不平衡電壓對雙饋風電機組變頻器的影響

劉勇

(大連供電公司，遼寧大連116001)

不平衡電壓對雙饋風電機組變頻器的影響

劉勇

(大連供電公司，遼寧大連116001)

為了研究電網(wǎng)電壓不平衡時雙饋風電機組運行特性，從分析負序基波電壓對交直交變頻器影響入手，得出了網(wǎng)側(cè)變頻器的交流側(cè)電壓會產(chǎn)生奇數(shù)次諧波，直流側(cè)電容電壓會產(chǎn)生偶數(shù)次紋波分量，雙饋電機的電磁轉(zhuǎn)矩和定子輸出有功功率出現(xiàn)偶數(shù)次頻率的分量。負序分量會造成網(wǎng)側(cè)電流畸變，惡化電能質(zhì)量。

雙饋風力發(fā)電機組；負序電壓；二倍頻波動

隨著能源危機和溫室效應等全球性問題的日趨凸顯，利用清潔無污染的風能發(fā)電已成為了一種有效的解決措施。特別是2006年的《可再生能源法》頒布以來，中國的風電事業(yè)得到了飛速發(fā)展[1-2]，大型風電場接連涌現(xiàn)。如何研究整個風電場的并網(wǎng)運行與電網(wǎng)的相互影響，以及系統(tǒng)發(fā)生短路故障情況下風電場的暫態(tài)運行特性等，這對整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行尤為重要[3-5]。單相接地短路時會出現(xiàn)典型的不對稱故障，而電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時會引入不平衡電壓，特別是負序電壓。文獻[6]指出了由于雙饋感應電機的負序阻抗遠遠小于正序阻抗，即使較小的不平衡電壓也可以產(chǎn)生較大的不平衡電流。文獻[7]采用對稱分量理論進行分析，揭示了電網(wǎng)不平衡電網(wǎng)頻率波動的原因；感應電機個電磁量的正序、負序分量分別以同步旋轉(zhuǎn)速度向正、反方向旋轉(zhuǎn)，因此在同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，正序分量體現(xiàn)為直流量，負序分量則體現(xiàn)為二倍頻率的交流量，正序、負序分量間的相互作用導致電機的轉(zhuǎn)矩以二倍電網(wǎng)頻率波動。文獻[7]指出不平衡電流會導致電磁轉(zhuǎn)矩、有功功率和無功功率以二倍電網(wǎng)頻率波動。文獻[8]建立了電網(wǎng)電壓不平衡工況下雙饋感應電機在正序、負序同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的正序、負序完整模型，推導了電網(wǎng)電壓不平和個工況下雙饋感應電機電磁轉(zhuǎn)矩、定子有功功率和無功功率的表達式，在此基礎上設計了雙電流控制器，分別在正序、負序同步旋轉(zhuǎn)坐標系下實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子電流的控制。文獻[9]提出了不平衡電網(wǎng)電壓條件下雙饋異步電機在正、反轉(zhuǎn)同步坐標系中的完整數(shù)學模型，推導和分析了不平衡電網(wǎng)電壓條件下雙饋電機定子輸出瞬時有功功率和無功功率的組成。文獻[10]在研究雙饋感應電機數(shù)學模型的基礎上，分析了不對稱電網(wǎng)電壓條件下雙饋電機定子輸出瞬時有功、無功功率的組成。通過引入二倍電網(wǎng)頻率陷波器，使定子開關(guān)頻率直接功率控制。

1 理論分析

中的二次紋波分量。只考慮電網(wǎng)電壓含有負序基波電壓的情況下，網(wǎng)側(cè)變頻器的直流側(cè)電流將出現(xiàn)二次紋波分量。

當考慮到轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的電流對直流電容電壓的影響。把轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器看作直流電容的負載：

2 算例分析

以1.5 MW雙饋風力發(fā)電機組為例，仿真設置：電網(wǎng)電壓只包含正序基波電壓和負序基波電壓，且三相電壓不平衡度為10%。圖1為仿真模型。

圖1 仿真模型

圖2中的直流電壓出現(xiàn)周期性波動，周期為0.01 s。由頻譜圖(圖3)可以看出直流電容電壓包含100、200、300 Hz等偶數(shù)次諧波，100 Hz諧波尤為明顯，幅值基本達到直流電壓幅值的1/6。圖4中的A相電壓波形已發(fā)生明顯畸變，包含150、250、350 Hz等奇數(shù)次諧波電壓，且3次、5次諧波含量很大。頻譜圖驗證了在電網(wǎng)電壓不平衡的情況下網(wǎng)側(cè)變頻器的交流側(cè)電壓會產(chǎn)生奇數(shù)次的諧波(圖5)，直流側(cè)電容電壓產(chǎn)生偶數(shù)次紋波分量。

圖2 直流電容電壓

圖3 直流電容電壓頻譜

圖4 網(wǎng)側(cè)變頻器交流側(cè)電壓(A相)

圖5 網(wǎng)側(cè)變頻器交流側(cè)電壓頻譜(A相)

圖6 雙饋電機電磁轉(zhuǎn)矩分解

圖7 定子有功功率

同樣，發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩中除了直流分量以外，還有100 Hz的分量。定子有功功率也包含100、200、300 Hz等頻率偶數(shù)倍頻率的分量。

對35 kV母線電壓進行諧波分析，以基波100%為基準，其它次諧波以占基波的百分比形式表示如圖8。

35 kV母線電壓的5次諧波電壓含量最高，達到了基波幅值的6%。并網(wǎng)電流明顯發(fā)生畸變，電流中包含大量的奇數(shù)次諧波，3次、5次、7次、9次、11次諧波含量比重很大，尤其是5次諧波電流的含量極大，其幅值達到基波幅值2倍(圖9)。

圖835 kV母線電壓頻譜(A相)

圖9 并網(wǎng)電流頻譜(A相)

3 結(jié)束語

電網(wǎng)電壓不平衡會導致雙饋電機網(wǎng)側(cè)變頻器的直流側(cè)產(chǎn)生偶數(shù)次紋波分量而網(wǎng)側(cè)變頻器的交流側(cè)產(chǎn)生奇數(shù)次諧波；電磁轉(zhuǎn)矩存在兩倍頻波動，定子輸出有功功率中有偶數(shù)次頻率的波動。電網(wǎng)電壓不平衡還會造成風電機組輸出電流的畸變。

附：

1.5 MW的雙饋風力發(fā)電機組參數(shù)

風力機參數(shù)：切入風速3 m/s，額定風速12 m/s，切出風速18 m/s，葉片半徑37.5 m；

雙饋電機參數(shù)：額定容量1.5 MVA，額定電壓0.69 kV，頻率50 Hz，功率因數(shù)cos=0.98(滯后)，定子電阻0.005 4 p.u.，定子電抗0.10 p. u.，轉(zhuǎn)子電阻0.006 07 p.u.，轉(zhuǎn)子電抗0.11 p.u.，勵磁電抗3.1 p.u.。

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Analysis of double-fed wind generator inverter impacted by negative sequence voltage

LIU Yong

In order to analyze the double-fed wind generator operating characteristic impacted by grid imbalance voltage,the AC-DC-AC invertor impacted by negative-sequence fundamental voltage was studied firstly.Odd time harmonics of AC side voltage were produced.And even time was produced by the DC side voltage.Even times of electromagnetic torque and stator output of active power will occur which are caused by the grid voltage imbalance. Negative sequence component of grid voltage could cause grid side current distortion,worsening the power quality.

double-fed wind generator;negative sequence voltage;second harmonic wave

TM 46

A

1002-087 X(2014)02-0352-03

2013-06-02

劉勇(1986—)，男，湖北省人，碩士，主要研究方向為電力設備檢修維護。