電網(wǎng)不對稱故障下雙饋風力發(fā)電機組的LVRT研究

孟曉凱 韓如成 潘 峰

（太原科技大學(xué)，太原 030024）

隨著國內(nèi)風電裝機容量的逐年增大，使得風電機組與電網(wǎng)之間的相互影響也越來越大。然而我國目前的風電機組的分布大多在偏遠地區(qū)，與電力主干網(wǎng)連接較弱，電網(wǎng)電壓容易發(fā)生波動、不平衡。如果風電場整體切出電網(wǎng)，將會給電網(wǎng)造成致命的沖擊，所以要求并網(wǎng)的風力發(fā)電機必須具備低電壓穿越能力[1]。我國在2009年根據(jù)國內(nèi)電網(wǎng)的實際情況提出了相應(yīng)的并網(wǎng)導(dǎo)則，其中對并網(wǎng)風機的有功無功功率控制、運行頻率、電能質(zhì)量及低電壓穿越都作了相應(yīng)的規(guī)定，來保證電網(wǎng)的安全運行。

目前國內(nèi)風力發(fā)電的主流機型為 1.5MW 的雙饋變速恒頻風力發(fā)電機組。由于雙饋式感應(yīng)發(fā)電機的定子直接與電網(wǎng)相連，所以電網(wǎng)電壓波動時將會導(dǎo)致定子電流變化。電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱故障時，DFIG發(fā)出的功率不能及時送出及負序分量的影響，將導(dǎo)致定子電流急劇增大。由于定轉(zhuǎn)子之間具有強耦合關(guān)系，也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過電流產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，損壞勵磁變流器、定轉(zhuǎn)子繞組以及母線電容，對電機造成巨大的破壞[2-3]。

關(guān)于低電壓穿越的研究多集中于電網(wǎng)電壓對稱故障下，對不對稱故障下的研究鮮有涉及。所以本文通過對電網(wǎng)不對稱故障下DFIG的運行狀態(tài)分析，利用改進的控制策略和目前比較流行的Crowbar電路相結(jié)合的方式來研究其低電壓穿越過程。

圖1 DFIG控制框圖

1 不對稱故障下DFIG數(shù)學(xué)模型

電網(wǎng)電壓正常時，DFIG的定、轉(zhuǎn)子電壓方程和磁鏈方程在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下為[4]

式中，usd、usq、urd、urq分別為定轉(zhuǎn)子電壓 dq軸分量；isd、isq、ird、isq分別為定轉(zhuǎn)子電流dq軸分量；ψsd、ψsq、ψrq、ψrq分別為定轉(zhuǎn)子磁鏈 dq軸分量；RS、Rr為等效后定轉(zhuǎn)子電阻；LS、Lr為定轉(zhuǎn)子自感；Lm為定轉(zhuǎn)子互感；ρ為微分算子。

所以在電網(wǎng)電壓不對稱時，將其變換到正、負序坐標系下得

式中，ω1+=ω?ωr為正轉(zhuǎn)滑差角頻率，ω1?= ?ω?ωr為反轉(zhuǎn)滑差角頻率。

式中，Ps0、Pscos2、Pssin2分別為定子輸出有功功率的直流分量和2倍頻正、余弦波動分量；Qs0、Qscos2、Pssin2分別為定子輸出無功功率的直流分量和2倍頻正、余弦波動分量。

從式（5）可以看出，電網(wǎng)不平衡故障下定子輸出的有功和無功功率中均含有2倍頻的脈動分量。由于電磁轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)的有功功率有關(guān)，所以輸出的電磁轉(zhuǎn)矩也含有2倍頻的脈動分量。

2 電網(wǎng)電壓不對稱時DFIG的控制策略

2.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制

從上面電網(wǎng)電壓不對稱時的功率分析可知，定子側(cè)有功、無功功率和電磁轉(zhuǎn)矩的2倍脈動都是由電網(wǎng)電壓的不對稱引起,但是觀察可以發(fā)現(xiàn)，這些變量都可以通過轉(zhuǎn)子電流的負序分量來控制，控制原理圖如圖2所示。該策略通過采取定子側(cè)電壓和轉(zhuǎn)子側(cè)電流，經(jīng)過3s/2s變換得到αβ坐標系下的電壓、電流分量，再分別經(jīng)過正負序分量分離得到正負序分量。將、作為正序控制系統(tǒng)的反饋，再將輸出經(jīng)過坐標變換得到、，并與分離出來的、分量相加后得到轉(zhuǎn)子控制電流作為 SVPWM的電流指令信號。為了能夠準確獲取正序電壓的相位和頻率，以完成精確的旋轉(zhuǎn)坐標變換和控制定向，本文采用改進的鎖相環(huán)技術(shù)，即在傳統(tǒng)的鎖相環(huán)中嵌入一個兩階的陷波器來濾去負序電壓。

2.2 網(wǎng)側(cè)變換器控制

網(wǎng)側(cè)變流器的目的主要是為了使轉(zhuǎn)子側(cè)整流器輸出的直流電逆變?yōu)榉蠗l件的交流電，并維持變流器直流電壓的穩(wěn)定。其控制框圖如圖3所示。圖中，采取電網(wǎng)電壓，經(jīng)過坐標變換并分離正負序變量，得到電網(wǎng)電壓在αβ坐標系下的電網(wǎng)電壓分量ugαβ+和ugαβ?，經(jīng)過參數(shù)調(diào)節(jié)后疊加，合成電壓SVPWM 的參考矢量，且鎖相環(huán)采取與上面相同的處理。這樣，就能保證逆變器的交流側(cè)負序電壓等于電網(wǎng)負序電壓使注入電網(wǎng)的電流中不含負序分量。

圖2 DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制框圖

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖

2.3 Crow-bar電路控制

Crow-bar電路的控制效果主要由其阻值的選擇和投切時間的控制。阻值選取的小，轉(zhuǎn)子故障電流衰減緩慢，無法有效抑制故障電流，還會延長DFIG的恢復(fù)控制運行時間對發(fā)電機本身和電網(wǎng)安全運行不利；若阻值太大，將會導(dǎo)致其兩端過大的電壓通過與IGBT反并聯(lián)的二極管對雙PWM變流器的直流母線電容進行反充電，使直流母線電壓快速升高[5]。

撬棒電路投入 DFIG等效電路后的等效電路圖如圖4所示，由于在前面的控制策略中已消除負序分量和暫態(tài)直流分量，所以對Crow-bar的控制可以只考慮正序分量，可以得到電壓跌落后轉(zhuǎn)子電流的近似表達式為：

因此可以認為轉(zhuǎn)子電流的最大值為

為保證撬棒電路保護的有效性，必須要求故障電流的最大值小于一個設(shè)定的安全電流Irsafe，即

同樣，Rcrow所產(chǎn)生的直流母線過電壓必須被控制在母線電容所能承受的范圍之內(nèi)，即

所以，本文依據(jù)所選電機的特性參數(shù)，選取Rcrow為1.5?。

圖4 撬棒電路投入后DFIG等效電路

此外，Crowbar電路投切控制邏輯示意圖如圖5所示，系統(tǒng)進行實時的轉(zhuǎn)子電流檢測，當其值高于給定值時，投入Crowbar電路，封鎖變流器中IGBT的觸發(fā)信號并觸發(fā)Crowbar電路中的IGBT導(dǎo)通，使 DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)串入Rcrow。如果不封鎖變流器中IGBT的觸發(fā)信號，當Crowbar電路投入后就相當于同時短路了變流器和 DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)，從而引起變流器被燒壞和Crowbar電路等電器設(shè)備嚴重受損的事故。

圖5 Crowbar電路投切控制邏輯示意圖

3 試驗研究及分析

為了驗證所提控制方式的正確性，本文以一臺雙饋式風力發(fā)電機組為例進行試驗研究。試驗參數(shù)如下：風機類型為水平軸，上風向；額定功率為1.5kW；風輪半徑2.15m；齒輪箱傳動比為6.254；空氣密度為1.225kg/m；最大風能利用系數(shù)0.4；雙饋電機：額定功率1.5kW；額定電壓380V，額定頻率50Hz；兩對級；定子電阻0.435?，定子漏感2mH；轉(zhuǎn)子電阻 0.816 ?，轉(zhuǎn)子漏感 2mH（已歸算到定子側(cè)）；互感69.31mH。本文以兩相短路故障為例，故障發(fā)生在0.3s，持續(xù)時間均為0.625s。

3.1 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖6—圖12所示。

圖6 兩相接地短路定子電壓

圖7 傳統(tǒng)控制下的轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓

圖8 改進后的轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓

圖9 傳統(tǒng)控制下的有功和無功功率

圖10 改進后的有功和無功功率

圖11 傳統(tǒng)控制下的定子轉(zhuǎn)矩

圖12 改進后的定子轉(zhuǎn)矩

3.2 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)實現(xiàn)LVRT主要抑制轉(zhuǎn)子側(cè)過電流和直流母線過電壓，所以從圖7和圖8仿真結(jié)果的對比可以看出，改進后的控制策略能夠有效的減少轉(zhuǎn)子中電流的脈動及衰減時間，限制了轉(zhuǎn)子過電流。同時，直流側(cè)母線電壓也比傳統(tǒng)的Crowbar控制也有了顯

著的減小。也證明了本文所選取的撬棒電阻的正確性和投入時間的準確性。由于本文中采取的是對無功功率的控制，從圖9和圖10中也可看出系統(tǒng)的無功功率基本保持不變，避免了風機從電網(wǎng)吸收無功功率，有利于電網(wǎng)的恢復(fù)；而有功功率中因減少了負序分量和暫態(tài)直流分量而有所降低。圖 11和圖12的對比分析可以看出，改進控制策略后，系統(tǒng)的定子轉(zhuǎn)矩減小，避免了故障過程中因轉(zhuǎn)矩過大而損壞電機。

4 結(jié)論

1）通過分析可知，本文所提的控制策略能夠在電網(wǎng)不對稱故障時有效、快速的消除負序電流產(chǎn)生的定子側(cè)有功、無功功率、電磁轉(zhuǎn)矩和直流側(cè)電壓的2倍頻波動，保證了電機和電網(wǎng)的安全，實現(xiàn)不對稱故障下的低電壓穿越。

2）本文中網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變化器中，通過改進的鎖相環(huán)控制，能夠準確獲取正序電壓的相位和頻率，以完成精確的旋轉(zhuǎn)坐標變換和控制定向。

3）通過對撬棒電阻阻值的準確分析和電路投入時間的準確控制，使得系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)故障過程中的低電壓穿越。

[1] 李建林,許洪華.風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運行技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[2] 秦原偉,劉爽.基于 Crowbar的雙饋風力發(fā)電低電壓穿越研究[J].電力電子技術(shù),2011,45(8):51-53.

[3] 宋平崗,喻沖.不對稱跌落下雙饋風機低電壓穿越的研究[J].電力電子技術(shù),2011(8):60-62.

[4] 胡家兵,孫丹,賀益康,等.電網(wǎng)電壓驟降故障下雙饋風力發(fā)電機建模與控制[J].電力系統(tǒng)自動化，2006,30(8):21-26.

[5] 姚嘉琨.風電機組勵磁調(diào)節(jié)與低電壓穿越技術(shù)研究[D].華北電力大學(xué)，2011.