定子侧变阻值Crowbar的DFIG高电压穿越技术

郭岳霖，买买提热依木·阿布力孜，刘谨言，项志成，谢丽蓉

（新疆大学电气工程学院，新疆，乌鲁木齐 830017）

0 引言

近年来，以双馈风力发电机（Double Fed Induction Generator，DFIG）为主要机型的风力发电得到了大力发展和广泛应用，对于其并网的故障生存性问题也成为了国内外专家的关注热点。其中，电网电压骤升故障与电网电压下降故障是电网的2 种典型电压故障，但目前关于低电压跨越技术（Low Voltage Ride Through，LVRT）的研究已相对成熟[1-2]，而针对高电压穿越技术（High Voltage Ride Through，HVRT）的研究成果则尚处在起步阶段，所以迫切需要对实现高电压跨越的有效技术手段进行深入研究[3-24]。

文献[3-4]中主要研究了静态无功补偿器和动态电压恢复器之间的HVRT 作用，前者主要是利用控制进入电网的无功输入额定电流，减小电网电压骤升的速度，而后者则主要是通过补偿电源异常情况下与正常状态间的电流差，来维持发电端的恒定电流。在文献[5]中采用静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）来吸收电网电压骤升时产生的无功功率，完成HVRT 过程。在文献[6]中，当电网电压对称骤升时，串联的网侧变流器（Stator Side Converter，GSC）通过保持发电机定子电压不变，完成HVRT 过程。通过附加的Chopper电路[7]和Crowbar 电路[8-9]依靠附加硬件电路增大阻值的方法也应用在DFIG 的HVRT 中。

由Prashant 提出采用饱和铁心故障限流器（Saturation Core Fault Current Limiter，SCFCL）来满足双馈异步风力发电系统故障穿越。该方法利用SCFCL 的主要特点，即通过改变铁心在饱和与非饱和状态下的磁导率以提供低稳态阻抗值和高暂态阻抗值，能够抑制过电流，进而提高DFIG 的故障穿越能力[10]。文献[11]将所提出的改进型直流斩波器接入转子侧变流器（Rotor Side Converter，RSC）与直流侧电容之间，这种改进型拓扑结构中包含3 个额外的开关器件，控制其导通与关断相当于等效在直流侧串联或并联接入直流斩波电阻。不仅能够使直流电压保持在可接受范围内，同时还能够限制定、转子的瞬态过流，使双馈风机的故障穿越性能得到有效提升。文献[12-13]分别在转子侧引入Crowbar 装置和限流电阻来实现风电机组的故障穿越，能够抑制电磁转矩波动并降低机械应力。文献[14]提出一种协调控制方案，利用直流侧加装的卸荷电路、DFIG 定子侧串接的电抗和无功控制策略共同实现DFIG 高电压穿越。

本文采用附加定子侧变阻值撬棒电路的方式，对投入撬棒电路后的双馈电机电磁暂态过程进行详细分析。通过磁链确定定子电流的最大值，用定子电流限定定子撬棒电阻的阻值范围，基于已确定的阻值范围，提出定子侧撬棒保护电路的投切控制策略，最后用Matlab/Simulink 专业仿真软件进行验证。

1 电网电压骤升故障时DFIG的分析

1.1 电网电压对称骤升的瞬态过程分析

根据电动机惯例，利用两相静止坐标系中的数学模型简化DFIG 电磁暂态过程的分析，将转子侧参数转换为定子侧后，电压方程和磁链方程为：

式中：L，R，ψ，I，U分别为电感、电阻、磁通、电流、电压；下标s，r 分别为定子侧、转子侧；ωr为转子角速度，Lm为定转子间互感。

设定当t=1.5 s 时电网电压对称骤升，在电压变化前后，定子电压方程为：

式中：d为骤升幅度；ωs为同步转速。

在忽略定子电阻后，通过式（1）可得定子磁链方程：

根据磁链守恒原理将式（3）代入式（4）可得电网电压骤升时定子磁链方程：

其中，τs=Ls/Lr，为定子磁链衰减常数。

电压波动后转子磁链的动态响应为：

式中：τr，ψr0为转子磁通衰减时间常数、稳态转子磁链振幅；ψr1，ψr2为故障时转子磁链的稳态分量与暂态衰减分量的幅值，并且根据磁链守恒原则，可知其中为超出t1时刻，为未达到t1时刻。

定转子间电流关系为：

由功率表达式Ps+jQs=-1.5UsIs，其中Ps为有功功率，Qs为无功功率，可知定子电流与功率关系为：

联立式（2）、式（7）、式（8）可得由Ps和Qs表示的转子磁链ψr0：

电网电压骤升后，转子磁链ψr1和ψr2为：

1.2 暂态电流分析

由定子和转子磁链表示的定子转子电流方程可以从式（1）获得：

其中，σ=1-/(LrLs)，将式（5）、式（6）代入得到电网电压骤升故障的瞬态定子和转子电流表达式：

1.3 定子撬棒保护理论依据及其阻值范围确定

根据式（1）、式（2），转子动态数学模型为：

式中：E为反电动势；Lrσ，Rrσ分别为转子瞬态电感和电阻，其表达式为:

从式（18）中可以发现，改变定子回路电阻就可以改变转子瞬态电阻，从而改变转子瞬态电流的幅值和衰减时间。

当电网电压骤升时，定子撬棒保护电路投入，可以有效抑制转子故障电流。

式中：Rc为定子撬棒电路的阻值；Rs为投入前定子侧总阻抗Zs为投入后定子侧总阻抗。

阻值的选取由式（1）、式（13）得：

2 撬棒电路的拓扑结构与投切控制

2.1 撬棒电路的拓扑结构

传统的撬棒电路均是附加一个固定阻值的撬棒电阻在转子侧，但是其存在以下2 个问题：第一个是由于转子电流与撬棒阻值成反比，而转子电压与撬棒阻值成正比，采用固定阻值的电阻不能够同时对直流母线电压和对转子侧电流起到抑制作用；第二个是电网发生电压骤升故障时投入转子撬棒会屏蔽转子变流器，导致电机运行系统不稳定。故在定子侧添加可调节阻值的撬棒电路来应对高电压穿越问题。图1 为定子侧变阻值撬棒电路的拓扑结构图，由一个主控开关控制撬棒电路的投切，用其余5 个开关控制不同骤升幅度的不同阻值投入与切除，使其能更好地完成电压骤升的故障穿越。图1 中S1 为总开关，S2 至S6 为子开关控制阻值大小，R1 至R5 为阻值。

图1 定子侧变阻值撬棒电路的拓扑结构图Fig.1 Topology diagram of stator side variable resistance crowbar circuit

2.2 撬棒电路的投切控制策略

定子侧变阻值的Crowbar 在DFIG 系统中基本工作模式如图2 所示：当正常稳态运行时总开关断开，定子侧变阻值Crowbar 保护电路被旁路；在电网电压出现电压骤升故障后，转子侧电压会升高。当转子侧电压上升到与直流母线电压一样时便会向母线电容进行充电，导致直流母线电压升高。通常情况下，转子侧的故障电流在经过0.01 s（半个工频周期）后就会达到峰值，而直流母线电压由于母线电容充电相对较慢还处在上升阶段[25]。所以，在故障发生初期主要抑制转子侧过电流。此时系统将控制总开关闭合，投入定子侧变阻值Crowbar保护电路，使得双馈风力发电机的绕组通过串联的定子侧Crowbar 与电网相接；直到直流母线电压达到所设阈值时，Crowbar 主要针对母线电压做调整，逐渐切除阻值，直到故障结束完全切出Crowbar。

图2 投切控制策略图Fig.2 Switching control strategy diagram

投入的阻值由不同的骤升幅度来确定，而当母线电压超过所设阈值时，进行阻值的部分切除，直至完成故障穿越后将阻值完全切除。

3 仿真及结果分析

表1 为DFIG 参数。通过在Matlab/Simulink 平台搭建DFIG 仿真模型，采用增加定子侧变阻值Crowbar 保护电路的控制方案，验证定子侧变阻值Crowbar 保护电路能够提升DFIG 系统的故障穿越能力。分析定子侧变阻值Crowbar 电路的投切对DFIG 系统HVRT 的作用。

表1 双馈电机参数Table 1 DFIG parameters

DFIG 在额定工况下平稳运行，风速恒为12 m/s，电压在1.5s 时骤升至1.3p.u.，直至2 s 时故障切除，HVRT 策略在检测到故障时投入，故障切除时退出。图3—图6 给出了传统RSC 控制策略与定子侧变阻值Crowbar 控制策略的定子电流、转子电流、直流侧母线电压和电磁转矩的对比数据。

图3 定子电流对比图Fig.3 Stator current comparison diagram

从图3 中可以看出DFIG 在1.5 s 时受到1.3 p.u.电网电压骤升故障，定子电流出现大幅度冲击，附加定子侧变阻值Crowbar 电路的系统，定子电流冲击幅值不超过15 kA，并且能快速稳定至正常工作状态；而传统RSC 控制策略定子电流冲击幅值超过60 kA，并且用了0.2 s 才使其稳定至正常工作状态。不过在故障切除时，双方都有短暂的电流冲击，电流冲击幅值并不大。

从图4 中可以看出DFIG 在1.5 s 时受到1.3 p.u.电网电压骤升故障，转子电流出现大幅度冲击，附加定子侧变阻值Crowbar 电路的系统，转子电流冲击幅值不超过4 kA，并且能快速稳定至正常工作状态；而传统RSC 控制策略转子电流冲击幅值超过60 kA，并且用了0.2 s 才使其稳定至正常工作状态。在故障切除时后，转子电流双方都发生短暂电流冲击，并且电流冲击幅值不大，附加定子侧变阻值Crowbar 电路的系统受转速影响频率有短暂波动。

图4 转子电流对比图Fig.4 Rotor current comparison diagram

从图5 中可以看出DFIG 在1.5 s 时受到1.3 p.u.电网电压骤升故障，母线电压遭受大幅度冲击，附加定子侧变阻值Crowbar 电路的系统，母线电压冲击幅值不超过2.3 kV，并且在有效抑制后逐渐切除阻值使母线电压逐渐下降，在故障结束后完全切除，有效地抑制了直流母线侧的电压冲击，快速恢复至正常工作状态；而传统RSC 控制策略母线电压冲击幅值接近7 kV，并且用了0.2 s 才使其控制在2.1 kV，在故障结束后恢复至正常工作状态。

图5 母线电压对比图Fig.5 Bus voltage comparison diagram

从图6 中可以看出DFIG 在1.5 s 时受到1.3 p.u.电网电压骤升故障，电磁转矩出现大幅度冲击，附加定子侧变阻值Crowbar 电路的系统，电磁转矩冲击幅值不超过10kNm，并且能快速将波动抑制在可承受区间，在故障结束后恢复至稳定工作状态；而传统RSC 控制策略电磁转矩冲击幅值超过100 kNM，之后将波动抑制在10 kNm，在0.2 s 后才将波动稳定在正常工作状态。虽然附加定子侧变阻值Crowbar 电路的系统在故障结束后才能恢复正常的工作状态，但是其受到的冲击幅值得到迅速抑制，能稳定工作；而传统RSC 控制策略系统中，电磁转矩受到巨幅冲击，并且在初步抑制后仍然比附加定子侧变阻值Crowbar 电路的系统所受最大幅值要高。

图6 电磁转矩对比图Fig.6 Electromagnetic torque comparison diagram

4 结论

本文针对电网电压骤升故障下DFIG 的暂态过程分析，验证了定子侧变阻值Crowbar 保护电路的可用性。根据定、转子电流和磁链关系推导出定子等效转子阻值；通过仿真验证，能够有效抑制电网电压的骤升故障下，定、转子电流的冲击，并且由于是变阻值Crowbar 保护电路，在母线电压超过阈值时，可以切除部分阻值，有效降低母线电压升高带来对系统不稳定的压力，并且减小了在HVRT 过程中电磁转矩突变对系统的影响，降低了撬棒投切对系统造成的扰动。定子侧变阻值Crowbar 保护电路能够有效完成DFIG 的HVRT，对高功率的DFIG 的HVRT 技术研究有借鉴价值。

然而对于功率控制方面还需要进一步研究，这对于双馈风电机组的故障穿越性能的影响也很重要，这将是我今后研究关注的重点