刘云，胡晓辉，刘亚丽，陈婷，刘会金

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384；2.武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072）

近年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的成熟，现代大型风电机组从恒速恒频发电方式过渡到变速恒频的灵活发电方式[1-3]。目前变速恒频发电机组有直驱式和双馈式2种。永磁直驱式风电机组通过全功率励磁变换器与电网连接，电网发生故障不会对永磁同步发电机产生直接影响；而对于双馈式异步发电机来说，由于其定子端直接与电网连接，易受电网电压波动的影响，其转子端与电网之间的励磁变换器由于只处理转差能量，该容量仅占双馈电机容量的1/3，故DFIG系统抵御电网电压跌落的能力很弱，甚至当电网电压跌落到一定数值而不采取任何措施的话，DFIG系统将会直接被电网切除[4-5]。但随着风电机组总装机容量不断变大，已不能无视风电机组与电网的交互影响，故双馈式风电机组的低电压穿越能力的研究愈发重要。

本文首先分析了电网电压跌落情况下的DFIG瞬态特性，然后提出了采用转子侧和直流母线侧Crowbar装置相配合的保护方案，最后在MATLAB仿真平台上搭建模型，并从理论仿真和现场实验测试2个方面对该方案进行验证。

1 电压跌落时风机的暂态过程分析

为了便于系统分析，需要建立不同坐标系下的DFIG数学模型，假设[6-7]：

1）电机三相绕组对称，在空间互差120°电角度，在气隙中产生正弦分布的磁动势；

2）忽略磁滞损耗、涡流损耗以及铁耗等；

3）忽略磁路的非线性饱和；

4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响，认为电阻值恒定。

根据以上假设，双馈电机在dq坐标系下的物理模型如图1所示。图中ω1为同步旋转角速度；下角标s、r代表定子和转子。

图1 两相同步旋转坐标系下中DFIG数学模型Fig.1 The mathematical model of the DFIG in dq synchronous rotating coordinates

同步旋转dq坐标系下，定转子电流与磁链矢量的关系式[8-10]：

假设发生三相对称故障之前电网处于理想状态，t0时刻发生三相短路故障导致电网电压骤降至零，则有：

因为暂态持续时间比较短，可以认为转子转速在暂态过程中保持不变，根据磁链守恒原理，可得：

式中，Ts为双馈电机定子时间常数；Tr为双馈电机转子时间常数。

将式（3）代入式（1），得到故障后的定子电流：

由式（4）可以分析出，在电压跌落过程中，定子绕组回路出现了衰减的暂态直流分量和暂态交流分量。由于定子暂态电感比较小，在电网电压骤降至零时，定子电流峰值将达到额定电流的几倍到十几倍，同样转子电流也会出现定子电流类似的变化趋势，这样会对发电机和励磁变换器造成损坏。

当电网电压跌落时，直流母线电压会升高，直流侧电容电压的表达式为：

2 低电压穿越方案

本文采用转子侧、直流侧Crowbar装置协调配合来对电网电压跌落时风电系统的转子侧和直流侧进行保护[11-12]。配置了交、直流Crowbar装置的DFIG系统基本电路图如2所示。

图2 配置了交、直流保护电路的DFIG系统Fig.2 Diagram of the DFIG system w ith the rotor side crowbar protection circuit and DC/AC side protection circuit equipped

可按如下思路设计转子侧保护电路：当转子电流或者定子电流分别超过各自的给定值时，应触发转子侧保护电路，同时也要闭锁转子侧变换器；而当转子电流或者定子电流都小于各自的给定值时，应闭锁转子侧保护电路，同时恢复转子侧变换器的触发。设计的转子侧保护电路模型图如3所示。

图3 转子侧保护电路模型Fig.3 M odel of the rotor side protection circuit

图3中定转子侧电流的给定值一般为故障时所允许的最大值（一般为1.5 pu），一旦测量值超过这个最大值，转子侧保护装置就会投入。转子侧保护电路的触发脉冲信号可以通过给定值与实际值相减，通过一个滞环环节形成。转子侧保护装置的触发脉冲经过非运算后再和原有的转子侧变换器的触发脉冲进行与运算形成了转子侧变换器的新脉冲信号。

直流侧保护电路的目的是将故障时的直流母线电压控制在一段安全区间内，一旦故障瞬间的直流母线电压超过Udc_max时，直流侧保护装置投入，故障期间直流母线电压小于Udc_min时，直流侧保护装置切除，整个过程中网侧变换器应正常工作。

按以上的设计思路得到的直流母线保护电路模型图如4所示。

图4 直流侧保护电路模型Fig.4 M odel of the DC side protection circuit

3 Crowbar保护装置的参数整定

根据Crowbar阻值选择所遵循的两个最主要的要求，首先投入Crowbar保护电路后，故障电流最大值应小于转子电流安全值Isufe，Isafe一般取2 pu，于是有[6]：

另一方面，为了避免投入Crowbar保护电路后，直流母线过电压，应满足：

由式（6）和（7）得Rcrow的最小值与最大值为：

4 仿真验证

在MATLAB中搭建仿真模型如图5所示，采用UP77/1500型风电机组，发电机定子端与0.69/35 kV变压器相连接，后通过30 km线路与35 kV/110 kV变压器相连接，最后与110 kV理想电压源连接。

图5 1.5 MW双馈风电系统仿真模型图Fig.5 The simulation model of the 5 MW DFIG w ind power system

风力机参数如下：切入风速为3 m/s，切出风速为35 m/s额定风速为11 m/s，叶片直径为77.36 m，齿轮箱变比为100.75。

双馈电机参数：额定容量1.5 MV·A，功率因数cos φ=0.9（滞后），频率50 Hz，额定电压0.69 kV，极对数为2，定子电阻为0.0054 pu，定子电抗0.10 pu，转子电阻0.00607 pu，转子电抗0.11 pu，励磁电抗3.1 pu，交直交变频器直流侧电容电压为1150 V。

转子侧Crowbar保护电路中电阻Rcrow为0.25 Ω，直流侧保护电路中电阻Rdc为2 Ω。故障时定转子电流最大值为1.5 pu。直流母线侧Udc_max为1250 V，Udc_min为1200 V。

4.1 理论仿真验证

假设故障前DFIG转速和定子输出功率均达到了额定值，系统稳定运行，在t=0.1 s时发生三相短路故障，使电压跌落至0.2 pu，0.625 s后故障切除。选取定转子电流dq轴电流幅值和直流母线电压这3个跟保护电路相关的暂态分量着重进行分析。两种情况下的这3个暂态分量波形如图6所示。

由图6暂态分量波形，可以看出，投入了保护装置后，定转子dq轴电流和直流母线电压均有了很明显的改善：直流母线电压故障时由1300 V降到了1260 V，第二次振荡的幅值在1200 V以下，达到了预期的结果。故障瞬间由于实际上Crowbar保护装置的启动并不是瞬时的，具有一定的延迟，此时转子电流的瞬间上升会直接导致直流母线在故障瞬间出现一个过电压，并且Crowbar装置启动后，转子侧变频器被闭锁，直流母线电容中积累的能量只能通过网侧变频器流入电网，阻碍了直流母线电容器的放电过程，不利于直流母线电压在故障期间的衰减，这正如图中所示，投入了保护装置后的直流母线电压在故障期间衰减比较慢，但是直流母线电压会更快的进入故障期间的稳态过程，不会经历多次振荡才恢复稳定值。投入了保护装置后，直流母线第一次振荡的最小值达到了1000 V，这是因为直流母线电容中过多的能量会流过延迟启动的Crowbar保护装置中的耗能电阻，这个过程是瞬时的，要小于Crowbar装置的判断再切除时间。

定转子dq轴电流幅值，因为有转子侧保护电路的投入，故障瞬间的幅值也由之前的2.5 pu降到了1.7 pu，并且振荡的范围也较之前的小了很多，在定转子电流达到了1.5 pu后，由于电流大小均在转子侧保护电路投入的阈值之内，故转子侧保护电路切除。

4.2 现场实验测试验证

以上仿真分析得出的结论证明了在理论上加装Crowbar电路提高DFIG低电压穿越能力是完全可行的。为了证实以上仿真分析结果的正确性以及在实际应用中可行性及可靠性，根据国家电网公司企业标准Q/GDW 392—2009《风电场接入电网技术规定》和IEC 61400—21：2008 Measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines中相关测试方法，对UP77/1500风电机组在内蒙古西大梁风电场现场进行低电压穿越测试。此实验的风电机组参数和Crowbar电路的参数与上面建模仿真时所建立的风电机组模型参数完全相同，Crowbar保护电路的控制过程如前文所述。测试结果由《国电联合动力UP1500型风电机组低电压穿越测试报告（摘录）》提供。

在电压跌落深度分别为90%、75%、50%、35%、20%情况下，针对功率0.1Pn0.9Pn2种工况下不同实验参数指标，在MATLAB仿真平台上对加入保护装置后的UP77/1500双馈式风力发电机组模型进行仿真。将所搭模型仿真波形与现场实验测试波形进行对比，结果如表1所示。

表1 现场实验与模型仿真对比结果Tab.1 Com parisons of the result of field test and model simulation

此处限于篇幅，仅给出电网三相对称电压跌落深度为20%，故障持续时间为622 ms的波形。图中各个波形均以标幺值标注，基准值分别取为Ur=35 kV，功率Pr=1.5 MW。

当电压跌落至20%，将图7与图8、图9与图10对比发现，模型仿真波形趋势与现场实验波形大相似。由对比结果表1可以看出，通过仿真平台搭建的仿真模型加入转子侧和直流侧crowbar后，建模仿真数据与现场低电压穿越测试所得数据误差很小，由此验证了按照上述控制策略在转子侧加装crowbar和直流侧加装chopper后，发生三相故障时，电网电压能够迅速恢复，风电机组可以实现未脱网连续运行，有功功率恢复满足国家电网公司企业标准Q/GDW 392—2009《风电场接入电网技术规定》要求。

图7 三相电压跌落，20%U n，0.1P n

5 结论

图9 三相电压跌落，20%U n，P>0.9P n现场测试波形Fig.9 Field test waveform of three-phase voltage dip（20%U n，P>0.9P n）

图10 三相电压跌落，20%U n，P>0.9P n仿真波形Fig.10 Simulation waveform of three-phase voltage dip（20%U n，P>0.9P n）

本文采用转子侧、直流侧Crowbar装置协调配合来对电网电压跌落时风电系统的转子侧和直流侧进行保护，分别对转子侧、直流侧Crowbar的保护方案进行了详细说明。通过对投入了Crowbar保护装置后的DFIG等效电路进行数学分析，粗略得到Crowbar阻值的选择范围。并通过电网三相对称电压跌落下加装保护装置前后仿真对比以及与现场实验测试结果对照，验证了该保护方案的有效性与控制策略的正确性，同时也说明了加装Crowbar保护装置不仅在理论上可以提高低电压穿越能力，在实际应用中也是完全可行的方法。

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