定子雙繞組感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不對(duì)稱故障運(yùn)行

，，，

（1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；2.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210016）

1 引言

隨著并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組容量不斷增大，風(fēng)力發(fā)電在整個(gè)電網(wǎng)中所占的比重急劇增加，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的影響已不容忽視，當(dāng)前，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障下低電壓穿越能力方面的研究多針對(duì)電網(wǎng)對(duì)稱性故障情況，而實(shí)際運(yùn)行中，電網(wǎng)發(fā)生的多為諸如單相、雙相接地故障以及相間短路故障等不對(duì)稱性故障，這些故障均會(huì)引起電網(wǎng)電壓的不平衡。因此，研究風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)的運(yùn)行控制顯得更為重要。

定子雙繞組感應(yīng)電機(jī)（DWIG）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為一種新興的風(fēng)電系統(tǒng)，其發(fā)電機(jī)采用堅(jiān)固無刷的籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在1∶4的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均可輸出恒定的高壓直流，而勵(lì)磁變換器的容量?jī)H為機(jī)組額定的三分之一，且電機(jī)本體成本低廉，諸多優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)使其得到了廣泛的關(guān)注和深入研究［1-3］。DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相同，采用全功率變流器并網(wǎng)運(yùn)行，直流母線是能量轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)，母線電壓的穩(wěn)定和安全將影響整個(gè)系統(tǒng)。

直驅(qū)永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)中全功率變流器通常采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略［4］，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)三相平衡電壓時(shí)的控制策略，負(fù)序分量轉(zhuǎn)換至正序同步坐標(biāo)系下將變?yōu)?倍工頻的交流量，不但會(huì)使母線電壓出現(xiàn)大幅的2次波動(dòng)，還會(huì)使電流發(fā)生畸變，破壞風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞變流器，甚至?xí)帮w車”［5-9］。對(duì)于直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組而言，在電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，除了需要在直流側(cè)安放卸載單元或者儲(chǔ)能保護(hù)電路以消除功率不平衡引起的過電壓之外［10-12］，還需通過特殊的控制策略消除負(fù)序電流的影響，抑制直流側(cè)電壓的2次波動(dòng)。

DWIG風(fēng)電系統(tǒng)與直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)相比有其獨(dú)特之處，直流側(cè)母線電壓的控制在發(fā)電機(jī)側(cè)完成，網(wǎng)側(cè)變流器不需要電壓閉環(huán)，所以系統(tǒng)中全功率變流器的控制策略與直驅(qū)永磁機(jī)組不同，采用的是功率電流雙閉環(huán)控制，因此系統(tǒng)在電網(wǎng)故障下的運(yùn)行特性與直驅(qū)永磁機(jī)組完全不同。本文基于Matlab/Simulink7.1構(gòu)建了DWIG風(fēng)電系統(tǒng)的仿真模型，在不增加卸載單元及其它任何硬件電路的情況下，專門針對(duì)系統(tǒng)在電網(wǎng)不對(duì)稱故障下，電壓跌落時(shí)的穿越性能及控制進(jìn)行全面的仿真研究。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速低于有刷雙饋機(jī)組，采用單級(jí)增速齒輪，相比而言，齒輪箱的故障和維護(hù)成本較低。DWIG通常采用雙三相定子繞組，一套為功率繞組，輸出接有交流勵(lì)磁電容，通過整流橋輸出直流電能；另一套為控制繞組，串聯(lián)濾波電感后與勵(lì)磁變換器相連。DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，為了充分利用低風(fēng)速下的風(fēng)能，將勵(lì)磁變換器與功率側(cè)整流橋的直流母線端通過功率二極管并接起來，兩側(cè)母線的額定電壓設(shè)計(jì)成相同值。

圖1 DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of DWIG wind power system

低風(fēng)速時(shí)，DWIG功率繞組的端電壓過低，功率側(cè)的不控整流橋被阻斷，系統(tǒng)通過控制繞組側(cè)勵(lì)磁變換器的泵升作用，從其直流母線側(cè)輸出額定高壓直流，往外輸出電能，此時(shí)并接的功率二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)；高風(fēng)速時(shí)，當(dāng)繞組端電壓升至額定值，轉(zhuǎn)由功率繞組側(cè)的整流橋輸出電能，而勵(lì)磁變換器直流母線電壓維持原值不變，保證勵(lì)磁變換器的正常工作，此時(shí)功率二極管被阻斷［13］。可見，系統(tǒng)在寬風(fēng)速范圍內(nèi)均能輸出穩(wěn)定的高壓直流，提高了低風(fēng)速下的風(fēng)能利用，直流母線可與網(wǎng)側(cè)變流器直接相連，省去升壓和穩(wěn)壓裝置，并且網(wǎng)側(cè)變流器的控制器中無需電壓閉環(huán)控制。

發(fā)電機(jī)側(cè)的勵(lì)磁無功功率由控制側(cè)的勵(lì)磁變換器和功率側(cè)的交流勵(lì)磁電容共同提供，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁變換器提供的無功電流來改變發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁通。系統(tǒng)采用控制繞組端電壓定向［2］，通過調(diào)節(jié)控制繞組電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的有功和無功分量，以達(dá)到對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制，進(jìn)而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)電機(jī)側(cè)輸出恒定的直流電壓［14］。網(wǎng)側(cè)變流器采用功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制策略，功率外環(huán)的有功給定取決于當(dāng)前發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，再由發(fā)電機(jī)最優(yōu)輸出功率曲線和最大風(fēng)能追蹤算法綜合給出，無功給定則取決于系統(tǒng)需求，正常運(yùn)行時(shí)無功給定為0；電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制，通過調(diào)節(jié)d軸和q軸電流，可使網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在不同功率因數(shù)狀態(tài)。網(wǎng)側(cè)變流器的具體控制策略見圖2。

圖2 網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略框圖Fig.2 Control block schematic of grid-connected converter

3 電網(wǎng)不平衡故障下的穿越運(yùn)行

DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用全功率的網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)，網(wǎng)側(cè)變流器將DWIG和電網(wǎng)隔離開來，發(fā)電機(jī)側(cè)控制直流側(cè)電壓的恒定，網(wǎng)側(cè)控制系統(tǒng)輸送至電網(wǎng)的功率。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障引起電壓不平衡跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器的輸出功率會(huì)受到限制，并且由于負(fù)序分量的存在會(huì)產(chǎn)生2次波動(dòng)，從而導(dǎo)致直流側(cè)功率無法平衡，進(jìn)而引起母線電壓產(chǎn)生大幅的2次波動(dòng)。

本文主要討論系統(tǒng)在最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行及輸出最大功率狀態(tài)下的故障穿越能力，此時(shí)電網(wǎng)故障對(duì)系統(tǒng)的影響最大。在此運(yùn)行狀態(tài)下，DWIG由其功率側(cè)的整流橋母線輸出電能，勵(lì)磁電容提供的無功功率多于系統(tǒng)所需，由控制側(cè)勵(lì)磁變換器抽取多余部分的無功，控制規(guī)律如下［14］：

式中：UpDC為功率側(cè)輸出的直流母線電壓；f1為發(fā)電機(jī)的同步頻率；Wp為功率繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；Kwp為繞組因數(shù)；Φp為功率繞組每級(jí)主磁通；Tems為控制繞組電磁轉(zhuǎn)矩；np為極對(duì)數(shù)；isd為控制繞組有功電流分量；Ψs為控制繞組磁鏈幅值。

DWIG的兩套定子繞組共享同一磁場(chǎng)，通過勵(lì)磁變換器調(diào)節(jié)控制繞組每級(jí)磁通Φs來調(diào)節(jié)Φp，可達(dá)到控制UpDC的目的，同時(shí)亦可改變?chǔ)穝，控制Tems（功率繞組電磁轉(zhuǎn)矩控制同理）。因此，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，系統(tǒng)可通過快速有效地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁通，維持直流母線電壓的恒定，同時(shí)還可迅速改變電磁轉(zhuǎn)矩，降低發(fā)電機(jī)側(cè)的輸出功率，抑制直流側(cè)電壓的泵升及波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)故障穿越。下面就系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)不對(duì)稱故障穿越作進(jìn)一步的深入分析。

DWIG風(fēng)電系統(tǒng)采用無中線并網(wǎng)，故零序分量為0，這種情況下將三相不平衡電網(wǎng)電壓(eaebec)T與不平衡三相輸入網(wǎng)側(cè)電流(iaibic)T運(yùn)用對(duì)稱分量法分別分解成正序分量和負(fù)序分量再將電壓、電流的正負(fù)序分量變換至兩相靜止坐標(biāo)系可表示為

其中

若再將其變換至正負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，則可表示為

其中

式中：ω為電網(wǎng)電壓角頻率，逆時(shí)針為正方向；為正負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓為正負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流。

由此，可得并網(wǎng)逆變器的輸出復(fù)功率

其中，分解后的有功P和無功分量Q為

其中

由以上推導(dǎo)可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器輸出至電網(wǎng)的功率會(huì)含有2次諧波分量，而理想情況下發(fā)電機(jī)側(cè)的輸出功率應(yīng)恒為直流量，不含2次諧波。

由圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再依據(jù)電工理論，可知在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，由直流側(cè)功率不平衡造成電容上的功率增量為

式中：Pin為直流側(cè)輸入功率；Pout為直流側(cè)輸出功率。

由式（11）可知，若DWIG風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過發(fā)電機(jī)側(cè)快速弱磁同時(shí)瞬時(shí)減小直流側(cè)輸入功率Pin，即可保持跌落期間直流側(cè)UDC恒定不變，使得式（11）中PC=0。若電網(wǎng)電壓為不對(duì)稱跌落，則可將式（8）的有功功率表達(dá)式代入式（11），此時(shí)直流側(cè)電容上功率增量表達(dá)式變?yōu)?/p>

由此可得直流側(cè)的輸入輸出功率：

由式（13）可知，若能在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱跌落時(shí)控制UDC保持恒定不變，那么直流側(cè)電流IDC將會(huì)呈2倍工頻波動(dòng)，這對(duì)于輸出恒定直流電壓的系統(tǒng)發(fā)電機(jī)側(cè)而言，完全可看做是2倍工頻的負(fù)載波動(dòng)。而DWIG發(fā)電系統(tǒng)擁有出色的動(dòng)態(tài)性能，完全能夠應(yīng)付突加突卸負(fù)載的變化［15］，這種頻率的負(fù)載變化完全無礙系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)，直流側(cè)母線電壓的恒定也可保證網(wǎng)側(cè)變流器的正常運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生任何的影響?？梢?，DWIG風(fēng)電系統(tǒng)采取原有的控制策略，在不增加任何硬件設(shè)備的情況下，即可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)不對(duì)稱故障的穿越。

4 仿真結(jié)果

本文運(yùn)用Matlab/Simulink7.1工具箱，對(duì)DWIG風(fēng)電系統(tǒng)在電網(wǎng)不對(duì)稱故障下的穿越能力進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證系統(tǒng)在不增加任何硬件設(shè)備的情況下，能否成功限制直流側(cè)電壓的2倍工頻大幅波動(dòng)，從而成功實(shí)現(xiàn)穿越。由于DWIG為新興的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，尚未研制大功率的樣機(jī)，為了保證仿真結(jié)果的正確性，DWIG模型的參數(shù)與實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī)參數(shù)保持完全一致，具體的系統(tǒng)仿真參數(shù)為：額定功率20 kW，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，最高轉(zhuǎn)速1 200 r/min，直流側(cè)額定電壓600 V，交流勵(lì)磁電容160μF，直流側(cè)濾波電容6 800μF，發(fā)電機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)濾波電感4 mH，勵(lì)磁變換器開關(guān)頻率10 kHz，網(wǎng)側(cè)變流器開關(guān)頻率5 kHz。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穿越電網(wǎng)不對(duì)稱故障，采用了將不對(duì)稱電網(wǎng)電壓的正、負(fù)序分量分離的數(shù)字鎖相環(huán)，以保證鎖相環(huán)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，具體可參見圖2。仿真的初始狀態(tài)為系統(tǒng)輸出功率18 kW，工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行至5 s時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓開始不對(duì)稱跌落，為了能夠看清楚仿真結(jié)果，故本文不對(duì)稱跌落持續(xù)的時(shí)間設(shè)為0.2 s，網(wǎng)側(cè)電壓于5.2 s恢復(fù)正常，網(wǎng)側(cè)變流器的電流最大限幅為1.5倍，跌落幅度選擇我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)中的最大幅度80%。針對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓?jiǎn)蜗嗟?0%和兩相跌落80%進(jìn)行仿真，結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 網(wǎng)側(cè)電壓?jiǎn)蜗嗟?0%時(shí)的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results when single-phase grid voltage dips is 80%

圖4 網(wǎng)側(cè)電壓兩相跌落80%時(shí)的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results when two phase grid voltage dips is 80%

從仿真結(jié)果可以看出，網(wǎng)側(cè)電壓不管是單相跌落80%還是兩相跌落80%，在電流控制器的限幅作用下，三相輸出電流均沒有超出限幅值，但是網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功和無功都存在2倍工頻的波動(dòng)，只是單相和兩相跌落時(shí)波動(dòng)幅度有所不同。直流側(cè)電壓在發(fā)電機(jī)側(cè)控制器的調(diào)節(jié)作用下，可基本維持恒定，只有少量的波動(dòng)，但是非2倍工頻，而是屬于PI調(diào)節(jié)器的正常調(diào)節(jié)過程，在單相跌落時(shí)僅有2 V，0.3%幅度的波動(dòng)，兩相跌落時(shí)波動(dòng)速度稍大，為5 V，0.8%。正因?yàn)橹绷鱾?cè)電壓的穩(wěn)定，導(dǎo)致了直流側(cè)的電流產(chǎn)生了2倍工頻的波動(dòng)，從而證明了對(duì)DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穿越電網(wǎng)不對(duì)稱故障運(yùn)行分析的正確性。

5 結(jié)論

DWIG風(fēng)電系統(tǒng)在不增加任何硬件電路的情況下，在網(wǎng)側(cè)電壓不對(duì)稱跌落時(shí)具備出眾的LVRT能力。雖然網(wǎng)側(cè)電壓的不對(duì)稱跌落產(chǎn)生的負(fù)序分量會(huì)引起輸出功率的波動(dòng)，但是通過發(fā)電機(jī)側(cè)勵(lì)磁變換器快速調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁通，可維持直流側(cè)電壓恒定，跟直驅(qū)永磁機(jī)型相比，不會(huì)出現(xiàn)直流側(cè)電壓的2倍工頻大幅波動(dòng)，對(duì)濾波電容頻繁充放電，根據(jù)功率平衡原理，直流側(cè)的電流將會(huì)出現(xiàn)2倍頻的波動(dòng)，但是這完全可以看成是系統(tǒng)并網(wǎng)輸出功率的2倍工頻變化，這樣頻率的功率突增和突減對(duì)于發(fā)電機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器都是完全能夠勝任的，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，DWIG風(fēng)電系統(tǒng)具備了較強(qiáng)的電網(wǎng)不對(duì)稱故障穿越能力，由于實(shí)驗(yàn)條件受到限制，本文未作實(shí)驗(yàn)證明。接下來將對(duì)DWIG風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和工程實(shí)踐作進(jìn)一步探討，為將來的工程應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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