劉勇

(大連供電公司，遼寧大連116001)

不平衡電壓對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組變頻器的影響

劉勇

(大連供電公司，遼寧大連116001)

為了研究電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性，從分析負(fù)序基波電壓對(duì)交直交變頻器影響入手，得出了網(wǎng)側(cè)變頻器的交流側(cè)電壓會(huì)產(chǎn)生奇數(shù)次諧波，直流側(cè)電容電壓會(huì)產(chǎn)生偶數(shù)次紋波分量，雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定子輸出有功功率出現(xiàn)偶數(shù)次頻率的分量。負(fù)序分量會(huì)造成網(wǎng)側(cè)電流畸變，惡化電能質(zhì)量。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；負(fù)序電壓；二倍頻波動(dòng)

隨著能源危機(jī)和溫室效應(yīng)等全球性問(wèn)題的日趨凸顯，利用清潔無(wú)污染的風(fēng)能發(fā)電已成為了一種有效的解決措施。特別是2006年的《可再生能源法》頒布以來(lái)，中國(guó)的風(fēng)電事業(yè)得到了飛速發(fā)展[1-2]，大型風(fēng)電場(chǎng)接連涌現(xiàn)。如何研究整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行與電網(wǎng)的相互影響，以及系統(tǒng)發(fā)生短路故障情況下風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)運(yùn)行特性等，這對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要[3-5]。單相接地短路時(shí)會(huì)出現(xiàn)典型的不對(duì)稱故障，而電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)會(huì)引入不平衡電壓，特別是負(fù)序電壓。文獻(xiàn)[6]指出了由于雙饋感應(yīng)電機(jī)的負(fù)序阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正序阻抗，即使較小的不平衡電壓也可以產(chǎn)生較大的不平衡電流。文獻(xiàn)[7]采用對(duì)稱分量理論進(jìn)行分析，揭示了電網(wǎng)不平衡電網(wǎng)頻率波動(dòng)的原因；感應(yīng)電機(jī)個(gè)電磁量的正序、負(fù)序分量分別以同步旋轉(zhuǎn)速度向正、反方向旋轉(zhuǎn)，因此在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，正序分量體現(xiàn)為直流量，負(fù)序分量則體現(xiàn)為二倍頻率的交流量，正序、負(fù)序分量間的相互作用導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以二倍電網(wǎng)頻率波動(dòng)。文獻(xiàn)[7]指出不平衡電流會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩、有功功率和無(wú)功功率以二倍電網(wǎng)頻率波動(dòng)。文獻(xiàn)[8]建立了電網(wǎng)電壓不平衡工況下雙饋感應(yīng)電機(jī)在正序、負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的正序、負(fù)序完整模型，推導(dǎo)了電網(wǎng)電壓不平和個(gè)工況下雙饋感應(yīng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、定子有功功率和無(wú)功功率的表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙電流控制器，分別在正序、負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子電流的控制。文獻(xiàn)[9]提出了不平衡電網(wǎng)電壓條件下雙饋異步電機(jī)在正、反轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系中的完整數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)和分析了不平衡電網(wǎng)電壓條件下雙饋電機(jī)定子輸出瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的組成。文獻(xiàn)[10]在研究雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了不對(duì)稱電網(wǎng)電壓條件下雙饋電機(jī)定子輸出瞬時(shí)有功、無(wú)功功率的組成。通過(guò)引入二倍電網(wǎng)頻率陷波器，使定子開(kāi)關(guān)頻率直接功率控制。

1 理論分析

中的二次紋波分量。只考慮電網(wǎng)電壓含有負(fù)序基波電壓的情況下，網(wǎng)側(cè)變頻器的直流側(cè)電流將出現(xiàn)二次紋波分量。

當(dāng)考慮到轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的電流對(duì)直流電容電壓的影響。把轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器看作直流電容的負(fù)載：

2 算例分析

以1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，仿真設(shè)置：電網(wǎng)電壓只包含正序基波電壓和負(fù)序基波電壓，且三相電壓不平衡度為10%。圖1為仿真模型。

圖1 仿真模型

圖2中的直流電壓出現(xiàn)周期性波動(dòng)，周期為0.01 s。由頻譜圖(圖3)可以看出直流電容電壓包含100、200、300 Hz等偶數(shù)次諧波，100 Hz諧波尤為明顯，幅值基本達(dá)到直流電壓幅值的1/6。圖4中的A相電壓波形已發(fā)生明顯畸變，包含150、250、350 Hz等奇數(shù)次諧波電壓，且3次、5次諧波含量很大。頻譜圖驗(yàn)證了在電網(wǎng)電壓不平衡的情況下網(wǎng)側(cè)變頻器的交流側(cè)電壓會(huì)產(chǎn)生奇數(shù)次的諧波(圖5)，直流側(cè)電容電壓產(chǎn)生偶數(shù)次紋波分量。

圖2 直流電容電壓

圖3 直流電容電壓頻譜

圖4 網(wǎng)側(cè)變頻器交流側(cè)電壓(A相)

圖5 網(wǎng)側(cè)變頻器交流側(cè)電壓頻譜(A相)

圖6 雙饋電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩分解

圖7 定子有功功率

同樣，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩中除了直流分量以外，還有100 Hz的分量。定子有功功率也包含100、200、300 Hz等頻率偶數(shù)倍頻率的分量。

對(duì)35 kV母線電壓進(jìn)行諧波分析，以基波100%為基準(zhǔn)，其它次諧波以占基波的百分比形式表示如圖8。

35 kV母線電壓的5次諧波電壓含量最高，達(dá)到了基波幅值的6%。并網(wǎng)電流明顯發(fā)生畸變，電流中包含大量的奇數(shù)次諧波，3次、5次、7次、9次、11次諧波含量比重很大，尤其是5次諧波電流的含量極大，其幅值達(dá)到基波幅值2倍(圖9)。

圖835 kV母線電壓頻譜(A相)

圖9 并網(wǎng)電流頻譜(A相)

3 結(jié)束語(yǔ)

電網(wǎng)電壓不平衡會(huì)導(dǎo)致雙饋電機(jī)網(wǎng)側(cè)變頻器的直流側(cè)產(chǎn)生偶數(shù)次紋波分量而網(wǎng)側(cè)變頻器的交流側(cè)產(chǎn)生奇數(shù)次諧波；電磁轉(zhuǎn)矩存在兩倍頻波動(dòng)，定子輸出有功功率中有偶數(shù)次頻率的波動(dòng)。電網(wǎng)電壓不平衡還會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組輸出電流的畸變。

附：

1.5 MW的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)

風(fēng)力機(jī)參數(shù)：切入風(fēng)速3 m/s，額定風(fēng)速12 m/s，切出風(fēng)速18 m/s，葉片半徑37.5 m；

雙饋電機(jī)參數(shù)：額定容量1.5 MVA，額定電壓0.69 kV，頻率50 Hz，功率因數(shù)cos=0.98(滯后)，定子電阻0.005 4 p.u.，定子電抗0.10 p. u.，轉(zhuǎn)子電阻0.006 07 p.u.，轉(zhuǎn)子電抗0.11 p.u.，勵(lì)磁電抗3.1 p.u.。

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Analysis of double-fed wind generator inverter impacted by negative sequence voltage

LIU Yong

In order to analyze the double-fed wind generator operating characteristic impacted by grid imbalance voltage,the AC-DC-AC invertor impacted by negative-sequence fundamental voltage was studied firstly.Odd time harmonics of AC side voltage were produced.And even time was produced by the DC side voltage.Even times of electromagnetic torque and stator output of active power will occur which are caused by the grid voltage imbalance. Negative sequence component of grid voltage could cause grid side current distortion,worsening the power quality.

double-fed wind generator;negative sequence voltage;second harmonic wave

TM 46

A

1002-087 X(2014)02-0352-03

2013-06-02

劉勇(1986—)，男，湖北省人，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備檢修維護(hù)。