几种双馈式变速恒频风电机组低电压穿越技术对比分析

1 引言

并网风力发电是近十年来国际上发展速度最快的可再生能源技术。并网风力发电机与传统的并网发电设备最大的区别在于，其在电网故障期间并不能维持电网的电压和频率，这对电力系统的稳定性非常不利。电网故障是电网的一种非正常运行形式，主要有输电线路短路或断路，如三相对地，单相对地以及线间短路或断路等，它们会引起电网电压幅值的剧烈变化。

双馈式变速恒频风电机组是目前国内外风电机组的主流机型，其发电设备为双馈感应发电机，当出现电网故障时，现有的保护原则是将双馈感应发电机立即从电网中脱网以确保机组的安全。随着风电机组单机容量的不断增大和风电场规模的不断扩大，风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。人们越来越担心，一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网的话，将严重影响电力系统的运行稳定性。因此，随着接入电网的双馈感应发电机容量的不断增加，电网对其要求越来越高，通常情况下要求发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行（fault ride-through），并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是说，要求风电机组具有一定低电压穿越(low voltage ride-through)能力。为此，国际上已有一些新的电网运行规则被提出。例如：德国北部的电力公司(e.on netz公司)要求风电场能够在图1所示的电压范围内(即图中阴影区)不脱网运行[1][33]，电网电压跌落到15%以后风电机组不脱网运行时间须持续达300ms，当电网电压跌落低于曲线后才允许风电机组脱网。这里电压指的是风电场连接点的电压。而为英国部分地区供电的national grid电力公司则要求当高于200kv的输电线路发生故障时，所有并网运行的电站或风电场必须在140ms内保持不脱网运行[2]。另外苏格兰电力公司(scottish hydro-electric公司)对电网故障时电站或风电场不脱网运行也有类似的要求[3]。

图1 e.on netz公司对电网故障时风电场不脱网运行的电压范围要求[33]

为了提高风电机组的低电压穿越能力，必须针对当前主流风电机组中的双馈感应发电机的运行特点进行研究，研究它们在电网故障与故障恢复过程中的暂态行为，消除或减轻在不离网控制情况下可能引起的机组损害。许多文献[4-7]报道了在电网电压跌落情况下，风电机组中的双馈感应发电机会导致转子侧过流，同时转子侧电流的迅速增加会导致转子励磁变流器直流侧电压升高，发电机励磁变流器的电流以及有功和无功都会产生振荡。这是因为双馈感应发电机在电网电压瞬间跌落的情况下，定子磁链不能跟随定子端电压突变，从而会产生直流分量，由于积分量的减小，定子磁链几乎不发生变化，而转子继续旋转，会产生较大的滑差，这样便会引起转子绕组的过压、过流。如果电网出现的是不对称故障的话，会使转子过压与过流的现象更加严重，因为在定子电压中含有负序分量，而负序分量可以产生很高的滑差。过流会损坏转子励磁变流器，而过压会使发电机的转子绕组绝缘击穿。为了保护发电机励磁变流器，采用过压、过流保护措施势在必行。

为了保证电网故障时双馈感应发电机及其励磁变流器能安全不脱网运行，适应新电网运行规则的要求，国内外学术界和工程界对电网故障时双馈感应发电机的保护原理与控制策略进行了大量研究。据文献的报道，当前的低电压穿越技术一般有三种方案：一种是采用了转子短路保护技术（crowbar protection），二种是引入新型拓扑结构，三是采用合理的励磁控制算法。下面逐一分析介绍。

2 转子短路保护技术[8]

这是目前一些风电制造商采用得较多的方法，其在发电机转子侧装有crowbar电路，为转子侧电路提供旁路，在检测到电网系统故障出现电压跌落时，闭锁双馈感应发电机励磁变流器，同时投入转子回路的旁路（释能电阻）保护装置,达到通过励磁变流器的电流和转子绕组过电压的作用，以此来维持发电机不脱网运行（此时双馈感应发电机按感应电动机方式运行）。

目前比较典型的crowbar电路有如下几种：

(1) 混合桥型crowbar电路[9]，如图2所示，每个桥臂由控制器件和二极管串联而成。

图2 混合桥型crowbar

(2) igbt型crowbar电路[9]，如图3所示，每个桥臂由两个二极管串联，直流侧串入一个igbt器件和一个吸收电阻。

图3 igbt型crowbar

(3) 带有旁路电阻的crowbar电路[10]，如图4所示，出现电网电压跌落时，通过功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中，这就为电网故障期间所产生的大电流提

供了一个旁路，从而达到大电流，保护励磁变流器的作用。

图4 旁路电阻型crowbar

励磁变流器在电网故障期间，与电网和转子绕组一直保持连接，因而在故障期间和

故障切除期间，双馈感应发电机都能与电网一起同步运行。当电网故障消除时，关

断功率开关，便可将旁路电阻切除，双馈感应发电机转入正常运行。

采用crowbar电路的转子短路保护技术存在这样一些缺点：首先，需要增加新的保

护装置从而增加了系统成本；另外，电网故障时，虽然励磁变流器和转子绕组得到了保护，但此时按感应电动机方式运行的机组将从系统中吸收大量的无功功率，这将导致电网电压稳定性的进一步恶化，而且传统的crowbar 保护电路的投切操作会对系统产生暂态冲击。文献[1]提出了改进方案，该方案与传统方案的区别在于：在转子短路保护电阻切除后，将转子电流控制指令设定为该时刻转子电流的实际值，从而防止由于转子电流控制器指令电流与实际电流不等而引起的暂态冲击。然后通过逐渐改变转子电流指令，实现转子电流控制器的软起动。在转子电流控制器的作用下发电机将逐步恢复到正常运行。这缓解了crowbar保护电路的投切操作对系统产生的暂态冲击，在一定程度上缩短了发电机低电压穿越的过渡时间。但该文献仅限于研究对称故障发电机不脱网运行，未讨论电网故障运行初始条件对不脱网运行效果的影响。

3 引入新型拓扑结构

除了上述典型crowbar技术的应用外，一些文献还提出了一些新型低压旁路系统，如图5、图6所示。

图 5 新型旁路系统

图6a) 并联连接网侧变流器

图6b) 串联连接网侧变流器

3.1 新型旁路系统[11-13]

如图5所示，这种结构与传统的软启动装置类似，在双馈感应发电机定子侧与电网间串联反并可控硅电路。在正常运行时，这些可控硅全部导通，在电网电压跌落与恢复期间，转子侧可能出现的最大电流随电压跌落的幅度的增大而增大，为了承受电网故障电压大跌落所引起的的转子侧大电流冲击，转子侧励磁变流器选用电流等级较高的大功率igbt器件，这样来保证变流器在电网故障时不与转子绕组断开时的安全。电网电压跌落再恢复时，转子侧最大电流可能会达到电压跌落前的几倍。因此，当电网电压跌落严重时，为了避免电压回升时系统在转子侧所产生的大电流，在电压回升以前，将双馈感应发电机通过反并可控硅电路与电网脱网。脱网以后，转子励磁变流器重新励磁双馈感应发电机，电压一旦回升到允许的范围之内，双馈感应发电机便能迅速地与电网达到同步。再通过开通反并可控硅电路使定子与电网连接。这样可以减小对igbt耐压、耐流的要求。对于短时间内能够接受大电流的igbt模块，可以减少双馈感应发电机的脱网运行时间。转子侧大功率馈入直流侧会导致直流侧电容电压的升高，而直流侧的耐压等级依赖于直流侧电容的大小，因此直流侧设计crowbar电路，在直流侧安装电阻来作吸收电路，将直流侧电压在允许范围内。

这种方式的不足之处是：该方案需要增加系统的成本和控制的复杂性。考虑到定子故障电流中的直流分量，需要可控硅器件能通过门极关断，这要求很大的门极负驱动电流，驱动电路太复杂。这里的可控硅串联电路如果采用穿透型igbt的话，igbt 必须串联二极管。而采用非穿透型igbt的话，通态损耗会很大。理论上，如果利用接触器来代替可控硅开关的话，虽通态时无损耗，但断开动作时间太长。而且由于该方案在输电系统故障时发电机脱网运行，因此对电网恢复正常运行起不到积极的支持作用。

3.2 串联连接变流器

通常双馈感应发电机的背靠背式励磁变流器采用如图6a)所示的与电网并联方式[13-16]，这意味着励磁变流器能向电网注入或吸收电流。为了提高系统的低电压穿越

能力，文献[17]提到了一种新的连接方式，即将变流器与电网进行串联连接，比如，变流器通过发电机定子端的串联变压器实现与电网串联连接，则双馈感应发电机定子端的电压为网侧电压和变流器输出的电压之和。这样便可以通过控制变流器的电压来控制定子磁链，有效的抑制由于电网电压跌落所造成的磁链振荡，从而阻止转子侧大电流的产生，减小系统受电网扰动的影响，达到强化电网的目的。但这种方式将增加系统许多成本，控制也比较复杂。

4 采用新的励磁控制策略

从制造成本的角度出发，最佳的办法是不改变系统硬件结构，而是通过修改控制策略来达到相同的低电压穿越效果：在电网故障时，使发电机能安全度越故障，同时变流器继续维持在安全工作状态。

文献[18]利用数值仿真的方法对电网三相对称故障时发电机不脱网运行的励磁控制进行了研究。研究结果表明，通过适当提高现有双馈感应发电机励磁控制器中pi 调节器的比例和积分系数，能够在一定范围内维持电网故障时发电机不脱网运行。然而该文献未对故障时发电机不脱网运行的范围进行详细地研究计算。该文献提出的方法仅适用于系统对称三相故障引起发电机母线电压轻微下降时保持发电机不脱网运行，当故障引起发电机母线电压严重下降时，励磁变流器将出现过电压和过电流。文献[19]则利用硬性负反馈的方式补偿发电机定子电压和磁链变化对有功、无功解耦控制性能的影响，该方案能够在一定程度上提高双馈感应发电机在输电系统故障时的运行特性，并能够在一定范围内发电机转子电流，保护转子励磁变流器。但该方案对转子电流的有效控制是在提高转子电压的前提下实现的，考虑到转子侧励磁变流器输出最大电压的，该方案仅适用于输电系统故障引起发电机电压轻度骤降的场合，对于引起发电机定子电压严重骤降的电网故障，该方案会由于转子侧励磁变流器无法提供足够高的励磁电压而失去对转子电流的控制。另外，文献[20]还建议充分利用发电机电网侧变流器在电网故障过程中对电网电压的支持作用，通过协调转子和电网侧变流器的控制提高电网故障时发电机不脱网运行的控制效果。文献[27-32] 提出了一种灭磁保护原理。在理解电网短路故障时发电机的暂态物理过程的基础上，提出了电网短路故障时双馈感应发电机不脱网运行的励磁控制策略。为保证故障期间双馈感应发电机励磁变频器安全运行，新的励磁控制策略针对故障过程中发电机内部电磁变量的暂态特点，控制发电机转子电流产生的磁链(故障暂态时该磁通只通过漏磁路径，是漏磁链)以抵消定子磁链中的“有害”暂态直流分量对转子侧的影响。

文献以仿真和小容量试验验证了该控制策略在电网对称故障下的正确性，并分析了各种因素对控制效果的影响。文献[32]对基于灭磁保护原理的励磁策略进行的深入分析表明，故障前初始条件（定子电压和转差率）对本控制策略的故障效果影响非常大，随着故障前定子电压的增加，转子电流可能无法控制在满足励磁变流器安全要求的最大暂态电流峰值之内，只有故障前初始条件处于可控运行范围内时，在故障励磁控制的作用下，发电机转子故障电流才能够控制在2.0pu的安全范围。

5 结束语

本文通过对国内外学术界和工程界在电网故障时双馈感应发电机的保护原理与控制策略进行研究分析，得出以下几点结论，为实际应用中具体设计提供参考。

(1) 电力系统要求双馈感应发电机能在电网故障时保持不脱网运行，并对电网稳定性提供支持。因此在导出发电机基本电磁关系的基础上，分析电网故障过程中发电机内部电磁变量的暂态变化过程，研究适应小值电网故障情况的新励磁控制策略，即出现不严重的电网故障时，电压跌落未严重到一定程度的情况下，通过一定的励磁控制方法，实现发电机和变流器安全度越短时低电压故障，而不必需要触发crowbar电路来进行发电机和变流器的保护。

(2) 在大值瞬态故障下一般需要使用crowbar这种短接保护措施来保护发电机和变流器。因crowbar电路触发后和电网故障恢复时，一般转子电压和电流会瞬态跳变，然后衰减。利用仿真工具分析比较目前各种crowbar电路的优劣，从成本，可靠性和可能达到的最佳性能指标，工作极端环境适应性等方面进行比较改进，优选出最佳方案，减小电压跌落情况下触发crowbar电路时转子暂态电流跳变幅度。

(3) 电网运行时经常出现的是不对称故障情况，当电网出现不对称故障时，会使过压、过流的现象更加严重，因为在定子电压中含有负序分量，而负序分量可以产生很高的滑差。然而目前严重故障下进行的研究大都是针对电网对称故障的情况，无法满足实际电网故障情况要求，不能实现工程实际应用。因此，考虑电网不对称故障下，发电机的控制模型和算法有待于进一步改进研究。

作者简介

臧晓笛女现为哈尔滨工业大学电机学院硕士研究生，研究方向为风力发电。

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