雙饋式風電變流器低電壓穿越技術的研究

沈友朋，駱 皓，肖 遙，莊 俊

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京210003)

0 引言

目前，風力發電機組裝機容量越來越大，并網機組也隨之增多，風電并網對電網安全的影響也越來越重要。因此，要求并網的風機必須具備很強的故障穿越能力。而風電變流器作為風力發電并網系統的關鍵部分，因此也應該具備故障穿越能力。所以研究風電變流器低電壓穿越技術對提高風電接入電網的友好性及電網安全有重要的現實意義。為此本文對雙饋式風電變流器低電壓穿越技術進行了相關的研究和分析。文獻［1，2］只對電網電壓三相平衡跌落時的低電壓穿越技術進行了研究。文獻［3 ～5］對電網電壓不平衡跌落時風電變流器低電壓穿越的控制進行了研究。本文提出分別在電網電壓三相平衡和單相不平衡跌落時低電壓穿越的控制策略。

1 電網平衡跌落條件下的DFIG 控制策

1.1 轉子側變換器控制策略

對于轉子側而言，其控制的目的是為了實現發電機有功和無功的解耦。該控制目標可以通過分別對轉子電流有功和無功分量的控制來實現。

一般在電網電壓平衡跌落下轉子側變換器的功率方程［3］為

式中:Ps代表有功功率;Qs代表無功功率;Usd代表dq 坐標系下的定子電壓，irq，ird分別代表dq 坐標系下的q 軸和d 軸轉子電流，Ls，Lm分別代表dq 坐標系下的定子自感和dq 坐標系下定、轉子之間的互感;ωs代表同步電角速度。

從上式可看出，轉子電流的有功分量ird可以控制定子輸出的有功功率，無功分量irq可以控制定子輸出的無功功率。若調節ird而不會影響irq，反之亦然。這樣就可以通過控制其有功分量ird和無功分量irq來實現有功和無功功率的解耦控制。

1.2 網側變換器控制策略

對于DFIG 而言其直流母線電容電壓的穩定是DFIG 穩定運行的前提，當電網發生故障時，會引起母線電容電壓的波動，從而影響轉子側和網側變換器的正常工作，而保持直流電壓的穩定是通過控制網側變換器來實現的。

網側變換器的控制一般采用電壓定向的控制方式來實現直流電壓的穩定。在電壓定向的條件下，網側變換器的dq 分量可用下式來表示［3］:

式中:Vdc為直流側電壓;Ugd為電網電壓的d 軸分量;Rg為網側進線電抗器電阻;igd，igq分別為網側電流的d 軸、q 軸分量;Lg為網側進線電抗器電感;Sd，Sq分別為開關函數的d 軸、q 軸分量;ωs為同步電角速度。

在式(2)中，若令:

在式(3)中為了消除靜差，引入積分環節可得網側變換器的電流控制器:

同理可得直流環節電壓調節器為

由式(2) ～ (5)可知網側變換器的控制指令為

因此，網側變換器是通過對電流調節器和電壓調節器的控制來實現直流側穩壓的。同時為了保證輸出功率因數為1，一般將電流無功分量的給定值irq*為0，故其交流側輸入的無功功率為0。

2 電網不平衡跌落條件下的DFIG控制

2.1 轉子側變換器控制策略

當電網電壓發生不平衡跌落時，其電壓和電流不僅含有正序分量，還存在負序分量。而負序分量的存在對定、轉子電流有很大影響，會造成電流的高度不平衡，同時使發電機電磁轉矩發生脈動。因此，可以通過抑制電磁轉矩脈動來減小該影響。

對于轉子側變換器，當發生不平衡跌落時，其定、轉子電流、電壓和磁鏈可表示為正負序分量的組合［4］:

式中:F 為電壓、電流或磁鏈;+，－表示正負序旋轉參考坐標。

轉子側的電壓方程可由下式表示:

式中:Usdq，Urdq分別為dq 坐標系下的定、轉子電壓;Rs，Rr分別為定、轉子電阻;isdq，irdq分別為dq 坐標系下的定、轉子電流;Ls，Lr分別為定、轉子自感，Ls=Lσs+Lm，Lr=Lσr+Lm，Lσs，Lσr分別為定、轉子漏感;Lm為定、轉子間互感;ωs－ωr為相對角速度;σ 為漏感系數，σ = 1 －/(LsLr)。

可將式(7)代入上式得:

2.2 網側變換器控制策略

網側變換器的控制目標是穩定直流母線電壓，并在需要時能為電網提供無功補償。當電網電壓發生不平衡跌落時，產生的負序分量會使直流環節發生嚴重的過壓情況。因此，對網側變換器的控制是為了限制直流環節的過壓，故對網側變換器采取抑制交流側負序電流的控制策略。一般令負序電流給定值==0，為了得到單位功率因數，一般令無功功率平均值Q0=0，其直流側有功功率平均值P0與直流電壓有關，也即:

式中:kp，ki為PI 調節參數;s 為開關函數;，Udc分別為直流側電壓給定值和實際直流電壓。

而正序電流給定值為

3 系統仿真研究

為了驗證電網電壓發生平衡和不平衡跌落時，上述轉子側和網側變換器控制策略的正確性和可行性，建立了如圖1 所示的DFIG 系統模型圖。系統仿真參數為:P =1.5 MW，U =690 V，fg=50 Hz，Rs=0.000 7 p．u．，Rr=0.005 p．u．，L1s=0.17 p．u．，L1r=0.156 p．u．，Lm=2.9 p．u．，Jm=0.685 s，np=3。

圖1 DFIG 風力發電系統模型結構圖Fig．1 Model diagram of DFIG wind power system

分別對電網電壓發生三相平衡跌落和單相不平衡跌落時轉子電流irabc、直流電壓udc、電磁轉矩Te和有功無功P，Q 進行仿真。仿真條件均為0.6 s 電網電壓發生跌落，0.9 s 故障解除。

圖2 為當電網發生嚴重的三相平衡跌落時采用上述控制策略時的仿真結果。從圖中可看出其轉子電流在故障期間和故障解除瞬間對電網的沖擊不是很大，同時也可有效地抑制電磁轉矩和直流電壓的波動。

圖3 為當電網A 相電壓發生嚴重跌落時采取上述控制策略的仿真結果。從圖中可看出，若跌落時不采取其他措施，轉子電流會存在嚴重的2倍頻分量，這會嚴重沖擊電網。直流電壓和電磁轉矩也存在一定的波動。這說明當電網發生嚴重不平衡跌落時，只采用上述控制策略，是不能滿足變流器在電網故障期間的低電壓穿越能力，且對電網會產生嚴重的沖擊。

為了保證當電網發生嚴重不平衡跌落時變流器的低電壓穿越能力，一般會在轉子側變換器和直流電容側加硬件電路——也稱Crowbar 電路，以減小其對電網的沖擊。圖4 為A 相電壓跌落80%加入Crowbar 電路時的仿真結果。由圖4 可知，當加入Crowbar 電路后，可很好地抑制轉子電流的2 倍頻分量，同時也大大減小了直流電壓和電磁轉矩的波動。

圖4 A 相電壓跌落80%加入Crowbar 電路仿真結果Fig．4 Simulation results of phase A voltage drop 80%added to the Crowbar circuit

4 結論

仿真結果表明，當發生嚴重三相平衡跌落時，采取本文介紹的控制策略可很好地保證變流器在電網故障期間的低電壓穿越能力;而當發生嚴重的不平衡跌落時，只采用本文介紹的控制策略是不能保證其低電壓穿越能力，而且會對電網產生很大的沖擊。因此，當電網發生嚴重不平衡跌落時，必須要加入Crowbar電路，以保證變流器在故障期間的低電壓穿越能力。有關于Crowbar 電路是否能很好地解決平衡跌落的問題，本文將進一步進行研究。

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［2］馬文龍．Crowbar 保護在雙饋異步風電發電系統電網故障穿越中的應用［J］．電力自動化設備，2011，31(7):127-130．Ma Wenlong．Application of Crowbar circuit in grid fault riding for doubly-fed induction wind power generation system［J］．Electic Power Autonmation Equipment，2011，31(7):127-130．

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