具有不同轉(zhuǎn)子匝數(shù)的新型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越能力的瞬態(tài)性能分析

蔣 毅 黃曉艷

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027）

1 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占的比重不斷增加，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也受到了各國專家學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。在眾多方案中，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Doubly Fed Induction Generation,DFIG）憑借其變流器容量相對較小[2]，解耦功率控制簡單[3]、成本較低等各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，成為目前市場上兆瓦級容量的主要風(fēng)電機(jī)型[4,5]。

然而，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)容易出現(xiàn)勵磁失控，轉(zhuǎn)子電流迅速升高。若不采取措施，該電流將會危害系統(tǒng)變流器，使電機(jī)轉(zhuǎn)速急劇升高，當(dāng)達(dá)到極限轉(zhuǎn)速時(shí)，將會引發(fā)剎車系統(tǒng)動作，使電機(jī)從電網(wǎng)解列[6]。進(jìn)而，將減少風(fēng)電場對電網(wǎng)的有功和無功支持，使電網(wǎng)電壓進(jìn)一步跌落，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。因此，如何實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越（Low Voltage Ride Through, LVRT）能力成為風(fēng)力發(fā)電行業(yè)急需解決的技術(shù)問題 。

目前，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要通過兩種方法實(shí)現(xiàn)LVRT能力，一種是改進(jìn)現(xiàn)有控制算法實(shí)現(xiàn)，另外一種是硬件電路實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[8]從抑制轉(zhuǎn)子電流中旋轉(zhuǎn)分量的角度出發(fā)，省去了定子磁鏈觀測，提出簡化后的DFIG控制算法。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于定子磁鏈跟蹤的LVRT控制策略，通過轉(zhuǎn)子磁鏈實(shí)時(shí)地跟蹤補(bǔ)償定子磁鏈以抑制故障電流，此法理論得以證明，但不利于工程實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[10]針對現(xiàn)有主動式Crowbar電路的不足，提出旁路阻值優(yōu)化整定方法。但是，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)控制算法只能針對小范圍電壓跌落，而硬件電路實(shí)現(xiàn)功耗較大[11]，兩種方法都存在一定缺陷。

本文在電壓跌落瞬態(tài)過程中雙饋電機(jī)的動態(tài)分析基礎(chǔ)上，通過變換轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)實(shí)現(xiàn)LVRT能力，并建立能切換轉(zhuǎn)子繞組的DFIG模型，進(jìn)行仿真分析和樣機(jī)系統(tǒng)測試，結(jié)果證明該技術(shù)方法行之有效。

2 新型DFIG模型

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。發(fā)電機(jī)采用三相繞線式異步發(fā)電機(jī)，定子與三相電網(wǎng)直接相連，轉(zhuǎn)子通過背靠背結(jié)構(gòu) PWM變流器與電網(wǎng)相連，從而實(shí)現(xiàn)交流勵磁，可調(diào)整勵磁電壓幅值和電機(jī)轉(zhuǎn)速[12]。變流器能實(shí)現(xiàn)雙向功率流動，對雙饋電機(jī)進(jìn)行有功和無功的解耦控制。

圖1 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 The variable speed constant frequency doubly-fed wind power generation system

其中，在穩(wěn)態(tài)正常工作情況下，轉(zhuǎn)子電壓矢量和感應(yīng)電動勢幅值表達(dá)式[13]為

在三相電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢幅值表達(dá)式[13]為

式中vr——轉(zhuǎn)子電壓矢量；

vr0——轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢矢量；

ir——轉(zhuǎn)子電流矢量；

Vs——原電網(wǎng)電壓幅值；

V2——電網(wǎng)電壓跌落后電壓幅值；

Rr——轉(zhuǎn)子電阻；

Ls——定子自感；

Lr——轉(zhuǎn)子自感；

Lm——定、轉(zhuǎn)子之間等效互感；

σ——漏感系數(shù)；

ω——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

s——轉(zhuǎn)差率。

可以發(fā)現(xiàn)在電壓跌落前，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢Vr0∝sVs。電壓跌落時(shí)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢受電壓跌落幅值Vs-V2和轉(zhuǎn)差率s兩個值影響較大。

分析可知，在電壓跌落過程中，vr0幅值將會升高，轉(zhuǎn)子側(cè)端電壓將會發(fā)生顯著變化。若vr0幅值大于變流器所能承受的電壓幅值，電流則將會失控，并迅速增大，嚴(yán)重危害變流器，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失速、電機(jī)退網(wǎng)等一系列問題。故低電壓穿越實(shí)現(xiàn)的根本問題，在于電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，減小轉(zhuǎn)子vr0的幅值，使其在變流器的控制范圍以內(nèi)。本文從減小轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢vr0的角度出發(fā)，分析改變轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)對電網(wǎng)電壓跌落瞬態(tài)性能的影響。

圖2為轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)能夠切換的DFIG原理圖。該 DFIG電機(jī)定子三相繞組與普通感應(yīng)電機(jī)相同，而轉(zhuǎn)子繞組雖也為三相，但每相繞組有兩個端部抽頭，即abc與a′b′c′兩組抽頭。在正常工作狀態(tài)中，轉(zhuǎn)子選用 abc三相抽頭，電機(jī)工作與普通DFIG相同；當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，立即切換轉(zhuǎn)子繞組為a′b′c′抽頭，使電機(jī)繞組有效匝數(shù)減少，降低了轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢vr0，使其在變流器控制范圍以內(nèi)，從而抑制轉(zhuǎn)子回路電流的上升。

圖2 轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)能夠切換的DFIG結(jié)構(gòu)Fig.2 The model of DFIG with capacity of changing the number of the turns of the rotor windings

3 新型DFIG建模與仿真分析

由矢量變換原理可以知道，在定子兩相靜止坐標(biāo)系下，定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程 為

式中Ψs——定子磁鏈；

Ψr——轉(zhuǎn)子磁鏈；

Lls——定子側(cè)漏感；

Llr——轉(zhuǎn)子側(cè)漏感；

Lms——定子側(cè)互感；

Ns——定子繞組有效匝數(shù)；

Nr——轉(zhuǎn)子繞組有效匝數(shù)；

θr——轉(zhuǎn)子角度；

r——定子半徑；

g——?dú)庀堕L度；

l——定子長度；

μ0——磁導(dǎo)率。

由式（3）可知，若轉(zhuǎn)子繞組在電壓跌落過程中立刻切換繞組，則可以得到，在電壓跌落時(shí)

DFIG電機(jī)轉(zhuǎn)子有效部分變化，引起電感和匝數(shù)比兩項(xiàng)參數(shù)變化，降低了轉(zhuǎn)子內(nèi)部感應(yīng)電動勢Vr0，使幅值在變流器控制電壓以內(nèi)，以達(dá)到抑制電流增大的目的。

3.1 全電壓跌落情況分析

本文建立了轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)能夠切換的 DFIG的Matlab仿真模型，額定功率為 7.5kW。定子電阻Rs=0.45Ω；轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.2Ω；定子漏感Lls=0.01H；轉(zhuǎn)子漏感Llr=0.007H；互感Lm=0.088H。

圖 3為三相電網(wǎng)電壓全跌落時(shí)，DFIG在繞組切換與不切換條件下的定子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流波形。

圖3 DFIG繞組切換與不切換條件下參數(shù)波形（nspeed=1 450r/min, n=0.5，全電壓跌落）Fig.3 The DFIG waveform parameter in changing and nonchanging winding situation（nspeed=1 450r/min, n=0.5, full voltage dip）

在 0～1s時(shí)，電機(jī)拖動額定負(fù)載工作在nspeed=1 450r/min下運(yùn)行；1s時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生三相全電壓跌落，定子端電壓降低至 0。圖3中，虛線為不切換繞組的 DFIG參數(shù)波形，在電網(wǎng)全電壓跌落時(shí)，其定子電流Isa,b,c和轉(zhuǎn)子電流Ira,b,c迅速上升，Isa,b,c三相最大幅值達(dá)25A，Ira,b,c三相最大幅值達(dá)23A；實(shí)線為 1s時(shí)切換為部分繞組（n=0.5）的 DFIG參數(shù)波形，在同樣情況下，定子電流Is′a,b,c上升最高至8A，Ir′a,b,c上升最高至 9A。

通過圖3波形比較可以看出，相比n=1（不切換繞組）的情況而言，DFIG在全電壓跌落時(shí)立刻切換繞組為n=0.5后，定、轉(zhuǎn)子電流上升較為緩慢，幅值相對較低，并且?guī)缀蹙S持在定、轉(zhuǎn)子額定電流附近，從而很大程度減小了轉(zhuǎn)子電流對變流器的沖擊，實(shí)現(xiàn)了低電壓穿越能力。

如圖4所示，選取了五組不同n值（分別為0.1,0.3, 0.5, 0.7, 0.9）進(jìn)行仿真，得到A相轉(zhuǎn)子電流大小，并以此和n=1（不切換繞組）的 DFIG相應(yīng)時(shí)刻A相轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行參考比較。

圖4 轉(zhuǎn)子n變化對于新型DFIG轉(zhuǎn)子電流的影響（nspeed=1 450r/min，電壓全跌落）Fig.4 n for the influence on the DFIG rotor current（nspeed=1 450r/min, full voltage dip）

n分別取0.3、0.5、0.7、0.9時(shí)，該電機(jī)的A相轉(zhuǎn)子電流都小于20A，即小于不切換情況下的A相電流幅值。而當(dāng)n=0.1時(shí)，切換轉(zhuǎn)子繞組后 DFIG的 A相轉(zhuǎn)子電流大大增加，達(dá)到 30A以上，超過n=1情況下的最大幅值。值得一提的是，取n=0.5時(shí)，能始終使轉(zhuǎn)子電流保持在10A以下，能夠最好地實(shí)現(xiàn)LVRT能力。所以，n=0.5是全電壓跌落情況下n的最優(yōu)值。

3.2 部分電壓跌落情況分析

在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，部分電壓跌落經(jīng)常發(fā)生，由于系統(tǒng)負(fù)荷的變化、變壓器的投切等都會引起電網(wǎng)電壓的波動，甚至引起部分電壓跌落。因此下文將針對部分電壓跌落情況進(jìn)行研究。

通過仿真比較可以看出，相比n=1情況，切換繞組（n=0.5）的 DFIG，同樣能夠在電壓部分跌落發(fā)生后，達(dá)到抑制轉(zhuǎn)子電流增加的目的，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

根據(jù)上文理論分析，部分電壓跌落情況下n的最優(yōu)取值，應(yīng)該與全電壓跌落情況下的n的最優(yōu)值有所不同。下文將針對電壓部分跌落（70%）情況下，討論n的最優(yōu)取值。

圖5 DFIG繞組切換與不切換條件下參數(shù)波形（nspeed=1 450r/min, n=0.5，電壓跌落70%）Fig.5 The DFIG waveform parameter in changing and nonchanging winding situation（nspeed=1 450r/min, n=0.5, 70% voltage dip）

如圖6所示，仿真分析選取了新型DFIG的五組不同n值（分別為0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9），檢測A相轉(zhuǎn)子電流大小，并以此和n=1情況下相應(yīng)時(shí)刻的A相轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行參考比較。在1s時(shí)，電網(wǎng)電壓發(fā)生三相電壓部分跌落（跌落幅值 70%），根據(jù)n取值不同分別實(shí)驗(yàn)。n=1的 DFIG在電壓跌落后，A相轉(zhuǎn)子電流Ira達(dá)到19A。而1s時(shí)切換轉(zhuǎn)子的DFIG，在n分別為0.3、0.5、0.7、0.9時(shí)，A相轉(zhuǎn)子電流最大幅值都小于未切換繞組的DFIG。在n=0.1時(shí)，A相轉(zhuǎn)子電流將大于未切換繞組 DFIG的相應(yīng)電流幅值，并且達(dá)到20A以上。比較后發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)電壓跌落70%時(shí)，取n=0.7效果最佳，轉(zhuǎn)子電流幅值在7A以內(nèi)。因此，在電壓跌落70%時(shí)，n=0.7為最優(yōu)值，與全電壓跌落情況不同。

圖6 轉(zhuǎn)子n變化對于新型DFIG轉(zhuǎn)子電流的影響（nspeed=1 450r/min，電壓跌落70%）Fig.6 n for the influence on the DFIG rotor current（nspeed=1 450r/min, 70% voltage dip）

從結(jié)果可以看出，不同電壓跌落情況下，繞組匝數(shù)對電機(jī)性能影響均有所不同。

4 新型DFIG低電壓穿越測試系統(tǒng)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，對額定功率為 7.5kW的DFIG系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)測試。圖7為測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。直流電機(jī)驅(qū)動 DFIG模擬動力輸入。當(dāng)傳感器檢測到電網(wǎng)電壓跌落后，將信號傳輸給FPGA，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換轉(zhuǎn)子繞組有效匝數(shù)。DSP實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄和控制算法。

圖7 7.5kW的DFIG測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.7 The schematic diagram of 7.5kW DFIG test system

本文對能進(jìn)行轉(zhuǎn)子切換的新型 DFIG低電壓穿越能力進(jìn)行了測試，電壓選取跌落80%，圖8為測試系統(tǒng)DSP數(shù)據(jù)采集波形。測試過程中，測試電機(jī)始終用直流電機(jī)拖動，轉(zhuǎn)速保持 1 440r/min。為模擬實(shí)際電網(wǎng)的電壓跌落和恢復(fù)過程，電網(wǎng)電壓變化過程如下：在2.36s時(shí)，電網(wǎng)電壓跌落80%；在3s時(shí)，電網(wǎng)電壓緩慢上升；在 3.80s時(shí)，電網(wǎng)電壓完全恢復(fù)。從測試結(jié)果來看，系統(tǒng)在檢測到電壓跌落后，迅速切換轉(zhuǎn)子繞組為n=0.4，使得電流幅值在達(dá)到28A后迅速下降并維持。在3.43s時(shí)，控制系統(tǒng)再次切換繞組為全繞組狀態(tài)，可以看出轉(zhuǎn)子電流在短暫的振蕩后迅速恢復(fù)。

從上述實(shí)驗(yàn)可以看出，本文所提出的新型DFIG能夠有效實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。在實(shí)際運(yùn)行過程中，采用特定的n值來實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，雖然很多情況下并不是最優(yōu)值，但是測試證明能夠滿足系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的要求。

圖8 DSP數(shù)據(jù)采集波形（nspeed=1 440r/min, n=0.4，電壓跌落80%）Fig.8 The data acquisition waveforms from DSP(nspeed=1 440r/min, n=0.4, 80% voltage dip)

5 結(jié)論

本文分析了轉(zhuǎn)子繞組變化對雙饋電機(jī)低電壓穿越瞬態(tài)性能的影響，詳細(xì)論述了該結(jié)構(gòu)電機(jī)的建模方法，并且對匝數(shù)變化參數(shù)n進(jìn)行了分析研究。仿真證明，通過轉(zhuǎn)子繞組的有效匝數(shù)變化，能夠抑制電壓跌落過程中的定、轉(zhuǎn)子電流增大。在此基礎(chǔ)上，本文給出了7.5kW的樣機(jī)測試結(jié)果，論證了該方法能有效實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

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