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基于安全電壓的雙饋風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越判別方法

文檔作者：徐琳1 唐永紅1 蒲維1 龔錦霞2 文檔來源： 1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院 2. 上海電力學(xué)院，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月06日
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基于安全電壓的雙饋風(fēng)電機(jī)組高
電壓穿越判別方法
徐琳1，唐永紅1，蒲維1，龔錦霞2
（1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都610072；2. 上海電力學(xué)院，電氣工程系，上海200090）
A High-Voltage Ride-Through Control Strategy for DFIG Based on the
Control of Safety Operation Voltage
XU Lin1，TANG Yonghong1，PU Wei1，GONG Jinxia2
（1. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，Sichuan，China；2. College of Electric Power
Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）
ABSTRACT：Based on the dynamic reactive power supporting
ability of DFIG，the scheme proposed in this paper can be used
to coordinate the reactive power outputs of the grid side converter
（GSC）and the generator to maintain the safe operation of the
DC capacitor. The safety value of the interface voltage of the
DFIG is defined according to the high voltage ride-through
requirements of the DC capacitor. Based on the safety voltage，
the judgment basis is given to judge whether the DFIG can ride
through the high voltage fault during the grid voltage swell，and
the strategies of the reactive outputs of the grid side converter
（GSC）during the high voltage ride-through are also given. The
simulation results verify correctness of the proposed scheme.
KEY WORDS：high voltage ride-through；doubly fed induction
generators；safety voltage；DC voltage control
摘要：基于雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)無功支持能力，在電網(wǎng)電壓
驟升時(shí)協(xié)調(diào)控制網(wǎng)側(cè)變流器和發(fā)電機(jī)定子輸出的無功功率，
維持直流側(cè)母線電壓的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)DFIG直流側(cè)電容
的高電壓穿越安全要求，定義了電網(wǎng)電壓驟升時(shí)雙饋風(fēng)力發(fā)
電機(jī)組接入電壓的安全電壓。然后基于安全電壓給出了DFIG
在電網(wǎng)電壓驟升時(shí)能否實(shí)現(xiàn)高電壓穿越的判斷依據(jù)，并給出
了其高電壓穿越時(shí)的無功協(xié)調(diào)輸出策略。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所
提的方法。
關(guān)鍵詞：高電壓穿越；雙饋風(fēng)電機(jī)組；安全電壓；直流側(cè)電壓控制
近年來隨著并網(wǎng)容量的增加，在風(fēng)電發(fā)展最
快省區(qū)的一些風(fēng)電基地不斷出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事
故[1-2]。2010年起國(guó)內(nèi)多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)連續(xù)發(fā)生了由高壓
電纜頭短路故障引起電壓跌落，造成局部風(fēng)機(jī)脫
網(wǎng)，由于風(fēng)電場(chǎng)補(bǔ)償電容器無法自動(dòng)切除，造成總
體無功過剩，系統(tǒng)電壓迅速升高，造成上千臺(tái)風(fēng)機(jī)
脫網(wǎng)事故，拉低了整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)主網(wǎng)頻率[3-4]。大規(guī)
模風(fēng)電機(jī)組同時(shí)脫網(wǎng)，造成有功大量缺失，導(dǎo)致電
網(wǎng)系統(tǒng)電壓、頻率波動(dòng)，威脅到電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定
運(yùn)行[5-6]。通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組脫網(wǎng)事故進(jìn)行調(diào)查，通
常由短路引起低電壓造成的風(fēng)電脫網(wǎng)現(xiàn)象，實(shí)際運(yùn)
行中低電壓的時(shí)間通常非常短，僅幾十毫秒，最終
導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)停機(jī)的原因往往是無功過補(bǔ)償
引起的電壓偏高，因此高電壓穿越（high voltage
ride-through: HVRT）問題越來越引起重視[7-9]。
雙饋風(fēng)電機(jī)組（double fed induction generator:
DFIG）因具有有功和無功功率調(diào)節(jié)能力，相關(guān)HVRT
方案研究較多[10-14]。文獻(xiàn)[10]引入虛擬電感，形成
虛擬阻抗的改進(jìn)控制策略，文獻(xiàn)[11]提出了變阻尼
的改進(jìn)控制方案，提高了系統(tǒng)的高電壓穿越性能。
文[12]根據(jù)線路電壓電流關(guān)系，提出主動(dòng)電壓控制
方案，控制高電壓故障期間機(jī)組的運(yùn)行電壓。雙饋
風(fēng)電機(jī)組由于對(duì)電壓的變化非常敏感，電壓偏低或
偏高都會(huì)引起轉(zhuǎn)子過流或直流母線電容過壓[13-14]。
文獻(xiàn)[13]故障時(shí)采用母線電壓控制模式，保持直流
側(cè)母線電壓在穩(wěn)定值，實(shí)現(xiàn)雙饋機(jī)組的高電壓穿
第30卷第12期
2014年12月
電網(wǎng)與清潔能源
Power System and Clean Energy
Vol.30 No.12
Dec. 2014
文章編號(hào)：1674-3814（2014）12-0109-05 中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
———————————————————
基金項(xiàng)目：本文受國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院2014
年項(xiàng)目資助（SGSCDK00DWJSFW1400041）。
Project Supported by 2014 Research Institute of State Grid
Sichuan Electric Power Company（SGSCDK00DWJSFW1400041）.
清潔能源
Clean Energy
越。文獻(xiàn)[14]提出了一種用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變
流器的混合型電流控制方案，采用兩種控制模式：
電網(wǎng)正常條件下標(biāo)準(zhǔn)的電流PI控制和電網(wǎng)異常情況
下矢量磁滯電流控制器，兩種控制方式切換，實(shí)現(xiàn)
電網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制，同時(shí)解決低電壓穿越
和高電壓穿越問題。
本文考慮了DFIG接口電壓對(duì)直流母線電壓的
影響，根據(jù)DFIG直流側(cè)電容的高電壓穿越安全
要求，定義了電網(wǎng)電壓驟升時(shí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接
入電壓的安全電壓，并基于安全電壓給出了DFIG
在電網(wǎng)電壓驟升時(shí)能否實(shí)現(xiàn)高電壓穿越的判斷
依據(jù)。
1 電壓驟升時(shí)DFIG的無功功率約束
1.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理
雙饋風(fēng)電機(jī)組的工作原理如圖1所示。圖1中，ug
為GSC接入點(diǎn)電壓；uwt
為風(fēng)機(jī)接口變壓器的網(wǎng)側(cè)電
壓；Pg
為GSC輸出的有功功率；Ps
為DFIG定子側(cè)輸出
的有功功率；Qg
為GSC輸出的無功功率；Qs
為DFIG定
子側(cè)輸出的無功功率；Pw
為DFIG輸出的總有功功
率；Qw
為DFIG輸出的總無功功率。
當(dāng)前主流的各種變速恒頻風(fēng)電機(jī)組都采用包
含一個(gè)直流母線的電壓型變流器，如圖1所示，其中
轉(zhuǎn)子側(cè)變換器（Rotor-side Convertor，RSC）通過控
制RSC輸出的勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)DFIG定子輸出的有
功和無功功率，網(wǎng)側(cè)變換器（Grid-side Convertor，
GSC）的控制目標(biāo)為直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。正常電網(wǎng)條
件下發(fā)電機(jī)按最大功率跟蹤輸出有功，網(wǎng)側(cè)變換器工
作在單位功率因數(shù)模式下，DFIG不輸出無功功率。
通過適當(dāng)控制，DFIG的發(fā)電機(jī)定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變
流器具有一定無功輸出能力。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)
子的無功功率極限范圍為[15]
max Qs，min－ （Ss ） 姨姨2－（Ps）2 姨≤Qs≤min Qs，max
（Ss ）2－（Ps ） ≤ 姨2 ≤
（1）
式中，Qs，max
、Qs，min
分別為DFIG定子側(cè)輸出無功功率的
最大值和最小值，表達(dá)式如下：
Qs，max=－ U2g
ωsLs
+ Lm
Ls
≤ UgIrmax≤2
－P2s
姨
Qs，min=－ U2g
ωsLs
－ Lm
Ls
≤ UgIrmax≤2
－P 2s
姨式中，Ug
為定子側(cè)接入點(diǎn)電壓；Lm
為激磁電感；Ls
為
定子漏感；ωs
為定子旋轉(zhuǎn)角速度；Irmax
為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子
側(cè)最大允許電流。
網(wǎng)側(cè)變流器輸出無功功率的極限范圍：
－ （Sg
）2－（sPs
姨）2≤Qg≤ （Sg
）2－（sPs
姨）2 （2）
雙饋風(fēng)電機(jī)組的無功輸出能力為HVRT提供了
可能。
1.2 DFIG高電壓穿越的安全要求
通常發(fā)電機(jī)定子對(duì)電壓過高的耐受程度較好。
而電壓偏高會(huì)引起直流母線電容過壓，導(dǎo)致變流器
不能正常工作，風(fēng)電機(jī)組由于自我保護(hù)自動(dòng)脫離電
網(wǎng)。對(duì)于國(guó)內(nèi)某一采用電網(wǎng)側(cè)電壓690 V的變流器
變速恒頻風(fēng)電機(jī)組，當(dāng)系統(tǒng)電壓達(dá)到1.2Un
時(shí)，系統(tǒng)
電壓峰值為1 169 V，已經(jīng)超過變流器直流母線的設(shè)
定電壓，但還在IGBT的安全運(yùn)行范圍，是這種風(fēng)機(jī)
能夠運(yùn)行的最高電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓達(dá)到1.25Un
時(shí)，峰
值電壓為1 219.6 V，已經(jīng)超過變流器直流母線的安
全電壓，必須采取適當(dāng)?shù)慕祲捍胧駝t會(huì)造成
IGBT或直流電容過電壓擊穿。
當(dāng)電網(wǎng)電壓超過一定限度，電網(wǎng)側(cè)變流器會(huì)發(fā)
生功率反向，從PWM逆變器變?yōu)镻MW整流器，甚至
出現(xiàn)IGBT反向偏置，形成二極管全橋整流器，造成
直流母線電壓迅速升高。通常為保證直流側(cè)電容正
常運(yùn)行和RSC、GSC元器件的安全運(yùn)行，直流側(cè)母線
電壓Vdc
需滿足：
Vdc姨3 （Ug+ωrLgIgq
）2+（ωrLgIgd
姨）2 （5）
由式（5）可得GSC接入點(diǎn)電壓ug
的最大幅值為：
Umax
g，R=
（Vmax
dc
）2
3 －（ωrLgIgd
）2 姨－ωrLgIgq
（6）
Umax
g，R
表明了在給定風(fēng)速條件下，電網(wǎng)的最大可允
許的GSC接入點(diǎn)電壓，本文定義其為雙饋風(fēng)力發(fā)電
機(jī)組接入電壓的安全電壓。當(dāng)UgUwt
時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓為
Uwt
時(shí)可以安全運(yùn)行。當(dāng)Umax
g，R≤Uwt
時(shí)，無功優(yōu)先情況
下，根據(jù)式（8）可得到DFIG需輸出的無功功率為：
Q′1=1X
t
Umax
g，R （ Umax
g，R－Uwt
） （9）
若僅通過控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組定子和網(wǎng)側(cè)
變流器輸出的無功功率，使得雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的
接口電壓保持低于安全電壓，需滿足：
QW，max
Umax
g，R），式（10）不成立則風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫離電網(wǎng)；式（10）
成立，則協(xié)調(diào)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的無功功率。
將Umax
g，R用額定電壓取代，由式（9）得到：
Q2=1X
t
（1－Uwt) （12）
式（12） 表示為保持接口電壓為額定值時(shí)雙饋
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需輸出的無功功率。
根據(jù)式（4），當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升導(dǎo)致風(fēng)機(jī)接口電
壓升高到U′g
，控制GSC輸出的無功電流使變流器
直流側(cè)電壓穩(wěn)定在滿足式（3）和（4）的某一給定值
Vdc，R
（一般取其額定值），GSC需輸出的最小無功電
流為：
Igq= 1
ωrLg
V2
dc，R
3 －（ωrLgIgd
）2 姨姨－U′g姨（13）
綜上，式（10）成立時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器按式（13）輸出
無功電流；發(fā)電機(jī)定子側(cè)需輸出的無功電流為：
Isq=Q2/Uwt－Igq
（14）
3 仿真與分析
對(duì)某一2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行仿真和分
析，仿真結(jié)構(gòu)如圖1，網(wǎng)側(cè)PWM變換器采用直流電壓
外環(huán)、交流側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級(jí)結(jié)構(gòu)控制器。
電壓外環(huán)控制輸出直流電壓，電流內(nèi)環(huán)控制交流側(cè)
電流，使之快速地跟蹤電流指令。通過電流指令限
幅實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器裝置的過流保護(hù)。仿真參數(shù)如表1
所示。
取kv=0.95，根據(jù)表1中的參數(shù)，由式（3）和式（6）
可得：Vmax
dc =1 187.5 V，Umax
g，R=1.24，Q′1=－0.595，雙饋
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以通過自身的無功調(diào)節(jié)能力實(shí)現(xiàn)
高電壓穿越。
按照澳大利亞電網(wǎng)規(guī)程要求，風(fēng)電機(jī)組需在并
網(wǎng)點(diǎn)電壓驟升至1.3 pu時(shí)不脫網(wǎng)運(yùn)行60 ms，因此本
文在電網(wǎng)電壓驟升至1.3 pu時(shí)對(duì)DFIG進(jìn)行仿真。仿
真風(fēng)速為11 m/s，在t=4 s時(shí)刻電網(wǎng)電壓驟升至1.3
倍標(biāo)么值，故障持續(xù)600 ms，GSC運(yùn)行在單位功率
因數(shù)。正常運(yùn)行時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)穩(wěn)定輸出0.83 pu有
功功率。設(shè)定電壓驟升故障時(shí)Ug，R=1.2 pu，采用本
文考慮安全電壓的DFIG高電壓穿越方法，為維持
接口電壓，發(fā)電機(jī)定子側(cè)輸出的有功給定值為零，
清潔能源
Clean Energy
111
雙饋機(jī)組風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子和GSC均按最大容量輸
出大量無功功率。GSC和發(fā)電機(jī)定子側(cè)輸出無功功
率如圖2所示。
圖3為仿真期間的直流側(cè)母線電壓。在電網(wǎng)電
壓驟升至1.3倍額定電壓下，HVRT期間直流側(cè)母線
電壓升高到1 150 V，Chopper電路無觸發(fā)，雙饋風(fēng)
力發(fā)電機(jī)組可正常工作，實(shí)現(xiàn)了高電壓穿越。圖4給
出了故障點(diǎn)電網(wǎng)電壓、規(guī)定方法[17]以及采用本文方
法得到的DFIG接口電壓。從圖4可以看出，采用規(guī)
定的方法在本文算例下機(jī)組向電網(wǎng)提供無功電流
不足，接口電壓仍高達(dá)1.25倍額定電壓，遠(yuǎn)高于變
流器的工作電壓，將直接影響機(jī)組的安全性，而采
用本文方法的仿真結(jié)果滿足HVRT測(cè)試要求。
4 結(jié)論
1）雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有無功輸出能力，在電
網(wǎng)電壓驟升時(shí)可通過協(xié)調(diào)控制網(wǎng)側(cè)變流器和發(fā)電
機(jī)定子側(cè)的無功輸出，保持直流側(cè)母線電壓的安全
穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的高電壓穿越。
2）雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高電壓穿越能力與變
流器的直流側(cè)電容、進(jìn)線電感和故障時(shí)的線路（電
阻）電抗等因素有關(guān)。本文提出一種通過計(jì)算雙饋
圖3 高電壓故障下DFIG直流側(cè)母線電壓
Fig. 3 The DC bus voltages of DFIG during grid
voltage swell
圖2 電網(wǎng)電壓驟升時(shí)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功功率輸出
Fig. 2 The reactive power ouputs of DFIG during grid
voltage swell（Ug=1.3 pu）
表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)
Tab. 1 The simulation parameters
發(fā)電機(jī)參數(shù)pu
基準(zhǔn)功率2 MW
基準(zhǔn)線電壓690 V
基準(zhǔn)電阻0.238 Ω
角頻率2*pi*50
激磁電感3.954 pu
定子漏感0.092 4 pu
轉(zhuǎn)子漏感0.099 6 pu
定子電阻0.004 89 pu
轉(zhuǎn)子電阻0.005 5 pu
轉(zhuǎn)子/定子匝數(shù)比3
線路/變壓器
機(jī)端變壓器2.5 MV·A，35 kV/0.69 kV
機(jī)端變壓器漏抗0.1 pu
接口變壓器100 MV·A，110 kV/35 kV
接口變壓器漏抗0.1 pu
線路電阻電抗1.6 Ω
線路電感0.01 H
其他參數(shù)值
電容額定電壓1 100 V
電容值10 mF
GSC濾波電感0.5 mH
Chopper電阻0.1 Ω
徐琳，等：基于安全電壓的雙饋風(fēng)電機(jī)組高電壓穿越判別方法Vol.30 No.12
清潔能源
Clean Energy
112
第30 卷第12 期電網(wǎng)與清潔能源
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無功輸出能力判斷其在某一高電
網(wǎng)電壓下DFIG的能否實(shí)現(xiàn)高電壓穿越的方法。
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（下轉(zhuǎn)第118頁）
圖4 DFIG接口電壓（Ug=1.3 pu）
Fig. 4 The access voltage of DFIG（Ug=1.3 pu）
清潔能源
Clean Energy
113
（上接第113頁）
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收稿日期：2014-10-15。
作者簡(jiǎn)介：
徐琳（1984—），女，博士，從事電力系統(tǒng)仿真和新能源技
術(shù)研究；
唐永紅（1965—），女，從事電力系統(tǒng)仿真；
蒲維（1982—），男，從事電力系統(tǒng)仿真。
（編輯徐花榮）
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2012，33（3）：485-493（in Chinese）．
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收稿日期：2014-04-12。
作者簡(jiǎn)介：
王亮（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榉植际焦夥?
發(fā)電；
王志新（1964—），男，博士生導(dǎo)師，教授，研究分布式光伏發(fā)
電，海上風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電控制，電機(jī)控制及系統(tǒng)節(jié)能；
陸斌鋒（1980—），男，博士后，講師，從事光伏檢測(cè)和控制
工作；
張超（1982—），男，工程師，從事光伏發(fā)電控制工作。
（編輯徐花榮）
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清潔能源
Clean Energy
118 王亮，等：基于LCL濾波器的單相光伏并網(wǎng)逆變控制器設(shè)計(jì)Vol.30 No.12

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