孟曉凱 韓如成 潘 峰

（太原科技大學(xué)，太原 030024）

隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量的逐年增大，使得風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的相互影響也越來(lái)越大。然而我國(guó)目前的風(fēng)電機(jī)組的分布大多在偏遠(yuǎn)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(dòng)、不平衡。如果風(fēng)電場(chǎng)整體切出電網(wǎng)，將會(huì)給電網(wǎng)造成致命的沖擊，所以要求并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須具備低電壓穿越能力[1]。我國(guó)在2009年根據(jù)國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的實(shí)際情況提出了相應(yīng)的并網(wǎng)導(dǎo)則，其中對(duì)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)的有功無(wú)功功率控制、運(yùn)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(lái)保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

目前國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型為 1.5MW 的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。由于雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子直接與電網(wǎng)相連，所以電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)將會(huì)導(dǎo)致定子電流變化。電網(wǎng)電壓發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，DFIG發(fā)出的功率不能及時(shí)送出及負(fù)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(qiáng)耦合關(guān)系，也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過(guò)電流產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，損壞勵(lì)磁變流器、定轉(zhuǎn)子繞組以及母線電容，對(duì)電機(jī)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(duì)稱(chēng)故障下，對(duì)不對(duì)稱(chēng)故障下的研究鮮有涉及。所以本文通過(guò)對(duì)電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)故障下DFIG的運(yùn)行狀態(tài)分析，利用改進(jìn)的控制策略和目前比較流行的Crowbar電路相結(jié)合的方式來(lái)研究其低電壓穿越過(guò)程。

圖1 DFIG控制框圖

1 不對(duì)稱(chēng)故障下DFIG數(shù)學(xué)模型

電網(wǎng)電壓正常時(shí)，DFIG的定、轉(zhuǎn)子電壓方程和磁鏈方程在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(duì)稱(chēng)時(shí)，將其變換到正、負(fù)序坐標(biāo)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(dòng)分量；Qs0、Qscos2、Pssin2分別為定子輸出無(wú)功功率的直流分量和2倍頻正、余弦波動(dòng)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(wú)功功率中均含有2倍頻的脈動(dòng)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(dòng)分量。

2 電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)時(shí)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(duì)稱(chēng)時(shí)的功率分析可知，定子側(cè)有功、無(wú)功功率和電磁轉(zhuǎn)矩的2倍脈動(dòng)都是由電網(wǎng)電壓的不對(duì)稱(chēng)引起,但是觀察可以發(fā)現(xiàn)，這些變量都可以通過(guò)轉(zhuǎn)子電流的負(fù)序分量來(lái)控制，控制原理圖如圖2所示。該策略通過(guò)采取定子側(cè)電壓和轉(zhuǎn)子側(cè)電流，經(jīng)過(guò)3s/2s變換得到αβ坐標(biāo)系下的電壓、電流分量，再分別經(jīng)過(guò)正負(fù)序分量分離得到正負(fù)序分量。將、作為正序控制系統(tǒng)的反饋，再將輸出經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到、，并與分離出來(lái)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(hào)。為了能夠準(zhǔn)確獲取正序電壓的相位和頻率，以完成精確的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和控制定向，本文采用改進(jìn)的鎖相環(huán)技術(shù)，即在傳統(tǒng)的鎖相環(huán)中嵌入一個(gè)兩階的陷波器來(lái)濾去負(fù)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(guò)坐標(biāo)變換并分離正負(fù)序變量，得到電網(wǎng)電壓在αβ坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓分量ugαβ+和ugαβ?，經(jīng)過(guò)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(fù)序電壓等于電網(wǎng)負(fù)序電壓使注入電網(wǎng)的電流中不含負(fù)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(shí)間的控制。阻值選取的小，轉(zhuǎn)子故障電流衰減緩慢，無(wú)法有效抑制故障電流，還會(huì)延長(zhǎng)DFIG的恢復(fù)控制運(yùn)行時(shí)間對(duì)發(fā)電機(jī)本身和電網(wǎng)安全運(yùn)行不利；若阻值太大，將會(huì)導(dǎo)致其兩端過(guò)大的電壓通過(guò)與IGBT反并聯(lián)的二極管對(duì)雙PWM變流器的直流母線電容進(jìn)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(fù)序分量和暫態(tài)直流分量，所以對(duì)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(dá)式為：

因此可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子電流的最大值為

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

同樣，Rcrow所產(chǎn)生的直流母線過(guò)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(jī)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(jìn)行實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)子電流檢測(cè)，當(dāng)其值高于給定值時(shí)，投入Crowbar電路，封鎖變流器中IGBT的觸發(fā)信號(hào)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(hào)，當(dāng)Crowbar電路投入后就相當(dāng)于同時(shí)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(yán)重受損的事故。

圖5 Crowbar電路投切控制邏輯示意圖

3 試驗(yàn)研究及分析

為了驗(yàn)證所提控制方式的正確性，本文以一臺(tái)雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)參數(shù)如下：風(fēng)機(jī)類(lèi)型為水平軸，上風(fēng)向；額定功率為1.5kW；風(fēng)輪半徑2.15m；齒輪箱傳動(dòng)比為6.254；空氣密度為1.225kg/m；最大風(fēng)能利用系數(shù)0.4；雙饋電機(jī)：額定功率1.5kW；額定電壓380V，額定頻率50Hz；兩對(duì)級(jí)；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?xún)上喽搪饭收蠟槔?，故障發(fā)生在0.3s，持續(xù)時(shí)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(jìn)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(wú)功功率

圖10 改進(jìn)后的有功和無(wú)功功率

圖11 傳統(tǒng)控制下的定子轉(zhuǎn)矩

圖12 改進(jìn)后的定子轉(zhuǎn)矩

3.2 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)LVRT主要抑制轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電流和直流母線過(guò)電壓，所以從圖7和圖8仿真結(jié)果的對(duì)比可以看出，改進(jìn)后的控制策略能夠有效的減少轉(zhuǎn)子中電流的脈動(dòng)及衰減時(shí)間，限制了轉(zhuǎn)子過(guò)電流。同時(shí)，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(shí)間的準(zhǔn)確性。由于本文中采取的是對(duì)無(wú)功功率的控制，從圖9和圖10中也可看出系統(tǒng)的無(wú)功功率基本保持不變，避免了風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，有利于電網(wǎng)的恢復(fù)；而有功功率中因減少了負(fù)序分量和暫態(tài)直流分量而有所降低。圖 11和圖12的對(duì)比分析可以看出，改進(jìn)控制策略后，系統(tǒng)的定子轉(zhuǎn)矩減小，避免了故障過(guò)程中因轉(zhuǎn)矩過(guò)大而損壞電機(jī)。

4 結(jié)論

1）通過(guò)分析可知，本文所提的控制策略能夠在電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)有效、快速的消除負(fù)序電流產(chǎn)生的定子側(cè)有功、無(wú)功功率、電磁轉(zhuǎn)矩和直流側(cè)電壓的2倍頻波動(dòng)，保證了電機(jī)和電網(wǎng)的安全，實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)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(guò)改進(jìn)的鎖相環(huán)控制，能夠準(zhǔn)確獲取正序電壓的相位和頻率，以完成精確的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和控制定向。

3）通過(guò)對(duì)撬棒電阻阻值的準(zhǔn)確分析和電路投入時(shí)間的準(zhǔn)確控制，使得系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)故障過(guò)程中的低電壓穿越。

[1] 李建林,許洪華.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運(yùn)行技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

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[5] 姚嘉琨.風(fēng)電機(jī)組勵(lì)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.