双馈风机低电压穿越技术综述

双馈风电低电压穿越技术综述

双馈异步式风机DFIG与其他机型相比, DFIG 在电压跌落期间面临的威胁最大。电压跌落出现的暂态转子过电流、过电压会损坏电力电子器件, 而电磁转矩的衰减也会导致转速的上升。

1 改进的矢量控制和鲁棒控制

在DFIG 运行控制中，传统的基于定子磁场定向或定子电压定向的矢量控制方法得到了广泛的应用。在这种控制方式下一般采用PI 调节器，实现有功、无功功率独立调节，并具有一定的抗干扰能力。但是当电网电压出现较大幅度的跌落时，PI 调节器容易出现输出饱和，难以回到有效调节状态，使电压下降和恢复之后的一段时间DFIG 实际上处于非闭环的失控状态。为了克服传统矢量控制的缺点，国内外学者提出了大量的改进控制策略，其中两种具有代表性：

向大为等人提出一种改进矢量控制策略，如图1所示。该方法针对对称及不对称故障下DFIG内部电磁变量的暂态特点，适当控制励磁电压，使之产生出与定子磁链暂态直流和负序分量相反的转子电流空间矢量及相应的漏磁场分量，通过所建立的转子漏磁场抵消定子磁链中的暂态直流和负序分量。如果将转子瞬态电流幅值控制在2.0 pu 以内，该方法能够实现电压骤降至30%的故障下DFIG 不脱网运行，而且故障运行期间DFIG 可基本不从电网吸收无功。该方法的优点是适用于各种类型的对称和不对称电网故障，缺点是RSC的全部容量都用来产生与定子磁链暂态分量相反的转子电流，控制效果受到变频器容量的限制。

Manoj R Rathi 等人提出一种基于H∞技术和 μ 分析方法设计的新型鲁棒控制器，如图2所示。其中GSC 检测直流母线电压和定子侧端电压幅值的变化，并产生相应的电流指令对它们进行补偿；RSC 则检测定子输出的有功和无功的变化，并通过转子电流指令的变化对它们进行补偿。这种鲁棒控制器的优点是降低了对系统参数变化的敏感性，即使在外部干扰和参数有误差的情况下仍能保持良好的控制效果。

图1 低电压穿越控制空间矢量图

图2 H∞控制器框图

虽然改进的矢量控制和鲁棒控制无需增加任何硬件设备，而是通过对GSC 和RSC 控制策略的改进使DFIG 实现LVRT，但其控制效果往往受到励磁变频器容量的限制，因而在一些严重故障下无法实现LVRT 运行，存在可行性区域的限制[8]。

2 定子侧方法

在采用硬件保护协助DFIG 低电压穿越的技术中，定子侧开关方法的基本思想是在电网电压下降期间采用定子并网开关（如图3所示）将DFIG定子从电网中暂时切除，直到电网电压恢复到一定程度时再重新并网。在定子切除期间，励磁变频器一直保持与电网连接，可利用GSC 向电网提供无功。这种方法的优点是可以避免电网电压的骤降和骤升对DFIG 的冲击，但是它并非真正意义上的不脱网运行，实际上由于GSC 的容量较小，对电网恢复的作用非常有限。

加拿大Janos Rajda 等人提出另一种风电机组LVRT 装置及其控制方法，该装置由一系列与双向交流开关并联的电阻阵列构成，连接在DFIG 定子与电网传输线之间，如图4所示。当电网电压正常时，所有交流开关导通；一旦检测到电网电压下降，则通过控制交流开关的触发角来调节整个装置的等效阻抗，DFIG 输出的电流流过该阻抗后将提高DFIG 定子端电压，从而保证DFIG 端电压在一定的数值之上。这种方法的优点是可以在电网电压跌落的情况下保持DFIG 与电网的联接，缺点是需要使用了大量大功率晶闸管，硬件成本较高，且电阻损耗大。

图3变速恒频双馈异步风力发电系统示意图

图4 低电压穿越用定子侧电阻阵列

C. Zhan 和P. S. Flannery 等人提出使用一个额外的电网侧串联变换器来提高DFIG 机组的LVRT能力，如图5所示。这种电网侧串联变换器具有以下几个功能：

（1）对故障电压进行补偿，保证DFIG 定子电压的稳定，相当于一台动态电压恢复器。

（2）调节DFIG 定子磁链并使之保持稳定，从而减小甚至消除定子电压突变引起的一系列暂态电磁现象，如电磁转矩和定、

转子电

流以及有功、无功功率的振荡。

（3）将DFIG 未能及时输出的能量通过直流母线环节输送到电网，防止直流母线电压过高。这种结构能实现零电压穿越，具有优良的LVRT 能力，是一种先进的LVRT 技术，但也存在成本高、控制复杂等问题。

图5 具有电网侧串联变换器的DFIG 系统

3 直流母线上方法

电网电压骤降之后，DFIG 的定、转子绕组中感生很大的故障电流，转子故障电流流过直流母线电容，引起直流母线电压的波动。又因为电网电压降低导致GSC 控制直流母线电压的能力减弱，不能及时将转子侧过剩的能量传递到电网上，可能导致直流母线电压快速泵升，危害直流母线电容安全。为此有必要使用直流Crowbar，利用电阻吸收转子侧多余的能量，防止直流母线电压过高，如图6(a)所示。直流Crowbar 可以将母线电压限制在一定的数值以下，但是对于由电网故障引起的直流母线电压降低则无能为力。

针对直流Crowbar 的上述缺点，C. Abbey 等人提出在电网电压跌落期间使用UPS（Uninterruptible Power Supply）

来维持直流母线电

压至一定数值，如图6b 所示。UPS 中的ESS （Energy StorageSystem）使用超级电容储能，其优点是既可以在直流母线电压过高的情况下吸收直流母线上能量，也可以在直流母线电压过低的情况下释放能量，从而可以维持直流母线电压在一定的范围之内。它主要的缺点是成本过高，限制了其大量应用。

直流Crowbar （b）带UPS 的直流Crowbar

图6 直流母线电容保护措施

4 转子侧方法

电网电压骤降时，为了保护励磁变频器，一种常用的办法是通过电阻短接转子绕组以旁路RSC，为转子侧的浪涌电流提供一条通路，即Crowbar 电路。适合于DFIG 的Crowbar 有多种拓扑结构，除了图3中最常见的二极管桥加可控器件结构外，图7中还给出了两种典型结构。其中图7a 表示双向晶闸管型Crowbar，这种结构最为简单，但其不对称结构易引起转子电流中出现很大的直流分量，不实用。图7b 表示双向晶闸管并带旁路电阻的Crowbar

，除电路对称外，更可

利用其电阻消耗转子侧多余的能量，加快定、转子故障电流的衰减。

各种转子侧Crowbar 的控制方式基本相似，即当转子侧电流或直流母线电压增大到预定的阈值时触发导通开关元件，同时关断RSC 中 所有开关器件，使得转子故障电流流过Crowbar，旁路RSC。Crowbar 中电阻Rcrow 的选取有一定的原则，即Rcrow越大，转子电流衰减越快，电流、转矩振荡幅值也越小，但过大Rcrow 会导致RSC 中功率开关器件和转子绕组上产生过电压，并使直流母线电压Vdc 振荡幅值增大。使用Crowbar 的优点是可以确保励磁变频器的安全，加快故障电流的衰减，缺点是Crowbar 动作期间将短接DFIG 转子绕组，使DFIG变为并网笼型异步发电机，需从电网吸收大量无功功率以作励磁，这将不利于电网故障的迅速恢复，而且增加了硬件设备，使得控制更加复杂。此外Crowbar 的投入和切除时刻选择也十分重要，选择不当将一方面引起Crowbar 多次动作，另一方面可能引起大电流冲击，这也Crowbar 技术将要深入研究的内容。

（a）双向晶闸管型Crowbar （b）带旁路电阻的Crowbar 图7 两种典型的Crowbar 电路

西班牙GAMESA

公司提出一种包含无源压敏元件的钳位单，用

于电网故障时为转子绕组提供钳位电压，并旁路RSC 以保护励磁变频器，如图8 所示。这种钳位单元的原理与上述转子Crowbar 相似，其优点是可以在转子绕组上提供适当的钳位电压，将转子绕组端电压限制在一定范围内，避免过电压问题。

图8 钳位单元

5 变桨距技术

变桨距可使桨叶的节距角（气流方向与叶片横截面的弦的夹角）在0°～90°的范围内变化，以使风轮捕获的风能相对稳定，并保持在发电机容量允许的范围以内。DFIG 的转速取决于风力机输入功率和DFIG 输出功率之差，电网电压骤降之后，若风轮的输入功率不变，由于DFIG 输送至电网功率的减小，不平衡的功率将导致DFIG 转速快速升高，此时应及时增大桨叶节距角以减小风力机的输入功率，从而阻止机组转速上升，即实行变浆距控制。典型的变桨距控制方法如图9 所示，电网正常情况下，根据风速调节桨距角θ，使DFIG 在一定转速范围内实现最大风能追踪的变速恒频发电；一旦检测到电网电压骤降，则马上启用桨距角紧急控制，根据故障时给定的风力机极限功率来计算风能利用系数cp_lim，然后查表得出桨距角参考值，

通过

减小风电机组的输入功率来适应电网故障下输出电能的减小。该方法的优点是可以防止电网故障时DFIG的转速突升事故，缺点是要增加一套变桨距调节机构，增大了控制复杂性和故障发生的几率，特别是对于电伺服的桨距调节系统隐患更大。电网正常时变桨距机构可由电网提供电力工作，电压跌落之后，则需要采用备用电源供电，进一步增加了成本和复杂程度。

图9 变桨距控制框图