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基于安全电压的双馈风电机组高电压穿越判别方法

文档作者：徐琳1 唐永红1 蒲维1 龚锦霞2 文档来源： 1. 国网四川省电力公司电力科学研究院 2. 上海电力学院，		点击数：	更新时间： 2021年06月06日
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基于安全电压的双馈风电机组高
电压穿越判别方法
徐琳1，唐永红1，蒲维1，龚锦霞2
（1. 国网四川省电力公司电力科学研究院，成都610072；2. 上海电力学院，电气工程系，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：基于双馈风电机组的动态无功支持能力，在电网电压
骤升时协调控制网侧变流器和发电机定子输出的无功功率，
维持直流侧母线电压的安全稳定运行。根据DFIG直流侧电容
的高电压穿越安全要求，定义了电网电压骤升时双馈风力发
电机组接入电压的安全电压。然后基于安全电压给出了DFIG
在电网电压骤升时能否实现高电压穿越的判断依据，并给出
了其高电压穿越时的无功协调输出策略。仿真结果验证了所
提的方法。
关键词：高电压穿越；双馈风电机组；安全电压；直流侧电压控制
近年来随着并网容量的增加，在风电发展最
快省区的一些风电基地不断出现风电机组脱网事
故[1-2]。2010年起国内多个风电场连续发生了由高压
电缆头短路故障引起电压跌落，造成局部风机脱
网，由于风电场补偿电容器无法自动切除，造成总
体无功过剩，系统电压迅速升高，造成上千台风机
脱网事故，拉低了整个区域电网主网频率[3-4]。大规
模风电机组同时脱网，造成有功大量缺失，导致电
网系统电压、频率波动，威胁到电力系统安全稳定
运行[5-6]。通过对风电场机组脱网事故进行调查，通
常由短路引起低电压造成的风电脱网现象，实际运
行中低电压的时间通常非常短，仅几十毫秒，最终
导致风场所有风机停机的原因往往是无功过补偿
引起的电压偏高，因此高电压穿越（high voltage
ride-through: HVRT）问题越来越引起重视[7-9]。
双馈风电机组（double fed induction generator:
DFIG）因具有有功和无功功率调节能力，相关HVRT
方案研究较多[10-14]。文献[10]引入虚拟电感，形成
虚拟阻抗的改进控制策略，文献[11]提出了变阻尼
的改进控制方案，提高了系统的高电压穿越性能。
文[12]根据线路电压电流关系，提出主动电压控制
方案，控制高电压故障期间机组的运行电压。双馈
风电机组由于对电压的变化非常敏感，电压偏低或
偏高都会引起转子过流或直流母线电容过压[13-14]。
文献[13]故障时采用母线电压控制模式，保持直流
侧母线电压在稳定值，实现双馈机组的高电压穿
第30卷第12期
2014年12月
电网与清洁能源
Power System and Clean Energy
Vol.30 No.12
Dec. 2014
文章编号：1674-3814（2014）12-0109-05 中图分类号：TM614 文献标志码：A
———————————————————
基金项目：本文受国网四川省电力公司电力科学研究院2014
年项目资助（SGSCDK00DWJSFW1400041）。
Project Supported by 2014 Research Institute of State Grid
Sichuan Electric Power Company（SGSCDK00DWJSFW1400041）.
清洁能源
Clean Energy
越。文献[14]提出了一种用于双馈风力发电机组变
流器的混合型电流控制方案，采用两种控制模式：
电网正常条件下标准的电流PI控制和电网异常情况
下矢量磁滞电流控制器，两种控制方式切换，实现
电网侧和转子侧变流器控制，同时解决低电压穿越
和高电压穿越问题。
本文考虑了DFIG接口电压对直流母线电压的
影响，根据DFIG直流侧电容的高电压穿越安全
要求，定义了电网电压骤升时双馈风力发电机组接
入电压的安全电压，并基于安全电压给出了DFIG
在电网电压骤升时能否实现高电压穿越的判断
依据。
1 电压骤升时DFIG的无功功率约束
1.1 双馈风力发电机组工作原理
双馈风电机组的工作原理如图1所示。图1中，ug
为GSC接入点电压；uwt
为风机接口变压器的网侧电
压；Pg
为GSC输出的有功功率；Ps
为DFIG定子侧输出
的有功功率；Qg
为GSC输出的无功功率；Qs
为DFIG定
子侧输出的无功功率；Pw
为DFIG输出的总有功功
率；Qw
为DFIG输出的总无功功率。
当前主流的各种变速恒频风电机组都采用包
含一个直流母线的电压型变流器，如图1所示，其中
转子侧变换器（Rotor-side Convertor，RSC）通过控
制RSC输出的励磁电流来调节DFIG定子输出的有
功和无功功率，网侧变换器（Grid-side Convertor，
GSC）的控制目标为直流侧电压的稳定。正常电网条
件下发电机按最大功率跟踪输出有功，网侧变换器工
作在单位功率因数模式下，DFIG不输出无功功率。
通过适当控制，DFIG的发电机定子侧和网侧变
流器具有一定无功输出能力。双馈风力发电机定转
子的无功功率极限范围为[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
分别为DFIG定子侧输出无功功率的
最大值和最小值，表达式如下：
Qs，max=－ U2g
ωsLs
+ Lm
Ls
≤ UgIrmax≤2
－P2s
姨
Qs，min=－ U2g
ωsLs
－ Lm
Ls
≤ UgIrmax≤2
－P 2s
姨式中，Ug
为定子侧接入点电压；Lm
为激磁电感；Ls
为
定子漏感；ωs
为定子旋转角速度；Irmax
为发电机转子
侧最大允许电流。
网侧变流器输出无功功率的极限范围：
－ （Sg
）2－（sPs
姨）2≤Qg≤ （Sg
）2－（sPs
姨）2 （2）
双馈风电机组的无功输出能力为HVRT提供了
可能。
1.2 DFIG高电压穿越的安全要求
通常发电机定子对电压过高的耐受程度较好。
而电压偏高会引起直流母线电容过压，导致变流器
不能正常工作，风电机组由于自我保护自动脱离电
网。对于国内某一采用电网侧电压690 V的变流器
变速恒频风电机组，当系统电压达到1.2Un
时，系统
电压峰值为1 169 V，已经超过变流器直流母线的设
定电压，但还在IGBT的安全运行范围，是这种风机
能够运行的最高电压。当电网电压达到1.25Un
时，峰
值电压为1 219.6 V，已经超过变流器直流母线的安
全电压，必须采取适当的降压措施，否则会造成
IGBT或直流电容过电压击穿。
当电网电压超过一定限度，电网侧变流器会发
生功率反向，从PWM逆变器变为PMW整流器，甚至
出现IGBT反向偏置，形成二极管全桥整流器，造成
直流母线电压迅速升高。通常为保证直流侧电容正
常运行和RSC、GSC元器件的安全运行，直流侧母线
电压Vdc
需满足：
Vdc姨3 （Ug+ωrLgIgq
）2+（ωrLgIgd
姨）2 （5）
由式（5）可得GSC接入点电压ug
的最大幅值为：
Umax
g，R=
（Vmax
dc
）2
3 －（ωrLgIgd
）2 姨－ωrLgIgq
（6）
Umax
g，R
表明了在给定风速条件下，电网的最大可允
许的GSC接入点电压，本文定义其为双馈风力发电
机组接入电压的安全电压。当UgUwt
时，双馈风力发电机组在电网电压为
Uwt
时可以安全运行。当Umax
g，R≤Uwt
时，无功优先情况
下，根据式（8）可得到DFIG需输出的无功功率为：
Q′1=1X
t
Umax
g，R （ Umax
g，R－Uwt
） （9）
若仅通过控制双馈风力发电机组定子和网侧
变流器输出的无功功率，使得双馈风力发电机组的
接口电压保持低于安全电压，需满足：
QW，max
Umax
g，R），式（10）不成立则风力发电机组脱离电网；式（10）
成立，则协调双馈风力发电机组输出的无功功率。
将Umax
g，R用额定电压取代，由式（9）得到：
Q2=1X
t
（1－Uwt) （12）
式（12） 表示为保持接口电压为额定值时双馈
风力发电机组需输出的无功功率。
根据式（4），当电网电压骤升导致风机接口电
压升高到U′g
，控制GSC输出的无功电流使变流器
直流侧电压稳定在满足式（3）和（4）的某一给定值
Vdc，R
（一般取其额定值），GSC需输出的最小无功电
流为：
Igq= 1
ωrLg
V2
dc，R
3 －（ωrLgIgd
）2 姨姨－U′g姨（13）
综上，式（10）成立时网侧变流器按式（13）输出
无功电流；发电机定子侧需输出的无功电流为：
Isq=Q2/Uwt－Igq
（14）
3 仿真与分析
对某一2 MW双馈风力发电机组进行仿真和分
析，仿真结构如图1，网侧PWM变换器采用直流电压
外环、交流侧电流内环的双闭环串级结构控制器。
电压外环控制输出直流电压，电流内环控制交流侧
电流，使之快速地跟踪电流指令。通过电流指令限
幅实现对变换器装置的过流保护。仿真参数如表1
所示。
取kv=0.95，根据表1中的参数，由式（3）和式（6）
可得：Vmax
dc =1 187.5 V，Umax
g，R=1.24，Q′1=－0.595，双馈
风力发电机组可以通过自身的无功调节能力实现
高电压穿越。
按照澳大利亚电网规程要求，风电机组需在并
网点电压骤升至1.3 pu时不脱网运行60 ms，因此本
文在电网电压骤升至1.3 pu时对DFIG进行仿真。仿
真风速为11 m/s，在t=4 s时刻电网电压骤升至1.3
倍标么值，故障持续600 ms，GSC运行在单位功率
因数。正常运行时风力发电机稳定输出0.83 pu有
功功率。设定电压骤升故障时Ug，R=1.2 pu，采用本
文考虑安全电压的DFIG高电压穿越方法，为维持
接口电压，发电机定子侧输出的有功给定值为零，
清洁能源
Clean Energy
111
双馈机组风力发电机定子和GSC均按最大容量输
出大量无功功率。GSC和发电机定子侧输出无功功
率如图2所示。
图3为仿真期间的直流侧母线电压。在电网电
压骤升至1.3倍额定电压下，HVRT期间直流侧母线
电压升高到1 150 V，Chopper电路无触发，双馈风
力发电机组可正常工作，实现了高电压穿越。图4给
出了故障点电网电压、规定方法[17]以及采用本文方
法得到的DFIG接口电压。从图4可以看出，采用规
定的方法在本文算例下机组向电网提供无功电流
不足，接口电压仍高达1.25倍额定电压，远高于变
流器的工作电压，将直接影响机组的安全性，而采
用本文方法的仿真结果满足HVRT测试要求。
4 结论
1）双馈风力发电机组具有无功输出能力，在电
网电压骤升时可通过协调控制网侧变流器和发电
机定子侧的无功输出，保持直流侧母线电压的安全
稳定运行，实现机组的高电压穿越。
2）双馈风力发电机组的高电压穿越能力与变
流器的直流侧电容、进线电感和故障时的线路（电
阻）电抗等因素有关。本文提出一种通过计算双馈
图3 高电压故障下DFIG直流侧母线电压
Fig. 3 The DC bus voltages of DFIG during grid
voltage swell
图2 电网电压骤升时双馈风力发电机的无功功率输出
Fig. 2 The reactive power ouputs of DFIG during grid
voltage swell（Ug=1.3 pu）
表1 仿真系统参数
Tab. 1 The simulation parameters
发电机参数pu
基准功率2 MW
基准线电压690 V
基准电阻0.238 Ω
角频率2*pi*50
激磁电感3.954 pu
定子漏感0.092 4 pu
转子漏感0.099 6 pu
定子电阻0.004 89 pu
转子电阻0.005 5 pu
转子/定子匝数比3
线路/变压器
机端变压器2.5 MV·A，35 kV/0.69 kV
机端变压器漏抗0.1 pu
接口变压器100 MV·A，110 kV/35 kV
接口变压器漏抗0.1 pu
线路电阻电抗1.6 Ω
线路电感0.01 H
其他参数值
电容额定电压1 100 V
电容值10 mF
GSC滤波电感0.5 mH
Chopper电阻0.1 Ω
徐琳，等：基于安全电压的双馈风电机组高电压穿越判别方法Vol.30 No.12
清洁能源
Clean Energy
112
第30 卷第12 期电网与清洁能源
风力发电机组的无功输出能力判断其在某一高电
网电压下DFIG的能否实现高电压穿越的方法。
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（下转第118页）
图4 DFIG接口电压（Ug=1.3 pu）
Fig. 4 The access voltage of DFIG（Ug=1.3 pu）
清洁能源
Clean Energy
113
（上接第113页）
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———————————————————
收稿日期：2014-10-15。
作者简介：
徐琳（1984—），女，博士，从事电力系统仿真和新能源技
术研究；
唐永红（1965—），女，从事电力系统仿真；
蒲维（1982—），男，从事电力系统仿真。
（编辑徐花荣）
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收稿日期：2014-04-12。
作者简介：
王亮（1991—），男，硕士研究生，研究方向为分布式光伏
发电；
王志新（1964—），男，博士生导师，教授，研究分布式光伏发
电，海上风力发电、光伏发电控制，电机控制及系统节能；
陆斌锋（1980—），男，博士后，讲师，从事光伏检测和控制
工作；
张超（1982—），男，工程师，从事光伏发电控制工作。
（编辑徐花荣）
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
清洁能源
Clean Energy
118 王亮，等：基于LCL滤波器的单相光伏并网逆变控制器设计Vol.30 No.12

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