齐桓若，刘其辉

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206）

随着能源问题的不断突出，世界范围内、尤其是我国，风力发电蓬勃发展[1-4]。双馈风力发电系统因其具有独立的有功、无功调节能力[5-6]，易于实现变速恒频发电，机侧变换器所需容量小等优点受到了业界的青睐，但正因为它机侧变换器容量小，也造成其对电网故障敏感、脆弱的特性[7]。当电网电压突然跌落时，定子侧电压跌落，而根据磁链守恒定律定子磁链不会突变，定子磁链不仅包含周期分量还有暂态直流分量，此暂态分量以定子时间常数衰减，其最大值与电网电压降落的大小和电压降落发生的时间有关。定子磁链暂态直流分量感生出反电动势暂态直流分量，它除了与电网电压降落的大小和电压降落发生的时间有关外，还与滑差率s成正比。由于双馈风力发电机（DFIG）运行时滑差率一般较小，故反电动势周期分量一般比较小。与此同时，由定子磁链周期分量感生出的反电动势暂态直流分量的幅值与（s-1）成正比，其大小远超过反电动势周期分量。反电动势暂态与周期分量又分别作用于转子产生转子电流暂态和周期分量。由以上分析可知，转子电流中的暂态分量往往可以很大[8]。DFIG的机侧和网侧变流器是由电力电子器件组成的，过流对他们造成的损害是毁灭性的，因此低电压穿越一直是双馈风力发电重点研究课题之一。电网电压跌落对DFIG的影响不仅仅是转子电流升高。由于电网电压较低网侧变流器功率输送不出去，会引起直流母线过电压，进而可能引起直流环节电容被损毁。除了以上2点，风力机俘获的能量与发电机发出的功率不平衡还可能会引起转子转速的升高引发飞车危险。故成功的低电压穿越，需要满足转子侧变流器不过流，直流母线不过压以及转子转速不过限，只有这3方面都满足要求才称为实现了成功的低电压穿越[9-10]。

目前转子corwbar技术[11-12]是低穿的主流解决方案，即在检测到电网故障引起转子电流过高时，用电阻短接DFIG的转子并将机侧变流器旁路，为转子侧的浪涌电流提供一条大阻尼通道，这样可以有效地控制流过机侧变流器的电流不过限，避免烧毁机侧变流器的电力电子器件。也有研究提出chopper[13]解决方案，即在背靠背变流器的直流母线电容旁并联一个电阻，此电阻的通断由与其串联的IGBT控制，当直流母线电压过高，投入chopper来卸荷。

本文在PSCAD仿真平台上将crowbar与chopper共同纳入主电路拓扑结构中，通过理论分析与仿真发现chopper的加入不仅减小了电网电压波动过程中转子电流的振荡；另一方面chopper的加入大大提高了crowbar电阻阻值整定上限，可以有效减小定子无功功率振荡以及恢复过程的过渡时间。在crowbar与chopper配合的硬件电路基础之上，本文还提出低电压穿越过程中机侧变流器的无扰切换控制方法，最后通过仿真验证了这种方法可以大大减少crowbar投切次数与低穿过渡时间，并且控制实现较简单可行。

1 Crowbar与chopper配合的改进方式

Crowbar与chopper共同配合的DFIG主电路拓扑结构如图1所示[14-15]。

图1 crowbar与chopper共同配合的DFIG主电路拓扑结构Fig. 1 The main structure of the DFIG main circuit combined with crowbar and chopper

Crowbar的投切控制信号由采集到的转子电流信号决定，crowbar投切判据采用：当三相转子电流任意一相超过转子电流上限Irlimt+时，crowbar投入；当三相转子电流都不大于转子电流下限Irlimit-时，crowbar切出。Chopper的投切控制信号由采集到的直流母线电压决定，chopper投切判据为：当直流母线电压超过直流母线电压上限Ulimit+时投入；当直流母线电压不超过直流母线电压下限Ulimit-时切出。Irlimt+、Irlimit-与Ulimit+、Ulimit-分别为转子电流和直流母线电压的阈值，之所以大小不同是为了实现一定的延时，减少不必要的投切。通过控制crowbar与chopper的投切确保流过转子侧变流器的电流与直流母线电压不过限，两者分开控制，可以有效确保机侧变流器与直流侧电容的安全。

值得注意的是，转子电流的阈值与机侧变流器的额定电流有密切关系，若机侧变流器采用的IGBT容量大，则Irlimit可以相对大一些，这对减少crowbar的投切次数和过渡时间很有帮助，但会造成IGBT的资金投入较大。直流侧电压一般不允许超过额定电压Un的10%[16]，在仿真中将阈值设置为1.1Un。

仿真中双馈风力发电系统参数如表1所示。

表1 双馈风力发电系统参数Tab. 1 Parameters of the DFIG system

电压跌落后引发的一系列不良后果究其本质是由于能量不平衡引起的，单一crowbar只能提供一条能量泄流通道，而crowbar与chopper配合可以提供两条能量泄流通道，这必然会起到更好的效果[17]。Crowbar单独作用与crowbar、chopper配合作用的低电压穿越仿真结果如图2所示。图2中左、右曲线分别为crowbar单独作用与crowbar、chopper配合作用的仿真曲线。电网电压在8～8.625 s跌落80%，两种方案crowbar阻值相同都为0.3 Ω。从图中可以看到，crowbar单独作用与crowbar、chopper配合作用仿真结果的主要区别体现在直流母线电压上：crowbar、chopper配合作用的直流母线电压增量被可靠限制在额定电压的10%（即1.1 kV×1.1=1.21 kV）。其他结果基本相似。

chopper的加入，还可以大大减小电网电压恢复后的过渡时间与电网电压突变时的无功功率振荡。具体分析如下。

图2 crowbar单独作用与crowbar、chopper配合作用的低电压穿越仿真结果Fig. 2 Simulation results of LVRT under the use of the single crowbar and the crowbar cooperated with chopper

许多文献致力于研究crowbar阻值R整定问题，如文献[18-19]，研究普遍认为若R值太小，对转子电流的阻尼作用不够明显，将大大延长crowbar的投入时间。因此R值越大越有利于快速有效的低穿。但是，若R值过大，电压突变时较大的转子电流流过crowbar将产生很大的电压降落，这部分电压同时加在了变流器与直流环节上，过大的电压可能会引起网侧变流器与直流母线电容的损毁。Crowbar与chopper配合的低穿方式可以大大提高crowbar阻值整定上限，当直流母线电压超过了设定值后，chopper投入卸荷，可以有效保护网侧变流器与直流母线电容不过压。

在Crowbar投入期间机侧变流器被电阻短接，DFIG相当于一个异步电机，crowbar阻值较大等效于转子电阻大，提高了转子侧的功率因数，减少了定子无功需求，这对减弱定子无功的震荡也有积极作用。

crowbar与chopper配合作用下不同crowbar阻值（左侧曲线为0.3 Ω、右侧1 Ω）的低穿仿真结果如图3所示。电网电压在8.000～8.625 s跌落80%。参考文献[5]中crowbar阻值整定方程与仿真用双馈风力发电系统参数，单独crowbar作用时R值上限为0.3 Ω，而图3仿真结果表明，加入chopper后crowbar阻值增大，并且随着crowbar阻值的增大，故障时crowbar投入时间减短、投切次数减少、转子电流波动减小、电网电压突变时定子无功冲击也减小，直流母线电压并没有随crowbar阻值增大而升高。

有了chopper的配合，crowbar的阻值理论上可以无限增大，且阻值越大效果越好。但实际仿真中发现，当crowbar阻值增大到一定程度后，投切次数不减反增，这是由于每一次crowbar的投切，相当于单刀双掷开关在电阻与变流器之间切换，必然会引起过渡过程，当电阻过大时，切换的扰动过大，反而会引起过渡过程加剧、过度时间增长不利于低电压穿越。故即使有了chopper的配合，crowbar阻值也不能无限增大。

图3 Crowbar与chopper配合作用下不同crowbar阻值的低穿仿真结果Fig. 3 Simulation results of the LVRT under different resistances under the use of the crowbar together with chopper

2 电网电压跌落时机侧变流器无扰切换控制策略

低电压穿越过程中，crowbar投入时机侧变流器被短接，故有观点认为此时机侧变流器的控制策略不会影响低穿过程也不用做改变（简称为方案1）。还有一种观点认为，电网电压跌落导致发电机发出的有功功率无法输送到电网，此时令发电机有功指令为0（简称为方案2）可以减弱因功率不平衡引起的振荡。方案1忽略了在机侧变流器被短路时，其功率环中PI控制器仍在运算，实际功率与功率指令的较大差值可能引起PI控制器的饱和，导致crowbar切除、机侧变流器重新投入电路后短时间内变流器不能对功率进行有效的控制。方案2忽略了有功指令突变为0引起的变动又成为一个潜在扰动增强了过渡过程、增加了过渡时间。基于以上分析，本文提出电网电压跌落时机侧变流器无扰切换控制策略（简称为方案3），即在检测到电网电压跌落时，令机侧变流器的有功指令和无功指令分别取其有功功率、无功功率实际值，这样避免了功率指令值与实际值悬殊引起的PI控制器的饱和，在故障切除后可以快速有效地对功率实现再控制[20-21]。电网电压跌落时机侧变流器无扰切换控制框图如图4所示。电网电压在8.000～8.625 s跌落80%并且采用crowbar与chopper配合的硬件措施，3种方案的低穿仿真结果如图5所示。图5中曲线从上而下依次为方案1、2、3的仿真结果，Ⅰ为电压跌落时刻、Ⅱ为电压恢复时刻、Ⅲ为方案1过渡过程结束（即crowbar与chopper均不再投入）时刻、Ⅳ为方案2过渡过程结束时刻、Ⅴ为方案3过渡过程结束时刻。从图中可以看出，方案3在机侧变流器不过流、直流母线电压不过压、转子转速不过限的基础上大大减少了crowbar的投切次数和过渡时间，减小了转速的波动，这有利于风电机组实现快速有效的低电压穿越，仿真结果证明了机侧变流器无扰切换的改进控制方法的有效性与优越性。

图4 低电压穿越无扰切换DFIG控制框图Fig. 4 The control block diagram of the non-disturbing LVRT switching of DFIGs

图5 3种方案的低穿仿真结果Fig. 5 Simulation g results of the three LVRT strategies

3 结论

本文通过理论分析与仿真验证发现crowbar与chopper 配合的低电压穿越方法可以大大提高crowbar阻值整定的上限，进而减小转子电流与定子无功功率的波动，减少电压恢复后的过渡时间。在crowbar与chopper共同作用的硬件电路基础之上，配合本文提出的无扰切换的控制策略，可以快速、有效地实现低电压穿越。

[1] 申宽育. 中国的风能资源与风力发电[J]. 西北水电，2010（1）: 76-81.SHEN Kuanyu. Wind energy resources and wind power generation in China[J]. Northwest Hydropower，2010（1）:76-81（in Chinese）.

[2] 陈达，张玮. 风能利用和研究综述[J]. 节能技术，2007，25（4）: 339-359.CHEN Da，ZHANG Wei. Exploitation and research on wind energy[J]. Energy Conservation Technology，2007，25（4）: 339-359（in Chinese）.

[3] 张国伟，龚光彩，吴治. 风能利用的现状及展望[J]. 节能技术，2007，25（1）: 71-76.ZHANG Guowei，GONG Guangcai，WU Zhi. State of art and prospects on wind energy[J]. Energy Conservation Technology，2007，25（1）: 71-76（in Chinese）.

[4] 段黎萍. 风能领域的主要竞争者的技术竞争战略分析[J].节能技术，2008，26（6）: 550-553.DUAN Liping. Analysis of the technical competitive strategy of main competitors in the field of wind power[J].Energy Conservation Technology，2008，26（6）: 550-553（in Chinese）.

[5] 陈虎，孟克其劳，马建光. 基于MATLAB的风力发电机组建模和仿真研究[J]. 节能技术，2012，30（1）: 24-28.CHEN Hu，MENG Keqilao，MA Jianguang. The modeling and simulation study of wind turbine based on MATLAB[J].Energy Conservation Technology，2012，30（1）: 24-28（in Chinese）.

[6] 张华强，关柏利，王立国，等. 交流励磁变速恒频风力发电系统控制策略研究[J]. 节能技术，2004，22（4）: 13-15.ZHANG Huaqiang，GUAN Baili，WANG Liguo，et al.Investigation of control strategies for AC magnetism variable speed constant frequency wind power system[J].Energy Conservation Technology，2004，22（4）: 13-15（in Chinese）.

[7] 蒋雪冬，赵舫. 应对电网电压骤降的双馈感应风力发电机Crowbar控制策略[J]. 电网技术，2008，32（12）: 84-89.JIANG Xuedong，ZHAO Fang. Crowbar control strategy for doubly fed induction generator of wind farm during power grid voltage dips[J]. Power System Technology，2008，32（12）: 84-89（in Chinese）.

[8] 熊小伏，欧阳金鑫. 电网短路时双馈感应发电机转子电流的分析与计算[J]. 中国电机工程学报，2012，32（28）:114-121.XIONG Xiaofu，OUYANG Jinxin. Analysis and calculation of rotor currents for doubly-fed induction generators under short circuits in power grids[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering，2012，32（28）: 114-121（in Chinese）.

[9] 吴博，杨明玉，赵高帅. 含双馈风力发电机的配电网故障计算[J]. 陕西电力，2011，39（10）：32-36.EU Bo，YANG Mingyu，ZHAO Gaoshuai. Fault calculation for distributed network containing DFIG wind generation farm[J]. Shaanxi Electric Power，2011，39（10）：32-36（in Chinese）.

[10] 蔡彦涛，杨俊华，杨梦丽，等. 基于并网型双馈感应发电机的风电场暂态稳定性研究[J]. 陕西电力，2011，39（6）：6-11.CAI Yantao，YANG Junhua，YANG Menglli，et al. Study on transient stability of grid-connected wind farm with doubly fed induction generator[J]. Shaanxi Electric Power，2011，39（6）：6-11（in Chinese）.

[11] MORREN J，DE HAAN S W H. Short-circuit current of wind turbine with doubly fed induction generator[J].Energy Conversion，IEEE Transactions on，2007，22（1）:174-180.

[12] MORREN J，DE HAAN S W H. Ridethrough of wind turbines with doubly-fed induction generator during a voltage dip[J]. Energy Conversion，IEEE Transactions on，2005，22（2）: 435-441.

[13] ERLICH I，WREDE H，FELTES C. Dynamic behavior id DFIG-based wind turbines during grid faults[C]. 2007.

[14] 张兴，张龙云，杨淑英，等. 风力发电低电压穿越技术综述[J]. 电力系统及其自动化学报，2008，20（2）：1-8.ZHANG Xing，ZHANG Longyun，YANG Shuying，et al.Low voltage ride-through technologies in wind turbine gneration[J]. Proceedings of the Csu-Epsa，2008，20（2）:1-8（in Chinese）.

[15] 艾斯卡尔，朱永利，唐彬伟. 组合保护下双馈风力发电机组低电压穿越能力的分析[J]. 低压电器，2013（8）:31-35.AISIKAER，ZHU Yongli，TANG Binwei. Simulation and analysis of low voltage ride through capability of doubly fed induction generation with combined protection strategy[J]. Low Voltage Apparatus，2013（8）: 31-35 （in Chinese）.

[16] 朱晓东，石磊，陈宁，等. 考虑crowbar阻值和退出时间的双馈风电机组低电压穿越[J]. 电力系统自动化，2010，34（18）: 84-89.ZHU Xiaodong，SHI Lei，CHEN Ning，et al. An analysis on low voltage ride through of wind turbine driven doubly fed induction generator with different resistances and quitting time of crowbar[J]. Automation of Electric Power Systems，2010，34（18）: 84-89（in Chinese）.

[17] 杜宝星，刘观起，杨玉新. 基于组合保护方案提高DFIG低电压穿越能力的仿真分析[J]. 陕西电力，2012，40（3）: 10-14.DU Baoxing，LIU Guanqi，YANG Yuxin. Study on low voltage ride through capability for DFIG based on combination[J]. Shaanxi Electric Power，2012，40（3）: 10-14（in Chinese）.

[18] 栗然，王倩，卢云，等. Crowbar阻值对双馈感应发电机低电压穿越特性的影响[J]. 电力自动化设备，2014，34（4）: 101-107.LI Ran，WANG Qian，LU Yun，et al. Impact of crowbar resistance on low voltage ride through of DFIG[J]. Electric Power Automation Equipment，2014，34（4）: 101-107（in Chinese）.

[19] 杜强，张惠娟，张同庆. 双馈风力发电机组撬棒电路保护技术的研究[J]. 电力电子技术，2011，45（8）: 48-92.DU Qiang，ZHANG Huijuan，ZHANG Tongqing. Crowbar circuit protection technology of doubly-fed induction generators[J]. Power Electronics Technology，2011，45（8）:48-92（in Chinese）.

[20] 刘代刚，罗永皓，云蕾，等. 基于PSCAD的2 MW双馈风力发电机组低电压穿越能力研究[J]. 陕西电力，2011，39（11）.LIU Daigang，LUO Yonghao，YUN Lei，et al. Research on low voltage ride-through capability of 2 MW doubly fed wind turbine[J]. Shaanxi Electric Power，2011，39（11）（in Chinese）.

[21] 饶成诚，王海云，周静，等. 基于模糊PI控制器的风电机组动态稳定性分析[J]. 陕西电力，2013，41（3）:18-22.RAO Chengcheng，WANG Haiyun，ZHOU Jing，et al.Dynamic analysis of wind turbines based on fuzzy PI controller[J]. Shaanxi Electric Power，2013，41（3）: 18-22（in Chinese）.