笼型异步风力发电接入固态变压器并网的控制研究

郭扬，刘小亮，贾志欣，吉光曜

（1.石家庄铁道大学四方学院，河北石家庄051132；2.石家庄工业泵厂有限公司，河北石家庄050100）



笼型异步风力发电接入固态变压器并网的控制研究

郭扬1，刘小亮1，贾志欣2，吉光曜1

（1.石家庄铁道大学四方学院，河北石家庄051132；2.石家庄工业泵厂有限公司，河北石家庄050100）

研究基于固态变压器并网的笼性异步风力发电机组，解决风电机组所需无功补偿和低压穿越要求。当电网电压跌落时，通过减少风能捕获、机电储能和制动电阻耗能策略，维持系统功率平衡，提高其低压穿越能力。

笼性异步发电机；无功补偿；低压穿越

引言

传统能源的日益枯竭，使得风力、光伏等可再生能源赢得快速发展的机遇。由于笼性异步发电机（Squirrel Cage Inductor Generation，SCIG）具有造价便宜、易于并网、运行稳定等优良特性，已被广泛应用于风力发电领域。但是，笼型异步风力发电系统需要从电网吸取大量无功功率。文献［1］指出电容自励型笼性异步发电系统不适合于风力发电等变速运行的场合。文献［2］提出晶闸管静止无功补偿法和饱和电抗器法存在系统体积加大或者注入谐波等缺点，不利于异步发电机应用。

针对以上问题，本文利用固态变压器将笼型异步风力发电机组接入电网，并研究SST的控制策略，以满足风电机组的无功补偿和低压穿越的要求。控制SST整流级变流器可以保持机端和直流侧电压稳定，实现发电机所需无功励磁的连续调节，避免从电网吸取无功功率。此外，通过减少风力机的风能捕获，机电储能和改变逆变器运行方式，维持系统功率平衡，有效提高风电机组的低压穿越能力。

1　风电并网系统基本结构

研究基于固态变压器的风力发电并网系统的主电路结构。其中风力机作为原动机，将捕获的风能转化成机械能，驱动SCIG输出电能，再通过SST升压变频为符合电网要求的交流电。其中，SST是由整流级、高频隔离级和逆变级组成。其中，高频隔离级相当于直流升压环节，起到消除并网冲击电流和隔离整流级与逆变级的作用，同时，在逆变级直流侧接卸荷电路，增强风电系统低压穿越能力。

由于高频隔离级允许电能的双向流动，当电网正常运行时，忽略损耗，逆变级输出功率等于整流级输入功率，直流母线电压恒定，系统稳定运行。为了稳定直流母线电压，通过控制整流级变流器，调节发电机转速，将多余的能量转化为风电机组的动能。同时，转速上升也减少了逆变机的风能捕获，有利于系统具备低电压穿越运行能力。

2　风电并网系统功能控制

为了维持发电机的端电压和固态变压器的直流侧电压稳定，通过控制整流级变流器实现发电机励磁电流和转矩电流解耦控制，并且提供发电机所需动态无功功率。假设它损耗忽略不计，根据功率平衡关系，可得发电机输出有功功率为

式中，P1为发电机输出的有功功率；Udcl、idcl为低压直流侧电压和电流。

将同步坐标系d轴定向于机端电压矢量方向，则usd=ut，usq=0。由式（1）可得，若能维持机端电压恒定，则调节isd可控制发电机输出的有功功率。

3　仿真分析

3.1最大功率跟踪及无功补偿性能仿真

当风速变化时，发电机和电网输出电流幅值随之变化，基本保持正弦波形。其中，由于电机侧变流器兼顾传递有功功率和补偿发电机所需的励磁功率，维持机端电压稳定的作用，所以整流级变流器输入侧电流相位滞后电压。逆变级变流器实现单位功率因数运行，采用高压并网，并网电流大幅降低，消除对电网的冲击。

3.2风电系统低压穿越性能仿真

假设风电系统运行在额定风速下，0.4 s时并网点的电压跌落80%，1.025 s时电压逐渐恢复，2.4 s时回升到90%的额定值，对系统LVRT性能进行仿真，在电网电压跌落过程中，发电机转速不断上升，储存系统多余能量，同时Cp下降，风能的捕获减少。转速在0.49 s左右上升至极限值，发电机转速在整流级变流器控制下维持转速不变，Cp值恒定，系统再次稳定运行。在电网电压恢复过程中，电网输入功率逐渐增加，调节卸荷电路中IGBT的占空比，改变制动电阻耗能大小，当卸荷电路再次断开后，ω和Cp逐渐恢复，高压直流母线电压有一段动态过程，但很快就维持在稳定值。电压跌落过程，逆变级变流器向电网输出无功功率，支持电网电压的恢复。输入电网有功功率在电网电压跌落期间的变化曲线。

4　结语

本文设计一种基于固态变压器的笼性异步风力发电并网系统，控制整流级变流器维持机端和直流侧电压稳定，控制逆变级变流器实现最大风能捕获和并网传送功率。仿真结果表明，SST能够实现对补偿异步发电机所需无功功率，改善输入电网的电能质量。此外，机组具备良好的低压穿越能力，并能够提供无功功率，支持电网电压恢复。因此，笼型异步风力发电系统接入固态变压器并网是一种结构新颖、合理可行的方案。

［1］刘陵顺，胡育文，黄文新.电力电子变换器控制的异步电机发电技术［J］.电工技术学报，2005，20（5）:1-7.

［2］Bansal C，Bhatti T S，Kothari D P.Bibliography on the application of induction generator in nonconventional energy systems［J］.IEEE Trans on Energy Conversion.2003，18（3）:433-438.

（编辑：王璐）

A Solid State Transformer Grid-connected Control Research for Cage Asynchronous Wind-power Generation

Guo Yang1，Liu Xiaoliang1，Jia Zhixin2
（1.Shijiazhuang Tiedao University Si Fang College，Shijiazhuang Hebei 05113 2；2.Shijiazhuang Industrial Pump Factory Co.，Ltd.，Shijiazhuang Hebei 050100）

This paper researches on grid-tied cage asynchronous wind turbine with solid state transformer，which meets requirements of reactive power compensation and low pressure crossing in wind turbines.When the grid voltage drops，by reducing the wind energy capture，mechanical and electrical energy storage and braking resistor energy policy，the system power balance is maintained to improve its low voltage ride-through capability.

cage asynchronous generation；reactive power compensation；low voltage ride-through

TM614

A

2095-0748（2015）22-0058-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.22.24

2015-10-10

郭扬（1986—），男，河北石家庄人，助教，研究方向：电力系统运行分析与控制；刘小亮（1978—），男，河北平山人，硕士研究生，讲师，研究方向：电气工程及其自动化；测控技术；贾志欣（1987—），女，河北石家庄人，助理工程师，研究方向：机械设计制造及其自动化；吉光曜（1986—），男，河北石家庄人，助教，研究方向：交通工程。