／大唐洱源凤羽风电有限责任公司 周维宾／

风电双馈机组基于协同控制的低电压穿越策略研究

／大唐洱源凤羽风电有限责任公司 周维宾／

本文首先分析了作为目前国内主流机型的变速恒频双馈风力发电机组在实现低电压穿越功能上采用的转子撬棒（Crowbar）和直流卸荷电路（Chopper）两种方案的原理和优缺点。随后提出了协同控制的策略，根据风电机组的不同工况采用不同的控制方式，通过协调Crowbar和Chopper的动作来实现LVRT控制，同时提出了故障期间以单闭环取代传统双闭环模式的电机侧变流器控制策略，以提高系统的动态响应速度。最后通过Matlab/Simulink系统建模仿真、风场LVRT实测对波形进行对比分析，证明了该策略的有效性，并展望了该策略在今后加入故障穿越概念后的进一步优化空间。

风力发电；双馈发电机；低电压穿越；协同控制

0 引言

近年来，随着国内风力发电装机容量不断加大，其间歇性、不稳定性的固有缺点对电网产生的消极影响也被越来越多地提及。国标GB/T 19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》的颁布，标志着风电设备供应商在设计制造过程中，必须考虑风电场在电能质量、耐受电压频率波动以及低电压穿越方面的能力。在这些技术要求中，低电压穿越（Low-Voltage Ride Through， LVRT）能力相对而言较难实现，从而也成为了风电领域学术界讨论的热点之一。

双馈感应发电机（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）由于其转子和定子间的电磁关系，配套变流器仅需提供转差功率即可实现有功无功的解耦控制与最大风能跟踪，其高效率、低成本所带来的独特优势，使得它成为了国内风电市场的主流机型。然而，正是因为它使用了小容量的变流器，在电网电压跌落时将产生较大的暂态直流分量，进而导致转子电压电流、直流母线电压泵升，若不加任何控制策略强行运行，极端情况下将会损毁变流器。因此，必须增加相应的硬件设备配置控制策略，才能实现对DFIG在电网故障状态下的不间断运行，并对电网进行一定的无功支撑。

目前，有两种主流的应对方案，分别是利用转子撬棒（Crowbar）和直流卸荷电路（Chopper）。两种方案各自的优缺点将在下面章节进行阐述，针对这些问题，本文提出了一种同时采用Crowbar和Chopper，根据不同工况进行协同控制的解决方案，从而提高整机的稳定性，并在LVRT过程中调整控制策略，改善系统的动态响应时间以及加快电压恢复后的功率恢复时间。最后给出了Matlab/Simulink建模仿真结果与风场认证实测波形，证明了控制策略的有效性。

1 基于Crowbar的LVRT控制策略

Crowbar作为最早提出的LVRT保护设备，其有效性和可靠性已得到了验证[1]。它的工作原理非常简单，即通过在电网故障时刻短路发电机转子，来抑制能量倒灌入变流器，从而起到限制过压过流、实现故障不间断运行的效果。可分为被动型（Passive Crowbar）和主动型（Active Crowbar）两种。

典型的Passive Crowbar如图1所示，其拓扑一般由晶闸管、二极管等组件构成，属于最早期的方案之一。其控制策略就是在故障状态持续投入装置，故障结束后退出。由于晶闸管是一种“半控型”器件，因此无法有效迅速地控制装置的切出，一般这种方案仅作为保护装置使用，故障后需要重新并网，响应时间、无功支撑等根本无从谈起，难以实现国标的相关要求。另外，由于其在故障期间必须持续投入，在LVRT持续时间内双馈电机相当于作为鼠笼式异步电机接入电网，因此将会吸收大量无功，导致电网电压更加难以恢复[2]。所以目前此类设备基本已被弃用。

图1 典型的Passive Crowbar拓扑

典型的Active Crowbar如图2所示，与Passive Crowbar相比，其最大的改进是采用了IGBT、GTO等“全控型”器件代替原先的晶闸管，从而能够实现装置的快速投切，无需在整个故障时间内持续投入，控制更为灵活。但是即便如此，其投入期间短路转子，使得电机变为鼠笼式异步电机，大量吸无功的本质并未改变，因此绝不能长时间投入，否则将无法对电网进行必要的无功支撑。

图2 典型的Active Crowbar拓扑

2 基于Chopper的LVRT控制策略

典型的Chopper电路如图3所示，它直接并接于变流器直流母线上。该装置通过间接保护的方式进行工作，其原理如下：当电网电压发生跌落时，根据磁链守恒定则，定子绕组会感生一衰减直流磁链，该磁链交链转子绕组感生的转子电压瞬时升高，而变流器不足以提供如此高压，因此转子回路会产生很大的暂态冲击电流，为保护设备，通常将控制脉冲封锁，于是冲击电流会经IGBT 反向并联的大容量续流二极管导通，导致直流母线电压不断升高，若不加以控制，电力电容器将会因过压而击穿炸毁，因此必须通过Chopper进行卸荷[3]。

图3 典型的Chopper电路拓扑

控制策略上，一般通过斩波控制方式（即母线电压高于上限值即投入，恢复至下限值切出）抑制直流母线电压的泵升，起到保护设备的作用。

与Crowbar方案相比，Chopper方案的优势在于控制灵活，成本低廉，易改造，无须改变转子驱动链。但是缺点也十分明显，即容量有限，无法泄放大量能量，对于深度跌落和不对称跌落的工况较为无力，经常由于达到Chopper本身的温升限值而被迫切出。

3 协同控制策略

3.1 协同控制原理

前文的分析可知，基于Crowbar和Chopper的LVRT控制策略各有优劣，那么如果考虑将两者配合使用，并根据不同的工况进行控制策略调整，或许可以提高整个系统的低穿能力和稳定性。

图4为协同控制策略的变流器系统框图。

图4 协同控制变流器系统框图

根据电网电压跌落深度、平衡与不平衡跌落和电压跌落时刻机组的有功功率等外部条件将控制策略划分为以下三种：

（1） 严苛

这类工况一般为超同步状态、大功率、深度跌落、不平衡跌落。此时由于定子磁链暂态直流分量很大，将会产生较高的转子过压和过流，投入Chopper不足以卸荷，还可能会导致Chopper回路电阻温度突升，加速老化甚至烧毁的问题。因此，可以考虑在电压跌落发生时刻不使能Chopper，强制切入Crowbar一小段时间，使得系统能避开最剧烈的动态过程，然后马上切出Crowbar，同时使能Chopper控制、开通电机侧变流器控制无功支撑，以满足故障期间的容性无功要求。

（2）适中

这类工况一般为接近同步速状态、中等功率、中等跌落深度、平衡跌落。此时转子瞬时过压过流并不太剧烈，无需强制切入Crowbar，在整个故障过程中可以用Chopper来实现直流母线过压的保护，同时开通电机侧变流器控制无功支撑，发出容性无功。

（3） 轻度

这类工况一般为亚同步状态、低功率、低跌落深度、平衡跌落。此时转子瞬时仅有轻微的过压过流，可以不使能Crowbar、Chopper投切，正常使能无功功率控制，同时通过微调控制器的参数以改善动态响应。

采用这种互相配合协同的控制策略后，Crowbar和Chopper的优势得到了充分利用，又有效弥补了各自的缺陷，从而减少了整个系统的失控时间，提高了系统的相应时间和稳定性。

3.2 电机侧变流器动态响应控制

传统的电机侧变流器控制策略如图5所示，一般是采用基于定子磁链定向的电压电流双闭环的控制方式[4]。但这种控制方式的缺点在于动态性能较弱，这就体现在电压跌落后，系统无法尽快地通过转子励磁控制发出容性无功支撑电网，使得故障恢复时间变长。为了解决此问题，可以在故障期间采用单环控制的方式替代正常运行时的双闭环方式，即在LVRT期间去掉功率外环的控制，直接给定转子电流有功分量Ird和无功分量Irq。这样可以加快系统动态响应时间，在最短的时间内发出容性无功支撑电网，在故障恢复后在切回双闭环模式，继续执行有功功率加载。

图5 电机侧变流器控制策略

4 仿真与实测结果

4.1 Matlab/Simulink系统建模仿真结果

笔者根据图4所示系统配置搭建了2MW双馈风电机组LVRT控制模型。

通过电抗器分压的电网短路装置，执行了额定功率（以2MW进行标幺）运行下75%跌落幅度（三相平衡）、50%跌落幅度（三相不平衡）和20%跌落幅度（三相平衡）三种工况的电压跌落，仿真得出系统有功无功功率波形如图6～8所示。

图6 仿真电压跌落至75%（三相平衡）

图7 仿真电压跌落至50% （三相不平衡）

图8 仿真电压跌落至20% （三相平衡）

从仿真结果可知，这种协同控制的方式理论上可以实现各种工况下的LVRT控制，同时相应速度快，能够及时进行必要的无功支撑，并能在故障结束后迅速恢复正常运行。

4.2 1.25MW双馈风电变流器风场实测实验结果

笔者将此控制策略应用于2MW风力发电变流器机型中，并于风场进行了LVRT实测，实验设备采中国电科院的标准电抗器分压模式的模拟跌落装置进行，测得4.1三种工况下的波形如图9～11所示。

图9 实测电压跌落至75%（三相平衡）

图10 实测电压跌落至50% （三相不平衡）

图11 实测电压跌落至20%（三相平衡）

5 结束语

经过波形拟合对比分析，发现仿真结果和实测波形基本一致，误差带保持在可接受范围内，证明这种协同控制的策略可以满足LVRT相关的技术要求，同时拥有较快的动态响应速度。另外，目前国内仍处于理论研究阶段的高电压穿越、频率穿越（与低电压穿越一起并称为“故障穿越”），今后国家可能会提出新的技术要求，而这种Crowbar和Chopper相结合的结构可以在满足新指标的同时尽可能减少二次改造所带来的不便，或将成为双馈式机型的标准配置之一。

[1]赵静. 双馈异步风力发电机低电压穿越时的Crowbar保护技术[D].杭州：浙江大学，2010.

[2]胡娜. 基于CROWBAR电路的双馈风电机组低电压穿越控制策略研究[D].天津：河北工业大学，2010.

[3]唐浩，等. 考虑Chopper 动作的双馈风电机组三相短路电流分析[J].电力系统自动化，2015（2）.

[4]黎芹. 双馈风力发电机低电压穿越技术的研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.