电网不对称故障下双馈风力发电机组的LVRT研究

2012-04-27孟晓凯韩如成

电气技术 2012年10期

孟晓凯韩如成潘峰

（太原科技大学，太原 030024）

随着国内风电装机容量的逐年增大，使得风电机组与电网之间的相互影响也越来越大。然而我国目前的风电机组的分布大多在偏远地区，与电力主干网连接较弱，电网电压容易发生波动、不平衡。如果风电场整体切出电网，将会给电网造成致命的冲击，所以要求并网的风力发电机必须具备低电压穿越能力[1]。我国在2009年根据国内电网的实际情况提出了相应的并网导则，其中对并网风机的有功无功功率控制、运行频率、电能质量及低电压穿越都作了相应的规定，来保证电网的安全运行。

目前国内风力发电的主流机型为 1.5MW 的双馈变速恒频风力发电机组。由于双馈式感应发电机的定子直接与电网相连，所以电网电压波动时将会导致定子电流变化。电网电压发生不对称故障时，DFIG发出的功率不能及时送出及负序分量的影响，将导致定子电流急剧增大。由于定转子之间具有强耦合关系，也会导致转子过电流产生连锁反应，损坏励磁变流器、定转子绕组以及母线电容，对电机造成巨大的破坏[2-3]。

关于低电压穿越的研究多集中于电网电压对称故障下，对不对称故障下的研究鲜有涉及。所以本文通过对电网不对称故障下DFIG的运行状态分析，利用改进的控制策略和目前比较流行的Crowbar电路相结合的方式来研究其低电压穿越过程。

图1 DFIG控制框图

1 不对称故障下DFIG数学模型

电网电压正常时，DFIG的定、转子电压方程和磁链方程在同步旋转坐标系下为[4]

式中，usd、usq、urd、urq分别为定转子电压 dq轴分量；isd、isq、ird、isq分别为定转子电流dq轴分量；ψsd、ψsq、ψrq、ψrq分别为定转子磁链 dq轴分量；RS、Rr为等效后定转子电阻；LS、Lr为定转子自感；Lm为定转子互感；ρ为微分算子。

所以在电网电压不对称时，将其变换到正、负序坐标系下得

式中，ω1+=ω−ωr为正转滑差角频率，ω1−= −ω−ωr为反转滑差角频率。

式中，Ps0、Pscos2、Pssin2分别为定子输出有功功率的直流分量和2倍频正、余弦波动分量；Qs0、Qscos2、Pssin2分别为定子输出无功功率的直流分量和2倍频正、余弦波动分量。

从式（5）可以看出，电网不平衡故障下定子输出的有功和无功功率中均含有2倍频的脉动分量。由于电磁转矩与系统的有功功率有关，所以输出的电磁转矩也含有2倍频的脉动分量。

2 电网电压不对称时DFIG的控制策略

2.1 转子侧变换器控制

从上面电网电压不对称时的功率分析可知，定子侧有功、无功功率和电磁转矩的2倍脉动都是由电网电压的不对称引起,但是观察可以发现，这些变量都可以通过转子电流的负序分量来控制，控制原理图如图2所示。该策略通过采取定子侧电压和转子侧电流，经过3s/2s变换得到αβ坐标系下的电压、电流分量，再分别经过正负序分量分离得到正负序分量。将、作为正序控制系统的反馈，再将输出经过坐标变换得到、，并与分离出来的、分量相加后得到转子控制电流作为 SVPWM的电流指令信号。为了能够准确获取正序电压的相位和频率，以完成精确的旋转坐标变换和控制定向，本文采用改进的锁相环技术，即在传统的锁相环中嵌入一个两阶的陷波器来滤去负序电压。

2.2 网侧变换器控制

网侧变流器的目的主要是为了使转子侧整流器输出的直流电逆变为符合条件的交流电，并维持变流器直流电压的稳定。其控制框图如图3所示。图中，采取电网电压，经过坐标变换并分离正负序变量，得到电网电压在αβ坐标系下的电网电压分量ugαβ+和ugαβ−，经过参数调节后叠加，合成电压SVPWM 的参考矢量，且锁相环采取与上面相同的处理。这样，就能保证逆变器的交流侧负序电压等于电网负序电压使注入电网的电流中不含负序分量。

图2 DFIG转子侧变换器控制框图

图3 网侧变流器控制框图

2.3 Crow-bar电路控制

Crow-bar电路的控制效果主要由其阻值的选择和投切时间的控制。阻值选取的小，转子故障电流衰减缓慢，无法有效抑制故障电流，还会延长DFIG的恢复控制运行时间对发电机本身和电网安全运行不利；若阻值太大，将会导致其两端过大的电压通过与IGBT反并联的二极管对双PWM变流器的直流母线电容进行反充电，使直流母线电压快速升高[5]。

撬棒电路投入 DFIG等效电路后的等效电路图如图4所示，由于在前面的控制策略中已消除负序分量和暂态直流分量，所以对Crow-bar的控制可以只考虑正序分量，可以得到电压跌落后转子电流的近似表达式为：

因此可以认为转子电流的最大值为

为保证撬棒电路保护的有效性，必须要求故障电流的最大值小于一个设定的安全电流Irsafe，即

同样，Rcrow所产生的直流母线过电压必须被控制在母线电容所能承受的范围之内，即

所以，本文依据所选电机的特性参数，选取Rcrow为1.5Ω。

图4 撬棒电路投入后DFIG等效电路

此外，Crowbar电路投切控制逻辑示意图如图5所示，系统进行实时的转子电流检测，当其值高于给定值时，投入Crowbar电路，封锁变流器中IGBT的触发信号并触发Crowbar电路中的IGBT导通，使 DFIG转子侧串入Rcrow。如果不封锁变流器中IGBT的触发信号，当Crowbar电路投入后就相当于同时短路了变流器和 DFIG的转子侧，从而引起变流器被烧坏和Crowbar电路等电器设备严重受损的事故。

图5 Crowbar电路投切控制逻辑示意图

3 试验研究及分析

为了验证所提控制方式的正确性，本文以一台双馈式风力发电机组为例进行试验研究。试验参数如下：风机类型为水平轴，上风向；额定功率为1.5kW；风轮半径2.15m；齿轮箱传动比为6.254；空气密度为1.225kg/m；最大风能利用系数0.4；双馈电机：额定功率1.5kW；额定电压380V，额定频率50Hz；两对级；定子电阻0.435Ω，定子漏感2mH；转子电阻 0.816 Ω，转子漏感 2mH（已归算到定子侧）；互感69.31mH。本文以两相短路故障为例，故障发生在0.3s，持续时间均为0.625s。

3.1 仿真结果

仿真结果如图6—图12所示。

图6 两相接地短路定子电压

图7 传统控制下的转子电流和直流母线电压

图8 改进后的转子电流和直流母线电压

图9 传统控制下的有功和无功功率

图10 改进后的有功和无功功率

图11 传统控制下的定子转矩

图12 改进后的定子转矩

3.2 仿真结果分析

系统实现LVRT主要抑制转子侧过电流和直流母线过电压，所以从图7和图8仿真结果的对比可以看出，改进后的控制策略能够有效的减少转子中电流的脉动及衰减时间，限制了转子过电流。同时，直流侧母线电压也比传统的Crowbar控制也有了显

著的减小。也证明了本文所选取的撬棒电阻的正确性和投入时间的准确性。由于本文中采取的是对无功功率的控制，从图9和图10中也可看出系统的无功功率基本保持不变，避免了风机从电网吸收无功功率，有利于电网的恢复；而有功功率中因减少了负序分量和暂态直流分量而有所降低。图 11和图12的对比分析可以看出，改进控制策略后，系统的定子转矩减小，避免了故障过程中因转矩过大而损坏电机。