雙饋感應風力發電機低電壓穿越控制策略

甄佳寧，陳益廣，王穎

（1.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津 300072；2.天津經濟技術開發區漢沽現代產業區總公司，天津 300480）

雙饋感應風力發電機低電壓穿越控制策略

甄佳寧1，陳益廣1，王穎2

（1.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津 300072；2.天津經濟技術開發區漢沽現代產業區總公司，天津 300480）

針對雙感應饋風力發電機低電壓穿越問題，提出了一種新型的轉子側變流器控制策略，該控制策略采用基于定子磁鏈定向的矢量控制方法，對轉子穩態勵磁電流添加補償量，得到新的轉子電流勵磁給定值，抵消了定子磁鏈直流分量和負序分量對轉子電流的部分影響，并能夠有效地抑制雙饋感應發電機轉子過電流，增強了雙饋感應風力發電機的低電壓穿越能力。Matlab仿真結果驗證了該控制策略的有效性和可行性。

風力發電；雙饋感應風力發電機；低電壓穿越；電壓驟降；轉子變換器

隨著風力發電技術的不斷發展，風力發電裝機容量在不斷擴大，并網風電機組對電網的影響越來越顯著，諸多的風電并網問題突顯出來。電網電壓跌落是電網故障中最為常見的問題之一，后果通常也最為嚴重。當電網電壓發生大幅度跌落故障后，如果風電機組不具備低電壓穿越能力，將導致風電機組大規模解列，失去對電網電壓的支撐，對電網穩定運行和電能質量產生嚴重影響。為此世界上許多電網運營商均對風電機組低電壓穿越能力提出了要求：當電網電壓發生跌落后，風電機組必須在一定時間內與電網連接而不解列，甚至在過渡過程中為電網提供一定無功支撐以幫助電網電壓快速恢復。為了使風力發電能夠實現大規模并網，風力發電機必須具備一定的低電壓穿越能力[1]。

雙饋感應風力發電機DFIG（doubly fed induction generator）具有變流器容量較小、有功和無功可獨立解耦控制等特點，目前在兆瓦級風電機組中得到了廣泛研究和應用[2～7]。由于DFIG定子繞組直接與電網連接，變頻器容量較小，故而對電網故障非常敏感，僅靠自身難以實現低電壓穿越。當電網發生故障時，電網電壓跌落將直接導致定子電壓的跌落，而定子磁鏈不能跟隨定子電壓一起突變，所以在定子側會出現暫態磁鏈的直流分量，引起定子電流的大幅增加；而定子繞組與轉子繞組在磁場上存在強耦合關系，此直流分量切割轉子繞組，在轉子側也必然會感應出較大的過電流和過電壓。轉子側突然增加的大量能量一部分會流經轉子側變換器和網側變換器傳遞到電網，可能對變流器造成損害；另一部分會對直流母線電容充電，使直流母線電壓大幅升高威脅電容的安全[8～11]。因此要想實現雙饋電機的低電壓穿越，必須在電網發生電壓跌落故障時對定轉子過電流進行抑制。

1 DFIG數學模型

兩相dq同步旋轉坐標系雙饋電機定子電壓方程為

式中：uds、uqs，udr、uqr分別為定子電壓和轉子電壓的d、q軸分量；ids、iqs，idr、iqr分別為定子電流和轉子電流的d、q軸分量；ωs為轉差電角速度，ωs=ω1-ωr；ψds、ψqs，ψdr、ψqr分別為定子磁鏈和轉子磁鏈的d、q軸分量。

定子磁鏈方程為

式中，Ls、Lr和Lm分別為定子、轉子繞組的自感和dq坐標系同軸等效定轉子繞組間的互感。

采用定子磁鏈定向方法，將兩相同步旋轉坐標系的d軸定向在定子磁鏈方向上。則定子d、q軸磁鏈分量分別為

并網運行時雙饋發電機定子側頻率為工頻，定子電阻遠小于定子電抗，可以忽略，即rs=0，因此DFIG感應電動勢矢量e1可以近似等于定子電壓矢量u1。同時，由于e1落后ψ190°，故e1和u1位于q軸負方向，則有

電網電壓us為常數，當電機并入電網后，u1= us。將rs=0，式（5）和式（6）代入式（1）和式（3），得

式中：u′dr、u′qr為實現轉子電壓、電流解耦控制的解耦項；Δudr、Δuqr為消除d、q軸轉子電壓、電流間交叉耦合的補償項。將轉子電壓分解成解耦項和補償項之后，就可以實現對電機的有效控制。

根據瞬時有功、無功功率理論，可以得到僅以轉子電流表示的DFIG的瞬時有功、無功功率為

由式（12）和式（13）可以分別實現對DFIG轉子d、q軸電壓及電機有功、無功功率的解耦控制。但是此方法并不適于故障情況下的電機分析控制。原因在于：①此控制策略建立在雙饋電機的三階降階模型基礎上，對電機定子磁鏈的暫態過程做了忽略，如果故障過程中不成立，將無法實現對轉子電壓的解耦控制；②電網發生故障時，電機定子端電壓會發生突變，導致定子磁鏈定向不準，將會造成有功、無功不能實現解耦控制。

故障發生瞬間，發電機定子端電壓發生突變，根據磁鏈守恒原理，磁鏈不能突變，定子電流中將出現逐漸衰減的暫態直流分量。因此，在電網故障期間，定子磁鏈分為兩部分：①以同步轉速旋轉的定子磁鏈旋轉分量，其大小由當前的定子電壓決定；②定子磁鏈的直流分量，其初始值與故障發生的嚴重程度有關。定子磁鏈對轉子的影響也分為兩部分：①轉子電壓感應以同步轉速旋轉的定子磁鏈旋轉分量所產生的電流稱為轉子電流勵磁分量，此分量在同步旋轉dq坐標系下為直流分量；②定子磁鏈的直流分量和負序分量相對轉子旋轉，切割轉子繞組，感應出的電流在同步旋轉dq坐標系下為交流量，稱為轉子電流旋轉分量。因此，在電網發生故障時轉子電流在這兩個分量組的共同作用下產生了轉子過電流現象。

2 DFIG低電壓控制策略

我國國家電網對并網發電的風電機組提出了相應的低電壓穿越要求[12]，如圖1所示。

圖1 國家電網提出的低電壓穿越要求Fig.1 LVRT requirementproposed by stategrid

為了抑制轉子電流的旋轉分量，對轉子電流進行定向控制，使轉子電流方向同定子磁鏈的直流分量和負序分量相反，從而抵消轉子磁鏈中部分直流和負序分量。對三相轉子電流iar、ibr、icr進行坐標變換，得到同步旋轉dq坐標系下的轉子電流idr、iqr，此時，轉子電流勵磁分量為直流量，而由定子磁鏈直流分量產生的轉子電流旋轉分量為交流量。為了把轉子電流旋轉分量分離出來，對idr、iqr進行低通濾波，得到轉子電流勵磁分量Id，rdc和Iq，rdc，從而可得轉子電流旋轉分量為

為抵消定子磁鏈直流分量和負序分量對轉子電流的影響，在轉子穩態勵磁電流idr*，iqr*加入反向的id，rac，iq，rac，產生新的轉子電流勵磁給定值，即

采用低電壓穿越控制策略的雙饋電機控制如圖2所示。

圖2 雙饋電機低電壓穿越控制框圖Fig.2 LVRT control frame of DFIG

3 雙饋電機低電壓穿越仿真分析

為驗證所提出的雙饋電機LVRT控制策略的有效性，用MATLAB/Simulink對1臺3kW雙饋風力發電系統進行了仿真研究。電網在0.8 s時發生故障，電壓跌落至故障前的80%，故障持續200ms，在1.0 s時電網電壓恢復正常。雙饋電機的仿真參數為：額定功率為3 kW，額定電壓為220V，額定頻率為50Hz，定子電阻為3.74Ω，定子漏感為0.304 2 H，轉子電阻為3.184Ω，轉子漏感為0.301 7H，定、轉子互感為0.292H，轉動慣量為0.001 25 kg·m2，極對數為2。

在電網故障下在雙饋電機轉子側分別采用穩態矢量控制策略仿真和采用低電壓穿越控制策略仿真。圖3為采用穩態控制策略下DFIG的idr和iqr的仿真波形。由圖3可以看出，在電網電壓跌落期間idr、iqr明顯增大，轉子過電流現象嚴重；在電網恢復期間轉子電流出現了衰減的直流分量。圖4為采用低電壓控制策略下DFIG的idr和iqr的仿真波形。由圖4可以看出，電網發生故障期間idr、iqr也發生了明顯的增大，但與采用穩態控制下的轉子電流相比要小很多，轉子過電流現象得到有效抑制；故障解除時轉子的直流衰減分量也有一定的減小，因此雙饋電機的LVRT能力增強。

圖3 采用穩態控制策略的轉子電流仿真波形Fig.3 Simulation waveform sof rotor currentunder traditionalcontrolstrategy

圖4 采用低電壓控制策略的轉子電流仿真波形Fig.4 Simulation waveformsof rotor currentunder LVRT controlstrategy

4 結語

電網電壓跌落故障會導致風力發電機定、轉子過電流和過電壓現象，嚴重危害電機的安全穩定運行和變流器的安全。本文分析了電網故障發生時雙饋風力發電機定、轉子過電壓和過電流產生的原因，并提出了一種DFIG轉子側控制策略。建立了1臺3 kW的雙饋感應風力發電機的仿真模型，進行了雙饋電機的LVRT仿真研究。仿真結果表明，采用LVRT控制策略可有效抑制電網故障期間電機轉子的過電流，提高雙饋感應電機的低電壓穿越能力。

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Low Voltage Ride Through ControlStrategy of Doubly Fed Induction Generator

ZHEN Jia-ning1，CHENYi-guang1，WANGYing2
（1.Key Laboratory ofSmartGrid ofMinistry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Corporation of TEDA Industrial Park，Tianjin 300480，China）

For low voltage ride through issue of doubly fed induction generator，a new control strategy for rotor side converter is proposed in this paper.The control strategy uses stator flux oriented vector control to add a compensation amount to the rotorsteady-state excitation current.A new given value of rotorexcitation current isobtained，which can partly offset the impactof DC and negative sequence componentof stator flux on the rotor current.Over current in the rotor can be effectively suppressed，and the LVRT capability of DFIG is enhanced.Matlab simulation results prove the validity and feasibility of the proposed controlstrategy.

wind powergeneration；doubly fed induction generator；low-voltage ride through；voltage sag；rotor side converter

TM614

A

1003-8930（2013）05-0088-04

甄佳寧（1987—），男，碩士研究生，研究方向為電機及其控制。Email：zhenjianing@tju.edu.cn

2012-11-30；

2013-02-03

陳益廣（1963—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為電機及其控制。Email：chenyiguang@tju.edu.cn

王穎（1980—），女，碩士，工程師，研究方向為電氣控制。Email：wangying_1128@yahoo.com.cn