雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制研究

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制研究

1風(fēng)電系統(tǒng)的lvrt研究隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟，大型風(fēng)電站逐漸進入市場，這也表明了與風(fēng)電站運營密切相關(guān)的低電壓穿越（lvrt）問題。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(DoublyFedInductionGenerator,DFIG)勵磁變換器容量較小,電網(wǎng)故障時易出現(xiàn)勵磁失控,甚至危害風(fēng)電機組的核心組件勵磁控制變流器。如何在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時對雙饋感應(yīng)發(fā)電機實行有效控制,以防止發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子出現(xiàn)沖擊電流、轉(zhuǎn)矩突變等問題,造成發(fā)電機從電網(wǎng)解列,各國學(xué)者紛紛對風(fēng)電系統(tǒng)的LVRT技術(shù)開展研究,取得了相當(dāng)研究成果。該成果大體分為兩大類:一類是增加拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方法;一類是完全依靠改進變流器的控制策略方法。前一類包括:(1)增加Crowbar電路實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的LVRT運行;(2)使用能量存儲系統(tǒng)(EnergyStorageSystem,ESS)。其中方法(1)簡單有效、成本較低、便于實現(xiàn)。但故障過程中發(fā)電機作為感應(yīng)電動機運行,從電網(wǎng)吸收無功功率,不利于電網(wǎng)恢復(fù),且當(dāng)電網(wǎng)從故障狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)過程中,Crowbar電路必須切除,這將延長恢復(fù)時的暫態(tài)過程;方法(2)將電網(wǎng)故障期間的過剩能量儲存起來,并在故障結(jié)束后送回電網(wǎng),但在雙饋機風(fēng)力發(fā)電中,ESS無法對轉(zhuǎn)子電流進行有效控制,從而需要增大轉(zhuǎn)子變流器的容量。另外,使用能量存儲系統(tǒng)也增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度。后一類包括:(1)改進傳統(tǒng)發(fā)電機數(shù)學(xué)模型;(2)針對故障期間定子磁鏈出現(xiàn)的負(fù)序和直流分量制定控制策略;(3)采用現(xiàn)代控制理論中的H∞及μ-analysis方法設(shè)計全新的控制器,這三種方法,算法復(fù)雜、計算量大。本文在分析電網(wǎng)對稱故障及非對稱故障時引起雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子過電流原因的基礎(chǔ)上,提出一種轉(zhuǎn)子側(cè)變流器低電壓穿越的控制策略,仿真和實驗結(jié)果表明本控制方法算法簡便、行之有效。2發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓平衡方程雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,發(fā)電機定子繞組直接與三相電網(wǎng)相連,轉(zhuǎn)子繞組由雙PWM變頻器提供勵磁,以實現(xiàn)能量的雙向流動。假設(shè)定轉(zhuǎn)子均為電動機慣例,雙饋感應(yīng)發(fā)電機分別在定子參考坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系下的定轉(zhuǎn)子電壓平衡方程式為式中,上標(biāo)s、r分別表示定子參考坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系。定轉(zhuǎn)子的磁鏈方程為式中Lm,Ls,Lr——互感和定、轉(zhuǎn)子的電感,Ls=Lm+Lls,Lr=Lm+L1r;us,ur——定、轉(zhuǎn)子端電壓矢量;雙饋感應(yīng)發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時,若忽略定子電阻,則定子磁鏈和定子電壓關(guān)系為下面分析故障發(fā)生時的情況。2.1轉(zhuǎn)世啟動時2.1.1轉(zhuǎn)子電壓隨轉(zhuǎn)子磁鏈量的變化規(guī)律為了對電網(wǎng)三相突然發(fā)生對地短路故障瞬間的轉(zhuǎn)子電壓和電流的暫態(tài)變化情況進行分析,先假設(shè)轉(zhuǎn)子開路,即ir=0,由式(1)的第一式和式(2)的第一式可得在故障發(fā)生瞬間,根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍瓌t,磁鏈不能突變,如果外來條件迫使線圈的磁鏈發(fā)生突變時,線圈中就要感應(yīng)出一個自由電流,該自由電流將產(chǎn)生一個反作用磁場以保持其磁鏈不發(fā)生突變。因此,在電網(wǎng)故障發(fā)生時,式(4)的解可以分解為兩個分量的和:其一是以同步速旋轉(zhuǎn)的定子磁鏈分量,其大小由定子電壓大小確定;其二是由定子電壓突降所引起的定子磁鏈直流分量,此直流分量在空間保持靜止,并以一定的時間速率衰減。該兩個分量在暫態(tài)時同時存在,而在穩(wěn)態(tài)時只有第一個分量,第二個直流分量已衰減為零。因此,式(4)的解可以寫為設(shè)故障發(fā)生前后發(fā)電機的定子電壓分別為式中,a為定子電壓因電網(wǎng)故障而降落到的百分比。則由定子電壓得到的定子磁鏈分別為由磁鏈?zhǔn)睾阍瓌t,故障發(fā)生前后的定子磁鏈不能發(fā)生突變,故在故障發(fā)生時刻t0前后磁鏈必須相等式中ψs1(t0+)——由定子電壓確定的磁鏈分量;將式(7)代入式(5),當(dāng)t0=0時,可得由電機運動控制理論可知,上式中的第二項定子磁鏈直流分量會在電機轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比的旋轉(zhuǎn)電動勢(設(shè)其為erR,下標(biāo)rR表示轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子速度),由上式可知定子磁鏈直流分量以指數(shù)規(guī)律隨時間逐漸衰減,因此由其在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電動勢的幅值(即包絡(luò)線)亦隨之減小,此旋轉(zhuǎn)電動勢是引起轉(zhuǎn)子過電壓的主要原因。圖2~圖4為轉(zhuǎn)子開路情況下電網(wǎng)突然三相短路時的仿真波形。其中圖2表示定子電壓從1(pu)突變?yōu)?.3(pu);圖3為定子電流變化情況,從波形上明顯看出定子電流中不但存在50Hz的交流分量,還存在衰減的直流分量;圖4為轉(zhuǎn)子電壓,由于轉(zhuǎn)子開路,轉(zhuǎn)子電壓是由定子磁鏈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,即旋轉(zhuǎn)電動勢,其幅值隨時間衰減。仿真結(jié)果與以上理論分析結(jié)果相一致。2.1.2含轉(zhuǎn)子磁鏈雜的轉(zhuǎn)子電壓仿真當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時,由對稱分量法可知,發(fā)電機三相定子電流可分解為正序、負(fù)序及零序三個分量。其中,零序分量不產(chǎn)生磁鏈。由2.1.1節(jié)中分析可知,此時定子磁鏈中,包含定子磁鏈正序分量、負(fù)序分量以及直流分量。即圖5~圖7為轉(zhuǎn)子開路情況下電網(wǎng)突然兩相對地短路時的仿真波形。其中圖5表示兩相定子電壓從1(pu)突變?yōu)?.4(pu);圖6為定子電流變化情況,從波形上明顯看出兩相定子電流中存在衰減的直流分量;圖7為轉(zhuǎn)子開路電壓,轉(zhuǎn)子電壓是由定子磁鏈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢,與圖4相比,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢中不僅存在由定子磁鏈直流分量引起的旋轉(zhuǎn)電動勢(隨時間衰減)e′rR,還存在由定子磁鏈負(fù)序分量引起的感應(yīng)電動勢erN,以上兩部分感應(yīng)電動勢疊加為圖7所示的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢葫蘆波。2.2故障時,轉(zhuǎn)子不對稱時,部分轉(zhuǎn)子變流器控制方式時,其造成的轉(zhuǎn)子不對稱以上分析是在假設(shè)轉(zhuǎn)子開路的情況下得出的,但實際情況轉(zhuǎn)子并非開路。下面分析轉(zhuǎn)子與變流器連接時,電網(wǎng)故障下的暫態(tài)情況。在故障過程中,如果此時仍然采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子變流器控制方式,即轉(zhuǎn)子中有變流器提供的控制電流存在,轉(zhuǎn)子電流由兩個分量組成:轉(zhuǎn)子電流勵磁分量、由定子磁鏈直流分量引起的轉(zhuǎn)子電流旋轉(zhuǎn)分量,電網(wǎng)不對稱故障時,除上述兩個分量外,還增加了一個負(fù)序分量。上述三個分量共同作用的結(jié)果,造成電網(wǎng)故障時轉(zhuǎn)子產(chǎn)生過電流現(xiàn)象。3變流器低電壓穿越控制策略由前面分析可知,雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機在電網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路故障時,轉(zhuǎn)子電流由兩個分量組成。電網(wǎng)不對稱故障時,還有轉(zhuǎn)子電流負(fù)序分量。本文從抑制轉(zhuǎn)子電流中旋轉(zhuǎn)分量(以及電網(wǎng)不對稱故障時負(fù)序分量)的角度出發(fā),提出一種轉(zhuǎn)子側(cè)變流器低電壓穿越的控制策略。設(shè)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流為ira、irb、irc,對其進行3s/2r變換后得到ird、irq,此時,轉(zhuǎn)子電流勵磁分量為直流量,而轉(zhuǎn)子電流旋轉(zhuǎn)分量(以及電網(wǎng)不對稱故障時負(fù)序分量)仍然為交流量。ird、irq經(jīng)過低通濾波后,得到轉(zhuǎn)子電流勵磁分量(直流量)irdDC、irqDC,而由定子磁鏈直流分量(以及電網(wǎng)不對稱故障時負(fù)序分量)所引起的電流為為抵消定子磁鏈直流分量(以及電網(wǎng)不對稱故障時的負(fù)序分量)對轉(zhuǎn)子電流的影響,將轉(zhuǎn)子電流給定ird*、irq*減去上述irdAC、irqAC,得到轉(zhuǎn)子電流勵磁給定值低電壓穿越控制系統(tǒng)框圖如圖8所示。在穩(wěn)態(tài)控制策略的基礎(chǔ)上,采用低電壓控制策略能在很大程度上減小電網(wǎng)故障對發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子的影響。4穩(wěn)態(tài)控制方式下的轉(zhuǎn)子電流為了驗證低電壓穿越控制策略的有效性,對其進行了實驗研究,使用參數(shù)為:雙饋電機額定功率P=3kW,頻率f=50Hz,定子為Y聯(lián)結(jié)方式,電阻1.95?,漏感9.04mH;轉(zhuǎn)子為Y聯(lián)結(jié)方式,折算到定子側(cè)后,電阻3.54?,漏感9.04mH,勵磁電阻為9.42?,勵磁電感為258.5mH。圖9~圖14為電網(wǎng)發(fā)生三相對稱故障發(fā)電機的機端電壓降到故障前的70%(或50%、30%)、故障持續(xù)500ms、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器分別采用穩(wěn)態(tài)控制策略和采用低電壓穿越控制策略時的轉(zhuǎn)子及定子電流的實驗波形對比。由圖9、11、13可知轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用穩(wěn)態(tài)控制方式時,發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流略有增大(見圖9a),圖11a轉(zhuǎn)子電流增大較顯著,圖13a嚴(yán)重過電流;而在低電壓穿越控制方式下,電機轉(zhuǎn)子電流基本保持正常運行的勵磁電流(見圖9b、11b、13b)。又由圖10、12、14可以看出,在穩(wěn)態(tài)控制方式下,定子電流略有增大(見圖10a)或明顯增大(見圖12a)或嚴(yán)重過流(見圖14a);而在低電壓穿越控制方式下,定子電流在故障時變化較小(圖10、圖12、圖14b皆如此)。圖15~圖16為電網(wǎng)發(fā)生單相對地短路故障發(fā)電機的機端電壓降到故障前的50%、故障持續(xù)500ms、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器分別采用穩(wěn)態(tài)控制策略和采用低電壓穿越控制策略時的轉(zhuǎn)子及定子電流的實驗波形對比。由圖15可知采用穩(wěn)態(tài)控制方式時由定子磁鏈負(fù)序分量引起的轉(zhuǎn)子電流負(fù)序分量在故障時非常明顯,而采用低電壓穿越控制方法轉(zhuǎn)子中的負(fù)序電流得到有效抑制。圖16中發(fā)生單相對地短路故障時,定子電流直流分量在采用低電壓穿越控制方式時很小。5發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略本文分析了電網(wǎng)故障時雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子過電流的原因,提出了一種轉(zhuǎn)子側(cè)變流器低電壓穿越的控制策略,并在一臺3kW的雙饋感應(yīng)發(fā)電機上進行了實驗驗證。實驗結(jié)果證明,采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機低電壓穿越控制技術(shù),在電網(wǎng)發(fā)生三相對稱及不對稱故障時,能有效地控制住發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子過電流的情況,從而保護了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器,使發(fā)電機在電網(wǎng)故障時能夠不脫網(wǎng)繼續(xù)運行?？刂撇呗允∪チ硕ㄗ哟沛溣^測,簡化了控制算法,是一種較為理想的控制方式。is,ir——定、轉(zhuǎn)子繞組中的電流矢量;ψs,ψr——定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?。式中ψs1——定子磁鏈旋轉(zhuǎn)分量,其大小由當(dāng)前的定子電壓確定;定子磁鏈直流分量,其初始值C