双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[1]

第31卷　第23期

2007年12月10日Vol.31　No.23

Dec.10,2007

双馈式风力发电机低电压穿越技术分析

王　伟1,2,孙明冬2,朱晓东2

(1.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江省哈尔滨市150001)(2.国网南京自动化研究院/南京南瑞集团公司,江苏省南京市210003)摘要:随着一些地区风电供应比例的急剧增加,大规模风电场对地区电网稳定性造成的影响愈发显著。风力发电机的低电压穿越(LVRT)技术越来越受关注。文中首先介绍了低电压穿越技术的概念、国外的相应标准,继而分析比较了有关此技术的双馈感应发电机建模问题、各种常见的实现低电压穿越的技术手段及改进控制策略。最后描述了具备此技术的风电场对电力系统的影响。关键词:双馈感应发电机;风力发电;低电压穿越中图分类号:TM614;TM761

0　引言

风电作为目前最具规模化开发和商业化发展前景的新能源技术,在全球以年增长率超过30%的速度成为发展最快的清洁能源。双馈式风力发电机则由于具有能够变速运行、变流器容量小等优点正成为使用最广泛的变速恒频风力发电机之一。

目前,变速恒频式风力发电机,尤其是双馈式风力发电机在应对电网故障能力方面存在较大缺陷。电网发生故障容易导致风力发电机机端电压跌落,造成发电机定子电流增加。由于转子与定子之间的强耦合,快速增加的定子电流会导致转子电流急剧上升。另外,由于风力机调节速度较慢,故障前期风力机吸收的风能不会明显减少,而发电机组由于机端电压降低,不能正常向电网输送电能,即有一部分能量无法输入电网,这些能量由系统内部消化,将导致电容充电、直流电压快速升高、电机转子加速、电磁转矩突变等一系列问题。上述问题容易导致系统元器件的损坏[122]。

过去为保护设备,即使电网出现比较轻微的故障,风力发电机也要与电网解列[3]。但风力发电机容量、风电场规模越来越大,如果大规模风电机组从电网解列,它就失去了对电网电压的支撑能力,这可能导致严重的连锁反应,对电网的稳定运行造成严重影响。针对此问题,目前国外许多电网运营商对风电场提出了强制性要求:电网电压跌落时,风电场须维持一定时间与电网连接而不解列,甚至要求风电场在此过程中能提供无功以支持电网电压的恢复[4]。此要求即为低电压穿越(LVRT———low

收稿日期:2007204219;修回日期:2007208201。国家科技支撑计划项目(2006BAA01A22)。

voltageridethrough)。双馈式风力发电机由于其自身结构特点,实现LVRT存在以下几方面难点:

①确保故障期间转子侧冲击电流与直流母线过电压都在系统可承受范围之内;②所采取的对策应具备各种故障类型下的有效性;③控制策略须满足对不同机组、不同参数的适应性;④工程应用中须在实现目标的前提下尽量少地增加成本。

本文分析了现有的双馈感应发电机模型、控制策略和各种实现LVRT的技术手段,描述了具备LVRT技术的风电场对电力系统的影响。

1　实现LVRT的要求

概括地说,双馈风力发电系统实现LVRT的基本要求为:

1)电网故障时,避免过电流、过电压对变流器造成损坏;

2)尽可能减少故障时机械转矩跃变给齿轮箱和风机带来的冲击,防止齿轮箱和风机产生机械损坏;

3)满足电网的LVRT标准。

在德国,风电占能源供应比例很高,为保证风电的发展不给电网稳定性造成威胁,德国意昂集团下属电网公司E.ONNetz已经提出适用于德国电网的低电压穿越标准[5](其示意图见附录A图A1)。在电网电压跌落到某一幅值时,此标准对于风力发电机能否跳机,以及与电网维持连接多长时间方可跳机提出了明确要求。

近几年来中国风电产业发展迅猛,全国各风力资源丰富的地区已有许多大规模的风电场项目正在或即将上马,导致这些地区风电占能源供应的比例迅速增大,给地区电网的稳定性带来了隐患。相信随着风电在国内继续快速发展,LVRT标准的制定

・研制与开发・　王　伟,等　双馈式风力发电机低电压穿越技术分析85

将很快被提上议事日程。

2　双馈感应发电机建模

2.1　传统分析模型

双馈感应发电机最常用的数学模型是在d,q

坐标系下的5阶模型[629]。其数学模型如下所示(等效电路图见附录A图A2):

ψds-ωuds=pqs-Rsids1ψ

(1)

ψqs+ωuqs=pds-Rsiqs1ψψdr-ωudr=pqr+Rridr2ψ

(2)

ψqr+ωψuqr=p+Ridrrqr2

dωr1((3)=Tm-Te)dtJ式中:

ψds=-Lssids+Lmidr

(4)

ψqs=-Lssiqs+Lmiqrψdr=-Lmids+Lrridr

(5)

ψqr=-Lmiqs+Lrriqr

3(6)Te=npLm(idsiqr-iqsidr)2

u,i,ψ分别为电压、电流、磁链;np为电机极对数;R,L分别为电阻、电感;ωr,ω2=ω1-ω1,ωr分别为定子同步电角速度、转子电角速度;下标s,r分别表示定子、转子分量;Lss=Ls+Lm,Lrr=Lr+Lm,Ls,Lr分别为定子、转子漏感;下标d,q分别表示d,q轴分量;Te,Tm分别为电磁转矩和机械转矩;p为微分算子。2.2　降阶暂态分析模型

为进行系统暂态稳定性分析,传统方法是对模型降阶,这种降阶模型称为暂态稳定性模型[10]。

1)3阶模型。如果忽略定子磁链暂态变化,亦

ψds=pψ即认为pqs=0,感应电机模型即可由5阶降

到3阶,这种3阶模型是将转子电压作为被控量[11]。另外,也可使用转子电流作为被控量来构建3阶模型[12],由这种模型设计的控制器可以快速对电流进行瞬时控制。

2)2阶模型。2阶模型有许多构成方法,比如可由转速和转子磁链作为状态变量构成[13],也可由转速和转子磁链角作为状态变量构成[14]。

3)1阶模型。如果将定子磁链和转子磁链暂态

ψds=pψψdr=变化都忽略掉,亦即认为pqs=p

ψp式(2)后代入式(3)中便可qr=0,那么整理式(1)、

得到1阶模型。这种模型唯一的状态变量就是转速。

这些降阶模型比常规5阶模型简单,用来设计系统控制器可以降低复杂度,且仿真速度快[15]。但

它们大多对系统做了如下简化:①忽略定子暂态过程中出现的直流分量;②忽略磁饱和;③忽略非线性成分;④忽略电磁暂态过程。事实上,当电网发生故障造成电压跌落时,定子磁链中会产生直流分量,并且定子磁链在这种情况下几乎保持静止,而转子磁链仍在转动,这会产生很高的滑差,从而导致过电流、过电压、过转速的出现[13]。可见,如果忽略这些成分将很大程度上降低系统精确度。忽略暂态过程的影响,不适于进行电网故障下的分析研究。实际上,即使是5阶模型也没有考虑磁饱和问题对系统的影响。

由于低电压穿越研究主要是针对暂态过程,对其进行分析应对传统模型进行改进。2.3　针对LVRT的改进模型

目前已有文献针对LVRT分析提出双馈感应发电机建模的改进思路[2,16217]。

1)在传统电机模型中考虑磁饱和[2]。实现方法是根据磁饱和曲线对前述方程中电感的取值实时更新。仿真结果表明,考虑磁饱和的模型得到的暂态电流峰值比不考虑的情况要高。因此,设计保护措施时应充分估计故障严重性,须将磁饱和效应纳入到模型中。

2)在控制策略实现中考虑电机暂态[16]过程。为使控制系统能够在定子电压跌落的情况下实现较好的动态响应,模型中考虑到定子励磁电流分量的瞬态变化。实现方法是通过采用转子侧电压、电流

ψ代换pψds,pqs,为不影响解耦控制实现,采取在转

子电压形成处叠加前馈量。仿真验证了该方法的有效性,结果表明设计的控制系统在电网电压跌落时产生的转子电流波动幅值较传统模型控制小;转子电压波动却比传统方法略大。原因在于考虑了定子励磁电流分量变化,转子电压控制部分比传统方法多了一个基于此分量的前馈项,因而在对转子电流良好控制的同时,转子电压不免要有所增大。

3)采用有限元建模[17]方法。仿真研究表明,采用该方法所建模型中由于考虑了非对称情况下定子和转子漏感的磁饱和,因而相对于传统模型暂态响应幅值会更大,但因所建模型过于复杂,实际中不易实现。但是文献[17]研究的结果表明,进行LVRT控制策略和建模研究时还须考虑非对称故障情况。

可见,LVRT建模的改进主要有2个方面:

1)提高双馈感应发电机模型精度,主要是考虑双馈感应发电机主磁通饱和、漏磁饱和、非对称故障等因素。

2)改善控制策略的适应性、有效性。研究思路是:模型中纳入定子磁链的暂态变化过程,不仅要考

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虑到其幅值变化,还应考虑大扰动下相角变化对定

向控制的影响,以及模型中纳入电压、电流各序分量在非对称故障下对电机磁链、变流器等的影响。

3　LVRT的实现方法

3.1　改进控制策略的实现方法

为尽可能少地增加成本,许多学者都在寻求不增加硬件电路,只从改进控制策略的角度入手来实

现风电机组低电压穿越的方法[16,18220]。3.1.1　传统控制策略不适于故障过程控制的原因双馈感应发电机最常用的控制策略之一是基于定子磁链定向的矢量控制方法。由于双馈发电机的定子总是接在工频50Hz的大电网上,此频率下定子绕组的电阻比其电抗小很多,可忽略不计。因d轴定在定子磁链方向上,有

ψds=ψs

(7)

ψqs=0

忽略定子磁链的暂态过程,则由式(1)可得:

ψds-ωuds=-Rsids+p1ψqs≈0

(8)　　ψqs+ωuqs=-Rsids+p1ψds≈ω1ψs

由式(4)整理可得:　

1(ψ)

ids=-iqs

Lss

s

-Lmidr

Lm=iqr

Lss

2

(9)

将式(7)、式(9)代入式(2)可得:

udr=

Lrrk

Lm-pidr+Rridr+Δudr=Lss

1(σ

Tp+1)idr+Δudr

　uqr=

Lrrk

Lm-piqr+Rriqr+Δuqr=Lss

2

(10)

1(σ

Tp+1)iqr+Δuqr

又可得:

P=udsids+uqsiqs=Usiqs=-Q=uqsids-udsiqs=ω1ψsids=

LmiqrUsLss

(11)

ω1ψs

ψs-LmidrLss

式中:ψs,Us分别表示定子磁链和定子电压。式(10)、式(11)分别实现了对双馈电机转子d轴,q轴电压及有功、无功的解耦控制。这种控制策略构造简单,并且可得到很好的稳态响应[629]。

但这种方法显然不适用于对故障过程的分析控制,原因在于:①此控制策略建立在3阶降阶模型基础上,它忽略了定子磁链的暂态过程,认为定子磁链

ψds=pψ保持不变,但如果故障过程中pqs=0不成

立,由式(10)推导过程可知,转子电压的解耦控制将无法实现;②故障发生时,电机端电压发生跃变,测量定子磁链用的积分器发生积分饱和,可能导致定子磁链定向不准确,由式(11)可知,将会造成有功、无功控制不能解耦,整个控制系统在故障过程中无法实现预想的控制效果。若实现故障过程中对系统的良好控制,有2种途径:一种是设计全新的控制策略;另外一种是稳态过程仍使用此控制策略,故障发生时配合增加硬件电路切换到相应的故障控制策略。3.1.2　几种不须增加硬件电路的新控制策略

文献[16,20]对传统模型进行了改进,计及定子磁链的暂态过程,并以此得出新的控制策略。与传统控制策略相比,此方法实现了故障过程中对转子电流更好的控制,但如前所述,此方法在故障过程中转子电压波动会比传统方法稍大。

采用基于可靠控制技术的H∞和μ2analysis方法设计全新的控制器,并考虑各种不利条件[18]。它的主要控制思路如下:①在故障过程中由于电网无法供给或吸收能量,因而风力发电机的参考功率应设定为0。②故障过程中转子侧的控制依然进行。③文中建立的H∞控制器,它的网侧控制器用来检测直流电压的故障和定子端电压的故障,从而产生电流信号来补偿这些故障量;它的转子侧控制器用以检测定子有功和无功的异常,并产生转子电流信号进行补偿。

文献[19]指出双馈感应发电机实现LVRT最根本的难点在于故障期间转子产生的反电动势,这个反电动势是由定子磁链的直流和负序分量以及转速决定的。文中利用这一原理通过对反电动势的来短路过程中的过电流,它的主要思路如下:①利用转子电压来减弱定子磁链中直流和负序分量的作用。②对转子电流进行定向,使得转子电流能够抵消转子磁链中一部分直流和负序分量;另外,为确保转子电流与直流电压的暂态响应都不过大,须对抵消的这部分分量的比例仔细斟酌。③如能够增加双馈感应发电机定子和转子的漏感,将能够增强转子电流的抵消作用,并可提高机组的LVRT能力。

由上述文献的仿真结果可看出,不增加硬件电路,只改进控制策略可以减弱某些量的暂态响应。从能量守恒角度分析,电网发生低电压故障时,发电机机端电压比正常工况低,意味着系统无法正常向电网输送电能。同时,由于风力机惯性较大,调桨系统在很短的时间内能调节的范围比较有限,于是捕

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获的风能将有一部分过剩,而只通过控制来调节显

然不能给这些能量一个释放通道。实际上可认为通过控制策略的改进能够在电压和电流之间达到一个均衡,保证在2个值都不过高的情况下由系统自身将这部分能量吸收。但可想而知,这种方法只适用于电压跌落不十分严重的情况,一旦出现很严重的电压跌落,单纯靠控制策略的改进将难以实现低电压穿越,须增加硬件辅助电路。3.2　增加硬件电路的实现方法3.2.1　Crowbar电路

为双馈感应发电机增加Crowbar电路来实现系统的LVRT是目前最常用的方法[17,21224],适用于双馈感应发电机的Crowbar电路有很多种[24](较常见的加入Crowbar电路的双馈感应发电机系统原理图见附录A图A3)。

该电路中电阻的选取至关重要,既不能太大以防变流器端电压过高,也不能太小致使不能有效电流。短路发生时接入Crowbar电路进行限流。如果电压跌落时间较长,超过011s,则断开Crowbar并使系统运行在正常工作模式,电机即可在故障期间为电网提供无功[23]。但应注意,如果在切换时不采取特殊的控制则会产生较严重的暂态过程。由于在此过程中电机始终没有与电网解列,因而电机仍能产生电磁转矩以抵消风机产生的机械转矩,故电机转速不会上升过高。

故障消除后,风力发电机恢复到正常工作状态,但如不采取特殊控制策略,在电压恢复造成的暂态过程中,各PI环节的给定与实际返回值之间的不匹配会导致积分饱和,这将产生严重的暂态响应。因此,为得到平滑的切换过程,须将各参考值设定为此过程中的实际值,这才能较缓慢地过渡到正常状态[23]。

该方法简单有效,且成本较低,便于实现,但实际效果严重依赖于内部运行条件和故障特征,对于非对称故障能起到的作用有限;并且Crowbar在不同运行状态间切换会不可避免地产生暂态响应[23],尤其是在电压恢复过程中,电网电压从故障状态恢复到正常会使系统产生一个暂态过程,若此时Crowbar退出还将加剧该暂态过渡过程。3.2.2　能量存储系统

电压跌落故障期间对直流电压进行控制,亦可使用能量存储系统(ESS)[25](其系统图见附录A图A4)。该系统可将故障期间的过剩能量储存起来,并在故障结束后将这些能量送入电网。此方法可解决使用Crowbar须在不同运行状态间切换的问题,既避免了工况切换造成的暂态过程,且可对系

统进行持续。缺点也很明显,ESS无法对转子电流进行有效控制,若要保证变流器不因为转子过电流而损坏,转子侧变流器须选用较大容量的IGBT。3.2.3　定子侧的电子开关为保持系统控制能力,短路电流,避免转矩振荡,可在定子侧与电网之间每相反向并联一对晶闸管作为电子开关,使定子快速与电网分离[22,26](原理如附录A图A5所示)。控制过程为:故障时,切断定子与电网连接,同时控制转子侧逆变器使电机去磁;电压恢复时,控制转子侧逆变器给电机励磁,使双馈电机尽快与电网同步,电机定子侧重新连接到电网,恢复正常工作。

此方法的缺点是:①正常工况下,晶闸管持续导通会降低系统效率;②类似于采用ESS的方法,这种方案也要选用较大定额的IGBT方能解决转子过电流问题;③此方案并未实现真正意义上的不脱网运行。

4　LVRT对电力系统的影响

目前已有许多文献研究了风力发电机风电场LVRT特性对电力系统的影响[27230]。

文献[27]研究了在较弱的输电系统中加入一个由双馈式风力发电机组构成的100MW风电场对系统产生的影响,并与一个在同样位置的传统电站造成的影响做了对比。仿真结果表明双馈感应发电机能够在同样的条件下提供更好的响应。这个结果说明,由具有LVRT能力的双馈式风电机组构成的风电场,能够连接到较弱的电网中而不会降低系统的稳定性。

文献[28]比较了具备LVRT能力的风电场与不具备此能力的风电场的区别。文中表明没有LVRT能力的风电场会在故障过程中跳机,而具有LVRT能力的风电场能够显著改善系统的性能,也降低了对系统中其他部分的要求。因而此文指出,在电网中处于同一位置的风电场比传统电站具有更好的稳定性能。

文献[29]通过仿真实验得出:对于电网某些连接点让制造商实现风电场LVRT是不现实的,而通过比较发现对其他连接点LVRT能力又是必需的,否则风力发电机跳机会导致系统不稳定。并指出LVRT要求应对应于相应的电网连接特性以及风电场的互连方法进行综合考虑。在某些情况下,LVRT的电压值应该适当升高,这样能节省许多工程调研工作并能吸引投资者来建设风电场;另外,这还能在一定范围内降低电价从而加快风电的

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各文献的研究结果表明:由具有LVRT能力的双馈式风力发电机组建的风电场接入电网不但不会带来不利影响,反而相对于传统电站能更好地改善系统性能。

5　结论

本文通过研究双馈感应发电机LVRT条件下的建模、控制实现,以及其对电网的影响,介绍了双馈式风力发电机LVRT技术的发展现状,得出了以下几点结论:

1)由于传统暂态分析模型忽略了磁饱和、非线性成分、电磁暂态过程等内容,如果使用它们进行LVRT技术的研究可能会对故障严重性估计不足,从而影响保护装置的设计。在故障分析过程中须使用更完整详细的模型。

2)通过改进控制策略可在很大程度上改善系统的暂态响应。但基于对能量守恒关系的分析,对于很严重的电网电压跌落故障,仅仅改进控制策略很难同时克服系统的过电流和过电压问题。因此,增加硬件电路是不可避免的。

3)几种增加硬件电路实现低电压穿越的方法各有利弊,都存在一些较难克服的问题。研究过程中可考虑几种方法结合使用,或是改进相应的控制策略。

4)具备LVRT能力的风电场不但不会给电网带来不利影响,反而相对于传统电站能够改善系统的性能,这一特点决定了LVRT研究将是今后风电研究中的一个重点。

中国的LVRT研究今后将主要面临以下问题:建立适用于中国电网的LVRT技术规范,且能够针对具体区域电网、具体接入点对标准进行适当修改;建立具备LVRT能力的风力发电机模型,并将该模型集成于现有商业电力系统分析软件中;形成对LVRT功能、效率、影响的评价方法,并建立相关测试与评估环境。

附录见本刊网络版(http://www.aeps2info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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AutomationofElectricPowerSystems,2006,

30(15):10214.

),男,博士研究生,高级工程师,从事风王　伟(1976—

力发电机组控制系统研制、电力电子在电力系统中的应用研究。E2mail:wangwei@nari2china.com

),男,硕士研究生,主要从事变速恒频风孙明冬(1983—

力发电机组控制系统研究、电力电子在电力系统中的应用研究。

),男,硕士,高级工程师,从事励磁系统朱晓东(1970—

控制研究、电力电子在电力系统中的应用研究。

AnalysisontheLowVoltageRideThroughTechnologyofDFIG

WANGWei,SUNMingdong,ZHUXiaodong

(1.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)(2.NanjingAutomationResearchInstitute,Nanjing210003,China)

Abstract:Withthewindpowersupplysharplyincreasinginsomeareas,theeffectsoflargescalewindfarmsonthestabilityofregionalpowersystemarebecomingveryremarkable.Accordingly,moreandmorestudiesarefocusingonthelowvoltageride

through(LVRT)technologyusedfordoublyfedinductiongenerators(DFIGs).Inthispaper,theLVRTconceptandrelevantinternationalstandardsarefirstintroduced.Andthenitintroducesvariousmodelingmethods,popularLVRTtechnologiesandimprovedcontrolstrategies.Intheend,theeffectsofwindfarmswithLVRTcapabilityonthepowersystemsareanalyzed.

ThisworkissupportedbyNationalKeyTechnologiesR&DProgram(No.2006BAA01A22).Keywords:doublyfedinductiongenerator(DFIG);windpower;lowvoltageridethrough(LVRT)