一種雙饋感應風力發(fā)電機低電壓穿越的控制策略

蔚 蘭陳國呈宋小亮曹大鵬吳國祥

（1. 上海大學機電工程與自動化學院 上海 200072 2. 上海市電站自動化技術重點實驗室 上海 200072 3. 上海工程技術大學電子電氣工程學院 上海 201620）

一種雙饋感應風力發(fā)電機低電壓穿越的控制策略

蔚 蘭1,2,3陳國呈1,2宋小亮1,2曹大鵬1,2吳國祥1,2

（1. 上海大學機電工程與自動化學院 上海 200072 2. 上海市電站自動化技術重點實驗室 上海 200072 3. 上海工程技術大學電子電氣工程學院 上海 201620）

電網(wǎng)故障時采用傳統(tǒng)的雙饋感應風力發(fā)電機控制方式，發(fā)電機定、轉子均會出現(xiàn)過電流等一系列問題，并造成電網(wǎng)故障更為嚴重。為防止上述情況出現(xiàn)，要求風力發(fā)電機必須具備低電壓穿越能力。本文根據(jù)雙饋感應風力發(fā)電機電網(wǎng)故障時的運行特點，分析并提出了一種新型電網(wǎng)故障時雙饋感應風力發(fā)電機轉子側變流器的控制策略，改善了雙饋發(fā)電機定、轉子過電流的情況，實現(xiàn)了雙饋感應發(fā)電機在電網(wǎng)故障時的低電壓穿越。在理論分析基礎上，建立了雙饋感應發(fā)電機轉子側低電壓控制模型和3kW雙饋感應發(fā)電機勵磁控制的實驗系統(tǒng)。實驗結果表明，本文提出的控制策略動態(tài)響應快，行之有效。

雙饋感應風力發(fā)電機 低電壓穿越 電網(wǎng)故障 轉子側變流器

1 引言

隨著風力發(fā)電技術的日趨成熟，大型風電場正逐步走向市場，與風電場運營密切相關的風力發(fā)電機低電壓穿越（Low Voltage Ride Though, LVRT）問題也逐步凸顯出來。雙饋感應發(fā)電機（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）勵磁變換器容量較小，電網(wǎng)故障時易出現(xiàn)勵磁失控，甚至危害風電機組的核心組件勵磁控制變流器。如何在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時對雙饋感應發(fā)電機實行有效控制，以防止發(fā)電機定、轉子出現(xiàn)沖擊電流、轉矩突變等問題，造成發(fā)電機從電網(wǎng)解列，各國學者紛紛對風電系統(tǒng)的LVRT技術開展研究[1,2]，取得了相當研究成果[3-8]。該成果大體分為兩大類：一類是增加拓撲結構與控制方法；一類是完全依靠改進變流器的控制策略方法。前一類包括：①增加 Crowbar電路實現(xiàn)風力發(fā)電機的LVRT 運行[3-4]；②使用能量存儲系統(tǒng)(Energy Storage System, ESS)[5]。其中方法①簡單有效、成本較低、便于實現(xiàn)。但故障過程中發(fā)電機作為感應電動機運行，從電網(wǎng)吸收無功功率，不利于電網(wǎng)恢復，且當電網(wǎng)從故障狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)過程中，Crowbar電路必須切除，這將延長恢復時的暫態(tài)過程；方法②將電網(wǎng)故障期間的過剩能量儲存起來，并在故障結束后送回電網(wǎng)，但在雙饋機風力發(fā)電中，ESS無法對轉子電流進行有效控制，從而需要增大轉子變流器的容量。另外，使用能量存儲系統(tǒng)也增加了系統(tǒng)的成本和復雜程度。后一類包括：①改進傳統(tǒng)發(fā)電機數(shù)學模型[6]；②針對故障期間定子磁鏈出現(xiàn)的負序和直流分量制定控制策略[7]；③采用現(xiàn)代控制理論中的H∞及μ-analysis方法設計全新的控制器[8]，這三種方法，算法復雜、計算量大。

本文在分析電網(wǎng)對稱故障及非對稱故障時引起雙饋感應風力發(fā)電機定、轉子過電流原因的基礎上，提出一種轉子側變流器低電壓穿越的控制策略，仿真和實驗結果表明本控制方法算法簡便、行之有效。

2 電網(wǎng)故障時雙饋感應發(fā)電機暫態(tài)分析

雙饋感應風力發(fā)電系統(tǒng)結構如圖1所示，發(fā)電機定子繞組直接與三相電網(wǎng)相連，轉子繞組由雙PWM變頻器提供勵磁，以實現(xiàn)能量的雙向流動。

圖1 雙饋感應發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of the DFIG wind power generation

假設定轉子均為電動機慣例，雙饋感應發(fā)電機分別在定子參考坐標系和轉子參考坐標系下的定轉子電壓平衡方程式為

式中，上標s、r分別表示定子參考坐標系和轉子參考坐標系。定轉子的磁鏈方程為

式中 Lm，Ls，Lr——互感和定、轉子的電感，

us，ur——定、轉子端電壓矢量；

is，ir——定、轉子繞組中的電流矢量；ψs，ψr——定、轉子磁鏈矢量。

雙饋感應發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時，若忽略定子電阻，則定子磁鏈和定子電壓關系為

下面分析故障發(fā)生時的情況。

2.1 轉子開路時

2.1.1 電網(wǎng)三相對稱故障

為了對電網(wǎng)三相突然發(fā)生對地短路故障瞬間的轉子電壓和電流的暫態(tài)變化情況進行分析，先假設轉子開路，即ir＝0，由式（1）的第一式和式（2）的第一式可得

在故障發(fā)生瞬間，根據(jù)磁鏈守恒原則，磁鏈不能突變，如果外來條件迫使線圈的磁鏈發(fā)生突變時，線圈中就要感應出一個自由電流，該自由電流將產(chǎn)生一個反作用磁場以保持其磁鏈不發(fā)生突變。因此，在電網(wǎng)故障發(fā)生時，式（4）的解可以分解為兩個分量的和：其一是以同步速旋轉的定子磁鏈分量，其大小由定子電壓大小確定；其二是由定子電壓突降所引起的定子磁鏈直流分量，此直流分量在空間保持靜止，并以一定的時間速率衰減。該兩個分量在暫態(tài)時同時存在，而在穩(wěn)態(tài)時只有第一個分量，第二個直流分量已衰減為零。因此，式（4）的解可以寫為

式中 ψs1——定子磁鏈旋轉分量，其大小由當前的定子電壓確定；——定子磁鏈直流分量，其初始值C由故障發(fā)生的具體時刻和故障程度決定。

設故障發(fā)生前后發(fā)電機的定子電壓分別為

式中，a為定子電壓因電網(wǎng)故障而降落到的百分比。則由定子電壓得到的定子磁鏈分別為

由磁鏈守恒原則，故障發(fā)生前后的定子磁鏈不能發(fā)生突變，故在故障發(fā)生時刻t0前后磁鏈必須相等[9]

式中 ψs1(t0+)——由定子電壓確定的磁鏈分量；sDC(t0+)

ψ ——由定子電壓突降所引起的磁鏈

直流分量。

將式（7）代入式（5），當t0＝0時，可得

由電機運動控制理論可知，上式中的第二項定子磁鏈直流分量會在電機轉子中產(chǎn)生與轉子轉速成正比的旋轉電動勢（設其為erR，下標rR表示轉子和轉子速度），由上式可知定子磁鏈直流分量以指數(shù)規(guī)律隨時間逐漸衰減，因此由其在轉子上產(chǎn)生的旋轉電動勢的幅值（即包絡線）亦隨之減小，此旋轉電動勢是引起轉子過電壓的主要原因。圖2～圖4為轉子開路情況下電網(wǎng)突然三相短路時的仿真波形。其中圖2表示定子電壓從1（pu）突變?yōu)?.3（pu）；圖3為定子電流變化情況，從波形上明顯看出定子電流中不但存在 50Hz的交流分量，還存在衰減的直流分量；圖 4為轉子電壓，由于轉子開路，轉子電壓是由定子磁鏈產(chǎn)生的感應電動勢，即旋轉電動勢，其幅值隨時間衰減。仿真結果與以上理論分析結果相一致。

圖2 DFIG三相定子電壓突降仿真波形Fig.2 Simulation waveform of the stator voltage sag of DFIG

圖3 三相定子電壓突降時DFIG定子電流仿真波形Fig.3 Simulation waveform of the stator currents of DFIG When the stator voltage sag

圖4 三相定子電壓突降時DFIG轉子電壓仿真波形Fig.4 Simulation waveform of the rotor currents of DFIG When the stator voltage sag

2.1.2 電網(wǎng)不對稱故障

當電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，由對稱分量法可知，發(fā)電機三相定子電流可分解為正序、負序及零序三個分量[9]。其中，零序分量不產(chǎn)生磁鏈。由2.1.1節(jié)中分析可知，此時定子磁鏈中，包含定子磁鏈正序分量、負序分量以及直流分量。即

圖 5～圖 7為轉子開路情況下電網(wǎng)突然兩相對地短路時的仿真波形。其中圖5表示兩相定子電壓從 1（pu）突變?yōu)?0.4（pu）；圖 6為定子電流變化情況，從波形上明顯看出兩相定子電流中存在衰減的直流分量；圖7為轉子開路電壓，轉子電壓是由定子磁鏈產(chǎn)生的感應電動勢，與圖4相比，轉子感應電動勢中不僅存在由定子磁鏈直流分量引起的旋轉電動勢（隨時間衰減），還存在由定子磁鏈負序分量引起的感應電動勢erN，以上兩部分感應電動勢疊加為圖7所示的轉子感應電動勢葫蘆波[10]。

圖5 DFIG兩相定子電壓突降仿真波形Fig.5 Simulation waveform of the stator voltage sag of DFIG

圖6 兩相定子電壓突降時DFIG定子電流仿真波形Fig.6 Simulation waveform of the stator currents of DFIG When the stator voltage sag

圖7 相定子電壓突降時DFIG轉子電壓仿真波形Fig.7 Simulation waveform of the rotor currents of DFIG When the stator voltage sag

2.2 轉子連接變流器時

以上分析是在假設轉子開路的情況下得出的，但實際情況轉子并非開路。下面分析轉子與變流器連接時，電網(wǎng)故障下的暫態(tài)情況。

在故障過程中，如果此時仍然采用傳統(tǒng)的轉子變流器控制方式，即轉子中有變流器提供的控制電流存在，轉子電流由兩個分量組成：轉子電流勵磁分量、由定子磁鏈直流分量引起的轉子電流旋轉分量，電網(wǎng)不對稱故障時，除上述兩個分量外，還增加了一個負序分量。上述三個分量共同作用的結果，造成電網(wǎng)故障時轉子產(chǎn)生過電流現(xiàn)象。

3 雙饋感應發(fā)電機低電壓穿越控制策略

由前面分析可知，雙饋感應風力發(fā)電機在電網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路故障時，轉子電流由兩個分量組成。電網(wǎng)不對稱故障時，還有轉子電流負序分量。本文從抑制轉子電流中旋轉分量（以及電網(wǎng)不對稱故障時負序分量）的角度出發(fā)，提出一種轉子側變流器低電壓穿越

的控制策略。

設發(fā)電機轉子電流為ira、irb、irc，對其進行3s/2r變換后得到 ird、irq，此時，轉子電流勵磁分量為直流量，而轉子電流旋轉分量（以及電網(wǎng)不對稱故障時負序分量）仍然為交流量。ird、irq經(jīng)過低通濾波后，得到轉子電流勵磁分量（直流量）irdDC、irqDC，而由定子磁鏈直流分量（以及電網(wǎng)不對稱故障時負序分量）所引起的電流為

irdAC=ird?irdDC（11）irq AC =irq ?ir qDC

為抵消定子磁鏈直流分量（以及電網(wǎng)不對稱故障時的負序分量）對轉子電流的影響，將轉子電流給定、減去上述irdAC、irqAC，得到轉子電流勵磁給定值

低電壓穿越控制系統(tǒng)框圖如圖 8所示。在穩(wěn)態(tài)控制策略的基礎上，采用低電壓控制策略能在很大程度上減小電網(wǎng)故障對發(fā)電機定、轉子的影響。

圖8 雙饋感應發(fā)電機低電壓穿越控制框圖Fig.8 LVRT control frame of DFIG

4 低電壓穿越控制策略實驗研究

為了驗證低電壓穿越控制策略的有效性，對其進行了實驗研究，使用參數(shù)為：雙饋電機額定功率P=3kW，頻率 f=50Hz，定子為 Y聯(lián)結方式，電阻1.95?，漏感9.04mH；轉子為Y聯(lián)結方式，折算到定子側后，電阻3.54?，漏感9.04mH，勵磁電阻為9.42?，勵磁電感為258.5mH。

圖9～圖14為電網(wǎng)發(fā)生三相對稱故障發(fā)電機的機端電壓降到故障前的70%（或50%、30%）、故障持續(xù) 500ms、轉子側變流器分別采用穩(wěn)態(tài)控制策略和采用低電壓穿越控制策略時的轉子及定子電流的實驗波形對比。由圖9、11、13可知轉子側變流器采用穩(wěn)態(tài)控制方式時，發(fā)電機轉子電流略有增大（見圖 9a），圖 11a轉子電流增大較顯著，圖13a嚴重過電流；而在低電壓穿越控制方式下，電機轉子電流基本保持正常運行的勵磁電流（見圖 9b、11b、13b）。又由圖10、12、14可以看出，在穩(wěn)態(tài)控制方式下，定子電流略有增大（見圖 10a）或明顯增大（見圖12a）或嚴重過流（見圖 14a）；而在低電壓穿越控制方式下，定子電流在故障時變化較?。▓D10、圖12、圖14b皆如此）。

圖12 發(fā)電機端電壓降落到50%時定子電流對比實驗波形Fig.12 Comparison waveforms of stator current（a=50%）

圖13 發(fā)電機端電壓降落到30%時轉子電流對比實驗波形Fig.13 Comparison waveforms of rotor current（a=30%）

圖9 發(fā)電機端電壓降落到70%時轉子電流對比實驗波形Fig.9 Comparison waveforms of rotor current（a=70%）

圖10 發(fā)電機端電壓降落到70%時定子電流對比實驗波形Fig.10 Comparison waveforms of stator current（a=70%）

圖14 發(fā)電機端電壓降落到30%時定子電流對比實驗波形Fig.14 Comparison waveforms of stator current（a=30%）

圖15～圖16為電網(wǎng)發(fā)生單相對地短路故障發(fā)電機的機端電壓降到故障前的50%、故障持續(xù)500ms、轉子側變流器分別采用穩(wěn)態(tài)控制策略和采用低電壓穿越控制策略時的轉子及定子電流的實驗波形對比。由圖 15可知采用穩(wěn)態(tài)控制方式時由定子磁鏈負序分量引起的轉子電流負序分量在故障時非常明顯，而采用低電壓穿越控制方法轉子中的負序電流得到有效抑制。圖 16中發(fā)生單相對地短路故障時，定子電流直流分量在采用低電壓穿越控制方式時很小。

圖11 發(fā)電機端電壓降落到50%時轉子電流對比實驗波形Fig.11 Comparison waveforms of rotor current（a=50%）

圖15 發(fā)電機兩相電壓降落到40%時轉子電流對比實驗波形Fig.15 Comparison waveforms of rotor current（a=40%）

圖16 發(fā)電機兩相電壓降落到40%時定子電流對比實驗波形Fig.16 Comparison waveforms of stator current（a=40%）

5 結論

本文分析了電網(wǎng)故障時雙饋感應風力發(fā)電機定、轉子過電流的原因，提出了一種轉子側變流器低電壓穿越的控制策略，并在一臺3kW的雙饋感應發(fā)電機上進行了實驗驗證。實驗結果證明，采用雙饋感應發(fā)電機低電壓穿越控制技術，在電網(wǎng)發(fā)生三相對稱及不對稱故障時，能有效地控制住發(fā)電機定、轉子過電流的情況，從而保護了轉子側變流器，使發(fā)電機在電網(wǎng)故障時能夠不脫網(wǎng)繼續(xù)運行?？刂撇呗允∪チ硕ㄗ哟沛溣^測，簡化了控制算法，是一種較為理想的控制方式。

致謝：本文工作得到了教育部博士學科點專項科研基金（20060280018）支持，謹借此機會表示衷心感謝。

[1] Eduard Muljadi, C P Butterfield, Brian Parsons, et al. Effect of variable speed wind turbine generator on stability of a weak grid[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2007, 22(1): 29-36.

[2] 向大為, 楊順昌, 冉立. 電網(wǎng)對稱故障時雙饋感應發(fā)電機不脫網(wǎng)運行的勵磁控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(3): 164-170. Xiang Dawei, Yang Shunchang, Ran Li. Ride-through control of a doubly fed induction generator for symmetrical grid fault[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(3): 164-170.

[3] Morren J, Sjoerd W H de Haan. Ridethrough of wind turbines with doubly-fed induction generator during a voltage dip[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2005, 20(1): 435-441.

[4] Dittrich A, Stoev A. Comparison of fault ride-through strategies for wind turbines with DFIM generators[C]. 2005 European Conference on Power Electronics and Applications, 2005:1-8.

[5] Abbey C, Joos G. Short-term energy storage for wind energy applications[C]. Industry Applications Conference, 2005: 2035-2042.

[6] 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 Hu Jiabing, Sun Dan, He Yikang, et al. Modeling and control of DFIG wind energy generator system under grid voltage dip[J]. Automation of Electric Power System, 2006, 30(8): 21-26.

[7] Dawei Xiang, Li Ran, Tavner P J,et al. Control of a doubly fed induction generator in a wind turbine during grid fault ride-through[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, 21(3): 652-662.

[8] Manoj R Rathi, Ned Mohan A. A novel robust low voltage and fault rtide through for wind turbine application operating in weak grids[C]. Industrial Electronics Society, IECON, 2005: 2481-2486.

[9] Jesus Lopez, Eugenio Gubia, Pablo Sanchis. Wind turbines based on doubly fed induction generator under asymmetrical voltage dips[J]. IEEE Transaction on Energy Conversion, 2008, 23(1): 321- 329.

[10] 吳春華, 陳國呈, 丁海洋, 等. 一種新型光伏并網(wǎng)逆變器控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2007, 27 (33): 103-107. Wu Chunhua, Chen Guocheng, Ding Haiyang, et al. A novel control strategy for photovoltaic grid-connected inverter[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(33): 103-107.

A Low Voltage Ride-Through of Strategy for Doubly Fed Induction Generator

Yu Lan1,2,3Chen Guocheng1,2Song Xiaoliang1,2Cao Dapeng1,2Wu Guoxiang1,2
（1. Shanghai University Shanghai 200072 China 2. Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology Shanghai 200072 China 3. Shanghai University of Engineering Science Shanghai 201620 China）

Grid faults cause series of problems for doubly fed induction generator (DFIG) such as over current in both stator and rotor by using traditional DFIG control methods. In order to solve these problems, DFIG needs low voltage rid through (LVRT) ability. Based on the DFIG characteristics during the symmetric grid fault, this paper proposes DFIG rotor side converter LVRT control method to improve the DFIG over current. Based on theoretic analysis, the modes of LVRT control strategy are established. A 3kW DFIG excitation control experimental system is established. The test results prove the LVRT control method of DFIG to be effective.

Doubly fed induction generator (DFIG), low voltage ride through(LVRT), grid fault,rotor side converter

TM614

蔚 蘭 女，1980年生，博士研究生，講師，研究方向為電力電子變換及風力發(fā)電。

教育部博士點專項科研基金（20060280018）和上海大學“十一五”211建設資助項目。

2009-06-05 改稿日期 2009-08-20

陳國呈 男，1944年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為電力電子變換及新能源的開發(fā)利用。