不平衡電壓對雙饋風電機組變頻器的影響

劉勇

(大連供電公司，遼寧大連116001)

不平衡電壓對雙饋風電機組變頻器的影響

劉勇

(大連供電公司，遼寧大連116001)

為了研究電網電壓不平衡時雙饋風電機組運行特性，從分析負序基波電壓對交直交變頻器影響入手，得出了網側變頻器的交流側電壓會產生奇數次諧波，直流側電容電壓會產生偶數次紋波分量，雙饋電機的電磁轉矩和定子輸出有功功率出現偶數次頻率的分量。負序分量會造成網側電流畸變，惡化電能質量。

雙饋風力發電機組；負序電壓；二倍頻波動

隨著能源危機和溫室效應等全球性問題的日趨凸顯，利用清潔無污染的風能發電已成為了一種有效的解決措施。特別是2006年的《可再生能源法》頒布以來，中國的風電事業得到了飛速發展[1-2]，大型風電場接連涌現。如何研究整個風電場的并網運行與電網的相互影響，以及系統發生短路故障情況下風電場的暫態運行特性等，這對整個電力系統的安全穩定運行尤為重要[3-5]。單相接地短路時會出現典型的不對稱故障，而電網發生單相接地故障時會引入不平衡電壓，特別是負序電壓。文獻[6]指出了由于雙饋感應電機的負序阻抗遠遠小于正序阻抗，即使較小的不平衡電壓也可以產生較大的不平衡電流。文獻[7]采用對稱分量理論進行分析，揭示了電網不平衡電網頻率波動的原因；感應電機個電磁量的正序、負序分量分別以同步旋轉速度向正、反方向旋轉，因此在同步旋轉坐標系中，正序分量體現為直流量，負序分量則體現為二倍頻率的交流量，正序、負序分量間的相互作用導致電機的轉矩以二倍電網頻率波動。文獻[7]指出不平衡電流會導致電磁轉矩、有功功率和無功功率以二倍電網頻率波動。文獻[8]建立了電網電壓不平衡工況下雙饋感應電機在正序、負序同步旋轉坐標系中的正序、負序完整模型，推導了電網電壓不平和個工況下雙饋感應電機電磁轉矩、定子有功功率和無功功率的表達式，在此基礎上設計了雙電流控制器，分別在正序、負序同步旋轉坐標系下實現對轉子電流的控制。文獻[9]提出了不平衡電網電壓條件下雙饋異步電機在正、反轉同步坐標系中的完整數學模型，推導和分析了不平衡電網電壓條件下雙饋電機定子輸出瞬時有功功率和無功功率的組成。文獻[10]在研究雙饋感應電機數學模型的基礎上，分析了不對稱電網電壓條件下雙饋電機定子輸出瞬時有功、無功功率的組成。通過引入二倍電網頻率陷波器，使定子開關頻率直接功率控制。

1 理論分析

中的二次紋波分量。只考慮電網電壓含有負序基波電壓的情況下，網側變頻器的直流側電流將出現二次紋波分量。

當考慮到轉子側變頻器的電流對直流電容電壓的影響。把轉子側變頻器看作直流電容的負載：

2 算例分析

以1.5 MW雙饋風力發電機組為例，仿真設置：電網電壓只包含正序基波電壓和負序基波電壓，且三相電壓不平衡度為10%。圖1為仿真模型。

圖1 仿真模型

圖2中的直流電壓出現周期性波動，周期為0.01 s。由頻譜圖(圖3)可以看出直流電容電壓包含100、200、300 Hz等偶數次諧波，100 Hz諧波尤為明顯，幅值基本達到直流電壓幅值的1/6。圖4中的A相電壓波形已發生明顯畸變，包含150、250、350 Hz等奇數次諧波電壓，且3次、5次諧波含量很大。頻譜圖驗證了在電網電壓不平衡的情況下網側變頻器的交流側電壓會產生奇數次的諧波(圖5)，直流側電容電壓產生偶數次紋波分量。

圖2 直流電容電壓

圖3 直流電容電壓頻譜

圖4 網側變頻器交流側電壓(A相)

圖5 網側變頻器交流側電壓頻譜(A相)

圖6 雙饋電機電磁轉矩分解

圖7 定子有功功率

同樣，發電機的電磁轉矩中除了直流分量以外，還有100 Hz的分量。定子有功功率也包含100、200、300 Hz等頻率偶數倍頻率的分量。

對35 kV母線電壓進行諧波分析，以基波100%為基準，其它次諧波以占基波的百分比形式表示如圖8。

35 kV母線電壓的5次諧波電壓含量最高，達到了基波幅值的6%。并網電流明顯發生畸變，電流中包含大量的奇數次諧波，3次、5次、7次、9次、11次諧波含量比重很大，尤其是5次諧波電流的含量極大，其幅值達到基波幅值2倍(圖9)。

圖835 kV母線電壓頻譜(A相)

圖9 并網電流頻譜(A相)

3 結束語

電網電壓不平衡會導致雙饋電機網側變頻器的直流側產生偶數次紋波分量而網側變頻器的交流側產生奇數次諧波；電磁轉矩存在兩倍頻波動，定子輸出有功功率中有偶數次頻率的波動。電網電壓不平衡還會造成風電機組輸出電流的畸變。

附：

1.5 MW的雙饋風力發電機組參數

風力機參數：切入風速3 m/s，額定風速12 m/s，切出風速18 m/s，葉片半徑37.5 m；

雙饋電機參數：額定容量1.5 MVA，額定電壓0.69 kV，頻率50 Hz，功率因數cos=0.98(滯后)，定子電阻0.005 4 p.u.，定子電抗0.10 p. u.，轉子電阻0.006 07 p.u.，轉子電抗0.11 p.u.，勵磁電抗3.1 p.u.。

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Analysis of double-fed wind generator inverter impacted by negative sequence voltage

LIU Yong

In order to analyze the double-fed wind generator operating characteristic impacted by grid imbalance voltage,the AC-DC-AC invertor impacted by negative-sequence fundamental voltage was studied firstly.Odd time harmonics of AC side voltage were produced.And even time was produced by the DC side voltage.Even times of electromagnetic torque and stator output of active power will occur which are caused by the grid voltage imbalance. Negative sequence component of grid voltage could cause grid side current distortion,worsening the power quality.

double-fed wind generator;negative sequence voltage;second harmonic wave

TM 46

A

1002-087 X(2014)02-0352-03

2013-06-02

劉勇(1986—)，男，湖北省人，碩士，主要研究方向為電力設備檢修維護。