基于电网电压骤升故障下双馈风力发电机变阻尼的控制策略

摘 要：随着经济与科技的快速发展，我国风力发电事业的发展速度不断提升，而关于风力发电的相关研究也在这一实践的支持下得以更加深入，电网电压骤升带来的双馈风力发电系统运行威胁问题正是由此受到了业界的广泛重视，为此本文基于电网电压骤升故障下双馈风力发电机变阻尼的控制策略展开了具体研究，希望这一研究能够为我国风力发电事业的更好发展带来一定启发。

关键词：电网电压骤升故障；双馈感应发电机；变阻尼控制；低电压穿越（LVRT）技术

前言：在我国当下的风电发电领域研究中，电网电压跌落带来的风电机组影响向来是这一领域研究的热门，关于电网电压骤升带来的双馈风力发电系统运行威胁问题收到的关注较之也相差甚远，但事实上这一故障问题的出现往往会导致风电机组的脱网，而为了避免这一故障所引发的严重后果出现，本文就风机变流器转子侧有源阻尼的控制策略进行了深入研究，并提出了变阻尼的改进控制方案，希望能够由此实现电网电压骤升故障所引发的转子过电流抑制，这对于双馈风力发电机的HVRT性能提升也将带来较为积极的影响。

1.电网电压骤升时双馈感应发电机（DFIG）暂态过程分析

为了能够较为深入完成本文基于电网电压骤升故障下双馈风力发电机变阻尼控制策略展开的研究中，我们首先需要进行电网电压骤升时双馈感应发电机暂态过程分析，这一分析需要通过双馈感应发电机暂态建模实现。

在双馈感应发电机暂态建模中，笔者将双馈感应发电机转子侧参数归算到定子侧，而结合由此得出的图1所示双馈感应发电机等效电路我们不难发现，电动机惯例的采用使得我们能够在电机磁路线性条件下得出转子磁链即 ，这一转子磁链中的R、L、Lm、 、V、i、s、

r分别代表电阻、电感、互感、磁链矢量、电压矢量、电流矢量、定子、转子[1]。

图1双馈感应发电机等效电路

而结合转子磁链进行进一步分析，我们就能够得出发电机暂态电感

、转子电动势 ，这一公式中的ω指的是电机旋转角速度，最终我们就能够得出稳态转子电动势，即 [2]。

不过由于刚刚得到的这一稳态转子电动势是在转子开路的情况下转子电压表达式，如果将在变流器驱动转子时，转子电压则会表现为

，而考虑到兆瓦级双馈感应发电机转子电阻和暂态电感较小，在本文就电网电压骤升时双馈感应发电机暂态过程分析环节的研究中，笔者忽略了转子电流产生的电压降，而由此我们就能够最终得出电网电压骤升过程中定子磁链方程，即

。结合这一定子磁链方程我们不难发现，电网电压骤升时双馈感应发电机暂态过程以同步角速度ω旋转，而自然磁链这一瞬态分量则存在幅值衰减且不旋转的特点[3]。

2.基于阻尼的高电压穿越（HVRT）控制

在完成电网电压骤升时双馈感应发电机暂态过程分析后，我们就可以真正进行本文研究的核心，基于电网电压骤升故障下双馈风力发电机变阻尼控制策略的论述，这一论述主要是为了抑制高电压穿越过程中双馈感应发电机的震荡与发电系统所受到的冲击，而为了真正实现这一目标，笔者就双馈感应发电机系统稳定性分析、无源阻尼控制、有源阻尼控制展开了，最终得出了变阻尼控制策略[4]。

2.1双馈感应发电机系统稳定性分析

在双馈感应发电机系统稳定性分析中，考虑到双馈感应发电机定子磁链为状态变量，笔者得出了双馈感应发电机定子磁链的特征方程，即

，结合这一特征方程我们就能够进行具体的自然振荡频率ωn、阻尼系数 的表述，即

考虑到兆瓦级双馈感应发电机的定子电阻较小，由此我们可以断定兆瓦级双馈感应发电机具备欠阻尼特性，这一特性就使得兆瓦级双馈感应发电机在电网电压骤升时更容易出现震荡问题，而想要较好降低电网电压骤升时双馈感应发电机所受到的影响，增加系统阻尼的控制方案就显得很有必要[5]。

2.2无源阻尼控制

在增加系统阻尼的控制方案中，无源阻尼控制是这一方案实现的重要思路，这一组成部分对于电网电压骤升时双馈感应发电机因转子感应出反电动势而导致的转子过电流问题出现有着较好的抑制效用。而在具体的无源阻尼控制引入中，在发电机转子侧串入动态电阻就是引入无源阻尼控制的最简单方法，电网电压骤升时双馈感应发电机的转子过电流问题能够早这一简单方法作用下得到较好解决，不过在笔者的深入分析中发现，由于这一无源阻尼控制的引入减小了转子回路的时间常数，这就使得实际动态电阻的设计往往会面临着较为复杂的难题，系统本身的损耗也会由此加大，由此可见引入无源阻尼控制并不是实现电网电压骤升时双馈感应发電机转子过电流问题抑制的最好方法[6]。

2.3有源阻尼控制

由于引入无源阻尼控制的增加系统阻尼的控制方案方法存在较多方面的不足，我们就有必要进行有源阻尼空知这一增加系统阻尼控制方案的深入分析，而考虑到无源阻尼控制出现的实际动态电阻设计问题与系统损耗问题，笔者设计了如图2所示基于虚拟电阻的双馈感应发电机有源控制策略结构图，图中所示的Ra、SVPWM分别代表虚拟电阻与空间矢量脉宽调制。

图2基于虚拟电阻的双馈感应发电机有源控制策略结构图

结合图2我们能够较为直观了解引入有源阻尼控制实现双馈感应发电机转子过电流问题抑制的思路，而这一思路的进一步深入就能够得到引入有源阻尼控制的双馈感应发电机电流内环控制结构图，图3对这一结构图进行了较为直观的展示，而为了便于进行有源阻尼控制引入的思路分析，笔者通过公式 对这一思路进行了表达，而考虑到双

馈感应发电机主电路功率器件开关频率较高，笔者通过进一步分析得出了 这一双馈感应发电机电流内环被控对象传

递函数，而通过调节虚拟电阻Ra的大小就能够实现电网电压扰动的动态响应改变，电网电压骤升故障下双馈风力发电机所出现的转子过电流问题抑制的实现就将由此获得有力支持[7]。

图3引入有源阻尼控制的双馈感应发电机电流内环控制结构图

2.4变阻尼控制策略

结合上文内容我们能够较为直观了解基于电网电压骤升故障下双馈风力发电机变阻尼控制策略的思路，而考虑到无源阻尼控制的引入存在诸多不足，笔者确定了基于虚拟电阻的双馈感应发电机有源控制策略，这一策略通过提升双馈感应发电机转子侧阻尼较好实现了转子电动势增加，源自电网电压骤升的转子電流与电磁转矩都能够在虚拟电阻的增加中得到较好抑制，为此我们必须做好虚拟电阻的选择，这样才能够保证转子电压尽可能处于正常状态，暂态时间也才能够在变阻尼控制策略应用中得到较好的控制。

3.仿真分析

为了验证本文所研究的电网电压骤升故障下双馈风力发电机变阻尼控制策略的实用性，笔者选择了2MW双馈感应发电机参数为例开展了仿真研究，这一研究中笔者将定子额定电压、定子额定电流、转子开路电压、转子额定电流分别设置为690V、1.4kA、2kV、550A，而转子绕组电阻、互感、定子自感、定子绕组电阻、极对数则设置成了0.0041Ω、0.0123H、0.0125H、0.0043Ω、2。结合这一系列数据，笔者开展了具体的仿真分析，而通过这一仿真分析笔者得出了虚拟电阻的增加会直接提升系统抑制双馈风力发电机转子电流振荡的能力，且超同步运行会造成最大的转子电流振荡幅度。

结论：在本文就基于电网电压骤升故障下双馈风力发电机变阻尼的控制策略展开的研究中，笔者详细论述了电网电压骤升时双馈感应发电机暂态过程分析、基于阻尼的高电压穿越控制、仿真分析等内容，而结合这一系列内容我们就能够较为直观了解到将有源阻尼控制引入双馈感应发电机转子励磁控制过程的重要性，而经过仿真验证，我们能够较为直观认识到有源阻尼控制引入双馈感应发电机转子励磁控制所能够实现的电网电压骤升故障应对，这对于双馈感应发电系统的整体控制能力提升将带来较为积极的影响，希望我国风电事业的更好发展也能够从中得到一定启发。

参考文献：

[1]谢震，张兴，杨淑英，宋海华，曲庭余，石权利.电网电压不对称骤升下双馈风力发电机改进控制策略[J].中国电机工程学报，2013，15：109-118+9.

[2]石权利.电网电压骤升下双馈风力发电机网侧变流器控制策略的研究[D].合肥工业大学，2013.

[3]张旭光.双馈风力发电机高电压穿越控制策略研究[D].合肥工业大学，2015.

[4]刘坤.电网不对称骤升故障下双馈风力发电机控制策略研究[D].合肥工业大学，2015.

[5]王芸，龚文明，黄伟煌.电网电压连锁故障下双馈式风力发电机鲁棒增强控制策略[J].太阳能学报，2014，12：2387-2394.

[6]谢震，李厚涛，张兴，张旭光，杨淑英.电网电压骤升下双馈风力发电机轴系振荡抑制的改进控制策略[J].中国电机工程学报，2016，06：1714-1723.

[7]邓友汉.双馈风力发电机最大风能捕捉及低电压运行技术研究[D].武汉大学，2014.

作者简介：

程亮（1972年）男，河北邯郸，汉，助理工程师，大专，从事风力发电场管理工作。