雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越控制策略

甄佳寧，陳益廣，王穎

（1.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)漢沽現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)區(qū)總公司，天津 300480）

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越控制策略

甄佳寧1，陳益廣1，王穎2

（1.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)漢沽現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)區(qū)總公司，天津 300480）

針對雙感應(yīng)饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越問題，提出了一種新型的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略，該控制策略采用基于定子磁鏈定向的矢量控制方法，對轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)勵磁電流添加補(bǔ)償量，得到新的轉(zhuǎn)子電流勵磁給定值，抵消了定子磁鏈直流分量和負(fù)序分量對轉(zhuǎn)子電流的部分影響，并能夠有效地抑制雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過電流，增強(qiáng)了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力。Matlab仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的有效性和可行性。

風(fēng)力發(fā)電；雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)；低電壓穿越；電壓驟降；轉(zhuǎn)子變換器

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量在不斷擴(kuò)大，并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)的影響越來越顯著，諸多的風(fēng)電并網(wǎng)問題突顯出來。電網(wǎng)電壓跌落是電網(wǎng)故障中最為常見的問題之一，后果通常也最為嚴(yán)重。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生大幅度跌落故障后，如果風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力，將導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模解列，失去對電網(wǎng)電壓的支撐，對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為此世界上許多電網(wǎng)運(yùn)營商均對風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力提出了要求：當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落后，風(fēng)電機(jī)組必須在一定時間內(nèi)與電網(wǎng)連接而不解列，甚至在過渡過程中為電網(wǎng)提供一定無功支撐以幫助電網(wǎng)電壓快速恢復(fù)。為了使風(fēng)力發(fā)電能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須具備一定的低電壓穿越能力[1]。

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)DFIG（doubly fed induction generator）具有變流器容量較小、有功和無功可獨(dú)立解耦控制等特點(diǎn)，目前在兆瓦級風(fēng)電機(jī)組中得到了廣泛研究和應(yīng)用[2～7]。由于DFIG定子繞組直接與電網(wǎng)連接，變頻器容量較小，故而對電網(wǎng)故障非常敏感，僅靠自身難以實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，電網(wǎng)電壓跌落將直接導(dǎo)致定子電壓的跌落，而定子磁鏈不能跟隨定子電壓一起突變，所以在定子側(cè)會出現(xiàn)暫態(tài)磁鏈的直流分量，引起定子電流的大幅增加；而定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組在磁場上存在強(qiáng)耦合關(guān)系，此直流分量切割轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子側(cè)也必然會感應(yīng)出較大的過電流和過電壓。轉(zhuǎn)子側(cè)突然增加的大量能量一部分會流經(jīng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器傳遞到電網(wǎng)，可能對變流器造成損害；另一部分會對直流母線電容充電，使直流母線電壓大幅升高威脅電容的安全[8～11]。因此要想實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)的低電壓穿越，必須在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障時對定轉(zhuǎn)子過電流進(jìn)行抑制。

1 DFIG數(shù)學(xué)模型

兩相dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系雙饋電機(jī)定子電壓方程為

式中：uds、uqs，udr、uqr分別為定子電壓和轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量；ids、iqs，idr、iqr分別為定子電流和轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；ωs為轉(zhuǎn)差電角速度，ωs=ω1-ωr；ψds、ψqs，ψdr、ψqr分別為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量。

定子磁鏈方程為

式中，Ls、Lr和Lm分別為定子、轉(zhuǎn)子繞組的自感和dq坐標(biāo)系同軸等效定轉(zhuǎn)子繞組間的互感。

采用定子磁鏈定向方法，將兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向在定子磁鏈方向上。則定子d、q軸磁鏈分量分別為

并網(wǎng)運(yùn)行時雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)頻率為工頻，定子電阻遠(yuǎn)小于定子電抗，可以忽略，即rs=0，因此DFIG感應(yīng)電動勢矢量e1可以近似等于定子電壓矢量u1。同時，由于e1落后ψ190°，故e1和u1位于q軸負(fù)方向，則有

電網(wǎng)電壓us為常數(shù)，當(dāng)電機(jī)并入電網(wǎng)后，u1= us。將rs=0，式（5）和式（6）代入式（1）和式（3），得

式中：u′dr、u′qr為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制的解耦項；Δudr、Δuqr為消除d、q軸轉(zhuǎn)子電壓、電流間交叉耦合的補(bǔ)償項。將轉(zhuǎn)子電壓分解成解耦項和補(bǔ)償項之后，就可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的有效控制。

根據(jù)瞬時有功、無功功率理論，可以得到僅以轉(zhuǎn)子電流表示的DFIG的瞬時有功、無功功率為

由式（12）和式（13）可以分別實(shí)現(xiàn)對DFIG轉(zhuǎn)子d、q軸電壓及電機(jī)有功、無功功率的解耦控制。但是此方法并不適于故障情況下的電機(jī)分析控制。原因在于：①此控制策略建立在雙饋電機(jī)的三階降階模型基礎(chǔ)上，對電機(jī)定子磁鏈的暫態(tài)過程做了忽略，如果故障過程中不成立，將無法實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子電壓的解耦控制；②電網(wǎng)發(fā)生故障時，電機(jī)定子端電壓會發(fā)生突變，導(dǎo)致定子磁鏈定向不準(zhǔn)，將會造成有功、無功不能實(shí)現(xiàn)解耦控制。

故障發(fā)生瞬間，發(fā)電機(jī)定子端電壓發(fā)生突變，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍?，磁鏈不能突變，定子電流中將出現(xiàn)逐漸衰減的暫態(tài)直流分量。因此，在電網(wǎng)故障期間，定子磁鏈分為兩部分：①以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)分量，其大小由當(dāng)前的定子電壓決定；②定子磁鏈的直流分量，其初始值與故障發(fā)生的嚴(yán)重程度有關(guān)。定子磁鏈對轉(zhuǎn)子的影響也分為兩部分：①轉(zhuǎn)子電壓感應(yīng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的定子磁鏈旋轉(zhuǎn)分量所產(chǎn)生的電流稱為轉(zhuǎn)子電流勵磁分量，此分量在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下為直流分量；②定子磁鏈的直流分量和負(fù)序分量相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，切割轉(zhuǎn)子繞組，感應(yīng)出的電流在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下為交流量，稱為轉(zhuǎn)子電流旋轉(zhuǎn)分量。因此，在電網(wǎng)發(fā)生故障時轉(zhuǎn)子電流在這兩個分量組的共同作用下產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子過電流現(xiàn)象。

2 DFIG低電壓控制策略

我國國家電網(wǎng)對并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)電機(jī)組提出了相應(yīng)的低電壓穿越要求[12]，如圖1所示。

圖1 國家電網(wǎng)提出的低電壓穿越要求Fig.1 LVRT requirementproposed by stategrid

為了抑制轉(zhuǎn)子電流的旋轉(zhuǎn)分量，對轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行定向控制，使轉(zhuǎn)子電流方向同定子磁鏈的直流分量和負(fù)序分量相反，從而抵消轉(zhuǎn)子磁鏈中部分直流和負(fù)序分量。對三相轉(zhuǎn)子電流iar、ibr、icr進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流idr、iqr，此時，轉(zhuǎn)子電流勵磁分量為直流量，而由定子磁鏈直流分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流旋轉(zhuǎn)分量為交流量。為了把轉(zhuǎn)子電流旋轉(zhuǎn)分量分離出來，對idr、iqr進(jìn)行低通濾波，得到轉(zhuǎn)子電流勵磁分量Id，rdc和Iq，rdc，從而可得轉(zhuǎn)子電流旋轉(zhuǎn)分量為

為抵消定子磁鏈直流分量和負(fù)序分量對轉(zhuǎn)子電流的影響，在轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)勵磁電流idr*，iqr*加入反向的id，rac，iq，rac，產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)子電流勵磁給定值，即

采用低電壓穿越控制策略的雙饋電機(jī)控制如圖2所示。

圖2 雙饋電機(jī)低電壓穿越控制框圖Fig.2 LVRT control frame of DFIG

3 雙饋電機(jī)低電壓穿越仿真分析

為驗(yàn)證所提出的雙饋電機(jī)LVRT控制策略的有效性，用MATLAB/Simulink對1臺3kW雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。電網(wǎng)在0.8 s時發(fā)生故障，電壓跌落至故障前的80%，故障持續(xù)200ms，在1.0 s時電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常。雙饋電機(jī)的仿真參數(shù)為：額定功率為3 kW，額定電壓為220V，額定頻率為50Hz，定子電阻為3.74Ω，定子漏感為0.304 2 H，轉(zhuǎn)子電阻為3.184Ω，轉(zhuǎn)子漏感為0.301 7H，定、轉(zhuǎn)子互感為0.292H，轉(zhuǎn)動慣量為0.001 25 kg·m2，極對數(shù)為2。

在電網(wǎng)故障下在雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)分別采用穩(wěn)態(tài)矢量控制策略仿真和采用低電壓穿越控制策略仿真。圖3為采用穩(wěn)態(tài)控制策略下DFIG的idr和iqr的仿真波形。由圖3可以看出，在電網(wǎng)電壓跌落期間idr、iqr明顯增大，轉(zhuǎn)子過電流現(xiàn)象嚴(yán)重；在電網(wǎng)恢復(fù)期間轉(zhuǎn)子電流出現(xiàn)了衰減的直流分量。圖4為采用低電壓控制策略下DFIG的idr和iqr的仿真波形。由圖4可以看出，電網(wǎng)發(fā)生故障期間idr、iqr也發(fā)生了明顯的增大，但與采用穩(wěn)態(tài)控制下的轉(zhuǎn)子電流相比要小很多，轉(zhuǎn)子過電流現(xiàn)象得到有效抑制；故障解除時轉(zhuǎn)子的直流衰減分量也有一定的減小，因此雙饋電機(jī)的LVRT能力增強(qiáng)。

圖3 采用穩(wěn)態(tài)控制策略的轉(zhuǎn)子電流仿真波形Fig.3 Simulation waveform sof rotor currentunder traditionalcontrolstrategy

圖4 采用低電壓控制策略的轉(zhuǎn)子電流仿真波形Fig.4 Simulation waveformsof rotor currentunder LVRT controlstrategy

4 結(jié)語

電網(wǎng)電壓跌落故障會導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子過電流和過電壓現(xiàn)象，嚴(yán)重危害電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和變流器的安全。本文分析了電網(wǎng)故障發(fā)生時雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子過電壓和過電流產(chǎn)生的原因，并提出了一種DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略。建立了1臺3 kW的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真模型，進(jìn)行了雙饋電機(jī)的LVRT仿真研究。仿真結(jié)果表明，采用LVRT控制策略可有效抑制電網(wǎng)故障期間電機(jī)轉(zhuǎn)子的過電流，提高雙饋感應(yīng)電機(jī)的低電壓穿越能力。

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Low Voltage Ride Through ControlStrategy of Doubly Fed Induction Generator

ZHEN Jia-ning1，CHENYi-guang1，WANGYing2
（1.Key Laboratory ofSmartGrid ofMinistry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Corporation of TEDA Industrial Park，Tianjin 300480，China）

For low voltage ride through issue of doubly fed induction generator，a new control strategy for rotor side converter is proposed in this paper.The control strategy uses stator flux oriented vector control to add a compensation amount to the rotorsteady-state excitation current.A new given value of rotorexcitation current isobtained，which can partly offset the impactof DC and negative sequence componentof stator flux on the rotor current.Over current in the rotor can be effectively suppressed，and the LVRT capability of DFIG is enhanced.Matlab simulation results prove the validity and feasibility of the proposed controlstrategy.

wind powergeneration；doubly fed induction generator；low-voltage ride through；voltage sag；rotor side converter

TM614

A

1003-8930（2013）05-0088-04

甄佳寧（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制。Email：zhenjianing@tju.edu.cn

2012-11-30；

2013-02-03

陳益廣（1963—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制。Email：chenyiguang@tju.edu.cn

王穎（1980—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡姎饪刂?。Email：wangying_1128@yahoo.com.cn