不對稱故障下雙饋風力發電機轉子變換器控制研究

宋平崗，喻 沖

(華東交通大學 電氣學院，南昌 330013)

引言

隨著全球經濟的快速發展，人類對能源的需求與日劇增，而地球上常規能源有限，風能的開發利用已成為全球的共識。隨著風電機組裝機容量的增大，風電的并網對電網的影響越來越嚴重，因此須提高風電機組對電網故障的響應能力。

對于目前廣泛采用的 DFIG而言，由于其發電機定子與電網直接相連接，因此其受電網影響比較大。文獻[1]對電壓不對稱跌落下的電網的頻率，相角和幅值的快速檢測進行了研究，這是分析風電機組不對稱運行的前提。文獻[2～4]對不對稱跌落下的風電機組進行了建模與分析，對變流器提出了四種控制方案，并得到不同控制方案下，正、負序轉子電流的給定量。但是這些研究成果多重點研究電壓發生小值跌落下的控制策略，而對大值跌落下的研究較少，而發生大值跌落時轉子側變換器的過流和過壓更加明顯。文獻[5]對A相跌落20%的情況進行了仿真，但對Crowbar的控制方式未給出具體的分析。文獻[6]對電網發生對稱大值跌落下的轉子側Crowbar電路的控制策略進行了分析，而未對不對稱跌落的控制策略進行分析。

本文重點研究電網電壓不對稱跌落下 DFIG轉子側變流器的控制策略，提出了一種抑制轉子側負序電流和并聯Crowbar電路的控制策略。

1 不平衡電網電壓下DFIG模型

為了對電網發生不對稱電壓跌落情況下 DFIG的暫態過程進行分析，首先建立 DFIG在不平衡電網電壓下的數學模型，圖1給出了兩相靜止αβ坐標，以同步轉速ωs正向旋轉的正序坐標dq+和以-ωs反向旋轉的負序坐標dq-三者之間的矢量關系，由圖1可得矢量關系式：

圖1 αβ，dq+，dq-坐標之間的矢量關系

式中F可表示為電壓，電流或磁鏈，指數上面的+、-表示正序、負序旋轉參考坐標。

DFIG在兩相旋轉坐標系下的 T型等效電路圖如圖2所示。

圖2 DFIG的T型等效電路

由圖2可得，其定子和轉子的磁鏈和電壓方程如下：

式中，Rs和Rr為定子和轉子繞組的電阻值；Ls=Lσs+Lm和Lr=Lσr+Lm為定子和轉子的自感；Lσs，Lσr，Lm分別為定轉子漏感和定轉子之間的互感；Isdq，Irdq為定轉子電流；ωs為同步角速度；ωr為轉子角速度；ωs-ωr為相對角速度。

由式(1)和圖(1)可知，定轉子電流，電壓和磁鏈可表示為正序和負序分量的組合：

2 不平衡電網電壓下的DFIG的瞬時功率

與平衡電網電壓相類似，定子輸出的有功、無功功率的表達式為：

式中，p0，q0為有功，無功功率的平均值；pc2，ps2為二次有功余弦，正弦諧波峰值；qc2，qs2為二次無功余弦，正弦諧波峰值；ωs為電網頻率。將式(3)代入后展開可得：

由式(2)可得，當忽略定子電阻時：

將式(3)代入式(6)可得：

在本文中，采取 DFIG定子電壓定向的矢量控制方式，及Usq+=0，可得ψsd+=0。

3 DFIG轉子側變流器的控制策略

電網電壓發生不對稱跌落時，電路中的電壓和電流都存在著正負序分量。而由于負序分量會導致控制性能變差，因此要求轉子側變流器除確保 DFIG輸出平均有功、無功功率以外，還應該確保整個發電系統中無負序電流的輸出，本文采用一種抑制轉子電流負序分量的控制方式。

為了抑制轉子電流負序分量，在設計控制指令時，令轉子電流負序分量的給定電流：Id-*=Iq-*=0，代入式(5)可得出轉子電流正序分量的給定量：

由式(2)可知轉子側變流器的電壓方程為：

式(9)中σ=1-Lm2/LsLr為漏感因數，根據式(8)，(9)可得到在電網電壓發生不對稱跌落下轉子側變流器的控制策略，控制框圖如圖3所示。圖中的Urdq+`,Urdq-`為電壓補償量。

圖3 轉子側變流器在電網電壓不平衡跌落條件下的控制框圖

由式(7)，(9)可計算得：

電網電壓在發生不對稱故障時，此時電網電壓存在著負序分量，為了跟蹤電網的頻率和相位，于是在正向旋轉坐標系dq+下，電網電壓的q軸分量存在二倍頻的波動分量，因此在鎖相環的設計中，須加濾波設計，對二倍頻的波動分量進行濾除，為此在設計增強型鎖相環(EPLL)中采用了在q軸分量上加入了陷波頻率為2倍頻的陷波器，其結構框圖如圖4所示。

4 DFIG的Crowbar保護策略

當電網電壓發生大值跌落時，此時 DFIG發出的功率不能及時送出，可能導致轉子側變流器的過流和直流母線的過電壓，為了保護變流器免受過流和過壓的危害，流過轉子側變流器的電流須限制在其限額以內，可采用將轉子側變流器與轉子回路斷開，將轉子保護電路接入轉子回路的方案，此保護電路稱為Crowbar電路。當電壓發生小值跌落時，這種狀態下可通過圖3所示控制系統的適當設計使其轉子側的電流保持在其限額內，無需保護動作。當電網電壓發生較大的跌落時，此時轉子側變流器的過流將不可避免，這種情況下將啟動 Crowbar電路渡過這段危險時間直到電壓恢復正常時。

圖4 增強型PLL結構框圖

對于 Crowbar電路采用滯環比較器(如圖 5所示)來對其進行控制，當轉子電流|Ir|大于預先設置的閥值IH時，比較器輸出1，此時Crowbar電路接入轉子回路，轉子側變流器被短路。當轉子電流|Ir|小于預先設置的閥值IL時，比較器輸出0，這時Crowbar電路將不啟動。設定IH=1.7p.u.，IL=1.4p.u.。

圖5 滯環比較器

5 系統仿真研究

為了驗證在不對稱電壓跌落條件下，轉子側變流器控制策略的有效性，采用圖6所示的DFIG發電系統進行仿真，系統參數見表1。

圖6 DFIG風力發電系統模型圖

表1 DFIG仿真參數

5.1 小值不對稱跌落時

設定A相電壓在0.56s時發生單相短路故障，電壓跌落25%，0.7s時故障解除。為比較分析，圖7為傳統控制策略的仿真波形，圖8為采用圖2所示的控制策略的仿真波形圖。從圖 7可看出，其電網功率，電磁轉矩在0.56s以后波動較大存在大量的二次紋波。而圖3所示的控制策略可以有效的減小負序分量的影響，從圖 8可看出，其電網功率和電磁轉矩的波動較小，證明了此控制策略的可行性。

5.2 大值非平衡跌落時

設定A相電壓在0.56s跌落至0.15p.u.，0.7s時故障解除。其仿真結果如圖9所示。其中ICrowbar為Crowbar電路的電流。可見當電網電壓發生大值跌落后，轉子電流急劇升高，達到閥值IH時觸發Crowbar電路中的門極可關斷晶閘管(GTO)導通，同時轉子側變流器與發電機轉子解列，轉子電流通過Crowbar消耗在RCrow上而減小。當轉子電流減小到小于IL后，GTO關斷轉子側變流器重新投入工作。由此可見采用Crowbar電路可以抑制電壓發生大值跌落下的浪涌電流，保護轉子側變流器。

圖7 采用傳統控制策略的仿真結果

圖9 電網發生大值跌落時的仿真結果

6 結論

本文針對電網電壓不對稱故障狀態下傳統控制策略的缺點，在增強型鎖相環的基礎上建立了 DFIG轉子側變流器的改進的控制策略，采用的是抑制轉子電流負序分量的方案，此控制策略可有效的減小轉子電流的諧波含量，電磁轉矩的脈動和電網功率的二次紋波。并在一臺額定功率為1.5MW的DFIG樣機上進行了仿真，證明了此控制策略的可行性。

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