基于轉(zhuǎn)子串聯(lián)獨立電源的DFIG 低電壓穿越能力研究

李天成，韓曉鋒，徐偉進

（1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012；2.東北電力設(shè)計院，長春 130021）

在最近幾年中，風(fēng)力發(fā)電所占比重在各大電網(wǎng)顯著增長，因此各大電網(wǎng)公司制定了有關(guān)風(fēng)力發(fā)電機并入電網(wǎng)的規(guī)范，使電網(wǎng)發(fā)生低電壓事件或其他某種干擾時，風(fēng)機從電網(wǎng)中斷開以避免整個電網(wǎng)崩潰。通常在雙饋異步發(fā)電機（DFIG）系統(tǒng)中發(fā)生電網(wǎng)故障時，過電流保護裝置將變流器斷開。這種保護不足以保護系統(tǒng)，這是由于轉(zhuǎn)子電流流經(jīng)變流器二極管并到達(dá)直流母線電路，從而導(dǎo)致直流母線過電壓，該過電壓可能損壞變流器元件。由于這個原因，轉(zhuǎn)子被短路，定子從電網(wǎng)斷開。然而風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展促進電網(wǎng)公司建立新的規(guī)范章程，因此風(fēng)力發(fā)電必須適應(yīng)這些新的要求。這些要求集中于兩個要點：風(fēng)力發(fā)電機必須具有低電壓穿越（LVRT）能力以及風(fēng)力發(fā)電機對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

不同類型的風(fēng)機可以采用不同的措施和技術(shù)來實現(xiàn)其低電壓穿越。文獻(xiàn)［1］至［5］分別敘述了直驅(qū)式永磁發(fā)電機機和雙饋式異步發(fā)電機的實現(xiàn)低電壓穿越的方法，其中雙饋式異步發(fā)電機組可以根據(jù)機組自身實現(xiàn)低電壓穿越功能。文獻(xiàn)［6］至［7］提出了轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar的投入與切除控制策略以及投切時間對機組實現(xiàn)LVRT 的影響。文獻(xiàn)［8］至［10］分析了雙饋式異步發(fā)電機的LVRT 控制策略并提出了根據(jù)槳距角控制提高LVRT 能力的方法。

然而，上述文獻(xiàn)中提出的解決方案都有一個共同的缺點：所有解決方案都是基于直接連接到電網(wǎng)的電力電子變流器。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，變流器的功能將被限制，將在低電壓的情況下運行，因此減弱了其能量疏散能力。在諸如此類的解決方案中，發(fā)生在電網(wǎng)中的每種干擾或波動都將直接影響網(wǎng)側(cè)變流器，因而在電網(wǎng)故障時發(fā)電機的性能未被完全優(yōu)化。

本文提出了一種基于發(fā)電機轉(zhuǎn)子串聯(lián)勵磁機的雙饋式異步發(fā)電機，因為不存在直接連接到電網(wǎng)的電力電子部件，所以在電網(wǎng)故障期間風(fēng)力發(fā)電機的性能得以優(yōu)化，具有勵磁機的系統(tǒng)保證了勵磁機側(cè)的變流器總是以穩(wěn)定的電壓工作。

1 雙饋式異步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和機理

1.1 基于轉(zhuǎn)子串聯(lián)勵磁機的雙饋式異步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)

基于轉(zhuǎn)子串聯(lián)勵磁機的雙饋式異步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)見圖1。變速系統(tǒng)包括葉片以及連接到傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子輪轂；傳動系統(tǒng)主要包括渦輪軸、齒輪箱、轉(zhuǎn)子軸以及雙饋感應(yīng)發(fā)電機。雙饋感應(yīng)發(fā)電機的定子可以通過接觸器或斷路器與電網(wǎng)相連。該系統(tǒng)還包括機械耦接到傳動系統(tǒng)的勵磁機，如異步機、直流機、同步機（如永磁機）或者其他可以作為電動機和發(fā)電機工作的電機。

勵磁機可通過機械轉(zhuǎn)軸與傳動系統(tǒng)耦接，軸的一端連接勵磁機另一端則連接到雙饋感應(yīng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子。該勵磁機還連接到通過直流母線連接的兩個電力電子變流器（即背對背變流器），兩個有源電力電子變流器的交流側(cè)中的一側(cè)連接到雙饋感應(yīng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電路中，另一交流側(cè)連接到勵磁機系統(tǒng)。

變流器控制單元（CUU）用于調(diào)節(jié)發(fā)電機和勵磁機的功率，該控制單元包含連接到發(fā)電機轉(zhuǎn)子電路和勵磁機的濾波器，以保護該單元免受由電力電子變流器的有源開關(guān)所產(chǎn)生的電壓突變的影響。

1.2 基于轉(zhuǎn)子串聯(lián)勵磁機的雙饋式異步發(fā)電機的工作原理

基于轉(zhuǎn)子串聯(lián)勵磁機的雙饋式異步發(fā)電機的等效電路圖見圖2。該等效電路圖包括定子電阻Rs、轉(zhuǎn)子電阻Rr、定子電抗Ls、轉(zhuǎn)子電抗Lr、勵磁機（磁化支路）電阻Rc、勵磁機（磁化支路）電抗Lm，定子壓降US。

在發(fā)生低電壓事件時，異步機的磁化支路將試圖保持發(fā)電機中的磁鏈，該磁鏈不能瞬時改變，因此將表現(xiàn)為電網(wǎng)電壓和發(fā)電機中的磁化電壓之間的壓降，該電壓降與磁鏈和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速率成比例，并且該電壓降將在定子中產(chǎn)生僅由定子電感和定子電阻所限制的過電流。由于定子和轉(zhuǎn)子之間的強耦合，因此在定子電流中的轉(zhuǎn)變效應(yīng)也將出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子電流中。

在雙饋發(fā)電機中，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子連接到電力電子變流器，因此在該轉(zhuǎn)變期間的轉(zhuǎn)子電流由于發(fā)電機的消磁作用將從轉(zhuǎn)子流經(jīng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器到達(dá)直流母線系統(tǒng)。在常規(guī)的解決方案中，當(dāng)發(fā)生低電壓事件時，過剩的能量必須在無源部件中耗散，否則可能損壞直流母線系統(tǒng)和變流器開關(guān)。本文所敘述的解決辦法具有兩個過程：一是通過變流器系統(tǒng)和勵磁機實現(xiàn)轉(zhuǎn)子電路和機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)移，二是使系統(tǒng)恢復(fù)額定工作狀態(tài)以便根據(jù)電網(wǎng)不同的需求產(chǎn)生電流和功率。

圖2 串聯(lián)勵磁機DFIG等效電路

本文所述解決方案中，由雙饋式異步發(fā)電機在低電壓事件期間因消磁所產(chǎn)生的能量流經(jīng)變流器和勵磁機，并最終被勵磁機轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動機械能，因此，全部能量被轉(zhuǎn)移到傳動系統(tǒng)。由于在發(fā)電機轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生過電壓，轉(zhuǎn)子電流流經(jīng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器到達(dá)直流母線系統(tǒng)。為了在最短時間內(nèi)恢復(fù)系統(tǒng)正常工作，勵磁機側(cè)的變流器以其最大電流狀態(tài)工作，從而在整個過程中將母線電壓保持在控制之中，該電流的限制由逆變器主控單元來執(zhí)行。當(dāng)勵磁機電壓保持在穩(wěn)定狀態(tài)時，變流器具有較大的能量疏散能力，多余的能量將被傳送至勵磁機，勵磁機將該能量存儲為轉(zhuǎn)動機械能。

2 轉(zhuǎn)子串聯(lián)勵磁機的DFIG 整體控制策略

2.1 轉(zhuǎn)子電路與勵磁機能量轉(zhuǎn)移的控制策略

變流器控制單元通過控制電力電子變流器的有源開關(guān)來控制如何將能量疏散到勵磁機，圖1示出如何控制電力電子變流器的開關(guān)。為了很快地疏散能量，主控單元中的控制系統(tǒng)通過直流母線調(diào)節(jié)器設(shè)置低電壓檢測算法并計算最大瞬時電流。該低電壓算法基于測得的定子電流和轉(zhuǎn)子電流。主控單元建立最大電流，可以根據(jù)半導(dǎo)體溫度限制，開關(guān)頻率以及其他參數(shù)將該最大電流傳遞給變流器的開關(guān)，在圖1中，開關(guān)頻率可以變化。直流母線調(diào)節(jié)器建立傳遞到勵磁機的有功電流Iq，該有功電流是變流器可利用的最大電流。

主控單元建立的勵磁機側(cè)的變流器以其最大電流工作的時間是固定的，該時間可由主控單元計算，并將依賴于直流母線間的電容電壓UC、轉(zhuǎn)子電流和定子電流以及其他變量。這些參數(shù)應(yīng)該滿足如下3個標(biāo)準(zhǔn)：UC小于最大母線電壓；轉(zhuǎn)子電流小于最大轉(zhuǎn)子電流；定子電流小于最大定子電流。

2.2 基于勵磁機的發(fā)電機組輸出電流和功率的控制策略

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，會在雙饋發(fā)電機中感應(yīng)出振蕩電流，該電流與發(fā)電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率有關(guān)。定子磁鏈不旋轉(zhuǎn)，因此在轉(zhuǎn)子側(cè)可將定子磁鏈視為反向旋轉(zhuǎn)的矢量，這樣便可通過內(nèi)環(huán)控制實施矢量補償來減弱該振蕩電流。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一方面依賴于轉(zhuǎn)子電流，另一方面依賴于磁化電流，因此當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，電流調(diào)節(jié)環(huán)路必須在故障期間檢測這些振蕩電流以便保持系統(tǒng)的可控性。一旦控制系統(tǒng)檢測到振蕩電流，該控制系統(tǒng)必須試圖減弱該電流以便使該轉(zhuǎn)變的時間最小化并且使系統(tǒng)進入規(guī)范的狀態(tài)。

該過程可以在上一小節(jié)所述過程開始若干毫秒后開始，主控單元決定該過程的開始時間。在此期間，可以考慮不同的控制策略，如可以向電網(wǎng)供給無功電流和無功功率，或者向電網(wǎng)供給有功電流和有功功率，或者使用混合控制策略，向電網(wǎng)供給有功和無功電流或者有功和無功功率。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，定子電流、轉(zhuǎn)子電流和勵磁機側(cè)的變流器電流呈現(xiàn)圖3所示的變化。在圖3中可知電流如何從轉(zhuǎn)子流到勵磁機。在第1個50ms期間，勵磁機側(cè)的變流器以其最大電流容量工作以便疏散由發(fā)電機消磁所導(dǎo)致的過剩能量。主控單元使變流器以最大電流工作，以該電流工作的時間依據(jù)低電壓故障特點和電力系統(tǒng)參數(shù)而變化。

圖3 發(fā)電機過電流曲線

在電流中出現(xiàn)的振蕩由發(fā)電機的機械旋轉(zhuǎn)頻率決定。一旦發(fā)電機完全消磁，則勵磁機側(cè)的變流器電流接近于0。此外，轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器在發(fā)生低電壓時間時會產(chǎn)生額定的無功電流，因此，定子電流和轉(zhuǎn)子電流的最終值與系統(tǒng)額定電流相對應(yīng)。通過控制減弱電流的振蕩，見圖4，可見無功電流對定子電壓的影響。在最初的25 ms中，定子電壓下降80%，并且由于電網(wǎng)支持策略，產(chǎn)生了無功電流，所以定子電壓升高到額定電壓的30%。

圖4 發(fā)電機電壓曲線

4 結(jié)論

本文所提出基于發(fā)電機轉(zhuǎn)子串聯(lián)勵磁機的低電壓穿越技術(shù)對變速異步風(fēng)機進行低穿能力改進的方法，已實際應(yīng)用于吉林省某風(fēng)電場異步風(fēng)機低穿性能改造。通過試驗分析，確定改造后風(fēng)機LVRT 能力明顯提高，證明了該改進方法的實用性和有效性。

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