定子双绕组感应风力发电系统不对称故障运行

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（1.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江 212013；2.南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016）

1 引言

随着并网运行的风电机组容量不断增大，风力发电在整个电网中所占的比重急剧增加，电网发生故障时风电机组对电网的影响已不容忽视，当前，针对风电机组在电网故障下低电压穿越能力方面的研究多针对电网对称性故障情况，而实际运行中，电网发生的多为诸如单相、双相接地故障以及相间短路故障等不对称性故障，这些故障均会引起电网电压的不平衡。因此，研究风电机组在电网电压不平衡时的运行控制显得更为重要。

定子双绕组感应电机（DWIG）风力发电系统作为一种新兴的风电系统，其发电机采用坚固无刷的笼型转子结构，在1∶4的转速范围内均可输出恒定的高压直流，而励磁变换器的容量仅为机组额定的三分之一，且电机本体成本低廉，诸多优势和特点使其得到了广泛的关注和深入研究［1-3］。DWIG风力发电系统与直驱永磁同步风力发电机组相同，采用全功率变流器并网运行，直流母线是能量转换的中间环节，母线电压的稳定和安全将影响整个系统。

直驱永磁同步风电系统中全功率变流器通常采用电压电流双闭环控制策略［4］，当电网发生不对称故障时，如果继续采用传统三相平衡电压时的控制策略，负序分量转换至正序同步坐标系下将变为2倍工频的交流量，不但会使母线电压出现大幅的2次波动，还会使电流发生畸变，破坏风电系统的稳定工作，严重时会损坏变流器，甚至会“飞车”［5-9］。对于直驱永磁同步风电机组而言，在电网不对称故障时实现低电压穿越，除了需要在直流侧安放卸载单元或者储能保护电路以消除功率不平衡引起的过电压之外［10-12］，还需通过特殊的控制策略消除负序电流的影响，抑制直流侧电压的2次波动。

DWIG风电系统与直驱永磁风电系统相比有其独特之处，直流侧母线电压的控制在发电机侧完成，网侧变流器不需要电压闭环，所以系统中全功率变流器的控制策略与直驱永磁机组不同，采用的是功率电流双闭环控制，因此系统在电网故障下的运行特性与直驱永磁机组完全不同。本文基于Matlab/Simulink7.1构建了DWIG风电系统的仿真模型，在不增加卸载单元及其它任何硬件电路的情况下，专门针对系统在电网不对称故障下，电压跌落时的穿越性能及控制进行全面的仿真研究。

2 系统结构及工作原理

DWIG风力发电系统运行转速低于有刷双馈机组，采用单级增速齿轮，相比而言，齿轮箱的故障和维护成本较低。DWIG通常采用双三相定子绕组，一套为功率绕组，输出接有交流励磁电容，通过整流桥输出直流电能；另一套为控制绕组，串联滤波电感后与励磁变换器相连。DWIG风力发电系统的结构框图如图1所示，为了充分利用低风速下的风能，将励磁变换器与功率侧整流桥的直流母线端通过功率二极管并接起来，两侧母线的额定电压设计成相同值。

图1 DWIG风力发电系统结构框图Fig.1 Structure diagram of DWIG wind power system

低风速时，DWIG功率绕组的端电压过低，功率侧的不控整流桥被阻断，系统通过控制绕组侧励磁变换器的泵升作用，从其直流母线侧输出额定高压直流，往外输出电能，此时并接的功率二极管处于导通状态；高风速时，当绕组端电压升至额定值，转由功率绕组侧的整流桥输出电能，而励磁变换器直流母线电压维持原值不变，保证励磁变换器的正常工作，此时功率二极管被阻断［13］。可见，系统在宽风速范围内均能输出稳定的高压直流，提高了低风速下的风能利用，直流母线可与网侧变流器直接相连，省去升压和稳压装置，并且网侧变流器的控制器中无需电压闭环控制。

发电机侧的励磁无功功率由控制侧的励磁变换器和功率侧的交流励磁电容共同提供，通过调节励磁变换器提供的无功电流来改变发电机内部磁通。系统采用控制绕组端电压定向［2］，通过调节控制绕组电流在同步旋转坐标系上的有功和无功分量，以达到对电磁转矩和磁链的控制，进而保证系统的稳定运行和发电机侧输出恒定的直流电压［14］。网侧变流器采用功率外环电流内环的控制策略，功率外环的有功给定取决于当前发电机转速，再由发电机最优输出功率曲线和最大风能追踪算法综合给出，无功给定则取决于系统需求，正常运行时无功给定为0；电流内环实现有功功率和无功功率的解耦控制，通过调节d轴和q轴电流，可使网侧变流器运行在不同功率因数状态。网侧变流器的具体控制策略见图2。

图2 网侧变流器的控制策略框图Fig.2 Control block schematic of grid-connected converter

3 电网不平衡故障下的穿越运行

DWIG风力发电系统采用全功率的网侧变流器并网，网侧变流器将DWIG和电网隔离开来，发电机侧控制直流侧电压的恒定，网侧控制系统输送至电网的功率。当电网发生不对称故障引起电压不平衡跌落时，网侧变流器的输出功率会受到限制，并且由于负序分量的存在会产生2次波动，从而导致直流侧功率无法平衡，进而引起母线电压产生大幅的2次波动。

本文主要讨论系统在最高转速运行及输出最大功率状态下的故障穿越能力，此时电网故障对系统的影响最大。在此运行状态下，DWIG由其功率侧的整流桥母线输出电能，励磁电容提供的无功功率多于系统所需，由控制侧励磁变换器抽取多余部分的无功，控制规律如下［14］：

式中：UpDC为功率侧输出的直流母线电压；f1为发电机的同步频率；Wp为功率绕组每相串联匝数；Kwp为绕组因数；Φp为功率绕组每级主磁通；Tems为控制绕组电磁转矩；np为极对数；isd为控制绕组有功电流分量；Ψs为控制绕组磁链幅值。

DWIG的两套定子绕组共享同一磁场，通过励磁变换器调节控制绕组每级磁通Φs来调节Φp，可达到控制UpDC的目的，同时亦可改变Ψs，控制Tems（功率绕组电磁转矩控制同理）。因此，当电网发生不对称故障时，系统可通过快速有效地调节发电机内部磁通，维持直流母线电压的恒定，同时还可迅速改变电磁转矩，降低发电机侧的输出功率，抑制直流侧电压的泵升及波动，实现故障穿越。下面就系统实现电网不对称故障穿越作进一步的深入分析。

DWIG风电系统采用无中线并网，故零序分量为0，这种情况下将三相不平衡电网电压(eaebec)T与不平衡三相输入网侧电流(iaibic)T运用对称分量法分别分解成正序分量和负序分量再将电压、电流的正负序分量变换至两相静止坐标系可表示为

其中

若再将其变换至正负序同步旋转坐标系中，则可表示为

其中

式中：ω为电网电压角频率，逆时针为正方向；为正负序同步旋转坐标系下的电压为正负序同步旋转坐标系下的电流。

由此，可得并网逆变器的输出复功率

其中，分解后的有功P和无功分量Q为

其中

由以上推导可知，当电网电压不平衡时，网侧变流器输出至电网的功率会含有2次谐波分量，而理想情况下发电机侧的输出功率应恒为直流量，不含2次谐波。

由图1的系统结构，再依据电工理论，可知在电网电压发生跌落时，由直流侧功率不平衡造成电容上的功率增量为

式中：Pin为直流侧输入功率；Pout为直流侧输出功率。

由式（11）可知，若DWIG风电系统在电网电压跌落时，通过发电机侧快速弱磁同时瞬时减小直流侧输入功率Pin，即可保持跌落期间直流侧UDC恒定不变，使得式（11）中PC=0。若电网电压为不对称跌落，则可将式（8）的有功功率表达式代入式（11），此时直流侧电容上功率增量表达式变为

由此可得直流侧的输入输出功率：

由式（13）可知，若能在电网电压不对称跌落时控制UDC保持恒定不变，那么直流侧电流IDC将会呈2倍工频波动，这对于输出恒定直流电压的系统发电机侧而言，完全可看做是2倍工频的负载波动。而DWIG发电系统拥有出色的动态性能，完全能够应付突加突卸负载的变化［15］，这种频率的负载变化完全无碍系统的正常运行，同时，直流侧母线电压的恒定也可保证网侧变流器的正常运行，不会产生任何的影响。可见，DWIG风电系统采取原有的控制策略，在不增加任何硬件设备的情况下，即可实现电网不对称故障的穿越。

4 仿真结果

本文运用Matlab/Simulink7.1工具箱，对DWIG风电系统在电网不对称故障下的穿越能力进行仿真研究，验证系统在不增加任何硬件设备的情况下，能否成功限制直流侧电压的2倍工频大幅波动，从而成功实现穿越。由于DWIG为新兴的风力发电机，尚未研制大功率的样机，为了保证仿真结果的正确性，DWIG模型的参数与实验室的样机参数保持完全一致，具体的系统仿真参数为：额定功率20 kW，额定转速750 r/min，最高转速1 200 r/min，直流侧额定电压600 V，交流励磁电容160μF，直流侧滤波电容6 800μF，发电机侧和网侧滤波电感4 mH，励磁变换器开关频率10 kHz，网侧变流器开关频率5 kHz。

为了实现系统穿越电网不对称故障，采用了将不对称电网电压的正、负序分量分离的数字锁相环，以保证锁相环检测的准确性，具体可参见图2。仿真的初始状态为系统输出功率18 kW，工作在单位功率因数状态，当运行至5 s时网侧电压开始不对称跌落，为了能够看清楚仿真结果，故本文不对称跌落持续的时间设为0.2 s，网侧电压于5.2 s恢复正常，网侧变流器的电流最大限幅为1.5倍，跌落幅度选择我国电网运行标准中的最大幅度80%。针对网侧电压单相跌落80%和两相跌落80%进行仿真，结果分别如图3和图4所示。

图3 网侧电压单相跌落80%时的仿真结果Fig.3 Simulation results when single-phase grid voltage dips is 80%

图4 网侧电压两相跌落80%时的仿真结果Fig.4 Simulation results when two phase grid voltage dips is 80%

从仿真结果可以看出，网侧电压不管是单相跌落80%还是两相跌落80%，在电流控制器的限幅作用下，三相输出电流均没有超出限幅值，但是网侧变流器输出的有功和无功都存在2倍工频的波动，只是单相和两相跌落时波动幅度有所不同。直流侧电压在发电机侧控制器的调节作用下，可基本维持恒定，只有少量的波动，但是非2倍工频，而是属于PI调节器的正常调节过程，在单相跌落时仅有2 V，0.3%幅度的波动，两相跌落时波动速度稍大，为5 V，0.8%。正因为直流侧电压的稳定，导致了直流侧的电流产生了2倍工频的波动，从而证明了对DWIG风力发电系统穿越电网不对称故障运行分析的正确性。

5 结论

DWIG风电系统在不增加任何硬件电路的情况下，在网侧电压不对称跌落时具备出众的LVRT能力。虽然网侧电压的不对称跌落产生的负序分量会引起输出功率的波动，但是通过发电机侧励磁变换器快速调节发电机内部磁通，可维持直流侧电压恒定，跟直驱永磁机型相比，不会出现直流侧电压的2倍工频大幅波动，对滤波电容频繁充放电，根据功率平衡原理，直流侧的电流将会出现2倍频的波动，但是这完全可以看成是系统并网输出功率的2倍工频变化，这样频率的功率突增和突减对于发电机侧和网侧变流器都是完全能够胜任的，不会影响系统的正常稳定运行。

综上所述，DWIG风电系统具备了较强的电网不对称故障穿越能力，由于实验条件受到限制，本文未作实验证明。接下来将对DWIG风电系统的运行稳定性和工程实践作进一步探讨，为将来的工程应用打下坚实基础。

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