郭揚，劉小亮，賈志欣，吉光曜

（1.石家莊鐵道大學四方學院，河北石家莊051132；2.石家莊工業(yè)泵廠有限公司，河北石家莊050100）

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籠型異步風力發(fā)電接入固態(tài)變壓器并網(wǎng)的控制研究

郭揚1，劉小亮1，賈志欣2，吉光曜1

（1.石家莊鐵道大學四方學院，河北石家莊051132；2.石家莊工業(yè)泵廠有限公司，河北石家莊050100）

研究基于固態(tài)變壓器并網(wǎng)的籠性異步風力發(fā)電機組，解決風電機組所需無功補償和低壓穿越要求。當電網(wǎng)電壓跌落時，通過減少風能捕獲、機電儲能和制動電阻耗能策略，維持系統(tǒng)功率平衡，提高其低壓穿越能力。

籠性異步發(fā)電機；無功補償；低壓穿越

引言

傳統(tǒng)能源的日益枯竭，使得風力、光伏等可再生能源贏得快速發(fā)展的機遇。由于籠性異步發(fā)電機（Squirrel Cage Inductor Generation，SCIG）具有造價便宜、易于并網(wǎng)、運行穩(wěn)定等優(yōu)良特性，已被廣泛應用于風力發(fā)電領域。但是，籠型異步風力發(fā)電系統(tǒng)需要從電網(wǎng)吸取大量無功功率。文獻［1］指出電容自勵型籠性異步發(fā)電系統(tǒng)不適合于風力發(fā)電等變速運行的場合。文獻［2］提出晶閘管靜止無功補償法和飽和電抗器法存在系統(tǒng)體積加大或者注入諧波等缺點，不利于異步發(fā)電機應用。

針對以上問題，本文利用固態(tài)變壓器將籠型異步風力發(fā)電機組接入電網(wǎng)，并研究SST的控制策略，以滿足風電機組的無功補償和低壓穿越的要求。控制SST整流級變流器可以保持機端和直流側電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)發(fā)電機所需無功勵磁的連續(xù)調(diào)節(jié)，避免從電網(wǎng)吸取無功功率。此外，通過減少風力機的風能捕獲，機電儲能和改變逆變器運行方式，維持系統(tǒng)功率平衡，有效提高風電機組的低壓穿越能力。

1　風電并網(wǎng)系統(tǒng)基本結構

研究基于固態(tài)變壓器的風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路結構。其中風力機作為原動機，將捕獲的風能轉化成機械能，驅動SCIG輸出電能，再通過SST升壓變頻為符合電網(wǎng)要求的交流電。其中，SST是由整流級、高頻隔離級和逆變級組成。其中，高頻隔離級相當于直流升壓環(huán)節(jié)，起到消除并網(wǎng)沖擊電流和隔離整流級與逆變級的作用，同時，在逆變級直流側接卸荷電路，增強風電系統(tǒng)低壓穿越能力。

由于高頻隔離級允許電能的雙向流動，當電網(wǎng)正常運行時，忽略損耗，逆變級輸出功率等于整流級輸入功率，直流母線電壓恒定，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。為了穩(wěn)定直流母線電壓，通過控制整流級變流器，調(diào)節(jié)發(fā)電機轉速，將多余的能量轉化為風電機組的動能。同時，轉速上升也減少了逆變機的風能捕獲，有利于系統(tǒng)具備低電壓穿越運行能力。

2　風電并網(wǎng)系統(tǒng)功能控制

為了維持發(fā)電機的端電壓和固態(tài)變壓器的直流側電壓穩(wěn)定，通過控制整流級變流器實現(xiàn)發(fā)電機勵磁電流和轉矩電流解耦控制，并且提供發(fā)電機所需動態(tài)無功功率。假設它損耗忽略不計，根據(jù)功率平衡關系，可得發(fā)電機輸出有功功率為

式中，P1為發(fā)電機輸出的有功功率；Udcl、idcl為低壓直流側電壓和電流。

將同步坐標系d軸定向于機端電壓矢量方向，則usd=ut，usq=0。由式（1）可得，若能維持機端電壓恒定，則調(diào)節(jié)isd可控制發(fā)電機輸出的有功功率。

3　仿真分析

3.1最大功率跟蹤及無功補償性能仿真

當風速變化時，發(fā)電機和電網(wǎng)輸出電流幅值隨之變化，基本保持正弦波形。其中，由于電機側變流器兼顧傳遞有功功率和補償發(fā)電機所需的勵磁功率，維持機端電壓穩(wěn)定的作用，所以整流級變流器輸入側電流相位滯后電壓。逆變級變流器實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，采用高壓并網(wǎng)，并網(wǎng)電流大幅降低，消除對電網(wǎng)的沖擊。

3.2風電系統(tǒng)低壓穿越性能仿真

假設風電系統(tǒng)運行在額定風速下，0.4 s時并網(wǎng)點的電壓跌落80%，1.025 s時電壓逐漸恢復，2.4 s時回升到90%的額定值，對系統(tǒng)LVRT性能進行仿真，在電網(wǎng)電壓跌落過程中，發(fā)電機轉速不斷上升，儲存系統(tǒng)多余能量，同時Cp下降，風能的捕獲減少。轉速在0.49 s左右上升至極限值，發(fā)電機轉速在整流級變流器控制下維持轉速不變，Cp值恒定，系統(tǒng)再次穩(wěn)定運行。在電網(wǎng)電壓恢復過程中，電網(wǎng)輸入功率逐漸增加，調(diào)節(jié)卸荷電路中IGBT的占空比，改變制動電阻耗能大小，當卸荷電路再次斷開后，ω和Cp逐漸恢復，高壓直流母線電壓有一段動態(tài)過程，但很快就維持在穩(wěn)定值。電壓跌落過程，逆變級變流器向電網(wǎng)輸出無功功率，支持電網(wǎng)電壓的恢復。輸入電網(wǎng)有功功率在電網(wǎng)電壓跌落期間的變化曲線。

4　結語

本文設計一種基于固態(tài)變壓器的籠性異步風力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，控制整流級變流器維持機端和直流側電壓穩(wěn)定，控制逆變級變流器實現(xiàn)最大風能捕獲和并網(wǎng)傳送功率。仿真結果表明，SST能夠實現(xiàn)對補償異步發(fā)電機所需無功功率，改善輸入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。此外，機組具備良好的低壓穿越能力，并能夠提供無功功率，支持電網(wǎng)電壓恢復。因此，籠型異步風力發(fā)電系統(tǒng)接入固態(tài)變壓器并網(wǎng)是一種結構新穎、合理可行的方案。

［1］劉陵順，胡育文，黃文新.電力電子變換器控制的異步電機發(fā)電技術［J］.電工技術學報，2005，20（5）:1-7.

［2］Bansal C，Bhatti T S，Kothari D P.Bibliography on the application of induction generator in nonconventional energy systems［J］.IEEE Trans on Energy Conversion.2003，18（3）:433-438.

（編輯：王璐）

A Solid State Transformer Grid-connected Control Research for Cage Asynchronous Wind-power Generation

Guo Yang1，Liu Xiaoliang1，Jia Zhixin2
（1.Shijiazhuang Tiedao University Si Fang College，Shijiazhuang Hebei 05113 2；2.Shijiazhuang Industrial Pump Factory Co.，Ltd.，Shijiazhuang Hebei 050100）

This paper researches on grid-tied cage asynchronous wind turbine with solid state transformer，which meets requirements of reactive power compensation and low pressure crossing in wind turbines.When the grid voltage drops，by reducing the wind energy capture，mechanical and electrical energy storage and braking resistor energy policy，the system power balance is maintained to improve its low voltage ride-through capability.

cage asynchronous generation；reactive power compensation；low voltage ride-through

TM614

A

2095-0748（2015）22-0058-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.22.24

2015-10-10

郭揚（1986—），男，河北石家莊人，助教，研究方向：電力系統(tǒng)運行分析與控制；劉小亮（1978—），男，河北平山人，碩士研究生，講師，研究方向：電氣工程及其自動化；測控技術；賈志欣（1987—），女，河北石家莊人，助理工程師，研究方向：機械設計制造及其自動化；吉光曜（1986—），男，河北石家莊人，助教，研究方向：交通工程。