永磁直驱型风电机组两类故障的穿越技术

为了使风电机组在电网电压瞬间故障时仍能保持并网，电网安全运行准则要求其在电力系统连接点电压故障期间不仅不能随意脱网，还需要向连接点发送无功功率，以帮助连接点电压恢复，只有当连接点电压跌落低于规定曲线或持续时间超过规定以后才允许脱网 引。由于取消了故障最多的齿轮箱结构，大大减小了噪音和维修量；全功率变流器使发电机和连接点间完全解耦；故障时可以只在网侧变流器和公共直流侧采取措施，而不影响发电机的正常运行，因此永磁直驱型风电机组 具有良好的发展和应用前景。目前，多数文献主要是对于永磁直驱型风电机组某种特定故障穿越技术进行详细介绍，鲜有文献针对永磁直驱型风电机组的故障穿越技术较为全面地分析介绍。

本文重点分析永磁直驱型风电机组在低电压故障穿越时需要采用的软件方法和硬件方法，可以采用的方法有：变桨距控制 3IH J，使网侧变流器运行于STATCOM模式 孓"J，增加网侧变流器的容量，加装辅助变流器，分别在机侧、直流侧和网侧加装撬棒Crowbar电阻保护电路 ，在直流侧加装撬棒Crowbar储能保护电路[2 等；不对称故障穿越常采用基于对称分量法的相关控制策略[27驯 同时配合低电压故障穿越的方法。

1 永磁直驱型风电机组的结构永磁直驱型风电机组结构为：风力机与发电机同轴，发电机转子采用永磁体励磁、定子绕组通过全功率变流器和变压器接入电网，其结构形式如图 1所示[i-8]。本节主要对风力机、发电机和全功率变流器等部分进行分析。

图 1 永磁直驱型风电机组结构图1.1 风力机技术风力机利用风的动力带动发电机发 。风力机的性能直接影响着整个风电机组的性能和效率♂构上，最常见的是三叶片上风向的水平轴风收稿日期：2012-10-18 基金项目：国家自然科学基金(51207002)、陕西势技厅计划项目(2011K09-35)、陕西省教育厅计划项目(2叭3JK1022)和宝鸡文理学院计划项目(ZK12036)资助作者简介：李玉忍(1962-)，西北工业大学教授、博士生导师，主要从事电力电子新设备及其应用的研究。

· 640· 西 北 工 业 大 学 学 报 第 31卷力机；风力机的特性系数包括：风能利用系数 C 、叶尖速比A、转矩系数 c 、和推力系数 C，；风力机功率调节方式主要有定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节3种方式，目前变速恒频风电技术中采用较多的是变桨距调节方式；变桨距调节有液压变桨距执行机构和电动变桨距执行机构 2种形式，液压变桨距控制机构具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定位准确、执行机构动态响应速度快等优点，能够保证更加快速准确地把叶片调节至预定节距，电动变桨距执行机构是利用电动机对桨叶进行控制，电动变桨距机构没有液压变桨距机构那么复杂，也不存在非线性、漏油、卡塞等现象发生，因此目前受到广泛关注。

1.2 发电机技术由于风力机通常运行在比较恶劣的环境下 ，永磁同步发电机转子上无励磁绕组，不存在励磁绕组铜耗问题，比同容量的电励磁方式发电机效率高，转子上没有滑环，运转更安全可靠，电机的重量轻，体积小，制造工艺简便，当采用风力机与永磁同步发电机转子直接耦合时，省去了齿轮箱，提高了效率，减少了发电机的维护工作，降低了噪声；永磁发电机制成后不需要外界能量即可维持其磁场，可以不必进行磁池制而只进行简单的电机输出控制。永磁同步发电机在 d-q同步旋转坐标系下的数学模型如公式(1)所示 ·。 。· iq dt-∞ · (1)Pg d。iDu口igQguqid-Ud。iq式中，i 为发电机电流的d轴分量；i 为发电机电流的g轴分量；u 为发电机端电压 d轴分量；u 为发电机端电压 q轴分量； 定子电阻及器件损耗等效电阻的和； 为发电机的电角频率； 定子磁链 d轴分量； 为定子磁链 q轴分量；P 为永磁同步发电机的有功功率；Q 为永磁同步发电机的无功功率。

1.3 功率变流器技术电压型 PWM整流器和电压型 PWM逆变器由于都可以四象限运行，-般统称为PWM变流器，其大容量形式有多电平结构、多重化结构和链式结构等。由于目前电力电子技术和控制理论的发展水平以及电力系统对电能质量的严格要求，永磁直驱型风电机组中常采用背靠背双电压型两电平 PWM变流器结构。

c 3 s w )-/'Load- LiqPWMRidPWM (2)mLiqPwM 删 电压型两电平 PWM变流器在 d、q轴下的数学模型如公式(2)所示 J，式中 c为直流侧电容器的电容值； 为直流侧电容器电压；i。PW 为变流器交流侧无功电流；tdPW 为变流器交流侧有功电流；s 为变流器开关的 d轴分量；s 为变流器开关的 q轴分量；e 为电网电压的d轴分量；e。为电网电压的q轴分量； 为变流器交流侧电压的d轴分量； 。为变流器交流侧电压的q轴分量；尺为变流器交流侧连接电阻； 为变流器交流侧连接电感； 为电网电压角频率； 为直流侧负载电阻。

该数学模型中d、q轴电流之间有耦合存在，可以采用 PI调节器设计电流环前棱耦控制，其结构如图2所示。

SVPW M图2 电流前棱耦控制结构图2 永磁直驱型风电机组故障穿越技术电力系统是-个复杂系统，当连接点出现电压跌落或不对称故障时，要求风电机组不要立刻脱网，应为系统恢复正常状态提供必要的支持，也使自身实现故障穿越。目前较常用的低电压穿越技术包括变桨距控制、STATCOM模式运行控制、加装撬棒Crowbar耗能元件保护电路、直流侧连接超级电容器、储能电池以及直流侧同时连接超级电容和储能电池的储能元件等方法；而系统不对称故障穿越主要采用对称分量法将网侧变流器电流的正序分量和负序分量区分开来分别控制，从而实现不对称故障穿越。本节对各种故障穿越技术进行详细分析。

第4期 李玉忍等：永磁直驱型风电机组两类故障的穿越技术 ·641·2.1 变桨距控制新的电网运行准则要求连接点电压跌落期间风电机组能够保持和系统之间的连接 13，18，并且根据电压跌落的幅度向电网提供不同的无功功率。图3是德国 E.ON公司标准中规定的风电机组低电压运行能力曲线。图中折线以上的区域是风电机组需要保持同电力系统之间连接的区域。只有当电力系统出现曲线下方区域所示的故障时，才允许风电机组同电力系统脱离。电网故障清除后，风电机组需要立刻恢复向电网供电，并且保证每秒钟至少增加20%的额定输出功率。

f故障发生时刻 /s图3 E.0N标准中风电机组低电压运行曲线当连接点电压发生跌落时9j，如果风力机和发电机输出功率不变，为保持功率平衡，网侧变流器输出功率也不变，其输出电流将会增大，但是由于器件的热容量有限，必须对网侧变流器的输出电流进行限制，从而使输送到电网的功率减校只要风力机提供的功率不减小，2套变流器所共用的直流电容器电压将会上升，因此机侧变流器的控制器也要降低其设定值，使定子侧功率降低 随之电磁转矩也降低；但是当输入转矩不变时，发电机将会升速，当连接点电压跌落时间较短时，转速不会有太大的上升，当跌落时间较长时，转速会有较大幅度的上升。增大桨距角可以减小风能的捕获，从根本上维持能量平衡 ，保证系统稳定。对于电压跌落这种常见故障，永磁直驱型风电机组的各部分都会受到影响，变桨距控制响应时间较长，不利于系统在故障消除后快速恢复正常运行，对连接点电压的快速跌落、短时故障反应较慢，所以仅作为辅助调节手段。

2.2 STATCoM 模式运行控制网侧变流器的STATCOM模式经常采用电压外环和电流内环相结合的控制方式15-17 3。在电力系统连接点电压正常时，网侧变流器的无功电流参考值为零，网侧变流器主要工作在逆变器方式，其运行在单位功率因数状态，只向电网输送有功功率；在电力系统连接点电压发生跌落故障时，通过使永磁直驱型风电机组网侧变流器运行于无功功率发生模式，快速向连接点提供无功功率支持，稳定其电压，同时STATCOM模式有利于永磁直驱型风电机组实现低电压穿越功能。网侧变流器 STATCOM运行模式下，需要考虑的问题是向连接点提供的无功功率与变流器无功参考电流间的关系，这与连接点电压跌落深度、故障点以及变流器之间的线路阻抗等都有关系。当连接点电压跌落幅度较大或持续时间较长时，由于机侧变流器和网侧变流器功率的偏差增大，网侧变流器的电流增大过多而达到限幅值，直流母线电压升高，进而威胁到开关器件和直流侧电容器的安全运行，此时需要采用网侧加装辅助变流器、直流侧加装撬棒 Crowbar耗能元件电路或加装储能元件的方法使风电机组实现低电压故障穿越。

2.3 网侧加装辅助变流器电力系统连接点电压跌落之后永磁直驱型风电机组变流器不能正常工作的主要原因是变流器开关器件的过流能力有限1 ，在风电机组直流电容器和电力系统连接点之间并联辅助变流器的方法可以提高网侧变流器的过流能力，从而实现低电压穿越。

辅助变流器-般采用的功率器件是GTO等成本较低、过流能力较强的开关器件。但是这种方法也有其固有的缺点，例如网侧和辅助2个变流器控制的配合问题以及 GTO等器件开关频率较低而造成的谐波问题。同时如果连接点电压跌落幅度较大，这种方法同样较难实现低电压穿越。此方法在实际风电机组低电压故障穿越中使用很少，与此方法相对应的可以采用增大功率开关器件的额定容量。

2.4 加装耗能元件当连接点电压跌落幅度较大或持续时间较长时，由于前述控制方法存在动态调节速度慢，调节能力有限，谐波含量高等不足，而连接点电压跌落引起的故障需要在短时问内得到响应，所以对于较为严重的低电压故障，经常采用加装撬棒 Crowbar电阻保护电路的方法实现低电压故障穿越。

在永磁直驱型风电机组的不同位置加装不同的撬棒 Crowbar电阻保护电路，有在发电机侧加入保护电路的方法，这种方法在现代永磁直驱型风电机组中基本不采用；也有在电力系统连接点加入撬棒保护电路的方法，这种情况需要-个与风力发电输出基本相匹配的负载，以在它们之间形成-个微网--雌腿 -～· 642· 西 北 工 业 大 学 学 报 第 31卷系统，这种保护方式增加的硬件较少、成本较低，但是需要选择-个与风力发电输出相匹配的负载，同时控制方式的切换也是难点；在中间直流侧加入撬棒 Crowbar电阻保护电路的方式可以快速有效地控制直流侧电压的上升 ' ， J。当连接点电压发生短时跌落故障时，为了消除短时故障对风力发电机组的影响，在直流侧增加撬棒 Crowbar保护电路，当电压跌落幅度较小时，依靠网侧变流器直流侧电压外环稳定直流侧电压，并使其运行于 STATCOM模式，向电力系统连接点输出无功功率，帮助连接点电压恢复，并使风电机组实现故障穿越；当电压跌落幅度较大时，由于直流电容器两侧功率差额太大，直流侧电压会上升，此时不仅要控制 网侧变流器运行于SATCOM模式，同时需要投入撬棒 Crowbar电阻保护电路，消耗掉直流电容器两侧的功率差额。

在中间直流侧加入撬棒Crowbar电阻保护电路有2种方式：①将大功率高压电阻通过功率器件直接并联在直流电容器的两端，该方法对电阻的耐压等级有要求；②将低压电阻通过Buck电路并联在直流侧电容器的两端，该方法只需要低压电阻就可以，同时还可以很好地限制启动电流。以上2种方法都需要通过控制电路决定撬棒 Crowbar电阻投入和切出的时机，常用的是以直流电容器两侧的功率差额和直流侧电容器电压 2个条件作为判断标准：以功率差额作为首要判断条件，以直流侧电容器电压作为辅助判断条件，当功率差额达到上限时立即投入撬棒电阻，并根据控制电路计算其投入时功率器件的占空比，当直流侧电压达到上限时快速全额地投入撬棒电阻；当功率差额和电容器电压满足要求时即切出撬棒电阻，当以直流侧电容器电压作为条件撬棒电阻投入工作时，直到撬棒电阻切出也要以直流侧电压作为判断条件，以防止2种判断条件之间产生交错影响。为了避免撬棒电阻的频繁投切，控制电路需要有-定的滞环宽度。简单的控制电路也有只以电容器电压滞环作为判断条件。撬棒电阻的阻值计算 ，培 可以参考公式(3)。

(3)式中， 。为撬棒电阻的阻值； 为直流侧电容器电压的上限值；P 为发电机输出功率；u 为连接点额定电压的有效值；i 为连接点额定电流的有效值；为故障发生后连接点电压同其额定电压的比例量； 为连接点电流增大的比例。

考虑到电阻的发热情况，在设计撬棒电阻时，其功率和阻值参数应该留出-定的裕量。

2.5 加装储能元件在直流电容器侧加装撬棒 Crowbar电阻可以提高永磁直驱型风电机组的低电压穿越能力，电压跌落时，直流电容器侧多余的能量完全被浪费，且需要大功率负载并考虑电阻散热。从节能角度考虑，可以在直流电容器两端加装超级电容器、储能电池或超级电容器和储能电池组合等撬棒 Crowbar储能元件，而且可以提高系统的动态响应速度。

2.5.1 加装超级电容器通倡超级电容器模型简化为理想电容器与等效电阻串联的模型 j 。撬棒 Crowbar超级电容器电路由DC/DC双向变换器和储能单元构成，投入运行时，由DC/DC双向变换器对储能单元进行充放电控制，对电网故障造成的直流侧电压升高做出快速响应，故障消除后，切出撬棒 Crowbar超级电容器电路，使风电系统迅速恢复正常运行。

图4 撬棒 Crowbar超级电容器电路拓扑图图4为撬棒 Crowbar超级电容器电路拓扑图，其中 为负载等效电阻，C出为直流电容器电容值，为直流电容器母线电压，开关管s，、s：互补导通，为储能装置中的电感，i 为电感电流， 。为超级电容器拈的等效电阻，C 为超级电容器组的电容值。此拓扑电路中，从超级电容器端到直流侧为Boost升压电路；从直流侧到超级电容器端为 Buck电路。当 低于额定值时，超级电容器释能，系统作 Boost状态运行；当 高于额定值时，超级电容器储能，系统作 Buck状态运行。撬棒 Crowbar超级电容器电路控制器通过检测输入、输出有功功率值，以功率偏差作为主要判断条件，当功率偏差超过-定值时，投入撬棒 Crowbar超级电容器保护电路；将直流侧电容器电压作为辅助判断条件，以应对直流侧电压突然升高的情况，增强控制的可靠性，其控制思路和撬棒 Crowbar电阻保护电路的控制基本相同。

第4期 李玉忍等 ：永磁直驱型风电机组两类故障的穿越技术 ·643·2.5.2 加装储 能电池采用在直流侧加储能电池提高低电压穿越能力 J，当电压跌落时，多余的能量被储存，直流侧电压不足时，储能电池放电为电容充电，可以实现能量再利用，能够较好地保持直流侧电压的稳定，并且能用存储的能量为电网提供-定的功率支持。性能优良的储能电池与大规模风力发电配套使用，是改善电力系统运行性能的重要手段。

- 图5 撬棒Crowbar储能电池电路拓扑图图5是在直流电容器侧增加钒电池储能装置双向 DC/DC充电器控制器原理图。图5中 J，P 为发电机输出功率，P 是永磁同步电机输出功率；P · i 是电力系统连接点从风电机组吸收的功率；△P为直流侧电容器输入输出有功功率偏差；是电池充放电电流的给定值；， 是电池充放电电流。

当直流侧输入输出有功功率存在偏差 △P时，△P经过偏差判断后，由PI调节得到电池充电电流给定值，然后电池的实际充电电流， 与 比较，经过PI调节器产生导通占空比触发双向DC/DC变换器的开关器件，对电池进行充放电。当， >0时，电池进行充电； <0时，电池放电。储能电池的投入和切出也要设置-定的滞环，以防止频繁的投入和切出，影响电池性能，其控制思路与撬棒 Crowbar电阻电路及超级电容器电路的控制过程大致相同。

2.5.3 直流侧 同时连接超级电容和储能电池在电力系统连接点电压跌落故障发生时 .2 ，单独使用超级电容器或储能电池可以维持直流电容器两端功率的平衡，保持其直流电压的稳定，同时保证了功率开关器件的安全运行，可以实现永磁直驱型风电机组的低电压故障穿越。为了实现超级电容器和储能电池2种储能元件的优势互补，让储能电池工作在消除机侧变流器和网侧变流器功率波动引起的低频分量的状态，从而充分利用变流器的容量并延长它的使用寿命；让超级电容器工作在消除机侧变流器和网侧变流器功率波动引起的高频分量的状态，因为超级电容器具有大容量、大充放电率、较长的生命周期等多个优点。在电力系统连接点电压跌落故障发生时，为了保持直流侧电容器电压的稳定，保证功率开关器件的安全运行，超级电容器也可以用来吸收由于网侧变流器和机侧变流器功率不平衡引起的直流电容器两侧的多余功率。

2.6 不对称故障穿越电力系统大部分时间是平衡系统 ，但对于电力系统事故性的暂态不对称故障而言，往往会引起大值不对称电压，永磁直驱型风电机组采用的是全功率变流器，机组发出的电能全部通过变流器传送到电网，因此变流器是系统的核心部件和脆弱环节，电网故障所造成的变流器元器件过电流、变流器直流侧电容器过电压以及直流侧电容器电压大幅的波动会对变流器乃至整个风电机组的安全造成极大的威胁。在三相不对称电压下，采用对称分量法在同步坐标系下得到网侧变流器正序电流基波分量，其为直流量，通过PI调节器实现无差跟踪；对于负序电流，转换至正序同步坐标下为2倍工频交流量，不但会引起直流侧电容器电压2次谐波，而