，P．R．China）

For the wind farm composed of DFIGs，this paper presents the strategy for reactive power control of the wind farm based on the clustering of the Crowbar protection action．By analyzing the characteristics of the LVRT of DFIGs during the period of the Crowbar protection action，the control of the grid side converter of DFIGs has been improved and the simulation has verified the effectiveness of the strategy．Considering the impactof the Crowbar pro tection action on the LVRT capability of thewind farm，italso introduces amethod based on the critical value of the voltage sag，to pre judge the situation of the Crowbar protection action，to implement the coherency clustering，and to adopt the LVRT control strategy and the reactive power control strategy based on the clustering of the Crowbar pro tection action according to different features of different generator groups．The simulation has verified that the reac tive power control strategy can effectively enhance the LVRT capability of the wind farm．

wind farm；DFIG；Crowbar protection；reactive power control

TM614

A

1008 8032（2017）03 0016 06

2016－11－03

該文獲重慶市電機工程學(xué)會2016年學(xué)術(shù)年會優(yōu)秀論文三等獎

張宏艷（1990－），助理工程師，主要從事電力營銷相關(guān)培訓(xùn)及研究工作。