大型風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)分析

（1. 華儀風(fēng)能有限公司，浙江 樂(lè)清 325600；2. 清華大學(xué)自動(dòng)化系，北京 100084）

（1. 華儀風(fēng)能有限公司，浙江 樂(lè)清 325600；2. 清華大學(xué)自動(dòng)化系，北京 100084）

本文首先介紹了當(dāng)前風(fēng)電市場(chǎng)主流的雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析了不同的拓?fù)鋵?duì)電壓跌落的不同動(dòng)態(tài)響應(yīng)；其次，本文分別對(duì)雙饋式機(jī)組和直驅(qū)式機(jī)組的電機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的矢量控制算法進(jìn)行了分析和總結(jié)。同時(shí)，分別對(duì)這兩種機(jī)型的卸荷電路做了分析和比較；最后，通過(guò)對(duì)某1.5MW雙饋機(jī)組進(jìn)行低電壓穿越的驗(yàn)證，不僅成功完成了符合我國(guó)電網(wǎng)要求的低電壓穿越測(cè)試，更進(jìn)一步完成了德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的零電壓穿越測(cè)試。

雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)；直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)；矢量控制；低電壓穿越；crowbar 電路

0 引言

我國(guó)風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷增大,風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模也不斷擴(kuò)大。如果電網(wǎng)發(fā)生故障，出現(xiàn)電壓跌落情況，將會(huì)給風(fēng)電機(jī)組帶來(lái)一系列如過(guò)電壓、過(guò)電流或葉輪速度快速上升等暫態(tài)過(guò)程，嚴(yán)重危害風(fēng)電機(jī)組本身及其控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。如果電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組實(shí)施被動(dòng)式自我保護(hù)而解列，這樣雖然能夠最大限度保證機(jī)組自身的安全，但是增加了整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至可能加劇故障，最終導(dǎo)致系統(tǒng)其它機(jī)組全部解列，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成極大破壞。因此，低電壓穿越能力已逐步成為風(fēng)電場(chǎng)的必然要求。

當(dāng)前，市場(chǎng)主流的雙饋式風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組由于運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)的差異，電網(wǎng)電壓跌落對(duì)其暫態(tài)過(guò)程的影響不盡相同，它們的低電壓運(yùn)行解決措施也就不一樣。

1 電壓跌落對(duì)不同類型風(fēng)電機(jī)組的影響

1.1 風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.1 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1是雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理圖[1]。雙饋感應(yīng)電機(jī)定子側(cè)直接連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)由網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器組成的雙PWM型變換器與電網(wǎng)相連。網(wǎng)側(cè)變換器由進(jìn)線電感與電網(wǎng)相連，在保持直流母線電壓恒定，保證輸入電流波形諧波含量少的同時(shí)，保證雙饋電機(jī)在亞同步運(yùn)行時(shí)從電網(wǎng)吸收電能，在超同步運(yùn)行時(shí)向電網(wǎng)饋電；轉(zhuǎn)子側(cè)變換器與雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)饋電，即通過(guò)施加三相交流電進(jìn)行勵(lì)磁，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的幅值、頻率和相位，實(shí)現(xiàn)定子側(cè)輸出電壓的恒頻恒壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊并網(wǎng)，并且通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的解耦實(shí)現(xiàn)有功功率、無(wú)功功率的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤和功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。

1.1.2 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于電力電子變流器拓?fù)涞亩鄻有?，直?qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中間的交流到交流的變流器環(huán)節(jié)可以采用不同的結(jié)構(gòu)。

圖2是兩種常用的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理圖[2]。

其中，圖2（a）變流器采用的是不控整流+DC / DC變換+逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),中間的 DC/DC變換器采用Boost 升壓斬波電路,可以實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)功率因數(shù)的調(diào)節(jié), 提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率；同時(shí)，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí), 不控整流得到的電壓也在變化, 通過(guò)Boost升壓環(huán)節(jié)提高并穩(wěn)定直流母線電壓。

通過(guò)控制逆變器的輸出來(lái)調(diào)制電壓的相位和幅值，以調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率的輸出，對(duì)永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,使其工作于最佳葉尖速比狀態(tài)，完成風(fēng)電機(jī)組的最大風(fēng)能追蹤控制，并且實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行。

圖1 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2（b）采用的是背靠背雙 PWM變換器拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)定子通過(guò)背靠背變流器和電網(wǎng)連接。電機(jī)側(cè)變換器的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使得機(jī)組在額定風(fēng)速以內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能跟蹤控制；網(wǎng)側(cè) PWM變換器用于實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率與直流環(huán)節(jié)直流電壓的解耦控制，在保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率的控制。

1.2 風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)效應(yīng)

1.2.1 雙饋式風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)效應(yīng)

雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子側(cè)直接聯(lián)接電網(wǎng)，這種直接耦合使得電網(wǎng)電壓的降落直接反映在電機(jī)定子端電壓上。在電網(wǎng)電壓跌落瞬間，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，導(dǎo)致定子磁鏈中不但含有正序分量，還將出現(xiàn)衰減的直流分量。由于積分量的減小，定子磁鏈幾乎不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較大的滑差，引起轉(zhuǎn)子繞組的過(guò)壓、過(guò)流。如果電網(wǎng)出現(xiàn)不對(duì)稱故障，定子電壓中就會(huì)含有負(fù)序分量，而負(fù)序分量會(huì)產(chǎn)生很高的滑差，轉(zhuǎn)子過(guò)壓與過(guò)流的現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重[3]。轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變換器直流側(cè)電壓升高。過(guò)電流會(huì)燒毀轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變換流器，而過(guò)電壓則導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組絕緣體被擊穿。此外，電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變換器的電流以及有功和無(wú)功都會(huì)產(chǎn)生振蕩。

1.2.2 直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)暫態(tài)效應(yīng)

對(duì)于全功率永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)定子經(jīng)由機(jī)側(cè)變換器、直流環(huán)節(jié)以及網(wǎng)側(cè)變換器組成的變流器與電網(wǎng)相接，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)不存在直接耦合。電網(wǎng)電壓跌落瞬間會(huì)導(dǎo)致輸出功率的減小，而發(fā)電機(jī)的輸出功率瞬時(shí)不變，顯然功率不匹配將導(dǎo)致直流母線電壓上升，這勢(shì)必會(huì)威脅到電力電子器件安全。如采取控制措施穩(wěn)定直流母線電壓，必然會(huì)導(dǎo)致輸出到電網(wǎng)的電流增大，過(guò)大的電流同樣會(huì)威脅變流器的安全。

當(dāng)變流器直流側(cè)電壓在一定范圍波動(dòng)時(shí)，電機(jī)側(cè)變流器能對(duì)其保持可控性，在電網(wǎng)電壓跌落期間，電機(jī)仍可以保持很好的電磁控制。所以直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組相對(duì)于雙饋式風(fēng)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越較為容易。

2 低電壓穿越技術(shù)分析

2.1 雙饋式機(jī)組低電壓穿越技術(shù)分析

要實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能，在電網(wǎng)故障期間機(jī)組需要滿足以下要求：

（1）機(jī)組不脫網(wǎng)，保持持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行；

（2）有功功率的有效控制；

（3）發(fā)出一定的無(wú)功電流以支撐電網(wǎng)。

由于雙饋式發(fā)電機(jī)組的變流器容量只占系統(tǒng)額定功率的 30 %(滑差功率)左右，變流器能力有限。要完成機(jī)組的低電壓穿越功能，除了變流器實(shí)現(xiàn)解耦，完成對(duì)有功功率和無(wú)功功率的有效控制外，還需要增加卸荷負(fù)載的crowbar電路，釋放出電機(jī)的多余能量。

2.1.1 解耦控制[4-5]

雙饋電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)。其主流控制技術(shù)是矢量控制技術(shù)，即以電機(jī)某一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)（見(jiàn)圖3），利用坐標(biāo)變換技術(shù)，將定子電流中的有功分量和勵(lì)磁分量獨(dú)立開(kāi)來(lái)，加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，達(dá)到有功功率和無(wú)功功率解耦的控制目的。

雙饋電機(jī)的運(yùn)行控制是通過(guò)與之相連的雙向PWM電流變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雙向PWM變換器根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的頻率，實(shí)現(xiàn)變速恒頻輸出。并且通過(guò)控制轉(zhuǎn)子電流，實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。

2.1.1.1 網(wǎng)側(cè)變換器矢量控制

根據(jù)發(fā)電機(jī)組的功率流向，網(wǎng)側(cè)變換器可以在整流狀態(tài)工作，也可以在逆變狀態(tài)工作。

如圖4所示，流經(jīng)電容的電流為：

電網(wǎng)輸入的瞬時(shí)功率為：

轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁吸收的瞬時(shí)功率為：

圖3 靜止α-β坐標(biāo)系和任意坐標(biāo)系下矢量圖

其中，C為母線支撐電容容量，udc為直流母線電壓，i1為轉(zhuǎn)子變換器的輸入電流，i2為網(wǎng)側(cè)變換器輸出電流。要使Pg=Pr， 應(yīng)為常值，需對(duì)udc采用閉環(huán)控制。

網(wǎng)側(cè)變換器傳遞的有功功率和無(wú)功功率為：

其中，udg，uqg，udg，uqg分別為網(wǎng)側(cè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)d 、q軸電壓和電流。

將電網(wǎng)電壓綜合矢量定向在d軸上，有：

式中，ug為電網(wǎng)電壓綜合矢量。則此時(shí)得：

這樣即實(shí)現(xiàn)了有功和無(wú)功的解耦，Pg受idg控制，Qg受iqg控制。

2.1.1.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器矢量控制

根據(jù)廣義PARK方程：

在定子磁鏈定向方式下，d軸沿定子磁場(chǎng)方向，定子磁通的q軸分量為零，此時(shí)有：

在靜止坐標(biāo)系（α－β坐標(biāo)系）下，定子電壓矢量以固定的幅度和同步轉(zhuǎn)速在旋轉(zhuǎn)。定子電阻壓降遠(yuǎn)小于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，可忽略定子電阻的影響，定子電壓在定子磁通定向坐標(biāo)軸上面的分量是常量。 電機(jī)電壓方程簡(jiǎn)化為：

定子的角速度，ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，Rr為轉(zhuǎn)子電阻。

圖4 有功功率的協(xié)調(diào)控制框圖

usd，usq為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子d軸和q軸電壓；

urd，urq為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸和q軸電壓；

isd，isq為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子d軸和q軸電流；

ird，irq為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸和q軸電流；

ψsd，ψsq為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子d軸和q軸磁鏈；

ψrd，ψrq為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子d軸和q軸磁鏈；

Lm為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系同軸等效定子、轉(zhuǎn)子繞組互感；

Ls為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系等效兩相定子繞組自感；

國(guó)內(nèi)女性主義翻譯研究主題多樣、視角豐富、成果顯著,為便于分析與描述,下面按照研究主題將筆者整理出的559篇期刊論文大致分為理論研究、實(shí)證研究和譯史研究三種類型,見(jiàn)表4。

Lr為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系等效兩相轉(zhuǎn)子繞組自感。

轉(zhuǎn)矩方程為：

式中，Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

如果忽略定子側(cè)的損耗，定子有功功率Ps和無(wú)功功率Qs為：

從式（10）中可以看出，通過(guò)調(diào)節(jié)力矩電流irq可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)定子有功功率的控制，通過(guò)ird控制定子側(cè)從電網(wǎng)吸收的勵(lì)磁電流，調(diào)節(jié)無(wú)功功率。力矩電流和轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流在定子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系下，控制力矩電流不會(huì)影響無(wú)功功率，控制無(wú)功功率不會(huì)影響力矩電流，從而實(shí)現(xiàn)解耦控制。

2.1.2 卸荷電路的實(shí)現(xiàn)

電壓跌落時(shí)定子磁鏈的直流分量和負(fù)序分量的出現(xiàn)，感生出大幅增加的轉(zhuǎn)子電流，而與轉(zhuǎn)子側(cè)連接的ACDC－AC變換器，其電力電子器件的過(guò)壓、過(guò)流能力有限。如果在連接變流器轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器的直流母線上接上儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠存儲(chǔ)多余的能量并維持母線電壓的穩(wěn)定，但是畢竟存儲(chǔ)能量的能力有限，同時(shí)也增加了大量的硬件成本。

本文采用軟件控制策略和硬件卸荷電路相結(jié)合的方案來(lái)完成低電壓穿越功能。

軟件方面，根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)雙饋感應(yīng)電機(jī)的暫態(tài)電磁關(guān)系，采用雙饋電機(jī)定子電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?，通過(guò)控制雙饋電機(jī)的漏磁鏈來(lái)抵消或者是減少定子磁鏈中的直流分量和負(fù)序分量對(duì)轉(zhuǎn)子的影響。定、轉(zhuǎn)子間磁鏈的關(guān)系如式（11）所示[6-7]：

控制轉(zhuǎn)子電流，使轉(zhuǎn)子電流定向于定子磁鏈直流分量和負(fù)序分量相反的方向上，可以減少甚至消除磁定子磁鏈對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的影響。

硬件部分增加了兩部分內(nèi)容，即與轉(zhuǎn)子相連的卸荷負(fù)載的電路（crowbar電路）和直流側(cè)母線過(guò)電流保護(hù)電路（chopper電路），如圖5所示。其中，轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar電路由功率開(kāi)關(guān)器件和放電電阻組成，功率開(kāi)關(guān)器件用來(lái)控制crowbar電路的開(kāi)通與關(guān)斷。直流側(cè)chopper電路由一個(gè)單管IGBT和一個(gè)放電電阻組成，通過(guò)IGBT來(lái)控制電路的通斷。

電網(wǎng)跌落發(fā)生時(shí)，如果跌落的幅度不大，可以只通過(guò)直流側(cè)chopper電路動(dòng)作來(lái)穩(wěn)定母線電壓，完成穿越過(guò)程。如果跌落的幅度大，僅僅利用chopper電路的動(dòng)作不能完成穿越，需要轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar電路連接到轉(zhuǎn)子回路中，使電機(jī)磁鏈中的暫態(tài)分量通過(guò)定轉(zhuǎn)子電阻及crowbar放電電阻迅速衰減，來(lái)共同完成穿越過(guò)程。

也有些變流器的設(shè)計(jì)沒(méi)有直流側(cè)chopper電路環(huán)節(jié)，只在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器之間接入crowbar電路。當(dāng)機(jī)組檢測(cè)到電網(wǎng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，閉鎖雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變流器，同時(shí)投入crowbar電路，通過(guò)放電電阻把多余能量以熱能的形式釋放出去，以此來(lái)維持發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。

要完成機(jī)組低電壓穿越時(shí)多余能量的釋放，crowbar電路除了圖5中的結(jié)構(gòu)外，文獻(xiàn)[8]中還給出了混合橋型crowbar電路方案和功率開(kāi)關(guān)型crowbar電路方案?；旌蠘蛐蚦rowbar電路的每個(gè)橋臂由控制器件和二極管串聯(lián)而成，通過(guò)控制器件控制crowbar電路連接到轉(zhuǎn)子回路中（如圖6所示）。而功率開(kāi)關(guān)型crowbar電路，其每個(gè)橋臂由兩個(gè)二極管串聯(lián)，直流側(cè)串入一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件和一個(gè)放電電阻，由功率開(kāi)關(guān)完成crowbar電路的導(dǎo)通（如圖7所示）。

采用卸荷負(fù)載的crowbar電路可以迅速釋放出多余的能量，以此來(lái)維持發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。但此時(shí)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)按感應(yīng)電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行，機(jī)組不但不能向電網(wǎng)提供無(wú)功，支撐電網(wǎng)電壓，而且還要從電網(wǎng)中吸收大量的無(wú)功進(jìn)行勵(lì)磁，這將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的進(jìn)一步惡化，而且crowbar電路的投切操作也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生暫態(tài)沖擊。所以，crowbar電路的短接需要控制在很短的時(shí)間范圍內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈衰減后就可以退出，此時(shí)穩(wěn)態(tài)短路電流已不是很大。crowbar退出后，變流器重新同步，控制能力得以恢復(fù)。

2.2 直驅(qū)式機(jī)組低電壓穿越技術(shù)分析

直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組由于背靠背全功率變流器的隔離，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)不直接耦合。在電網(wǎng)跌落期間，只要變流器的直流母線電壓控制在一定范圍內(nèi)，電機(jī)側(cè)變流器仍然可以保持對(duì)電機(jī)電磁的良好控制。

相比雙饋機(jī)型，雖然直驅(qū)機(jī)型的低電壓穿越功能更容易實(shí)現(xiàn)，但是和雙饋機(jī)型一樣，在電網(wǎng)故障期間也需要對(duì)機(jī)組的有功功率進(jìn)行有效的控制，同時(shí)發(fā)出一定的無(wú)功電流以支撐電網(wǎng)。

圖5 增加crowbar和chopper電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 混合橋型crowbar電路

圖7 功率開(kāi)關(guān)型crowbar電路

2.2.1 解耦控制[9-11]

通過(guò)對(duì)電機(jī)側(cè)變換器的解耦控制，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)有功功率輸出。而電網(wǎng)側(cè)變換器除了要控制直流電容電壓恒定，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)調(diào)整。

變流器拓?fù)洳煌?，其控制方式也不一樣。下面以背靠背雙PWM變流器為例來(lái)分析矢量的解耦控制。

2.2.1.1 電機(jī)側(cè)變換器矢量控制

電機(jī)側(cè)變換器主要功能是要實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)有功功率輸出。在d－q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中， d、q坐標(biāo)以同步速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方式下，即d軸定位于轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈方向，定子 d軸和 q 軸的磁鏈方程如下所示:

式中，Ld、Lq分別為發(fā)電機(jī)的d軸和q軸電感；

ψsd、ψsq分別為定子d軸和q軸磁鏈；

ψ為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈。

因?yàn)槎ㄗ与娮鑹航颠h(yuǎn)小于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，可忽略定子電阻的影響， 定子 d 軸和 q 軸的電壓方程如下所示:

式中， usd、usq分別為定子 d 軸和 q 軸的電壓；isd、isq分別為定子 d 軸和 q 軸的電流；

Rs為定子電阻；

ωs為發(fā)電機(jī)電角速度。

聯(lián)立式（12）（13）可得：

PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

pn為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

由于轉(zhuǎn)子的對(duì)稱特性，可假設(shè)電機(jī)d軸和q軸電感相等，即Ld=Lq，式（15）簡(jiǎn)化為：

從式（16）中可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩Te不受d軸分量isd的影響。通過(guò)控制q軸電流分量isq，就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而控制有功功率，實(shí)現(xiàn)機(jī)組有功功率輸出的調(diào)節(jié)。

但是根據(jù)式（14）可知，d軸和q軸電壓矢量存在耦合項(xiàng) -ωsLqisq和 ωsLdisd。

如果在d軸和q軸電壓控制過(guò)程中分別增加前饋輸入-ωsLqisq和ωsLdisd，即可實(shí)現(xiàn)電壓分量usd和usq的解耦。

2.2.1.2 電網(wǎng)側(cè)變換器控制

作為直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)相連的重要組成部分，電網(wǎng)側(cè)變換器除了要控制直流電容電壓恒定，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)調(diào)整，即需要對(duì)并網(wǎng)無(wú)功功率進(jìn)行控制。

在d－q 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制技術(shù)，將電網(wǎng)電壓綜合矢量定向在d軸上。此時(shí)有：

網(wǎng)側(cè)變換器有功功率和無(wú)功功率表達(dá)式：

式中，Ug為電網(wǎng)電壓綜合矢量；

igd、igq為電網(wǎng)電流在d軸和q軸的分量；

egd、egq為電網(wǎng)電壓在d軸和q軸的分量。

由式（18）可知，通過(guò)控制電網(wǎng)電流的d軸分量igd和q軸分量igq，可分別控制有功功率Pg和無(wú)功功率Qg；通過(guò)對(duì)有功功率的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制。

網(wǎng)側(cè)變換器在d－q坐標(biāo)系下電壓方程：

式中，ugd、ugq為網(wǎng)側(cè)變換器d軸電壓分量和q軸電壓分量；

ωg為電網(wǎng)電壓電角速度；

Rg、Lg為與網(wǎng)側(cè)變換器相串聯(lián)電抗器的電阻和電感。

由式（19）可知，d軸和q軸之間存在耦合項(xiàng) 和 ，對(duì)這兩個(gè)耦合項(xiàng)通過(guò)前饋補(bǔ)償?shù)姆椒上鼈冎g的耦合，實(shí)現(xiàn)解耦控制。

2.2.2 卸荷電路的實(shí)現(xiàn)

電壓跌落瞬間，發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)輸出功率不變，而機(jī)組輸出到電網(wǎng)的功率減小，這兩種能量的不匹配導(dǎo)致直流母線電壓的上升，威脅到變流器電力電子器件的安全。

如果通過(guò)提高變流器功率器件的電流等級(jí), 當(dāng)電壓跌落時(shí),通過(guò)承受一定量的過(guò)電流，網(wǎng)側(cè)變換器仍能輸出和故障前一樣的功率, 保持直流側(cè)電壓平衡，也可以適當(dāng)增大直流側(cè)電容的容量。當(dāng)功率不平衡時(shí), 過(guò)剩的能量能在電容上得到存儲(chǔ)和緩沖。這種通過(guò)器件容量增大的方式，可以在一定程度上提高低電壓穿越能力，但是提高的水平有限，只適用于電壓跌落幅度較少的情況。當(dāng)電壓跌落幅值較大時(shí)，需要投入卸荷負(fù)載消耗掉多余的能量，以保證電網(wǎng)故障時(shí)機(jī)組低電壓穿越能力的實(shí)現(xiàn)。

直驅(qū)式機(jī)組卸荷電路的實(shí)現(xiàn)可以采用多種形式。文獻(xiàn)[12][13]闡述了定子側(cè)增加卸荷負(fù)載的crowbar電路（如圖8所示）和電網(wǎng)側(cè)增加卸荷負(fù)載的crowbar電路方案（如圖9所示）。這兩種方案都可以通過(guò)投入卸荷電阻消耗掉多余的能量, 使變流器輸入和輸出功率保持平衡。

但是在這兩種方案里，定子側(cè)增加卸荷負(fù)載的方案對(duì)發(fā)電機(jī)輸出有較大影響。crowbar 動(dòng)作期間，變流器失去了對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制能力，只有在crowbar退出，變流器重新同步后，才能恢復(fù)對(duì)發(fā)電機(jī)的控制能力。而電網(wǎng)側(cè)增加卸荷負(fù)載方案的缺點(diǎn)是，風(fēng)力發(fā)電的輸出直接給負(fù)載供電，負(fù)載功率與風(fēng)電系統(tǒng)功率相匹配,構(gòu)成了一個(gè)獨(dú)立的微網(wǎng)供電系統(tǒng)。這就要求電網(wǎng)電壓跌落發(fā)生時(shí),靜態(tài)換向開(kāi)關(guān)能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行和微網(wǎng)運(yùn)行之間的平滑轉(zhuǎn)換，機(jī)組的控制策略要兼顧好并網(wǎng)和微網(wǎng)兩種運(yùn)行狀態(tài)。

圖10是目前常用在直流側(cè)增加卸荷電路的方式[12]。其中，圖10 (a) 的卸荷電阻通過(guò)功率器件（通常是IGBT）與直流側(cè)相連,卸荷電阻投入時(shí), 直接并入直流母線。圖10(b) 的卸荷電阻通過(guò) Buck 電路與直流側(cè)相連,通過(guò) Buck電路降壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，投入卸荷電阻, 消耗直流側(cè)多余的能量, 保持電容電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

在直流側(cè)增加卸荷電路的方式下，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，電機(jī)側(cè)變換器仍然可以對(duì)電機(jī)保持良好的電磁控制。機(jī)組低電壓穿越能力實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為容易和方便。

2.3 低電壓穿越技術(shù)小結(jié)

無(wú)論是雙饋式機(jī)組還是直驅(qū)式機(jī)組，要解決低電壓穿越問(wèn)題，關(guān)鍵點(diǎn)之一就是要解決好有功功率和無(wú)功功率的有效控制，以最有利于風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)低電壓穿越來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩控制，并有效控制好無(wú)功電流以支撐電網(wǎng)電壓。另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是要解決好多余能量的消耗和能量的存儲(chǔ)問(wèn)題，多余能量的消耗通過(guò)卸荷電路的放電電阻以熱能的形式釋放出去，而能量的存儲(chǔ)體現(xiàn)在兩種形式，一種是以電能的形式儲(chǔ)存于儲(chǔ)能系統(tǒng)，另外一種是因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩的減少導(dǎo)致葉輪轉(zhuǎn)速上升，以動(dòng)能形式存在的部分。以上是基于風(fēng)電機(jī)組本身的低電壓穿越特性來(lái)考慮的，假設(shè)機(jī)組的輸入機(jī)械功率維持不變。

圖8 定子側(cè)接入卸荷負(fù)載的crowbar電路

圖9 電網(wǎng)側(cè)接入卸荷負(fù)載的crowbar電路

圖10 直流側(cè)接入卸荷負(fù)載的crowbar電路

在風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，解決低電壓穿越的問(wèn)題時(shí)往往會(huì)輔助采用降低機(jī)械輸入功率的手段，也就是當(dāng)判斷出電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過(guò)快速變槳來(lái)減小輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，輸入功率的減少有利于電壓跌落時(shí)功率的平衡。但是僅僅通過(guò)變槳來(lái)降低輸入機(jī)械載荷的手段，無(wú)法提供無(wú)功功率來(lái)支撐電網(wǎng)電壓，所以只能起到輔助作用。

3 低電壓穿越技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 19963—200）的要求，分別對(duì)電網(wǎng)三相短路故障和兩相短路故障進(jìn)行了電壓跌至原電壓90%、75%、50%、35%、20%的穿越測(cè)試，無(wú)論是跌落過(guò)程中支撐電網(wǎng)恢復(fù)的動(dòng)態(tài)無(wú)功電流控制，還是電網(wǎng)故障清除后的有功恢復(fù)，均很好地滿足了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，依據(jù)德國(guó)的低電壓穿越能力規(guī)定（高短路電流）的標(biāo)準(zhǔn)，多次進(jìn)行了150ms的零電壓穿越測(cè)試，在整個(gè)穿越和恢復(fù)過(guò)程中，機(jī)組的有功、無(wú)功得到有效控制。

圖11是低電壓穿越測(cè)試（三相電壓跌至20%）過(guò)程中直流母線電壓的控制波形圖。圖中顯示，當(dāng)電壓跌落時(shí)，直流側(cè)電壓瞬間跳變?cè)龃螅ňG色線），當(dāng)超出限定值時(shí)，crowbar放電電阻動(dòng)作（藍(lán)色線），直流則電壓恢復(fù)正常直至整個(gè)低電壓穿越過(guò)程（625ms）。

圖12是在測(cè)試過(guò)程中，在高壓側(cè)紀(jì)錄的測(cè)試波形圖。其中，圖12（a）是測(cè)試給出的電壓跌至20%的信號(hào)。機(jī)組檢測(cè)到電網(wǎng)故障后進(jìn)行低電壓穿越控制，圖12（b）顯示了低電壓穿越過(guò)程及電網(wǎng)故障恢復(fù)后的功率恢復(fù)整個(gè)過(guò)程的有功和無(wú)功波形（黑色線代表有功功率，紅色線代表無(wú)功電流）。從圖中可以看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌至正常值的20%時(shí)，機(jī)組保持不脫網(wǎng)運(yùn)行。低穿過(guò)程，機(jī)組迅速發(fā)出一定量的無(wú)功功率用以支撐電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，當(dāng)電壓恢復(fù)正常后，有功功率以穩(wěn)定的增量快速恢復(fù)到正常水平，最后保持平穩(wěn)。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大和風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組是否具備低電壓穿越功能對(duì)電網(wǎng)安全造成很大的影響。本文對(duì)目前廣泛運(yùn)用的雙饋式機(jī)組和全功率直驅(qū)式機(jī)組的有功和無(wú)功的矢量控制技術(shù)及卸荷電路的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，并在一些風(fēng)電機(jī)組上得到成功運(yùn)用。隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越技術(shù)的日趨成熟，前期因風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力而對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成極大破壞的困擾將得到根本解決。

圖11 電網(wǎng)電壓跌落至20%時(shí)的直流母線電壓波形

圖12 三相電壓平衡跌落至20% 時(shí)的功率控制

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大型風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)分析

胡春松1，支道躍1，王淼1，王文靜1，練嵐香2

Analysis of Low Voltage Ride Through Technology of Large-scale Wind Turbines

Hu Chunsong1, Zhi Daoyue1, Wang Miao1, Wang Wenjing1, Lian Lanxiang2
(1. HuaYi Wind Energy Co., Ltd., Yueqing, Zhejiang 325600, China;2. Automation Department of Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Firstly, this paper described the topologic structures of doubly-fed wind power system and direct-drive wind power system,and made a comparative analysis of the dynamic response with grid voltage drop fault．Furthermore，this paper analyzed and summarized vector control algorithm of generator side converter and grid side converter of doubly-fed wind turbine and directdrive wind turbine, and made analysis and comparison about crowbar circuit of these two types of wind turbine．Finally，the author performed low voltage ride through test with 1.5MW doubly-fed wind turbine. Testing result not only met the standards of state grid but also met the zero voltage ride through standards of Germany.

doubly-fed wind power system; direct-drive wind power system; vector control; low voltage ride through; crowbar circuit

TM614

A

1674-9219(2013)07-0084-09

2013-06-17。

胡春松（1974-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制算法和控制策略的研究。