籠型異步風(fēng)力發(fā)電接入固態(tài)變壓器并網(wǎng)的控制研究

郭揚(yáng)，劉小亮，賈志欣，吉光曜

（1.石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院，河北石家莊051132；2.石家莊工業(yè)泵廠有限公司，河北石家莊050100）

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籠型異步風(fēng)力發(fā)電接入固態(tài)變壓器并網(wǎng)的控制研究

郭揚(yáng)1，劉小亮1，賈志欣2，吉光曜1

（1.石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院，河北石家莊051132；2.石家莊工業(yè)泵廠有限公司，河北石家莊050100）

研究基于固態(tài)變壓器并網(wǎng)的籠性異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，解決風(fēng)電機(jī)組所需無(wú)功補(bǔ)償和低壓穿越要求。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過(guò)減少風(fēng)能捕獲、機(jī)電儲(chǔ)能和制動(dòng)電阻耗能策略，維持系統(tǒng)功率平衡，提高其低壓穿越能力。

籠性異步發(fā)電機(jī)；無(wú)功補(bǔ)償；低壓穿越

引言

傳統(tǒng)能源的日益枯竭，使得風(fēng)力、光伏等可再生能源贏得快速發(fā)展的機(jī)遇。由于籠性異步發(fā)電機(jī)（Squirrel Cage Inductor Generation，SCIG）具有造價(jià)便宜、易于并網(wǎng)、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)良特性，已被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。但是，籠型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要從電網(wǎng)吸取大量無(wú)功功率。文獻(xiàn)［1］指出電容自勵(lì)型籠性異步發(fā)電系統(tǒng)不適合于風(fēng)力發(fā)電等變速運(yùn)行的場(chǎng)合。文獻(xiàn)［2］提出晶閘管靜止無(wú)功補(bǔ)償法和飽和電抗器法存在系統(tǒng)體積加大或者注入諧波等缺點(diǎn)，不利于異步發(fā)電機(jī)應(yīng)用。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文利用固態(tài)變壓器將籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)，并研究SST的控制策略，以滿足風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功補(bǔ)償和低壓穿越的要求?？刂芐ST整流級(jí)變流器可以保持機(jī)端和直流側(cè)電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)所需無(wú)功勵(lì)磁的連續(xù)調(diào)節(jié)，避免從電網(wǎng)吸取無(wú)功功率。此外，通過(guò)減少風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲，機(jī)電儲(chǔ)能和改變逆變器運(yùn)行方式，維持系統(tǒng)功率平衡，有效提高風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越能力。

1　風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

研究基于固態(tài)變壓器的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)。其中風(fēng)力機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)SCIG輸出電能，再通過(guò)SST升壓變頻為符合電網(wǎng)要求的交流電。其中，SST是由整流級(jí)、高頻隔離級(jí)和逆變級(jí)組成。其中，高頻隔離級(jí)相當(dāng)于直流升壓環(huán)節(jié)，起到消除并網(wǎng)沖擊電流和隔離整流級(jí)與逆變級(jí)的作用，同時(shí)，在逆變級(jí)直流側(cè)接卸荷電路，增強(qiáng)風(fēng)電系統(tǒng)低壓穿越能力。

由于高頻隔離級(jí)允許電能的雙向流動(dòng)，當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，忽略損耗，逆變級(jí)輸出功率等于整流級(jí)輸入功率，直流母線電壓恒定，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。為了穩(wěn)定直流母線電壓，通過(guò)控制整流級(jí)變流器，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，將多余的能量轉(zhuǎn)化為風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)能。同時(shí)，轉(zhuǎn)速上升也減少了逆變機(jī)的風(fēng)能捕獲，有利于系統(tǒng)具備低電壓穿越運(yùn)行能力。

2　風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)功能控制

為了維持發(fā)電機(jī)的端電壓和固態(tài)變壓器的直流側(cè)電壓穩(wěn)定，通過(guò)控制整流級(jí)變流器實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流解耦控制，并且提供發(fā)電機(jī)所需動(dòng)態(tài)無(wú)功功率。假設(shè)它損耗忽略不計(jì)，根據(jù)功率平衡關(guān)系，可得發(fā)電機(jī)輸出有功功率為

式中，P1為發(fā)電機(jī)輸出的有功功率；Udcl、idcl為低壓直流側(cè)電壓和電流。

將同步坐標(biāo)系d軸定向于機(jī)端電壓矢量方向，則usd=ut，usq=0。由式（1）可得，若能維持機(jī)端電壓恒定，則調(diào)節(jié)isd可控制發(fā)電機(jī)輸出的有功功率。

3　仿真分析

3.1最大功率跟蹤及無(wú)功補(bǔ)償性能仿真

當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)輸出電流幅值隨之變化，基本保持正弦波形。其中，由于電機(jī)側(cè)變流器兼顧傳遞有功功率和補(bǔ)償發(fā)電機(jī)所需的勵(lì)磁功率，維持機(jī)端電壓穩(wěn)定的作用，所以整流級(jí)變流器輸入側(cè)電流相位滯后電壓。逆變級(jí)變流器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，采用高壓并網(wǎng)，并網(wǎng)電流大幅降低，消除對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

3.2風(fēng)電系統(tǒng)低壓穿越性能仿真

假設(shè)風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行在額定風(fēng)速下，0.4 s時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落80%，1.025 s時(shí)電壓逐漸恢復(fù)，2.4 s時(shí)回升到90%的額定值，對(duì)系統(tǒng)LVRT性能進(jìn)行仿真，在電網(wǎng)電壓跌落過(guò)程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷上升，儲(chǔ)存系統(tǒng)多余能量，同時(shí)Cp下降，風(fēng)能的捕獲減少。轉(zhuǎn)速在0.49 s左右上升至極限值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在整流級(jí)變流器控制下維持轉(zhuǎn)速不變，Cp值恒定，系統(tǒng)再次穩(wěn)定運(yùn)行。在電網(wǎng)電壓恢復(fù)過(guò)程中，電網(wǎng)輸入功率逐漸增加，調(diào)節(jié)卸荷電路中IGBT的占空比，改變制動(dòng)電阻耗能大小，當(dāng)卸荷電路再次斷開(kāi)后，ω和Cp逐漸恢復(fù)，高壓直流母線電壓有一段動(dòng)態(tài)過(guò)程，但很快就維持在穩(wěn)定值。電壓跌落過(guò)程，逆變級(jí)變流器向電網(wǎng)輸出無(wú)功功率，支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。輸入電網(wǎng)有功功率在電網(wǎng)電壓跌落期間的變化曲線。

4　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于固態(tài)變壓器的籠性異步風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，控制整流級(jí)變流器維持機(jī)端和直流側(cè)電壓穩(wěn)定，控制逆變級(jí)變流器實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲和并網(wǎng)傳送功率。仿真結(jié)果表明，SST能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)補(bǔ)償異步發(fā)電機(jī)所需無(wú)功功率，改善輸入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。此外，機(jī)組具備良好的低壓穿越能力，并能夠提供無(wú)功功率，支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)。因此，籠型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入固態(tài)變壓器并網(wǎng)是一種結(jié)構(gòu)新穎、合理可行的方案。

［1］劉陵順，胡育文，黃文新.電力電子變換器控制的異步電機(jī)發(fā)電技術(shù)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（5）:1-7.

［2］Bansal C，Bhatti T S，Kothari D P.Bibliography on the application of induction generator in nonconventional energy systems［J］.IEEE Trans on Energy Conversion.2003，18（3）:433-438.

（編輯：王璐）

A Solid State Transformer Grid-connected Control Research for Cage Asynchronous Wind-power Generation

Guo Yang1，Liu Xiaoliang1，Jia Zhixin2
（1.Shijiazhuang Tiedao University Si Fang College，Shijiazhuang Hebei 05113 2；2.Shijiazhuang Industrial Pump Factory Co.，Ltd.，Shijiazhuang Hebei 050100）

This paper researches on grid-tied cage asynchronous wind turbine with solid state transformer，which meets requirements of reactive power compensation and low pressure crossing in wind turbines.When the grid voltage drops，by reducing the wind energy capture，mechanical and electrical energy storage and braking resistor energy policy，the system power balance is maintained to improve its low voltage ride-through capability.

cage asynchronous generation；reactive power compensation；low voltage ride-through

TM614

A

2095-0748（2015）22-0058-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.22.24

2015-10-10

郭揚(yáng)（1986—），男，河北石家莊人，助教，研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行分析與控制；劉小亮（1978—），男，河北平山人，碩士研究生，講師，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化；測(cè)控技術(shù)；賈志欣（1987—），女，河北石家莊人，助理工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化；吉光曜（1986—），男，河北石家莊人，助教，研究方向：交通工程。