一种双馈感应风力发电机低电压穿越的控制策略

蔚 兰陈国呈宋小亮曹大鹏吴国祥

（1. 上海大学机电工程与自动化学院 上海 200072 2. 上海市电站自动化技术重点实验室 上海 200072 3. 上海工程技术大学电子电气工程学院 上海 201620）

一种双馈感应风力发电机低电压穿越的控制策略

蔚 兰1,2,3陈国呈1,2宋小亮1,2曹大鹏1,2吴国祥1,2

（1. 上海大学机电工程与自动化学院 上海 200072 2. 上海市电站自动化技术重点实验室 上海 200072 3. 上海工程技术大学电子电气工程学院 上海 201620）

电网故障时采用传统的双馈感应风力发电机控制方式，发电机定、转子均会出现过电流等一系列问题，并造成电网故障更为严重。为防止上述情况出现，要求风力发电机必须具备低电压穿越能力。本文根据双馈感应风力发电机电网故障时的运行特点，分析并提出了一种新型电网故障时双馈感应风力发电机转子侧变流器的控制策略，改善了双馈发电机定、转子过电流的情况，实现了双馈感应发电机在电网故障时的低电压穿越。在理论分析基础上，建立了双馈感应发电机转子侧低电压控制模型和3kW双馈感应发电机励磁控制的实验系统。实验结果表明，本文提出的控制策略动态响应快，行之有效。

双馈感应风力发电机 低电压穿越 电网故障 转子侧变流器

1 引言

随着风力发电技术的日趋成熟，大型风电场正逐步走向市场，与风电场运营密切相关的风力发电机低电压穿越（Low Voltage Ride Though, LVRT）问题也逐步凸显出来。双馈感应发电机（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）励磁变换器容量较小，电网故障时易出现励磁失控，甚至危害风电机组的核心组件励磁控制变流器。如何在电网出现故障时对双馈感应发电机实行有效控制，以防止发电机定、转子出现冲击电流、转矩突变等问题，造成发电机从电网解列，各国学者纷纷对风电系统的LVRT技术开展研究[1,2]，取得了相当研究成果[3-8]。该成果大体分为两大类：一类是增加拓扑结构与控制方法；一类是完全依靠改进变流器的控制策略方法。前一类包括：①增加 Crowbar电路实现风力发电机的LVRT 运行[3-4]；②使用能量存储系统(Energy Storage System, ESS)[5]。其中方法①简单有效、成本较低、便于实现。但故障过程中发电机作为感应电动机运行，从电网吸收无功功率，不利于电网恢复，且当电网从故障状态恢复到正常状态过程中，Crowbar电路必须切除，这将延长恢复时的暂态过程；方法②将电网故障期间的过剩能量储存起来，并在故障结束后送回电网，但在双馈机风力发电中，ESS无法对转子电流进行有效控制，从而需要增大转子变流器的容量。另外，使用能量存储系统也增加了系统的成本和复杂程度。后一类包括：①改进传统发电机数学模型[6]；②针对故障期间定子磁链出现的负序和直流分量制定控制策略[7]；③采用现代控制理论中的H∞及µ-analysis方法设计全新的控制器[8]，这三种方法，算法复杂、计算量大。

本文在分析电网对称故障及非对称故障时引起双馈感应风力发电机定、转子过电流原因的基础上，提出一种转子侧变流器低电压穿越的控制策略，仿真和实验结果表明本控制方法算法简便、行之有效。

2 电网故障时双馈感应发电机暂态分析

双馈感应风力发电系统结构如图1所示，发电机定子绕组直接与三相电网相连，转子绕组由双PWM变频器提供励磁，以实现能量的双向流动。

图1 双馈感应发电机风力发电系统框图Fig.1 Diagram of the DFIG wind power generation

假设定转子均为电动机惯例，双馈感应发电机分别在定子参考坐标系和转子参考坐标系下的定转子电压平衡方程式为

式中，上标s、r分别表示定子参考坐标系和转子参考坐标系。定转子的磁链方程为

式中 Lm，Ls，Lr——互感和定、转子的电感，

us，ur——定、转子端电压矢量；

is，ir——定、转子绕组中的电流矢量；ψs，ψr——定、转子磁链矢量。

双馈感应发电机稳态运行时，若忽略定子电阻，则定子磁链和定子电压关系为

下面分析故障发生时的情况。

2.1 转子开路时

2.1.1 电网三相对称故障

为了对电网三相突然发生对地短路故障瞬间的转子电压和电流的暂态变化情况进行分析，先假设转子开路，即ir＝0，由式（1）的第一式和式（2）的第一式可得

在故障发生瞬间，根据磁链守恒原则，磁链不能突变，如果外来条件迫使线圈的磁链发生突变时，线圈中就要感应出一个自由电流，该自由电流将产生一个反作用磁场以保持其磁链不发生突变。因此，在电网故障发生时，式（4）的解可以分解为两个分量的和：其一是以同步速旋转的定子磁链分量，其大小由定子电压大小确定；其二是由定子电压突降所引起的定子磁链直流分量，此直流分量在空间保持静止，并以一定的时间速率衰减。该两个分量在暂态时同时存在，而在稳态时只有第一个分量，第二个直流分量已衰减为零。因此，式（4）的解可以写为

式中 ψs1——定子磁链旋转分量，其大小由当前的定子电压确定；——定子磁链直流分量，其初始值C由故障发生的具体时刻和故障程度决定。

设故障发生前后发电机的定子电压分别为

式中，a为定子电压因电网故障而降落到的百分比。则由定子电压得到的定子磁链分别为

由磁链守恒原则，故障发生前后的定子磁链不能发生突变，故在故障发生时刻t0前后磁链必须相等[9]

式中 ψs1(t0+)——由定子电压确定的磁链分量；sDC(t0+)

ψ ——由定子电压突降所引起的磁链

直流分量。

将式（7）代入式（5），当t0＝0时，可得

由电机运动控制理论可知，上式中的第二项定子磁链直流分量会在电机转子中产生与转子转速成正比的旋转电动势（设其为erR，下标rR表示转子和转子速度），由上式可知定子磁链直流分量以指数规律随时间逐渐衰减，因此由其在转子上产生的旋转电动势的幅值（即包络线）亦随之减小，此旋转电动势是引起转子过电压的主要原因。图2～图4为转子开路情况下电网突然三相短路时的仿真波形。其中图2表示定子电压从1（pu）突变为0.3（pu）；图3为定子电流变化情况，从波形上明显看出定子电流中不但存在 50Hz的交流分量，还存在衰减的直流分量；图 4为转子电压，由于转子开路，转子电压是由定子磁链产生的感应电动势，即旋转电动势，其幅值随时间衰减。仿真结果与以上理论分析结果相一致。

图2 DFIG三相定子电压突降仿真波形Fig.2 Simulation waveform of the stator voltage sag of DFIG

图3 三相定子电压突降时DFIG定子电流仿真波形Fig.3 Simulation waveform of the stator currents of DFIG When the stator voltage sag

图4 三相定子电压突降时DFIG转子电压仿真波形Fig.4 Simulation waveform of the rotor currents of DFIG When the stator voltage sag

2.1.2 电网不对称故障

当电网发生不对称故障时，由对称分量法可知，发电机三相定子电流可分解为正序、负序及零序三个分量[9]。其中，零序分量不产生磁链。由2.1.1节中分析可知，此时定子磁链中，包含定子磁链正序分量、负序分量以及直流分量。即

图 5～图 7为转子开路情况下电网突然两相对地短路时的仿真波形。其中图5表示两相定子电压从 1（pu）突变为 0.4（pu）；图 6为定子电流变化情况，从波形上明显看出两相定子电流中存在衰减的直流分量；图7为转子开路电压，转子电压是由定子磁链产生的感应电动势，与图4相比，转子感应电动势中不仅存在由定子磁链直流分量引起的旋转电动势（随时间衰减），还存在由定子磁链负序分量引起的感应电动势erN，以上两部分感应电动势叠加为图7所示的转子感应电动势葫芦波[10]。

图5 DFIG两相定子电压突降仿真波形Fig.5 Simulation waveform of the stator voltage sag of DFIG

图6 两相定子电压突降时DFIG定子电流仿真波形Fig.6 Simulation waveform of the stator currents of DFIG When the stator voltage sag

图7 相定子电压突降时DFIG转子电压仿真波形Fig.7 Simulation waveform of the rotor currents of DFIG When the stator voltage sag

2.2 转子连接变流器时

以上分析是在假设转子开路的情况下得出的，但实际情况转子并非开路。下面分析转子与变流器连接时，电网故障下的暂态情况。

在故障过程中，如果此时仍然采用传统的转子变流器控制方式，即转子中有变流器提供的控制电流存在，转子电流由两个分量组成：转子电流励磁分量、由定子磁链直流分量引起的转子电流旋转分量，电网不对称故障时，除上述两个分量外，还增加了一个负序分量。上述三个分量共同作用的结果，造成电网故障时转子产生过电流现象。

3 双馈感应发电机低电压穿越控制策略

由前面分析可知，双馈感应风力发电机在电网发生三相对称短路故障时，转子电流由两个分量组成。电网不对称故障时，还有转子电流负序分量。本文从抑制转子电流中旋转分量（以及电网不对称故障时负序分量）的角度出发，提出一种转子侧变流器低电压穿越

的控制策略。

设发电机转子电流为ira、irb、irc，对其进行3s/2r变换后得到 ird、irq，此时，转子电流励磁分量为直流量，而转子电流旋转分量（以及电网不对称故障时负序分量）仍然为交流量。ird、irq经过低通滤波后，得到转子电流励磁分量（直流量）irdDC、irqDC，而由定子磁链直流分量（以及电网不对称故障时负序分量）所引起的电流为

irdAC=ird−irdDC（11）irq AC =irq −ir qDC

为抵消定子磁链直流分量（以及电网不对称故障时的负序分量）对转子电流的影响，将转子电流给定、减去上述irdAC、irqAC，得到转子电流励磁给定值

低电压穿越控制系统框图如图 8所示。在稳态控制策略的基础上，采用低电压控制策略能在很大程度上减小电网故障对发电机定、转子的影响。

图8 双馈感应发电机低电压穿越控制框图Fig.8 LVRT control frame of DFIG

4 低电压穿越控制策略实验研究

为了验证低电压穿越控制策略的有效性，对其进行了实验研究，使用参数为：双馈电机额定功率P=3kW，频率 f=50Hz，定子为 Y联结方式，电阻1.95Ω，漏感9.04mH；转子为Y联结方式，折算到定子侧后，电阻3.54Ω，漏感9.04mH，励磁电阻为9.42Ω，励磁电感为258.5mH。

图9～图14为电网发生三相对称故障发电机的机端电压降到故障前的70%（或50%、30%）、故障持续 500ms、转子侧变流器分别采用稳态控制策略和采用低电压穿越控制策略时的转子及定子电流的实验波形对比。由图9、11、13可知转子侧变流器采用稳态控制方式时，发电机转子电流略有增大（见图 9a），图 11a转子电流增大较显著，图13a严重过电流；而在低电压穿越控制方式下，电机转子电流基本保持正常运行的励磁电流（见图 9b、11b、13b）。又由图10、12、14可以看出，在稳态控制方式下，定子电流略有增大（见图 10a）或明显增大（见图12a）或严重过流（见图 14a）；而在低电压穿越控制方式下，定子电流在故障时变化较小（图10、图12、图14b皆如此）。

图12 发电机端电压降落到50%时定子电流对比实验波形Fig.12 Comparison waveforms of stator current（a=50%）

图13 发电机端电压降落到30%时转子电流对比实验波形Fig.13 Comparison waveforms of rotor current（a=30%）

图9 发电机端电压降落到70%时转子电流对比实验波形Fig.9 Comparison waveforms of rotor current（a=70%）

图10 发电机端电压降落到70%时定子电流对比实验波形Fig.10 Comparison waveforms of stator current（a=70%）

图14 发电机端电压降落到30%时定子电流对比实验波形Fig.14 Comparison waveforms of stator current（a=30%）

图15～图16为电网发生单相对地短路故障发电机的机端电压降到故障前的50%、故障持续500ms、转子侧变流器分别采用稳态控制策略和采用低电压穿越控制策略时的转子及定子电流的实验波形对比。由图 15可知采用稳态控制方式时由定子磁链负序分量引起的转子电流负序分量在故障时非常明显，而采用低电压穿越控制方法转子中的负序电流得到有效抑制。图 16中发生单相对地短路故障时，定子电流直流分量在采用低电压穿越控制方式时很小。

图11 发电机端电压降落到50%时转子电流对比实验波形Fig.11 Comparison waveforms of rotor current（a=50%）

图15 发电机两相电压降落到40%时转子电流对比实验波形Fig.15 Comparison waveforms of rotor current（a=40%）

图16 发电机两相电压降落到40%时定子电流对比实验波形Fig.16 Comparison waveforms of stator current（a=40%）

5 结论

本文分析了电网故障时双馈感应风力发电机定、转子过电流的原因，提出了一种转子侧变流器低电压穿越的控制策略，并在一台3kW的双馈感应发电机上进行了实验验证。实验结果证明，采用双馈感应发电机低电压穿越控制技术，在电网发生三相对称及不对称故障时，能有效地控制住发电机定、转子过电流的情况，从而保护了转子侧变流器，使发电机在电网故障时能够不脱网继续运行。控制策略省去了定子磁链观测，简化了控制算法，是一种较为理想的控制方式。

致谢：本文工作得到了教育部博士学科点专项科研基金（20060280018）支持，谨借此机会表示衷心感谢。

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A Low Voltage Ride-Through of Strategy for Doubly Fed Induction Generator

Yu Lan1,2,3Chen Guocheng1,2Song Xiaoliang1,2Cao Dapeng1,2Wu Guoxiang1,2
（1. Shanghai University Shanghai 200072 China 2. Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology Shanghai 200072 China 3. Shanghai University of Engineering Science Shanghai 201620 China）

Grid faults cause series of problems for doubly fed induction generator (DFIG) such as over current in both stator and rotor by using traditional DFIG control methods. In order to solve these problems, DFIG needs low voltage rid through (LVRT) ability. Based on the DFIG characteristics during the symmetric grid fault, this paper proposes DFIG rotor side converter LVRT control method to improve the DFIG over current. Based on theoretic analysis, the modes of LVRT control strategy are established. A 3kW DFIG excitation control experimental system is established. The test results prove the LVRT control method of DFIG to be effective.

Doubly fed induction generator (DFIG), low voltage ride through(LVRT), grid fault,rotor side converter

TM614

蔚 兰 女，1980年生，博士研究生，讲师，研究方向为电力电子变换及风力发电。

教育部博士点专项科研基金（20060280018）和上海大学“十一五”211建设资助项目。

2009-06-05 改稿日期 2009-08-20

陈国呈 男，1944年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为电力电子变换及新能源的开发利用。