韩华玲，魏磊，葛路明，贾宏刚，周邺飞，孙川永

（1.中国电力科学研究院，江苏南京 210003；2.西北电网有限公司，陕西西安 710048）

随着风力发电技术的日趋成熟，风力发电得到了迅猛的发展，在电力能源中所占的比例越来越大。截至2011年底，我国风电装机并网容量突破6200万kW，且单一风电场规模呈现日益增加的趋势[1]。大规模风力发电并网对电网也带来了新的问题和挑战。由于大规模风电场一般直接接入输电网，电网对风电场的要求也由电能质量逐步扩展到电压调节、有功控制、安全稳定与调度等许多方面[2]。其中，电力系统存在各种扰动及故障，导致风电机组的特性与在正常情况下会存在一定差异，会对电网安全稳定产生影响。目前，由于具备有功和无功功率独立控制、可变速运行及励磁变流器容量较小等特点，双馈感应发电机（DFIG）已在兆瓦级并网风力发电机组中得到较为广泛的应用，如何进一步提高DFIG风电系统在电网异常或故障情况下的不间断运行能力也已成为当前研究的热点问题。综上，有必要分析电网不同故障下DFIG的运行特性，研究相应的应对措施，为大型风电场的运行控制提供参考。

目前，国内外对电网发生故障情况时电网所受风电场的影响进行了大量的研究。文献[3-5]从不同角度分析建立了DFIG的动态模型，并分析了DFIG的不同控制策略。文献[6]对不同电压跌落水平的DFIG运行特性进行了仿真，但只对仿真波形进行了描述，并未进行深入分析。文献[2]重点研究了普通异步发电机与DFIG对系统短路电流的贡献，对风电机组的其他运行特性未做深入研究。对于DFIG的研究大多侧重于电机本身的控制策略方面，对电网不同故障下DFIG运行特性的分析较少。鉴于此，本文在DIgSILENT/PowerFactory下建立了DFIG模型，利用含风电场的WSCC三机九节点仿真系统，进行了电网不同故障情况下的一系列仿真，重点分析了电网不同故障情况下DFIG的运行特性，研究了风电场与电网之间的交互影响及相应的应对措施，为大规模风电接入电网的运行控制提供依据。

1 基于DIgSILENT/PowerFactory的DFIG模型

DFIG的基本结构如图1所示，DFIG的定子直接接入电网，转子通过双PWM变流器与电网相连[7]。

图1 DFIG的基本结构Fig.1 Basic structure of doubly fed induction generator

利用DIgSILENT/PowerFactory中的DSL（Dynamic Simulation Language）建立DFIG的仿真模型，包括风力机模型(风速模块，空气动力学模快，桨距角控制模块，传动系统模块)，转子侧变流器控制模型（功率外环控制模块，电流内环控制模块，MPT控制模块），网侧变流器控制模型（电压外环控制模块，电流内环控制模块）以及保护模型（过电压保护，Crowbar保护）。其中，转子侧变流器控制采用传统的定子磁链定向的矢量控制方法，实现DFIG的有功无功解耦控制，最大风能捕获和定子无功功率调节。网侧变流器采用Udc-Q控制方式，在实现能量双向流动的同时，控制着直流母线电压的稳定，并调节网侧的功率因数。

桨距角控制器基本原理如图2所示。桨距角在不同情况下采用不同的策略，在风速低于额定风速时，桨距角控制用于风电机组功率的寻优，已获得最大风功率；在风速超过风速限值，或者功率超过额定功率时，桨距角控制器动作，调节桨距角以限制风力机的出力，将功率限制在恒功率区，维持风力机的安全运行。由于桨距角控制器类似于同步发电机的快关气门功能，可用于电网故障时风电场的稳定控制。

当电网发生暂态扰动，暂态过程中的过电流将很容易烧坏DFIG变流器。当要求风电机组具备故障穿越能力或低电压穿越能力时，此时将采用转子短路器保护（Crowbar Protection），在转子侧电流超过设定值时，旁路DFIG转子回路，保护变流器不被过电流损坏。

2 电网不同故障时的仿真分析

电压跌落是电网中最为常见的故障之一，引起电压跌落的故障类型包括单相接地故障、两相接地故障、相间故障和三相故障等。其中，单相接地故障占故障类型的70%，两相接地故障占到15%，相间故障占到10%，三相故障占到5%。上述故障类型还可以分为对称故障和不对称故障，大部分电压跌落故障属于不对称故障。一般情况下，系统故障以三相短路故障时电压跌落最为严重。本文针对在三相短路故障和单相短路故障情况下，DFIG的运行特性进行仿真分析，验证其控制策略和保护措施的有效性。仿真系统如图3所示，50 MW风电场接入WSCC三机九节点系统。

图2 桨距角控制器的框图Fig.2 Block diagram of blade angle controller

2.1 三相短路故障仿真分析

风速为14 m/s，故障前，风电场出力为45 MW。1 s风电场并网点母线PCC发生三相短路故障，短路接地阻抗为0，1.2 s故障清除，仿真时间5 s，Crowbar电阻和电抗均为0.1 pu，Crowbar在1.005 s时投入，1.509 s时退出运行。仿真波形如图4所示。仿真分析如下：

1）在故障发生瞬间，由于电压瞬间跌落造成发电机端电压突变，而定子磁链不能随定子端电压突变，从而产生直流分量并衰减，使得发电机电磁转矩减小。由于风速没有变化，风力机机械转矩不能突变，只能逐渐减少，转矩的不平衡导致风力机转速增大，见图4（a），当转速增加到超过给定值时，通过变桨距机构增大桨距角来限制气动功率捕获，降低输入机械转矩，限制转速增加。最终随着电压的恢复，风力机的转速和桨距角又逐渐恢复到初始值。

2）图4（c）、（d）分别为风电场定子侧、网侧变流器输出的有功功率和无功功率变化曲线。故障瞬间由于定子电压跌落至0，转子转速增大，产生较大滑差，感生较大转子电势并产生较大转子电流。为了弥补转子电流的增加，转子侧变流器增加了转子电压的参考值，所以通过变流器注入电网的功率将会激增。同时，并网母线的电压在故障瞬间跌至0，网侧变流器无法输送所有功率到电网。网侧控制器的直流电压将很快达到其限值，余下的有功将会对电容充电，直流侧电容电压激增。

图3 仿真系统Fig.3 Simulation system

图4 三相短路仿真分析Fig.4 Simulation waveform of three-phase short circuit

3）电压跌落产生的过电流导致转子励磁变流器直流侧电压升高，会损害变流器，过电压则会损坏发电机转子绕组，必须采用过电压过电流保护措施。当其中一个监测变量，超过设定值，保护系统激活，Crowbar动作，旁路转子侧变流器，转子绕组相当于经过电阻短路，这时转子侧变流器的有功无功解耦控制作用消失。同时，在Crowbar动作瞬间，电容器开始放电，网侧变流器控制电容电压至其参考值。双馈电机完全失去了励磁控制，转子变流器电压输出为0，相当于普通异步发电机运行。

4）1.2 s故障清除瞬间，定子电压开始恢复，有功功率和电磁转矩开始增加。随着电网电压和磁链的增加，转子电流和定子电流增加。注意到，当故障清除后，电压没有立即恢复，只是在故障清除后达到某一个低于其额定值的电压值，在Crowbar断开后，才恢复到其额定值。这是因为故障清除Crowbar未断开时，DFIG依然以普通异步发电机运行，仍然需要吸收无功功率。此时，转子侧变流器不起作用，无法为发电机提供足够的无功功率进行励磁。这样，发电机只能从电网吸收无功功率，电网电压将很快恢复到额定值。当电网电压恢复到一定值时，Crowbar断开。机侧变流器开始发挥有功无功解耦控制的作用，电压快速恢复，发电机电流和电压恢复到故障前值。

2.2 单相短路故障仿真分析

仿真基于单机无穷大系统，即风电场接入无穷大电网。风电场风速为14 m/s，故障前，风电场出力为45 MW。0.1 s风电场并网点母线PCC发生a相短路故障，短路阻抗为0，0.2 s故障清除，仿真时间1 s，Crowbar电阻和电抗均为0.1 pu，Crowbar在0.105 s时投入，0.605 s时退出。仿真波形如图5所示。

仿真分析如下：

1）由图5单相短路故障仿真波形可以看出，从0.1 s故障发生到0.2 s故障清除期间，风电场定子侧a相电压为0，有短路冲击电流，风电场有功功率和无功功率输出出现较大波动，发电机d、q转子电流和转子三相电流不对称，故障对转速的影响较小，桨距角不变。对比图5（e）与图5（g），故障对定子侧功率输出的影响比对网侧变流器功率输出的影响大。

2）由于Crowbar是在转子上接入短路电阻，Crowbar投运期间，DFIG相当于鼠笼型异步机运行。在0.6 s左右，Crowbar退出运行后，电压、功率等才恢复到故障前的值。

3）由于电网电压的不对称跌落，故不仅存在正序分量也存在负序分量，负序分量在网侧变换器的控制中，表现为以电网角速度同步旋转的坐标系下的2倍频波动分量，而在转子侧变换器的控制中体现为电机的同步速旋转坐标系下的2倍频波动分量。以图5（f）风电场定子侧有功、无功功率波形的FFT分析为例，其中可见100 Hz左右的功率波动。

4）电网电压不平衡不但引起了三相交流电流的高度不平衡，易于发生过电流现象，而且造成了变换器输出有功、无功功率与直流环节电压的2倍电网频率（100 Hz）波动。其中直流电压的2倍频波动不仅会引起转子励磁电流谐波并影响转子侧变换器控制实施的准确性，且会对整个PWM励磁变频器构成过电压、过电流的危害，特别是影响直流母线电容的使用寿命，进而严重危及整个发电系统运行的稳定性和安全性。

图5 单相短路故障仿真分析Fig.5 Simulation analysis of single-phase short circuit

2.3 仿真结论

由于DFIG定子直接接入电网，电网故障将直接引起定子电流的变化，当发生短路故障时，电压发生不同程度的骤降，DFIG的定子侧会有很大的故障电流。由于定转子之间的强耦合，会产生很大的转子电流，又由于电压骤降使得电磁转矩减低，发电机转速增加，会使得双PWM传递的转差功率增大，引起转子回路过电压和过电流。由于DFIG的变流器容量较小，其对于风力发电系统的控制效果较小。因此，在研究相应的应对措施时应从转子侧变流器保护控制方面进行考虑，研究转子过电流、电容电压等的保护控制措施。

文中采用Crowbar电路配合双PWM变流器运行，可有效对变流器提供保护，但是在Crowbar退出运行时，会给系统带来暂态冲击，且在Crowbar投入运行期间，DFIG作为感应发电机运行，会从电网吸收大量无功使得电压进一步恶化。

3 保护措施建议

由于DFIG的定子直接与电网相连，当电网出现故障时，发电机转子极容易产生过电压和过电流，因此应采取有效措施避免电网故障时转子过电流问题，提高DFIG风电系统的故障穿越能力。目前对于电网故障下DFIG保护控制方案可分为两大类：一类是硬件方面，增加风电机组配置；一类是软件方面，研究改进变流器控制策略。

增加风电机组配置的保护控制方案主要有：

1）增加Crowbar电路；

2）转子侧串联电阻；

3）定子侧加装串联网侧变流器[8]；

4）网侧变流器带有卸载电阻；

5）增大直流侧电容；

6）在直流侧安装蓄电池、飞轮等储能装置。

改进变流器控制策略的保护控制方案主要有：

1）改进传统发电机数学模型；

2）针对故障期间定子磁链出现的负序和直流分量制定控制策略[9-13]；

3）采用现代控制理论中的H∞及μ-analysis方法设计全新的控制器[14]。

各种方法都存在优缺点，在制定保护方案的时候，有必要针对电网故障特点和严重程度，对各保护方案的应用范围和控制效果进行综合评估，选择最优方案，暂未见这方面的深入研究。例如，一般而言，只有在故障较为严重时考虑使用Crowbar保护，在故障相对不严重时，采用改进变流器控制策略或增大电容储能的保护控制方案。

4 结论

通过国家“863”科技项目《电网友好型新能源发电关键技术及示范应用》的研究工作，本文在DIgSILENT/PowerFactory下建立了DFIG模型，利用含风电场的IEEE三机九节点仿真系统，进行了电网三相短路故障和单相短路故障的仿真，重点分析了电网不同故障情况下DFIG的运行特性，研究了风电场与电网之间的交互影响及相应的应对措施，为大规模风电接入电网的运行控制提供了依据。

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