第５１卷第２期 电力电子技术 Ｖｏ１．５１，Ｎｏ．２ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１７ 双馈机组低电压穿越控制策略改进 朱 玲 ，文一宇 ，付 昂 ，苏秀娥 （１．国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京２１１１０６；２．国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆４０１１２３） 摘要：双馈感应电机（ＤＦＩＧ）是目前存量风场和新建风场的主要机型，由于发电机与电网之间存在强耦合，ＤＦＩＧ 在电网发生低电压故障时由于电机磁链畸变导致定转子过压过流严重。为实现机组低电压穿越（ＬＶＲＴ），讨论 了外部电压骤降时ＤＦＩＧ风电系统的ＩⅣＲＴ控制策略和保护方案，重点讨论电网跌落期间快速无功支撑和电网 恢复后的功率恢复控制，仿真和实验结果表明配合Ｃｒｏｗｂａｒ而采用相应的变流器ＬＶＲＴ控制策略的方式，机网 侧变流器同时提供无功支撑，满足当前风电并网规范中的ＬＶＲＴ要求。 关键词：双馈感应电机；低电压穿越；无功支撑 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１７）０２—００３３—０３ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ＬＶＲＴ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｙ Ｆｅｄ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ＺＨＵ Ｌｉｎｇ ，ＷＥＮ Ｙｉ－ｙｕ ，Ｆｕ Ａｎ ，ｓｕ Ｘｉｕ—ｅ （１．ＮＡＲＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，ＮａｎＪｉｎｇ ２１１１０６，Ｃｈ／ｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｙｐｅ ｉｓ ｔｈｅ ｄｏｕｂ￣ｆｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＤＦＩＧ）．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌｏｓｅ ｃｏ— ｕｐｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｉｒｄ，ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘ ｏｆ ＤＦＩＧ ｉｓ ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｐ ｈａｐｐｅｎ．Ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｉｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ（ＬＶＲＴ），ｔｈｅ ＬＶＲＴ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ＤＦＩＧ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｗｈｅｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｉｐ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｎ ｆａｓｔ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ＬＶＲＴ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｍａｔｃｈ ｔｈｅ ＬＶＲＴ ｒｅｑｕｉｒｍｅｎｔ ｏｆ ｗｉｎｄ ｇｒｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｔｏ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｉｄｅａ． ’ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｙ ｆｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｉｄｅ ｔｈｒｏｕｇｈ；ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｃｏｎｔｒｏｌ １ 引 言 安全。因此，电网故障时ＤＦＩＧ ＬＶＲＴ控制策略研 随着风电容量不断增加．风电场并网规程对 究的主要目标是保护变流器防止过压、过流损害， 风电机组的运行要求越来越多．例如要求具有外 同时在电网故障期间提供一定支撑作用，并在故 部故障下不间断运行能力和一定的频率、无功和 障消除后迅速恢复控制。电压骤降故障时，目前有 电压控制能力ｆ１１。对风电入网要求不断苛刻的背 效的办法是采用转子绕组快速短接保护装置 后是近年来我国风电飞速发展．大规模集中接入 （Ｃｒｏｗｂａｒ）并使转子侧变换器旁路和阻断【４＿ ，但对 导致了电网稳定性下降问题。仅上半年，我国西北 于相应的变流器ＬＶＲＴ控制。尤其是电网恢复后 电网已发生多次因风电场ＬＶＲＴ能力不足而导致 变流器的功率恢复控制，国内外报道较少。 的大面积电网事故。 这里讨论了基于Ｃｒｏｗｂａｒ装置的ＤＦＩＧ ＬＶＲＴ 作为目前风电主力机型的ＤＦＩＧ．其中最具挑 方案，并详细分析机侧和网侧协调控制方案．重点 战性的要求是ＤＦＩＧ在高压输电系统侧出现连续 讨论电网跌落期间快速无功支撑和电网恢复后的 对称或不对称短路故障时。都能保持与电网连接。 功率恢复控制，完成机组故障期间不脱网运行的 并向系统供电。因转子励磁变换器容量较小，只能 要求，并且在对称故障期间按规定速度提供对应 提供对发电系统的部分控制。故电网电压骤降时 的无功功率，以支撑电网尽快恢复。 必须关注转子侧变换器的过电流和随之而来的直 ２ 基于Ｃｒｏｗｂａｒ的ＬＶＲＴ控制方案 流环节过电压【 ］．以防止危害风电机组核心部件 ＤＦＩＧ ＬＶＲＴ控制方案硬件结构上采用易于工 程实现的Ｃｒｏｗｂａｒ辅助手段来实现。应对转子侧 定稿日期：２０１６—０６—２８ 变换器过电流采用Ｃｒｏｗｂａｒ短接转子端部并旁路 作者简介：朱 玲（１９８６一），女，江苏泰州人，研究生，工程 和阻断转子侧变换器。 师，研究方向为电力电子在新能源中的应用。 具备ＬＶＲＴ能力的ＤＦＩＧ变流器拓扑见图１。 ３３ 第５ｌ卷第２期 ２０１７年２月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．５１．Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１７ 网开关仍保持连接。此时，发电机定子保持并网而 电 网 转子侧保持开路，激磁电流由定子提供。故障进入 稳定状态后，Ｃｒｏｗｂａｒ被解除，变流器需要恢复控 制以提供无功支撑。这需要机网侧协同进行。网侧 变流器需率先恢复，机侧变流器延时后再允许控 制。故障结束后，当电网电压恢复正常，变流器控 制由无功支撑状态转入正常控制。整个期间机网 侧的脉冲由状态机使能，受系统故障、Ｃｒｏｗｂａｒ投 切状态、电网突变引起的过流信号封锁，即当 Ｃｒｏｗｂａｒ投入或电网突变引起的过流时（非正常情 图１ 配备Ｃｒｏｗｂａｒ和Ｃｈｏｐｐｅｒ的双馈机组系统结构 Ｆｉｇ．１ ＤＦＩＧ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ Ｃｒｏｗｂａｒ ａｎｄ Ｃｈｏｐｐｅｒ 双馈型风力发电变流器系统转子侧变换器和 网侧变换器均采用定子电压定向控制。当外部电 网故障引发定子端电压骤降时。有２种不同的保 护措施：对于转子侧变换器过电流，可采用 Ｃｒｏｗｂａｒ短接转子端部并旁路和阻断转子侧变换 器；对于直流过电压。可采用Ｃｈｏｐｐｅｒ电阻来快速 释放直流电容上的能量。 针对电网故障引发不同程度的定子电压骤降 给出以下双馈型风力发电变流器不间断运行的应 对策略【 】：较大的机端电压骤降，转子过电流不 可避免会导致Ｃｒｏｗｂａｒ整流桥过电压．Ｃｒｏｗｂａｒ电 阻应被激活投入避免大电流损害变换器功率器 件。此时，转子侧变换器被旁路且停止脉冲，网侧 变换器保持与电网连接以控制直流母线电压。待 Ｃｒｏｗｂａｒ整流桥电压下降后再切除Ｃｒｏｗｂａｒ电阻， 转子侧变换器随之恢复工作。若同时出现直流母 线过电压，转子及网侧变换器均将停止脉冲，直流 电容通过Ｃｈｏｐｐｅｒ电阻放电将直流电压减至一个 安全值。随后变换器重新投入工作。 ３机网改进控制 新的风电并网规范要求机组在故障解除后需 要立即恢复功率控制。同时，在对称故障期间需要 机组根据电压跌落程度提供相应的无功支撑。多 数文献都强调了在故障发生时的应对策略，而对 功率恢复和无功支持方面鲜有记述。针对其异于 变流器普通控制的特点，在此对功率恢复和无功 支持方面的机网侧协调控制进行详细分析。 电网正常期间．网侧变换器数学模型为： ｆ ｕｑ＝Ｒｉｑ＋Ｌｄｉｇ／ｄｔ＋ｅｏ￣Ｌｉｄ＋ｕｇ１ ，１、 Ｌ ｕａ＝Ｒｉ￣＋ＬｄｉＪｄｔ一∞上 。＋ｔｔｍ 、 机侧变换器数学模型为： ｆ ｒ’＝ ＋∞。１Ｌ Ｕ，ｌ（ｔｏｊ， ）＋Ｄ １ 击 ，，’、 Ｉ ＝ 一 电网故障期间。由于瞬间的机网侧变流器会因 过电流和Ｃｒｏｗｂａｒ的动作而闭锁脉冲，但定子并 ３４ 况下的过流），变流器封锁脉冲输出，当Ｃｒｏｗｂａｒ 切除且无过流时恢复脉冲输出：当发生系统故障 时，变流器封锁脉冲输出．同时将状态机的ＰＷＭ 指令写零，系统停机。控制状态图和变流器脉冲逻 辑管理图如图２。３所示。 图２低电压期间控制状态图 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔａｔｅ ｄｉａｇｒａｍ ｉｎ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｅｒｉｏｄ 暂态变化引 系统故障 Ｃｒｏｗｂａｒ投入起过流信号 图３低电压期间脉冲管理逻辑 Ｆｉｇ．３ Ｐｕｌｓｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｌｏｇｉｃ ｉｎ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｅｒｉｏｄ 无功支撑及ＬＶＲＴ恢复均涉及到网侧、转子侧 变流器的控制恢复。网侧的恢复相对简单，转子侧 脉冲的恢复较难实现。实现该功能时，需对当下状 态机网侧控制器（若分开）有统一的判定，即是否进 入或退出ＬＶＲＴ状态。若要进行控制，由网侧变换 器首先开动。利用正常状态控制策略即可，控制直 流链电压稳定，并视需要提供无功支撑。 待规定延时内获得网侧恢复成功的信号后， 机侧进行控制恢复。ＬＶＲＴ期间当机侧变流器需无 功支撑或ＬＶＲＴ结束时变流器功率恢复，机侧变 流器ＰＷＭ脉冲恢复则相当于转子并网，根据异 步电机数学模型，无论脉冲恢复或无功支撑，若达 到脉冲恢复瞬间转子、定子电量冲击最小，需满足 恢复脉冲瞬间转子侧变流器开口电压矢量等于当 时定子电压感应过来的转子电压矢量，于是得到 电机转子和电压ｄ轴初始值为： 双馈机组低电压穿越控制策略改进 （ 、／３）、／２（ｕＪ６９０）ｓ（ 也 ）／（Ｌｍ＋Ｌ。）（３） 式中：ｕ 为端电压当前值，￣ｇ－Ｔ－－电压定向到ｄ轴。 恢复时刻Ｃｈｏｐｐｅｒ电阻进行投切，Ｃｒｏｗｂａｒ电阻并 风电并网规范２０１１版［８］对机组无功响应速 未投入．减小功率损耗同时增强了放电电阻寿命。 平台采用３５ ｋＷ双馈电机，Ｒ１＝２８４．１ ｍＱ，Ｘ１＝ ７３４．８ ｍｆｔ，Ｒ￣＝８４８．４ ｍｆｔ， ２＝７３４．８ ｍ１），尺 １７．３４１ ４ Ｑ， 度提出了具体要求。双馈机型受电网电压幅值和 网侧电抗值影响，网侧变流器无功支撑能力有 限．较大容量无功支撑出力主要从机侧变流器实 现。然而机侧定子外环属于一阶滞后环节，响应 ３０．７８９ ５ Ｑ， ＝１ ３５０ Ｖ。动模实验采用短路电 抗器模拟电网跌落，实验波形如图６所示。可见， ＝无功支撑及电网恢复后的变流器恢复控制过程， 时间很难满足７５ ｍｓ，电网恢复时刻停止无功支 转子、定子电流过渡平稳，达到控制值速度快，符 撑也不及时，易造成定子短时过压。为解决此问 题．提出在转子电流内环加入无功电流的前馈， 该前馈由定子无功电流给定乘电机变比得到，如 图４所示。 图４转子无功前馈框图 Ｆｉｇ．４ Ｒｏｔｏｒ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ 低电压结束恢复控制时功率给定需要按照当 前功率需求做斜坡给定曲线，曲线斜率应适中，满 足既能快速跟踪，又不带来波动或超调的要求。 ４仿真和实验 １．５ ＭＷ电机模型参数：定子电阻 ｌ＝２．４ ｍＱ， 定子电抗Ｘ ＝３４．９ ｍＱ，转子电阻 ：＝３．３ ｍＯ，转 子电抗Ｘ ＝２９．７ ｍＯ，激磁电阻 ＝Ｏ．０２２ ｎ，激磁 电抗 －１．００５ Ｑ，开口电压 ＝１ ９４５ Ｖ。图５为 转速１ ８００ ｒ／ｍｉｎ接近满载情况下电网电压跌落 至额定值３５％时仿真波形。图中， 为电网电压； ｉ。为定子电流；ｉ 为转子电流；ｉ 为网侧电流；ｕｓ为 直流电压；Ｕｏ为Ｃｒｏｗｂａｒ整流桥电压； 为Ｃｈｏｐｐｅｒ 动作标志。故障持续９２０ ｍｓ。 ｔ｛ｓ ｔｌｓ （ａ）网侧电压、电流及定、转子电流 （ｂ）直流电压及ｃｈＤｐｐｅｒ投切标志 图５仿真波形 Ｆｉｇ．５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅｆｏｒｌｎｓ 仿真结果表明，无功支撑及电网恢复初期转 子电流、定子电流过渡平稳，较快地恢复到跌落前 功率，符合恢复控制的要求。过程中仅电网跌落和 合控制恢复的要求。 图６无功支撑及有功恢复 Ｆｉｇ．６ Ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ５ 结 论 针对双馈型风电变流器配合主动式Ｃｒｏｗｂａｒ 和Ｃｈｏｐｐｅｒ装置重点讨论了低电压穿越期间变流 器网侧和机侧的协调控制及改进策略。通过仿真 和动模实验验证了低电压穿越期间无功支撑时机 侧转子内环增加电流前馈．可大大改善其动态响 应速度。机侧转子恢复脉冲时给定、转子电压初值 可有效减小定、转子电流冲击，过渡平稳。 参考文献 ［Ｉ】徐海亮，章伟，贺益康，等．双馈型风电机组低电压穿 越技术要点及展望［Ｊ】．电力系统自动化，２０１３，３７（２０）： ８—１３． 【２］李辉，廖勇，姚骏，等．不对称电网故障下双馈 风电机组低电压穿越方案比较研究［Ｊ１．重庆大学学报， ２０１１，３４（１１）：７７－８６． ［３】 李建林，许洪华．风力发电系统低电压运行技术［Ｍ】．北 京：机械工业出版社． ［４］徐殿国，王伟，陈宁．基于撬棒保护的双馈电机风 电场低电压穿越动态特性分析［Ｊ】．中国电机工程学报， ２０１０，３０（２２）：２９－３６． ［５】丁明，胡腾华，韩平平，等．基于Ｃｒｏｗｂａｒ的双馈风机 ＬＶＲＴ特性研究［Ｊ］．合肥工业大学学报，２０１３，３６（４）： ４１０－４１５． 【６】朱颖，李建林，赵斌．双馈型风力发电系统低电压 穿越策略仿真［Ｊ］．电力自动化设备，２０１０，３０（６）：２０—２４． ［７】蔚兰，陈国呈，宋小亮，等．一种双馈感应风力发电机 低电压穿越的控制策略【Ｊ］．电工技术学报，２０１０，２５（９）： １７０－１７５． ［８】ＧＢ／Ｔ１９９６３—２０１１．风电场接入电力系统技术规定． ３５