一种新型双馈风电机组低电压穿越技术研究

摘要：深入分析了双馈风电机组的数学模型并研究了新型低电压穿越(LVRT)硬件设计原理和控制策略，并在不同控制模式下进行仿真，对比分析了风电机组发生电网电压跌落和恢复过程中相关暂态特性，同时在风场进行实际的LVRT测试及相关策略验证测试。这种新型LVRT技术有利于减小风电机组在发生电网电压跌落和恢复过程中相关暂态特性对风电机组的不良影响。
关键词：双馈风电机组；低电压穿越；控制策略

1 引言
    目前，为保证新能源快速发展，以及国家电网运行安全，要求风电机组必须具有LVRT能力。国内外对于双馈风电机组的LVRT方案已进行了大量深入研究，对风电机组在电网故障下的各种运行状态对电网的影响及各种暂态性能对风电机组性能和使用寿命影响进行了大量研究工作。研究表明，风电机组在深度低电压跌落及恢复过渡过程中，发电机的电磁转矩和传动轴、齿轮箱等部件将受到冲击而导致轴系出现扭振，甚至可能引起轴线共振。
    此处将阐述一种新型LVRT方案。深入分析了双馈风电机组的数学模型及新型LVRT硬件设计原理和控制策略，并在不同控制模式下进行仿真。同时讨论了在此技术方案下，当发生电网电压低于20％的跌落时，风电机组不停机而正常运行，可避免发生电网跌落引起电网的不稳定。

2 双馈风力发电机组传动链数学模型
    双馈风电机组一般由转子、传动链(分为刚性和柔性)及发电机组成，其中大功率风电机组一般均被当作柔性传动链模型进行研究。此处将风机叶片和轮毂等效为一个质量块，齿轮箱和发电机转子等效为一个质量块，如图1所示。

    双馈风电机组两个质量块传动链数学模型为：
   

    式中：K为传动轴系的刚度系数；Hm，Hg分别为风电机组和发电机转子的总惯性时间常数；ωm，ωg分别为风轮和发电机角速度；θs为轴系的扭转角位移；Tm，Te分别为转子上的机械转矩和发电机的电磁转矩；Dm，Ds，Dg分别为风电机组与发电机之间阻力系数、风电机组自身阻尼系统及发电机转子自身阻尼系统。

3 新型LVRT控制方案
3．1 新型LVRT硬件方案
    为适应新电网运行规则要求，阐述一种新型双馈风电机组LVRT拓扑方案，其硬件拓扑结构如图2所示。发电机转子出线端与直流母线两端新增一个二极管整流桥并联在母线上，同时在变流器直流母线两端并联DBR回路(DBR电阻与IGBT串联)，Crowbar拓扑电路结构采用了二极管整流桥、晶闸管和电阻。

3．2 LVRT控制策略
    根据电网故障时电压跌落程度不同，双馈风电机组的LVRT策略主要有两种：改变变流器的励磁控制和转子侧Crowbar保护电网。电网严重故障情况下，Crowbar电路触发后和电网故障恢复时的暂态过程中会产生电流、电磁转矩和扭矩瞬态跳变，这些暂态特性会对电网稳定性、风电机组特性和使用寿命产生的不良影响。为减少此影响，采取新控制策略，如图3所示。

    ①正常电网电压发生跌落时的DBR控制(非0-Power模式)：即通过控制并联在直流母线上的DBR回路中的DBR电阻释放暂态能量，保证风电机组稳定运行，并网断路器Q2．6一直处于闭合状态；②0-Power控制：即电网电压极端跌落时(u／ur<20％，u为测试实际电压，ur为额定电压)，断开Q2．6，然后通过控制转子侧Crowbar或DBR回路实现电网保护。采用上述控制策略，既满足了国家标准，又避免了电网发生故障时风电机组频繁触发使得Crowbar电路对风电机组使用寿命和性能的产生影响。
    下面对LVRT控制策略进行叙述。双馈风力发电机组在电网电压瞬间跌落时，定子磁链不能跟随定子端电压突变，从而会产生直流分量。由于积分量减小，定子磁链几乎不发生变化，而转子继续旋转，会产生较大滑差，从而引起转子绕组过压、过流，机侧变流器(GSC)的IGBT桥臂闭锁且Crowbar电路又不启动：转子产生的高暂态电流通过二极管整流桥不控整流后，交流变为直流，叠加到直流母线电容上。当直流母线电压Udc>1 250 V，控制指令采用迟滞环控制原理控制DBR回路IGBI开通或关闭，母线能量通过与IGBT串联的DBR电阻泄放，从而维持Udc稳定。
    (1)DBR控制(非0-Power模式)
    ①电网电压轻度跌落(u／ur>50％，平衡和不平衡跌落)，DBR泄放能量+GSC持续可控，风电机组处于全控状态，Crowbar电路不触发；②电网电压重度跌落(20％≤u／ur≤50％)，闭锁GSC，DBR泄放能量穿越故障，Crowbar电路不触发。非0-Power模式下软件控制流程如图4所示。

    (2)0-Power模式
    电网电压极端跌落(u／ur<20％)，GSC闭锁，Q2．6断开，风电机组正常运行。通过控制Crowbar电路或DBR回路释放转子侧积累能量，实现风电机组直流母线电压Udc的稳定控制，当电网相关性能恢复后，Q2．6闭合，实现风电机组正常并网运行，其控制流程如图5所示。

4 仿真与实验
4．1 仿真分析
    额定风况时，电网电压发生20％不平衡跌落，2 MW风电机组在所述两种控制策略下对其暂态特性进行仿真。风电机组在发生LVRT跌落和恢复过程时，其发电机和齿轮箱暂态轴扭矩载荷仿真结果如图6所示，其中upha为风机相电压，it为风机总电流，Tgen为风机扭矩，Tgea为齿轮箱扭矩。

    综上所述：①风电机组在非0-Power控制模式下，发电机和齿轮箱轴承受额外的附加不良扭矩，影响机组长时间运行的特性和使用寿命；LVRT发生或恢复过程中产生大的暂态电流，可能触发风电机组变流器的保护定值；在外部电网恢复过程中无功的注入具有挑战；②风电机组在0-Power控制模式下，发电机和齿轮箱轴不承受额外的附加不良扭矩；在外部电网恢复过程中，电流的各种暂态无冲击且平稳过渡。
4．2 实验分析
    以对某公司2 MW双馈风力机组在国家实验中心进行LVRT测试。风电机组在新型LVRT方案下进行LVRT测试并通过国家关于LVRT测试标准。现以电网(机组运行功率为2 MW，风速大于额定风速12 m／s)发生20％不平衡跌落为例，进行非0-Power模式及0-Power模式实际测试，实验波形如图7，8所示。

    由图7，8可知：①风电机组在非0-Power控制策略下通过国家关于LVRT的测试：②在非0-Power控制模式下，风电机组的有功在LVRT发生过程和恢复过程存在暂态波动或额外峰值；③风电机组在0-Power控制模式下可实现LVRT，在LVRT发生和恢复过程不存在有功暂态波动或峰值；④由于实验测试时未对风电机组发电机轴和齿轮箱轴进行扭矩监测，因此没有实际测试数据验证不同控制模式下其暂态特性。

5 结论
    新型LVRT技术方案经过实际测试，从仿真和测试波形分析验证了此技术方案硬件和非0-Power控制模式的正确性。由于实验测试时未对风电机组发电机轴和齿轮箱轴的扭矩进行监测，后续进行其他特性测试的同时，进行了风电机组机械特性测试验证。同时提出了一种0-Power控制模式，在风电机组电网电压跌落低于20％情况下实现了风电机组不停机穿越电网故障，而且在此控制策略下可减少风电机组在LVRT发生和恢复过程中暂态对风电机组的不良影响。0-Power控制策略为研究风电机组LVRT技术提供了一种研究思路来改善风电机组在LVRT发生过程中所产生的机械载荷机组本身产生的不良影响，以达到提高风电机组使用寿命的目的，然后再采取不同技术改善机组的LVRT性能。