雙饋式風(fēng)電變流器低電壓穿越技術(shù)的研究

沈友朋，駱 皓，肖 遙，莊 俊

(國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京210003)

0 引言

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量越來(lái)越大，并網(wǎng)機(jī)組也隨之增多，風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)安全的影響也越來(lái)越重要。因此，要求并網(wǎng)的風(fēng)機(jī)必須具備很強(qiáng)的故障穿越能力。而風(fēng)電變流器作為風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因此也應(yīng)該具備故障穿越能力。所以研究風(fēng)電變流器低電壓穿越技術(shù)對(duì)提高風(fēng)電接入電網(wǎng)的友好性及電網(wǎng)安全有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此本文對(duì)雙饋式風(fēng)電變流器低電壓穿越技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究和分析。文獻(xiàn)［1，2］只對(duì)電網(wǎng)電壓三相平衡跌落時(shí)的低電壓穿越技術(shù)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［3 ～5］對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡跌落時(shí)風(fēng)電變流器低電壓穿越的控制進(jìn)行了研究。本文提出分別在電網(wǎng)電壓三相平衡和單相不平衡跌落時(shí)低電壓穿越的控制策略。

1 電網(wǎng)平衡跌落條件下的DFIG 控制策

1.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略

對(duì)于轉(zhuǎn)子側(cè)而言，其控制的目的是為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功和無(wú)功的解耦。該控制目標(biāo)可以通過(guò)分別對(duì)轉(zhuǎn)子電流有功和無(wú)功分量的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

一般在電網(wǎng)電壓平衡跌落下轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的功率方程［3］為

式中:Ps代表有功功率;Qs代表無(wú)功功率;Usd代表dq 坐標(biāo)系下的定子電壓，irq，ird分別代表dq 坐標(biāo)系下的q 軸和d 軸轉(zhuǎn)子電流，Ls，Lm分別代表dq 坐標(biāo)系下的定子自感和dq 坐標(biāo)系下定、轉(zhuǎn)子之間的互感;ωs代表同步電角速度。

從上式可看出，轉(zhuǎn)子電流的有功分量ird可以控制定子輸出的有功功率，無(wú)功分量irq可以控制定子輸出的無(wú)功功率。若調(diào)節(jié)ird而不會(huì)影響irq，反之亦然。這樣就可以通過(guò)控制其有功分量ird和無(wú)功分量irq來(lái)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的解耦控制。

1.2 網(wǎng)側(cè)變換器控制策略

對(duì)于DFIG 而言其直流母線電容電壓的穩(wěn)定是DFIG 穩(wěn)定運(yùn)行的前提，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)引起母線電容電壓的波動(dòng)，從而影響轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的正常工作，而保持直流電壓的穩(wěn)定是通過(guò)控制網(wǎng)側(cè)變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

網(wǎng)側(cè)變換器的控制一般采用電壓定向的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定。在電壓定向的條件下，網(wǎng)側(cè)變換器的dq 分量可用下式來(lái)表示［3］:

式中:Vdc為直流側(cè)電壓;Ugd為電網(wǎng)電壓的d 軸分量;Rg為網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電抗器電阻;igd，igq分別為網(wǎng)側(cè)電流的d 軸、q 軸分量;Lg為網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電抗器電感;Sd，Sq分別為開(kāi)關(guān)函數(shù)的d 軸、q 軸分量;ωs為同步電角速度。

在式(2)中，若令:

在式(3)中為了消除靜差，引入積分環(huán)節(jié)可得網(wǎng)側(cè)變換器的電流控制器:

同理可得直流環(huán)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器為

由式(2) ～ (5)可知網(wǎng)側(cè)變換器的控制指令為

因此，網(wǎng)側(cè)變換器是通過(guò)對(duì)電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)穩(wěn)壓的。同時(shí)為了保證輸出功率因數(shù)為1，一般將電流無(wú)功分量的給定值irq*為0，故其交流側(cè)輸入的無(wú)功功率為0。

2 電網(wǎng)不平衡跌落條件下的DFIG控制

2.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡跌落時(shí)，其電壓和電流不僅含有正序分量，還存在負(fù)序分量。而負(fù)序分量的存在對(duì)定、轉(zhuǎn)子電流有很大影響，會(huì)造成電流的高度不平衡，同時(shí)使發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動(dòng)。因此，可以通過(guò)抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)來(lái)減小該影響。

對(duì)于轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，當(dāng)發(fā)生不平衡跌落時(shí)，其定、轉(zhuǎn)子電流、電壓和磁鏈可表示為正負(fù)序分量的組合［4］:

式中:F 為電壓、電流或磁鏈;+，－表示正負(fù)序旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)。

轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓方程可由下式表示:

式中:Usdq，Urdq分別為dq 坐標(biāo)系下的定、轉(zhuǎn)子電壓;Rs，Rr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻;isdq，irdq分別為dq 坐標(biāo)系下的定、轉(zhuǎn)子電流;Ls，Lr分別為定、轉(zhuǎn)子自感，Ls=Lσs+Lm，Lr=Lσr+Lm，Lσs，Lσr分別為定、轉(zhuǎn)子漏感;Lm為定、轉(zhuǎn)子間互感;ωs－ωr為相對(duì)角速度;σ 為漏感系數(shù)，σ = 1 －/(LsLr)。

可將式(7)代入上式得:

2.2 網(wǎng)側(cè)變換器控制策略

網(wǎng)側(cè)變換器的控制目標(biāo)是穩(wěn)定直流母線電壓，并在需要時(shí)能為電網(wǎng)提供無(wú)功補(bǔ)償。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡跌落時(shí)，產(chǎn)生的負(fù)序分量會(huì)使直流環(huán)節(jié)發(fā)生嚴(yán)重的過(guò)壓情況。因此，對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的控制是為了限制直流環(huán)節(jié)的過(guò)壓，故對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器采取抑制交流側(cè)負(fù)序電流的控制策略。一般令負(fù)序電流給定值==0，為了得到單位功率因數(shù)，一般令無(wú)功功率平均值Q0=0，其直流側(cè)有功功率平均值P0與直流電壓有關(guān)，也即:

式中:kp，ki為PI 調(diào)節(jié)參數(shù);s 為開(kāi)關(guān)函數(shù);，Udc分別為直流側(cè)電壓給定值和實(shí)際直流電壓。

而正序電流給定值為

3 系統(tǒng)仿真研究

為了驗(yàn)證電網(wǎng)電壓發(fā)生平衡和不平衡跌落時(shí)，上述轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器控制策略的正確性和可行性，建立了如圖1 所示的DFIG 系統(tǒng)模型圖。系統(tǒng)仿真參數(shù)為:P =1.5 MW，U =690 V，fg=50 Hz，Rs=0.000 7 p．u．，Rr=0.005 p．u．，L1s=0.17 p．u．，L1r=0.156 p．u．，Lm=2.9 p．u．，Jm=0.685 s，np=3。

圖1 DFIG 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Model diagram of DFIG wind power system

分別對(duì)電網(wǎng)電壓發(fā)生三相平衡跌落和單相不平衡跌落時(shí)轉(zhuǎn)子電流irabc、直流電壓udc、電磁轉(zhuǎn)矩Te和有功無(wú)功P，Q 進(jìn)行仿真。仿真條件均為0.6 s 電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落，0.9 s 故障解除。

圖2 為當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重的三相平衡跌落時(shí)采用上述控制策略時(shí)的仿真結(jié)果。從圖中可看出其轉(zhuǎn)子電流在故障期間和故障解除瞬間對(duì)電網(wǎng)的沖擊不是很大，同時(shí)也可有效地抑制電磁轉(zhuǎn)矩和直流電壓的波動(dòng)。

圖3 為當(dāng)電網(wǎng)A 相電壓發(fā)生嚴(yán)重跌落時(shí)采取上述控制策略的仿真結(jié)果。從圖中可看出，若跌落時(shí)不采取其他措施，轉(zhuǎn)子電流會(huì)存在嚴(yán)重的2倍頻分量，這會(huì)嚴(yán)重沖擊電網(wǎng)。直流電壓和電磁轉(zhuǎn)矩也存在一定的波動(dòng)。這說(shuō)明當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重不平衡跌落時(shí)，只采用上述控制策略，是不能滿足變流器在電網(wǎng)故障期間的低電壓穿越能力，且對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊。

為了保證當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重不平衡跌落時(shí)變流器的低電壓穿越能力，一般會(huì)在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和直流電容側(cè)加硬件電路——也稱Crowbar 電路，以減小其對(duì)電網(wǎng)的沖擊。圖4 為A 相電壓跌落80%加入Crowbar 電路時(shí)的仿真結(jié)果。由圖4 可知，當(dāng)加入Crowbar 電路后，可很好地抑制轉(zhuǎn)子電流的2 倍頻分量，同時(shí)也大大減小了直流電壓和電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。

圖4 A 相電壓跌落80%加入Crowbar 電路仿真結(jié)果Fig．4 Simulation results of phase A voltage drop 80%added to the Crowbar circuit

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重三相平衡跌落時(shí)，采取本文介紹的控制策略可很好地保證變流器在電網(wǎng)故障期間的低電壓穿越能力;而當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的不平衡跌落時(shí)，只采用本文介紹的控制策略是不能保證其低電壓穿越能力，而且會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊。因此，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重不平衡跌落時(shí)，必須要加入Crowbar電路，以保證變流器在故障期間的低電壓穿越能力。有關(guān)于Crowbar 電路是否能很好地解決平衡跌落的問(wèn)題，本文將進(jìn)一步進(jìn)行研究。

［1］張學(xué)廣，徐殿國(guó)．電網(wǎng)對(duì)稱故障下基于active crowbar 雙饋發(fā)電機(jī)控制［J］．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13 (1):99-103．Zhang Xueguang，Xu Dianguo．Reseach on control of DFIG with active crowbar under symmetry voltage fault condition［J］．Electric Machines and Control，2009，13 (1):99-103．

［2］馬文龍．Crowbar 保護(hù)在雙饋異步風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)故障穿越中的應(yīng)用［J］．電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(7):127-130．Ma Wenlong．Application of Crowbar circuit in grid fault riding for doubly-fed induction wind power generation system［J］．Electic Power Autonmation Equipment，2011，31(7):127-130．

［3］Xu L，Wang Y．Dynamic modeling and control of DFIG based wind turines under unbalanced network conditions［J］．IEEE Trans．on Power Systems，2007，22 (1):314-323．

［4］Patrick S Flannery，Giri Venkataramanan．A fault tolerant doubly fed induction generator wind turbine using a paralled grid side rectifier and series grid converter ［J］．IEEE Trans．on Power Sytems，2008，23 (3):1126-1135．

［5］Yan Xiangwu，Giri Venkataramannan，Patrick S Flannery，et al．Voltage-sag tolerance of DFIG wind turbine with a series grid side passive-impedance network ［J］．IEEE Trans．on Power Systems，2010，25 (4):1048-1056．