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2009 年9 月 电 工 技 术 学 报 Vol.24 No.9 第 24 卷第 9 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep.2009 变速恒频双馈异步风力发电系统 低电压穿越技术综述 贺益康 周 鹏（浙江大学电气工程学院 杭州 310027）摘要 随着以变速恒频（VSCF）双馈异步发电机（DFIG）为主体的大型风力发电机组在电网中所占比例的快速提高，电力系统对并网风力发电机在外部电网故障、特别是电网电压骤降故障下的不间断运行能力提出了更高的要求。本文首先分析了电网电压骤降对 DFIG 运行的影响，提出了 DFIG 风力发电系统低电压穿越运行的控制目标，继而总结、评价了各种适合于 DFIG 风力发电系统的低电压穿越技术，最后指出了 DFIG 风电系统低电压穿越技术的优化方向，以期展示该技术的最新进展及发展趋势。关键词：双馈异步发电机 低电压穿越 变速恒频 电网电压骤降 中图分类号：TM614；TM315 Overview of the Low Voltage Ride-Through Technology for Variable Speed Constant Frequency Doubly Fed Wind Power Generation Systems He Yikang Zhou Peng（Zhejiang University Hangzhou 310027 China）Abstract As the wind power penetration from large scale wind turbines,which are based on variable speed constant frequency(VSCF)doubly fed induction generators(DFIG),has been increasing rapidly in the transmission system,the grid codes for grid connected wind turbines evolve continuously and demand that the wind power generator has to ride through the grid faults,especially the grid voltage dips.In this paper,the influence of grid voltage dips on the DFIG is analyzed firstly.Meanwhile,the control objective of the low voltage ride through(LVRT)is proposed.Several types of LVRT technology for the DFIG wind turbine systems are then summarized and evaluated respectively.Finally,for the purpose of revealing the latest progress and the developing direction of this technology a valuable conclusion about the optimizing of the LVRT technology is drawn from the above discussion.Keywords：Doubly fed induction generator,low voltage ride through,variable speed constant frequency,grid voltage dips 1 引言 在过去的 10 年中，全世界的风力发电产业以年均 28%的速度快速增长，成为发展最快的可再生能源1。在各种类型的风力发电机组中，变速恒频双馈异步发电机（DFIG）以其调速范围宽、有功和无功功率可独立调节以及所需励磁变频器容量较小等优点，迅速取代传统的恒速恒频笼型异步发电机组，成为国际主流风电机组产品，占据大部分市场份 额2。DFIG 风电机组的特征是定子直接并网，并通过励磁变频器控制转子电流的频率、相位和幅值来 国家自然科学基金（50577056）和国家 863 高技术基金（2007AA05Z419）资助项目。收稿日期 2007-06-28 改稿日期 2008-09-12 第 24 卷第 9 期 贺益康等 变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述 141 间接调节定子侧的输出功率。这种结构不能分离DFIG 与电网之间的联系，导致机组对电网故障非常敏感，而且在故障情况下小功率变频器对 DFIG的控制能力也受到限制。随着 DFIG 风电机组在电力系统中所占容量的快速提高，发电机与局部电网之间的相互影响也越来越大，必须将风力发电机与电网作为一个整体来实施运行控制。为此，电力公司及电网运营商纷纷提出了风力发电设备的并网规范3，并且从维持电力系统稳定的角度出发，要求风电机组在电网电压跌落时能够保持不脱网运行，即要求 DFIG 风电机组具备低电压穿越（LVRT）能力。目前，对电网电压跌落故障下 DFIG 机组的行为特性及提高其 LVRT 能力的研究，已成为国内外风电技术研究的热点问题3-20。本文首先分析了电网电压骤降故障下 DFIG 的瞬态特性，指出了电压骤降故障对 DFIG 机组的危害，继而提出了 DFIG低电压穿越运行的控制目标，然后对各种适合于DFIG 风力发电系统的低电压穿越技术进行了综述，分析其优缺点，最后预测了 DFIG 风电系统低电压穿越技术的优化方向和发展趋势。2 电网电压骤降时 DFIG 的瞬态特性与电网要求 图 1 为变速恒频 DFIG 风电系统原理图。由图可见，DFIG 的定子通过定子并网开关和功率开关连接到电网上，其中并网开关实现 DFIG 正常运行情况下的并网和脱网操作，功率开关实现电网故障下 DFIG 的紧急切除。转子侧快速短接保护装置（Crowbar）用来旁路转子侧变换器（Rotor Side Converter,RSC），为电网电压故障引发的转子过电流提供释放通路。图 1 变速恒频双馈异步风力发电系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of VSCF DFIG wind power generation system 为了研究 DFIG 在电网电压骤降故障下的瞬态特性，需要首先建立相应的系统数学模型。按电动机惯例同步速旋转坐标系下 DFIG 的电压和磁链方程分别为 sss s1srrrrsrdjddjdRtRt=+=+UIUI （1）ss sm rrm srrLLLL=+=+IIII （2）式中 Us,Ur定、转子电压矢量；Is,Ir定、转子电流矢量；s,r定、转子磁链矢量；1同步电角速度；s转差电角速度，s=1r；Ls,Lr定、转子绕组全自感，Ls=Ls+Lm，Lr=Lr+Lm；Lm,Ls,Lr定、转子间互感、定子漏感和转子漏感，且 Lm远大于 Ls和 Lr。按照定子短路故障下的电机瞬态分析方法，将式（2）代入式（1）并进行拉普拉斯变换4，可得DFIG 定、转子瞬态短路电感为5 rmsssrrmsmrrsrsmL LLLLLLLL LLLLLLL=+=+（3）即短路故障发生瞬间，定子电枢反应磁通和转子励磁磁通经过定、转子漏磁路，如图 2 所示。（a）定子等效回路 （b）转子等效回路 图 2 短路故障下定、转子等效回路示意图 Fig.2 The equivalent circuit of stator and rotor windings under short circuit fault 将式（3）代入式（2）可得定、转子故障电流为5 rsmrsrs2ssrmsrmsrsr2rsrmLLLL LLLLLL LL=II （4）由于故障瞬间磁链不能突变，定子磁链中将感生出直流分量，而大型 DFIG 的定、转子漏感一般很小（约 0.1pu），使得建立一定大小定子直流磁链的定、转子短路电流很大（约 510 倍额定电流），对定、转子绕组和励磁变频器产生极大的危害。142 电 工 技 术 学 报 2009 年 9 月 另一方面，从能量守恒的角度考虑，电网电压骤降会使 DFIG 产生的电能不能全部送出，而风力机吸收的风能又不会明显变化，因此这部分未能输出的能量将消耗在机组内部。首先，定子电压骤降将引起定子电流增大，由于定、转子之间的强耦合，使得转子侧也感应出过流和过压。再考虑到大电流会导致电机铁心饱和、电抗减小，使定、转子电流进一步增大。而且，定转子电流的大幅波动会造成DFIG 电磁转矩的剧烈变化，对风电机组机械系统产生很大的扭切应力冲击。转子能量流经 RSC 之后，一部分被网侧变换器（Grid Side Converter,GSC）传递到电网，剩下的给直流电容充电，导致直流母线电压的快速升高。如果不及时采取保护措施，仅靠定、转子绕组自身漏阻抗不足以抑制浪涌电流，过大的电流和电压将导致励磁变频器、定转子绕组绝缘以及直流母线电容的损坏。目前，在风电技术先进的欧洲各国，电力公司都提出了详尽的风力发电机低电压穿越电网规范3,6，如图 3 所示。规定当电网侧变压器高压侧电压在粗线以上范围内，风力发电机必须保持与电网的连接。其中最小维持电压 Umin一般在 15%25%之间，低电压运行最长时间 tdipmax一般在 0.53s 之间，只有电网故障时间超过 tdipmax才允许发电机从电网中切除。短路电流 Ik与电网故障严重程度、发电机参数、故障瞬间发电机的运行状态等多种因素有关，一般没有明确的规定，但从各种文献来看，最大瞬态短路电流 Ikmax应限制在 2(pu)以内。此外，在电压下降期间风力发电机应在自身允许的范围内向电网注入尽可能大的无功电流，以协助故障电网的恢复。一旦电网电压恢复，发电机必须在尽可能短的时间内（约 1s）恢复到正常工作状态7。图 3 低电压穿越电网规范 Fig.3 Grid code for LVRT 根据上述电网电压骤降故障对 DFIG 风力发电系统影响的分析以及对相关电网规范的要求，可将DFIG 低电压穿越运行的控制目标归结为：（1）保持电网故障期间不脱网运行，以防发电机从电网解列引发弱电网更大的后继故障。（2）连续、稳定地提供无功功率以协助电网电压恢复，减小电网电压崩溃的可能。（3）释放剩余能量，抑制故障电流，保护励磁变频器和直流母线电容的安全。（4）保持电磁转矩瞬态幅值在转轴和齿轮可承受范围之内（约 22.5 倍额定转矩）。（5）延缓 DFIG 转速上升，防止飞车。3 现有的低电压穿越技术 当今电网规范要求风电系统的低电压穿越能力不能低于被它取代的传统发电方式，所以各国的风电设备生产商以及相关科研机构都对风电设备的故障运行进行了大量研究，并提出了各种 LVRT 技术。本节首先介绍了无需增加硬件设备的改进控制方法技术，然后按照硬件安装位置的不同，分别介绍了定子侧、直流母线、转子侧以及变桨距四种通过增加硬件设备实现 LVRT 的方法。3.1 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内 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：（1）向大为等人提出一种改进矢量控制策略8，如图 4 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。（2）Manoj R Rathi 等人提出一种基于 H技术 第 24 卷第 9 期 贺益康等 变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述 143 和 分析方法设计的新型鲁棒控制器9，如图 5 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 4 低电压穿越控制空间矢量图 Fig.4 Space-vector diagram of the LVRT control 图 5 H控制器框图 Fig.5 Block diagram of the H controller 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。3.2 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10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 1 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11，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 6 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 6 低电压穿越用定子侧电阻阵列 Fig.6 Stator side resistance matrix for LVRT application 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12-13，如图 7 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 7 具有电网侧串联变换器的 DFIG 系统 Fig.7 DFIG system with a series grid side converter 3.3 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 144 电 工 技 术 学 报 2009 年 9 月 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14，如图 8a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15，如图 8b 所示。UPS 中的 ESS（Energy Storage System）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。（a）直流 Crowbar （b）带 UPS 的直流 Crowbar 图 8 直流母线电容保护措施 Fig.8 Protection methods for DC bus capacitor 3.4 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16，除了图 1 中最常见的二极管桥加可控器件结构外，图 9 中还给出了两种典型结构。其中图 9a 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 9b 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17-18。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，这也是 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 9 两种典型的 Crowbar 电路 Fig.9 Two typical kinds of Crowbar 西班牙 GAMESA 公司提出一种包含无源压敏元件的钳位单元19，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10 所 示。这 种 钳 位 单 元 的 原 理 与 上 述 转 子 侧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 10 钳位单元 Fig.10 Clamping unit 3.5 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，第 24 卷第 9 期 贺益康等 变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述 145 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 11 所示20，电网正常情况下，根据风速调节桨距角，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 11 变桨距控制框图 Fig.11 Block diagram of pitch angle control 4 低电压穿越技术的发展方向 通过以上对变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术的分析，并结合我国风电技术的发展现状，预计今后该技术将会围绕以下几个方面展开研究：（1）建立适合我国电网实际情况的 LVRT 技术标准，使风电设备生产商和风电场开发商有据可依。在较强电网地区，可以适当放宽 LVRT 要求，从而降低工程成本；在弱电网地区则需执行严格的LVRT 标准，确保电网与机组的安全。（2）由于 DFIG 风力发电系统的运行控制本质上是对励磁变频器的控制，所以针对各种电网故障情况的 DFIG 改进控制策略将是未来低电压穿越技术研究的重点。特别是在不太严重的电网故障情况下，可优先采用不增加硬件的改进控制方法。（3）现有的 DFIG 及励磁变频器的瞬态数学模型尚不够精确，未能真实反应 DFIG 机组在各种电压故障条件下的电磁响应，影响到控制策略和保护装置设计的准确性。所以构建包含保护装置（如Crowbar）在内的 DFIG 系统的瞬态数学模型，将成为 LVRT 技术研究的重要内容。（4）对电网电压故障的快速检测以及对故障类型的准确鉴别是 LVRT 运行控制的基础，因此对含有正、负序分量及谐波成分的复杂电网条件下的快速锁相检测技术的研究至关重要，也是 LVRT 技术的重要组成部分。（5）研制各种低成本、高可靠性、控制简单的保护装置，以确保严重故障下 DFIG 特别是励磁变频器的安全，是低电压穿越成功与否的关键。以上提及的各种保护装置各有利弊，可以联合使用以结合其优点，从而满足当地电网的 LVRT 技术规范。（6）研究电网故障下的快速无功补偿策略和 相关的电力电子稳压装置，减小电压骤降对 DFIG机组的冲击，并利用 DFIG 帮助稳定及恢复故障电网电压，是一种可行的先进控制思想。5 结论 随着以 DFIG 为主体的大型风力发电机组装机容量的不断增加，提高 DFIG 在电网故障下的 LVRT能力显得尤为重要。本文提出了 LVRT 运行的控制目标，系统地总结和评价了国内外学术界和工程界在 DFIG 风电机组的故障运行控制和保护方面的研究成果，并预测了 LVRT 技术未来的发展趋势，可为后续研究和工程应用提供参考和借鉴。参考文献 1 Chinese wind energy association.Joint memorandum on realising the opportunities and potential of the chinese wind marketOL.May,2007,Http:/ 2 Anca D Hansen,Lars H Hansen.Wind turbine concept market penetration over 10 years(1995-2004)J.Wind Energy,2007,10(1):81-97.3 Clements Jauch,Julija Matevosyan,Thomas Ackermann,et al.International comparison of requirements for connection of wind turbines to power systemsJ.Wind Energy,2005,8(3):295-306.4 Vicatos M S,Tegopoulos J A.Transient state analysis of a doubly-fed induction generator under three phase short circuitJ.IEEE Transaction on Energy Conversion,1991,6(1):62-68.5 Johan Morren,Sjoerd W H de Haan.Short-circuit current of wind turbines with doubly fed induction generatorJ.IEEE Transaction on Energy Conversion,146 电 工 技 术 学 报 2009 年 9 月 2007,22(1):174-180.6 Dittrich 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