不平衡電壓對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變頻器的影響分析

盧鑫鑫

中閩（福清）風(fēng)電有限公司，福建 福州 350300

0 引言

從國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組布局看，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多安裝在高山或遠(yuǎn)海等易遭受大風(fēng)沖擊的環(huán)境，運(yùn)用弱電網(wǎng)與電網(wǎng)并聯(lián)，其定子與電網(wǎng)直接相連，穩(wěn)定性差，故障頻發(fā)[1]。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)電壓頻率、幅值、相位發(fā)生變化，出現(xiàn)電壓不平衡現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的負(fù)序電壓、電流，降低雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作效率[2]。文獻(xiàn)[3]基于對(duì)稱(chēng)分量理論，論證了電機(jī)正序直流量和負(fù)序二倍頻率的交流量相互作用是引起電網(wǎng)頻率波動(dòng)的主要原因。Seman等[4]提出電壓不平衡引起的功率和電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的二倍頻波動(dòng)，可通過(guò)改變雙饋風(fēng)機(jī)的控制方法、提高其抗干擾的能力得以解決。另有文獻(xiàn)[5]通過(guò)建模分析并解釋了產(chǎn)生諧波的原因，通過(guò)轉(zhuǎn)子基波和諧波電流指令算法設(shè)計(jì)出一種PI-R電流控制器，抑制了轉(zhuǎn)子諧波分量，通過(guò)對(duì)一臺(tái)2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真，論證了控制器的有效性。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特性概述

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)合了同步、異步發(fā)電機(jī)的特征，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。因具有調(diào)速性能優(yōu)越、勵(lì)磁容量偏小、有/無(wú)功功率能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，通過(guò)雙饋發(fā)電方式可使發(fā)電機(jī)在同步運(yùn)行狀態(tài)下其轉(zhuǎn)速不受頻率限制，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置對(duì)輸出電壓、電流的性能參數(shù)不造成影響[6]。文章以某風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例展開(kāi)分析，其參數(shù)如表1所示。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)

2 不平衡電壓對(duì)變頻器的影響

基于文獻(xiàn)[7]提出的理論，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行仿真，得出不平衡電壓對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器直流側(cè)和交流側(cè)的影響。

2.1 變頻器直流側(cè)

仿真過(guò)程中直流電容-電壓波形圖如圖2所示，直流電容-電壓頻譜圖如圖3所示。從圖2可以看出，直流電壓出現(xiàn)0.001 s的周期性波動(dòng)現(xiàn)象。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了偶數(shù)次諧波分量，100 Hz諧波分量的幅值是直流電壓幅值的1/6。

圖2 直流電容-電壓仿真波形圖

圖3 直流電容-電壓仿真頻譜圖

2.2 變頻器交流側(cè)

變頻器交流側(cè)A相電壓波形圖如圖4所示，變頻器交流側(cè)A相電壓頻譜圖如圖5所示。從圖4可以看出，變頻器交流側(cè)A相電壓出現(xiàn)周期性的畸變。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了頻率150 Hz、250 Hz和350 Hz的奇數(shù)次諧波電壓分量。

圖4 變頻器交流側(cè)A相電壓波形圖

圖5 變頻器交流側(cè)A相電壓頻譜圖

3 對(duì)變頻器的要求及控制策略

綜上所述，在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，變頻器直流側(cè)會(huì)出現(xiàn)偶數(shù)次諧波分量，變頻器交流側(cè)會(huì)出現(xiàn)奇數(shù)次諧波分量。對(duì)變頻器提出如下要求：（1）其功率具有雙向流動(dòng)性；（2）可以改變電能質(zhì)量；（3）不出現(xiàn)電壓諧波分量；（4）具有提供無(wú)功功率的能力。

因雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)處于超同步狀態(tài)和處于同步狀態(tài)時(shí)各自的特點(diǎn)不同，將變頻器的控制系統(tǒng)采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行控制，引入矢量控制的方案，采用雙閉環(huán)控制，最后通過(guò)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，以抑制諧波分量的產(chǎn)生[8]。對(duì)于交流側(cè)，可以通過(guò)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在dq軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，引入矢量控制解耦技術(shù)，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器處理，采用PWM獲取發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的單獨(dú)控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)某1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真結(jié)果證明，不平衡電壓對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變頻器直流側(cè)會(huì)產(chǎn)生偶數(shù)次諧波影響，交流側(cè)會(huì)產(chǎn)生畸變的奇數(shù)次諧波影響，通過(guò)引入矢量控制技術(shù)，采取雙環(huán)控制的策略，可以抑制不平衡電壓帶來(lái)的影響。