第 6 章双馈异步风力发电机

第 6 章双馈异步风力发电机 的低电压穿越运行 随着风电机组装机容量的不断增加，风电场并网规范对风电机组的运行 要求越来越严格，要求具有外部电网故障下不脱网（穿越〉运行能力，一定 的频率、无功和电压控制能力等。其中最具挑战性的要求是在输电系统高压 侧出现连续对称或者不对称短路故障时，0 0 6 风电机组应能保持与电网的连 接，并向电力系统持续供电，以协助故障电网的恢复。由于励磁变换器容量 较小，只能对0 0 0 系统提供部分控制，因而电网电压跌落或骤降时，必须关 注故障引起的转子侧变换器过电流和随之而来的直流环节过电压，以防危害 风电机组核心部件的安全。因此，电 网 故 障 时 控 制 与 保 护 策 略 的 主 要 目 标应是限制转子过电流和直流母线过电压。 有关电网电压故障，包括稳态不平衡、动态对称不对称跌落，对并网型 风电系统的影响等已在第5 章中进行过阐述，本章将在此基础上着重讨 论各种故障条件下，增 强 0 0 0 风电系统不脱网（穿越〉运行能力的控制策 略和保护措施。 ^ 1 现有 0 5 1 0 风电系统的低电压穿越技术@ ’152一161〕 如前所述，受转子励磁变换器容量的限制，电网故障时，0 0 0 控制与保 护的主要思想是限制转子过电流和直流母线过电压。对此，针对电网电压故 障轻重程度的不同，可采取不同的控制策略和应对措施： ( ^ ) 当电网故障引起机端电压出现轻度对称跌落或者三相不对称故障时， 应 尽 量 考 虑 通 过 改 进 风 电 系 统 的 控 制 策 略 来 实 现 发 电 机 的 不 脱 网 （穿 越）运行，此时应该着重考虑转子侧变换器容量〔电压、电流）的限制，特 别是在不对称故障下，更应优先考虑转子侧变换器有限输出电压对增强运行 能力控制的影响。 ⑵ 当口?!。机端出现严重电压对称跌落或者三相不平衡故障时，由于 转子侧变换器在电网故障瞬间无法提供足够的控制电压，将导致转子过电 流甚至直流母线过电压，此时应考虑通过合适的保护措施或协调控制策略 来实现机组的不脱网穿越运行。 目前，行之有效的办法大多需要增加一定 的硬件设备，包括在定子侧或在转子侧增加保护设备实现低电压穿越的两 ^ 122 ^ 大类方法。 6^ 1. 1 改 进 控 制 策 略 〔65-66’ 162~1631 为改进01^；风电机组的故障下不脱网运行能力，有人提出了采用所谓 “ 灭磁” 控制的设计思想165—66’162] ，其实现原理如下。 从 式 可 以 看 出 ，电网电压不对称跌落后定子磁链的完整变化规 律是 咖 ( 艺) ^ ^ ^ ~ ~0\1 ^ ^ 牛乙^ 1屮 ~ + 屮 30？ ^1 0 8^1112 一 ―叫屮丰卢―〉口 -1/73 - ) 仞1 ^ - 池 … 一― 十从…― # —叫〜―） - 中」 X ^ 一 沖 … 6 苁一似1化十彡- ) 6 - 《/ & 说明当电网不对称故障发生瞬间，0 0 0 定子磁链中将包含正、负序交流和直流 三种分量，即 少邮- ⑴ ^ 池 …- 一卜叫―） ^ 6 - 2 ^ I …⑴ : - 认 - 么 山 ）一响〜、―〜 - 池 …V 一 。屮 '^ 為 〔6 - 3 〉 各定子磁链空间矢量关系如图6 - 1 所示。所 谓 “ 灭磁” 控制是针对对 称、不 对 称 故 障 下 内 部 定 子 暂 态 磁 链 的 特 点 ，适当控制转子励磁电压， 使之产生出与定子磁链暂态直流和负序分量反相位的转子电流空间矢量以及 相应的漏磁场分量，通过所建立的转子漏磁场来抵消定子磁链中的暂态直流 和负序分量。故障过程中 “ 灭磁” 控制模式下，转子电流暂态直流和负序分 量指令参考值计算方法如图6 ~ 2 框图所示。该方法的优点是适用于各种类型 的对称和不对称电网电压跌落故障，但要求转子侧变换器的全部容量都要用 来产生抵消定子磁链暂态分量的转子电流，因而控制效果受到变换器电流容 量的限制。据有文献报道，如果将转子暂态电流幅值控制在2.0 ( ^ ) 以内， 该方法能够实现电网电压三相对称跌落至25070额 定 电 压 时 的 不 网 运 行。该方法的缺点是故障期间无法实施对01^；定子输出有功、无功功率的有 效控制，也就无法满足并网规范中要求风电机组在低电压穿越运行中还需输 出无功功率、协助故障电网电压恢复的这一要求。此外，还未考虑不对称电 网故障下转子侧变换器输出电压限制对“ 灭磁” 控制策略实施效果的影响； 也未详细讨论网侧变换器在对称、不对称故障下的运行控制策略等，研究工 作有待进一步深化。 ^ 123 \并网双馈异步风力发电机运行控制 ―X ------------- 5^01^ 少501^~ ^ ^ 带通~口积分器卜 麵 器 叫 1 1 ^ 磁链观测器 ^ 拎丨 1 ^ ~ 1 ^ ~ 1 ^ ^ / ( ^ + ^ ) ㈠ 限幅器 、 ^13 —。地 十 !,） |---------------------- ^ 十丫 图 6 - 2 “灭磁 ” 控制模式下转子电流暂态直流和负序分量指令参考值计算 在更为严重的电网电压跌落情况下，如零电压穿越运行时，“ 灭磁” 控制 将需容量更大的转子变换器。对此，后续研究有人提出了使用主动式转子快 速 短 接 （^I^^一0 保护装置并结合“ 灭磁” 控制的综合。其主导思想是 当电网电压对称跌落瞬间，如果按图6 计算求得的转子电流暂态直流和负 序分量指令参考值过大时，则 投 入 转 子 快 速 短 接 保 护 装 置 ，以协 助暂态定子磁链分量迅速衰减，随后计算出的转子励磁电流参考值也会减 小 ；当转子励磁电流参考值减至比变换器电流容量还小时〔如电网故障后 的 ^纟肥），切 除 0 — 1^1装 置 、恢复转子变换器工作，并 实 施 “ 灭磁 ” 控 制。此时，转子变换器在注入逐渐减小的 “ 灭磁” 电流，以继续消除定子 磁链暂态分量的同时，应提供逐渐增加的无功电流，使 0 0 0 定子能在电压 跌落故障过程中向电网输出一定的无功功率，协助故障电网的恢复。由上 述可见，|亥方法工仅缩短了电网电压跌落期间转子0 -1 ^ 1 '装置工作的持续 时间，且能在故障过程中向电网提供无功支持，满足现代风电并网规范中 对 0 0 0 低电压穿越运行的要求|然而该方案仅实现了电网电压对称跌落过 程中的不脱网（穿越〉运行，尚未进行电网电压恢复过程以及不对称跌落 下的研究，也未提及故障期间网侧变换器的工作模式，这些方面均值得进 一步探索。 第 6 章双馈异步风力发电机的低电压穿越运行X 6^ 1. 2 定 子 侧 低 电 压 穿 越 方 案 〔164一176；1 1. 定 子 侧 电 阻 阵 列 方 案 美国331(3011 1601111010^公司以专利的形式，首次提出了一种在定子侧使用 的 风 电 机 组 低 电 压 穿 越 装 置 及 其 控 制 方 法 。该装置由一系列与双向固态 交流开关并联的电阻阵列构成，连接在01^；定子与交流电网之间，如图6 - 3 所示。当电网电压正常时，所有固态交流开关导通；一旦检测到电网电压下 降时，则控制双向晶闸管触发延迟角，实现整个装置等效阻抗的调节，以使 流经该阻抗的故障电流能迫使0 朽0 端电压抬高，确保定子端电压处于可控值 之内。该方法的优点是可在电网电压跌落时使0 0 0 风 电 系 统 〔包括网侧和转 子侧变换器）继续保持与电网连接，有效控制0 1^；有功、无功功率输出；其 缺点是需要使用较多的大功率晶闸管，硬件成本较高，且电网正常时晶闸管 的导通损耗较大。 等 学 者 将 该 技 术 与 转 子 侧 主 动 式 装 置 方 案 进 行 了 分 析 、比较，结果表明基于定子侧电阻阵列的低压穿越方案在电网电压跌落至 157。额定值时，仍能确保转子侧变换器不过电流，继续实施对01^ ；风电系统 的有效控制，且能对故障电网进行无功支持，以协助其电压恢复，满足现代 风电并网规范对低电压穿越运行的高要求。 电阻阵列 图 6 - 3 定子侧电阻阵列的0 0 0 风电机组低电压穿越方案 1 动 态 电 压 恢 复 器 方 案 动态电压恢复器（口丫冊⑴丨\^ 0113^ 6 11631；0161 ？ 0 乂11〉可被用于增强笼型异 步风电机" 66] 和 0 耵0 风电系统〔167一― 的低电压穿越运行能力，其方案示意图 如图6 - 4 所示。图中，0乂11由一组三相串联变压器和一套半桥式〔167〕或者全 桥式【168〕三相电压源型并网逆变器组成，串 联 在 风 电 机 组 与 电 网 之 间 。 在电网电压理想条件下，并联网侧变换器和转子侧变换器按照传统矢量控制 策略实施控制，0 乂11不工作；当检测到电网发生对称、不对称跌落时，0乂！1 将通过串联变压器补偿对应故障相〔单相、两相或三相）的电压，以确保 ，125 ^ \ 并网双馈异步风力发电机运行控制 0 ^10机端电压的平衡和稳定。该方案的优点是能实现任意故障类型下的穿越 运行，且网侧、转子侧变换器在整个故障过程中都能对口! ! 。提供励磁，持续 向故障电网提供无功功率支持，以协助电网恢复；但其明显的缺点是需要额 外的串联变压器和电压型逆变器，增加了整个风电系统的硬件成本。 机端电压 补偿电压 电网电压 0？10 - 箱 转 子 励 磁 ^ 变 换 器 「 吾 串联 变压器 压器 三相电压型 并网逆变器 图 6 - 4 基 于 0乂11的 0耵0 风电机组低电压穿越方案 3^ 串 联 网 侧 变 换 器 方 案 典型的0 0 0 风电机组配置的交流励磁变换器包括有（并联〉网侧变换 器 （[ ( ^ ( ^ ) 和转子乂电机侧变换器（胳 ^ / 奶 ^：) ，6 义 瓜 皿 … 等人在此基 础 上 又 增 加 了 一 个 串 联 网 侧 变 换 器 构 成 了 一 种 适 用 于 低 电 压 穿 越 运行的0110风电系统新结构" 69 —1711，如图 6 - 5 所示。其中图6 - 5 ( ^ ) 结 构中8030：与 0 0 0 定子绕组的丫联结中心点串联，即定子绕组采取了丫联结中 心点开路的结构；图 6 - 5 ( ^ ) 结 构 中 通 过 一 个 串 联 注 入 变 压 器 与 定子绕组相连，且 与 网 侧 、转子变换器共用同一直流母线。采取 串 联 网 侧 变 换 器 的 0 0 0 风电机组低电压穿越工作原理是：在电网 电压理想条件下，并联网侧变换器和转子侧变换器仍按传统矢量控制策略运 行 ， 不工作；当电网电压出现对称跌落时， 及时投入不作，通过 检测故障电网电压计算出对应的定子磁链作为其控制目标，以便迅速抑制 0 0 0 定子磁链瞬态过程，确保网侧变换器、转子侧变换器均不过电流或过电 压 ，实现0 0 0 风电机组的安全低电压穿越。电 网 电 压 恢 复 时 自 动 切 出， 风电机组平稳过渡到正常运行。该方案的优点是可成功实现各种对 称、不对称故障类型下的低电压穿越、甚至零电压穿越运行，然而其缺点也 十分明显：所 接 入 的 容 量 较 大 ，还需同容量的串联注入变压器，大大增 加了系统的成本；而且仅在电网电压故障条件下才投入工作，其利用率必然 会很低。 6^ 1. 3 转 子 侧 低 电 压 穿 越 方 案 〔172彳8〕 目前，商品化的0510风电机组一般采用转子侧快速短接（(^ (^ 一!"）保 ^ 1 2 6 ， 第6 章双馈异步风力发电机的低电压穿越运行7 电网 电网 图 6 - 5 串联 网侧变换器（^ ( ^ ( ^ ) 的 0 0 0 风电机组低电压穿越方案 ( ^ ) 与定子绕组丫联结中心相连；（… 与定子侧串联注人变压器相连 护装置实现低电压穿越，图 6 - 6 所 示 为 两 种 常 见 的 装 置 电 路 结 构 。 各种 0 胃5虹装置的运行方式基本相似，即当电网发生电压跌落故障使转子侧 电流或直流母线电压增大到预定阈值时，导通0 ( ^ 1 ^ ' 装置中的开关器件，接 入限流电阻，同时关断转子侧变换器中所有开关器件，使转子故障电流经 0 ( ^ 1 ^ 装置旁路，以此避免转子侧变换器遭受过电流损伤。 图 6 - 6 两种常见0710风电系统转子00^1)31’ 结构 ( ^ ) 双向晶闸管结构； ( ^ ) 二极管不控整流桥结构 \并网双馈异步风力发电机运行控制 使用 0 0一^ 1 装置的优点是可以确保励磁变换器的安全，加快故障电流和 定子暂态磁链的衰减，|缺点是（^議 仏 装 置 每 佑期间将短接 转 子 绕 组 ， 使其运行在并网大转差率笼型异步发电机状态，需从电网中吸取大量无功 功率4 采用0 04 虹装置实现邠沁低电压穿越的机理虽然比较简单、明了，但 有不少关键技术值得深人研究，包括如何优化0 0 4 &装置中串联电阻的阻 值、容量，0 0 ^ ^ ！' 装置的使用如何影响并确定励磁变换器的电压、电流定 额，特 别 是 如 何 优 化 控 制 装 置 的 投 入 和 切 除 时 刻 ，以保证风电机组的 安全和协助故障电网恢复。这是因为若在电网故障清除前切除0 ( ^ 1 ^ ' 装置， 则可能会在电网恢复时造成转子侧变换器再次过电流，继而引发又一次的 0 , 1 〕虹装置保护动作；若在， 竺^ 金擅途名后锣丨塗^ 七 ：装―置 , ^ 因 竺 寸间短接, ^ ^ 髮 似 士 二 ^琴 藥率 良行 的聋 围箋型荖步妄玉 机 量 无 功 功 率 而 导 致 交 流 电 网 难 以 迅 速 恢 2 孜人考切除11指 I】的正确^择是二项值得研并前关 同时，如何在0 (^ 1 ^ ' 装置动作期间利用网侧变换器仍与电网相连接的状态， 甚至采取将阻断的转子变换器接入电网的操作，使它们能持续向电网提供无 功功率、协障电网恢复也是一项需要探讨的技术。 现代兆6 大 功 率 风 电 系 统 中 风 力 机 均 采 用 变 桨 距 调 节 ，而风电机 组的转速取决于风力机输入机械功率和0 1^；输出电磁功率之间的平衡。在电 网电压跌落持续时间较长时，仅依靠发电机系统的控制和保护往往会难以奏 效 ，因为此时风力机的输入功率仍在保持不变而的输出功率在减小，功 率的失衡将导致风电机组转速的快速升高，此时应及时增大桨距角以阻止机 组飞速，即实行变桨距控制。然而图5 - 1 5 所 示 的 风 电 （场）机组的低电压 穿越要求希望低电压穿越过程能在较短时间内完成，但风力机机械惯性很大， 采用变桨距来调节风力机输出功率，会因其响应速度问题而实际无法实现， 也需要从0 0 0 及其励磁变换器控制方面来解决低电压穿越运行能力问题。 电网电压对称跌落故障可大致区分为轻微跌落和严重骤降，针对不同程 度电网电压跌落可以采取三种低电压穿越运行策略： ^ 轻度电网电;1 过称 此 时 可 采 用 计 及 电 网 电 压 动 态 - 响 的 改 进 1 ^10数学模型，通过改进控制策略使。『扣 、变换器电流和电压#持在其限 额值内而无需保护动作。此种方式可实现电网电压降至8 5 1 额定值条件下风 电机纟| 的低电压穿越运行。 严重电网电压对称跌落：此时0 1 ^；转子过电流、直流环节过电压不 可避免发生，0 (^ 1 ^ ' 装置保护被激活，转子侧变换器被阻断而停止工作，但 网侧变换器仍保持对直流母线电压的控制。然后可在交流电网恢复供电前、 ^ 128 ^ 第 6 章双馈异步风力发电机的低电压穿越运行7 后停止0 0一^1 '装置的工作，转子侧变换器随之解除阻断而重新投入工作。 若 口 ）中因持续故障使直流侧出现超过网侧、转子侧变换器功率 器件耐压的超高过电压，此时可按图6 - 7 所示投7切逻辑的直流电压范围来 控 制 直 流 装 置 的 投 入 或 切 除 ，以便将直流母线电压控制在安全范围 内，保证网侧变换器的继续工作。 图 6 - 7 直 流 0 '及其投乂切逻辑 ( ^ ) 直流0 洲1 ^；(卜）投7切逻辑 6.2 计及定子磁链动态过程的改进矢量控制【135】 电网故障下制约风电系统不脱网运行能力的因素有两个：一是转子 侧 ？呢IV！变换器的最大输出电流，二是直流母线电压的上、下界限。因此，提 高风电机组对外部电网故障适应能力的关键是实施对双变换器的有效控 制 ，以达到减少转子电流冲击和维持直流母线电压稳定的目的。如前所述， 网侧变换器的主要功能之一就是维持直流母线电压的稳定，以此提高0 0 0 抗 负载扰动能力；转子侧变换器的控制直接关系到转子电流大小，且对直流母 线电压的稳定也有一定影响，而 对 它 的 有 效 控 制 主 要 取 决 于 所 用 控 制 模 型的精度。在 0？^ 已有控制模型中，以定子磁链定向（^奶 ）的同步旋转坐 标 系 模 型 和 定 子 电 压 定 向 的 同 步 旋 转 坐 标 系 模 型 应 用 最 广 ，从而形 成基于3 7 0 和 3乂0 两种主要矢量控制策略" 57 — 159’135] 。然而，这两种传统矢量 控制方案的依据都是假定电网电压恒定、忽略01^ ；定子励磁电流动态过程的 简化模型。在电网电压恒定的理想条件下，两种传统矢量控制方案都被 能使变速恒频运行的0 1 ^；风电系统获得良好的动态和稳态性能。但在电 网电压故障情况下，导出这个简化模型的前提已不存在，以此为基础的两种 矢量控制方案的有效性受到严重影响，必须予以修正。 ^ 129 ^ \并网双馈异步风力发电机运行控制 考虑咖' ^ 6 - 4 ^ 这是一个计及定子励磁电流7⑽变化的0 『1 0 数学模型，可用于电网电压 变化情况下0 0 0 风电系统的运行控制。 在传统定子电压定向或定子磁链定向矢量控制中，其控制依据都是电网 电压恒定下、忽略 0 打0 定子励磁电流动态过程的简化模型。这种模型简单、 容易实现，在电网电压稳定的情况下可获得良好的动、静态响应，但是在电 网电压发生扰动时，如电网电压对称跌落、三相电压不平衡等，据此预测的 运行性能就会产生误差，按 其规律实施控制就会危害交流励磁变换器的 安全，严重时可导致系统控制失误，因而需要考虑建立基于01^ ；定子励磁电 流动态过程的精确模型。 考虑仏和也动态过程时，由 式 中 的 第 一 个 方 程 可 得 代 入 式 中 的 转 子 电 压 方 程 ，可得 仏二 乂 「# 十〔 十裇咖)0^ 〉^ 十」出咖7 ^ 5十 仏 一 尺又― 也 〉 式 巧 - ^ ) 是改进控制方案设计的依据，与传统控制方案相比，其改 进的思路体现在原来控制器基础上加入了计及定子励磁电流变化的补偿量 -况 又 -〗叫也〉，以此对原有解耦电路作出了必要的修正。由于匕/ 4 & 1 ，补偿量中与模型参数有关的量仅为定子电阻圪，这是 一个可测量，因而补偿效果及其鲁棒性可以通过离线或者实时修正圪得到 保证。 6 .2 . 1 定 子 电 压 定 向 （^ 乂。） 的 矢 量 控 制 改 进 方 案 若采用图6 ~ 8 所而的定子电压定向，则有〜 ^ 1^ 751 ：0 ，178 十 】0 ，式 〔6 - 6 〉可以写成如下扣分量的形式 ^6 一6 〉 ^ 130 第 6 章双馈异步风力发电机的低电压穿越运行7 图 6 - 8 3 轴定子电压定向的矢量图 令 认’ 一 冗 色1 为消除静差应引入积分环节，则 式 可 视 为 改 进 转 子 电 流 控 制 器 的设计依据，于是有 61~ 士 ― 4 言 十 、 “ ；一。 仏 式中，6 、0 、^ 轴的转子电流参考指令值；‘ 、I 为转子电流控制器的 比例、积分系数。 将 式 〔6 - 7 〉和 式 巧 - ^ ) 代 人 式 … - ” ，可得 0 0 0 转子侧变换器所 需输出电压参考值为 [ … ( 已一川） 式中 V 131 \并网双馈异步风力发电机运行控制 根 据 式 （^ - 川 ） 可得计及定子励磁电流动态过程的定子电压定向 ( ^ ) 改进矢量控制框图，如图 6 - 9 所示。图中， 十〗\ 1。与传 统定子电压定向矢量控制相比，改进控制方案引入了定子励磁电流的微分项 作为补偿项，它在传统控制中则被认为 零而被忽略，即 V』^ 0 ，11^ 二0。 6 . 2 . 2 定 子 磁 链 定 向 （^ 柯)） 的 0 ？1 0 矢量控制改进方案 若采用图6 - 1 0 所示的定子磁链定 向 ， 即少4 ^ I 也 丨 二 么 ，1 / ^ = 0 ， 1^ 3 二1 十】0 ，则 式 （^ - 己） 可 以 写 成 如 图 6 - 1 0 4 轴定子磁链定向的矢量图 下扣分量的形式为 ^ 5 (石 -⑴ 将 式 ( ^ - ^ ) 和 式 ( ^ - ^ ) 代入式 (^-^),可得定子磁链定向时转子侧变 换器控制所需输出电压参考值为 ‘ 132 ^ 第 6 章双馈异步风力发电机的低电压穿越运行7 [以 二 二 以二 ~ ^ 0-1 ,1^ 十以必 ； [ … \ (卜 口 ) + 1 尺& 十 ^ ^ 8 1 1 ^ ^ 1 十^ 2 ^^ 2 - 尺大!0 式中 1 : 1 ^ 2 - 尺、 - ⑴冲》 根 据 式 （。- ：^) ，可得计及定子励磁电流动态过程的定子磁链定向 ( & 0 〉改进矢量控制框图，如图6 - 1 1所示。图中，仏# ^ “ 2 十〗〜2。与传 统定子磁链定向矢量控制相比，改进控制方案引入了一个定子励磁电流微分 的补偿项，它在传统控制中被视为零而被忽略，即 & 2 = 0 ，1^2 二0。 图 6 - 1 1 计及定子励磁电流动态过程的定子磁链定向（^!^)改 进 矢 量 控 制 框 图 6‘ 3 运行仿真 为了验证改进矢量控制方案对于提高电网电压跌落下01^ ；不脱网运行能 力的控制效果，在於人丁1 2 8 4 丨皿丨吐环境下建立了一台1 5 从诹变速恒频 1)^ 10风电系统的仿真模型。 0710运行转速为1.2 ( ^ ) , 38 时刻电网电压幅值由1 ( … ）跌落至 ^ 133 ^ 图 6 - 1 2 电 网 电 压 幅 值 跌 落 下 传 统 和 改 进 定 子 电 压 定 向 矢 量 控 制 的 仿 真 结 果 1 一传统控制方案；2—改进方案 \并网双馈异步风力发电机运行控制 0.85 ( ^ ) , 持续时间为0.23。针对这种电网电压跌落故障，分别采取定子电 压定向和定子磁链定向方式，对传统矢量控制及改进控制方案进行了仿真对 比，如图6 - 1 2 和图6 - 1 3 所示。 ^ 134 第 6 章双馈异步风力发电机的低电压穿越运行7 0.8 2.9 2.95 0.2 (过) , 0.1 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 2.9 2.95 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 兮 -0 .1 ⑷ 5 - 0.2 ~0’3 ^0.42.9 2.95 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 1 .23 04匕 匕 I I I ( 鸟 \ 3 1.9 2.95 莒 一0.8 (幻呑 - 0.9 - 1.1 一 1.2 2.9 2.95 1400 〉 1300 (^) ^ 1200 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 1000 2.9 2.95 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 时间4 图 6 - 1 3 电 网 电 压 幅 值 跌 落 下 传 统 和 改 进 定 子 磁 链 定 向 矢 量 控 制 的 仿 真 结 果 1 一传统控制方案；2—改进方案 可以看出，两种定向方式下传统矢量控制对于电网电压跌落故障发生及 恢复时刻均有相似的动态响应，而改进方案的响应过程也很类似。 ^ 135 ^ \并网双馈异步风力发电机运行控制 而从图6 - 1 2 (^ ) )、( ^ ) 和图6 - 1 3 ( … 、 ( ^ ) 可以看出，改进控制方 案下转子电流波动的幅值比传统控制下小得多，表明改进方案可对转子电流 实现有效的控制，抑制了故障时转子及转子侧变换器的过电流冲击。 由图6 - 1 1 ( ^ ) 、( ^ ) 和图6 - 1 2 ( ( ^ )、 ( ^ ) 可以看出，改进控制下的 转子输人电压要比传统控制下的大一些，这是因为改进控制就是在传统控制 的基础上加了计及定子励磁电流分量变化的补偿量，这也说明转子电流的有 效控制是在增加转子控制电压的基础上实现的。 由图6 - 1 1 ⑴ 、( ^ ) 和图6 - 1 2 ⑴ 、( ^ ) 还可以看出，改进控制方案 并不能使转子侧变换器馈入01^；的功率减少，所以对于直流母线电压的稳定 也没有什么太大的帮助。 由图6 - 1 1 ( ^ ) 和图6 - 1 2 ( ^ ) 可以看出，改进控制方案下电磁转矩的 波动幅值减小，也不再出现突变，有效地减小了对风电机组转轴系统机械应 力的冲击，这对延长风电机组机械系统的工作寿命很有帮助。仿真研究中转 子变换器分别使用传统和改进的定子电压定向、定子磁链定向不同控制策略， 但网侧变换器则固定采用图4 所示的基于4 轴电网电压定向的控制方案。 研究结果表明，在较轻度电网电压对称跌落故障下，转子变换器不同控制策 略对网侧变换器控制性能的影响不大。 6 ^3 基于 0 0 ^ 13狀保护装置的低电压穿越运行【178〕 鉴 限 容 量 的 转 子 侧 变 换 器 对 0 0 0 只有部分控制作用，为了在外部电 网 电 压 跌 落 时 实 现 0 0 0 风电机组的低电压穿越运行，必须采取相应的保 护措施，首先确保转子励磁变换器的安全，同时协助故障电网的恢复。为了 使流过转子侧的电流和直流环节电压被限制在安全范围之内，对此可采取两 种保护措施。 0 〉针对转子侧过电流，可采用如图6 - 6 (^)所示的转子侧交流 一! '装置，使转子电流从变换器中转移出来，并同时短接转子绕组使0 0 0 作 为笼型异步发电机继续运行。 〈2〕针对直流环节过电压，可以采用如图6 - 1 所 示 的 直 流 装 置 ， 通过其中阻尼电阻来释放直流母线电容上的过电压能量，将直流电压限制在 两侧变换器功率开关器件允许的安全范围之内，发电机仍处于01^ ；发电运行 状态。 风电机组配置有转子侧、直流侧0 x ^ -1 ' 装置后，其有效控制十分 关键。对此需要研究转子侧交流0 。“ ^ ：装置切除时刻对01^ ；风电机组的冲 击和外部电网电压恢复的影响，分析转子侧、直 流 侧 装 置 的 协 调 配 ^ 136 ^ 第6 章双馈异步风力发电机的低电压穿越运行7 合 ，讨论 0 x ^ 1 ^ ' 装置中串联限流电阻的计算及对运行性能的影响，并在此基 础上改进电网故障下网侧变换器的控制策略，进而探索出一种改进的0 0 0 低 电 压 穿 越 运 行 技 术 。电网故障条件下，基于电 网 （定子〉电压定向 的 励 磁 用 网 侧 、转子侧变换器联合控制原理框图如图6 - 1 4 所 示 ，配置交、直流 0x^1^！' 装 置 的 风 电 系 统 电 路 结 构 如 图 6 - 1 5 所示， 可以采！仿真的手^ 研究。 图 6 - 1 4 基 于 电 网 （定子〉 电压定向 的 0 乃0；励磁用网侧、转子侧变换器联合控制原理框图 仿真条件设置为: ^ 137 ^ \并网双馈异步风力发电机运行控制 〔0 1= 0. 4 8时刻，图 6 - 1 5中 风 电 机 组 并 网 变 压 器 一 次 侧 的 25” 电力系统发生三相交流故障， 机端电压跌至0丨15 (…），又在 0 .7 3时刻 被清除。 ( 幻 网 侧 、转子侧变换器均采用3 1^1化 醒 3X11？ 120308172 - 2 0 贾乂3 功 率模块作为开关器件，其电压、电流额定值为1 7 0 (^ /1 2 0 0 1 过电流可达 1250“ 179】，据此，可设定当转子侧变换器峰值电流超过1.47 ( ^ ) 时，交流 ' 装置被激活投入；而当直流母线电压超过1560乂 时，直流 0 0 抓1 ^ 投入、低 于 1260V 〈 11^ 时自动切出。 0 已有研究表明，电压跌落后果的严重性与故障发生时0 0 0 转速和输 出有功功率有关，最严重后果发生在故障前01^ ；转速和定子输出有功功率均 达最大值时〔135〕。故仿真中分别设机组转速为1.22 ( …）、定子输出有功功率 为 1.0 ( ^ ) , 而 输 入 的 机 械 功 率 保 持 1.0 ( ^ ) 不变，网侧和转子侧 变换器的无功功率参考值均设定为零。 ( 句 交 流 装 置 电 阻 设 定 为 圪 二 0.04 (^) ,考虑两种不同切除控 制方案： 方案一：在电网电压恢复前的I 68时 刻 切 除 转 子 侧 交 流 装 置 ; 方案二 ：在 电 网 电 压 恢 复 后 的 88时刻切除转子侧交流0 0咄肛装置。 I ------------------1 47爾 ^725〜 图 6 - 1 5 配置交、直 流 装 置 的 口 耵 。风电系统示意图 两种方案的仿真结果分别如图6 - 1 6 和图6 - 1 7 所示。从 图 6 - 1 6 ( ^ ) 可以看出，交流电网故障出现后，立即产生出很大的转子过电流，随之在 0^ 4048 时刻交流0 0 “ 3虹装置被激活投人，短路转子绕组并封锁转子侧变换 器 ，保护了变换器免遭过电流损害。交 流 00^331' 装置动作期间，0 0 0 以并 网笼型异步发电机形式工作，其运行转差率约为0 .22，故吸收了较多的无功 功率导致0 1^；定 子 侧 电 压 进 一 步 这 就 说 明 ， 際籍手^ ^ 网中持续吸收无功功率\致使交流电 风力机 575^ /1.51^ 1^ 0.1251X114 交流0 0 ^ 3 1 '装置 直流0 0 ^ 3 1 '装置 10 000)1？ 厶0从乂八7470 575 /^25^ 交流故障 转子侧 变换器 网侧 变换器 滤波器 有功功率301；；\^ 容性无功功率150匕31 第 6 章双馈异步风力发电机的低电压穿越运行7 网电压难以恢复。方案一中，交 流 （^ … 肛装置在交流故障清除前100挪 的 0卞8 日^ 5 ^ ，这样在 I 6 ~0 ‘ 73期间内因转子侧变换器已重新投人工 作，转子电流可被控制在安全范围之内。然而从图6 - 1 6 ( ^ ) 可以看出，在 0.78时刻电网电压恢复时，又有约2.26 (^)的很大瞬时电流流过转子侧变 换器，此 时 如 转 子 装 置 未 被 激 活 ，直流环节电压随之将迅速增大至 1890乂，高于设定的保护值，如图 6 - 1 6 ( ^ ) 所示。这个事实揭示，电网电 压恢复时刻，更应关注转子严重过电流和直流环节过电压，谨防转子侧 0(^1331装置的再次投入。 为 了 防 止 电 网 电 压 恢 复 时 转 子 装 置 的 再 次 动 作 ，可以采用转子侧 交流 0 0 : ^ 1 装置长时投入的工作方式，即直至电网故障消除后才切除交流 0 0 一^ 1 '装置的方案二，其运行结果如图6 - 17所示。从中会看出，这种低电 压穿越运行控制方式成功的关键将是0 0 ^ 装置串接电阻圪的阻值优化。 在方案二的运行仿真中， 装置在电网恢复1001118 后 的 丨 88 时 刻才被切除，随即转子侧变换器投入工作。由图6 - 1 7 ( ^ ) 可见，切除转子 00^^11' 装置时，直流环节电压幅值仅为1354乂，低于设定的阈值，但转子侧 变换器电流幅值会升为1.50 ( ^ ) , 高于保护阈值。此外，由图6 - 1 7 ( 匕）、 ( ^ ) 可见，从 0 .78电网电压恢复到0 .88时转子0 。 切除、转子侧变换器 投入工作的一段时间内，由于转子端部.仍然被 0 洲一I 装置短路，0510仍将 吸收1 1 1； 15 ( ^ ) 的无功功率，致使电网故障清除后定子侧电压仍然维持在 0. 66 ( ^ ) 的 较 低 值 7 東两电压未得以恢复，如图6 - 1 7 ( ^ ) ) 所示。 在设定的功率器件电压、电流保护阈值下，电网电压恢复过程中如果 仍按方案一控制，直流环节电压和转子侧变换器电流实际上均超过了阈值， 表 明 0x^13肛装置切除失败；同样，电网电压恢复过程中如果仍按方案二 运行，转子变换器电流亦超过阈值，0 0 “ ^ ！' 装置也切除失败。因此，有 必要在方案二的基础上，进一步研究0 04 狀 装 置 串 接 电 阻 圪 对 低 电压穿越运行的影响，通 过 获 得 优 化 的 坎 值 来 确 保 ' 装 置 的 成 功 切除。 图 6 - 18为按方案二在选用不同圪值时的仿真结果，从中可以看出： 1 ：！随着圪阻值的增加’ 从 电 网 恢 复 到 装 置 切 除 期 间 从 电 网吸收的无功功率在减小，如图6 - 1 8 ( ^ ) 所示。这是因为随着所串联电阻 的增大，0510转子内功率因数获得改善，使得在^ 0 . 7 〜0 .83时间内0 耵0 定子端电压恢复较好。但由于01^；定子侧仍需吸收一定的无功功率，机端电 压并不能得到完全恢复，如图6 - 1 8 ( ^ ) 所示。 ⑶ 随着7？。阻值的增加，故障发生后，转 子 侧 0 ^ 4 & 装置投人瞬间， 0 ^10转子短路电流变小；而在： 88 的 装 置 切 除 时 刻 0110转子电 ‘ 139 ^ \并网双馈异步风力发电机运行控制 流和转子侧变换器电流得到较好的抑制，避免了 ' 装置的再次投人，如 图 6 - 1 8 ⑷ 所 示 。 故障期间，通过串联电阻圪可使故障功率被快速耗散，同时也提高 了作为并网笼型异步发电机运行时的功率因数，有助于交流电网电压的恢复， 如图6 - 1 8 ( ^ ) 所示。但当圪选值太大之后功率因数提高并不明显，反而导 致电网电压恢复时刻的电磁转矩波动加大，如图 6 - 1 8 ( ^ ) 所示；此外，7？。 阻值选取需考虑防止转子侧电压超过直流侧电压，还要考虑与故障持续时间 有 关 的 装 置 电 阻 坟 发 热 问 题 。 为了说明0 0 “ ^ ！'装 置 电 阻 圪 大 小 对 风 电 系 统 低 压 穿 越 运 行 的 影 响，表 6 - 1 对图 6 - 1 8 仿真结果中的几个关键参数进行了归纳。不难发现， 当圪二 1.0 ( ^ ) 时 0 乃0 风电系统穿越运行和恢复情况相对较好，故可选取 4 = 1 . 0 ( ^ ) 进行深入研究。 表 6 - 1 转子侧交流 0 0 ^ 1) 31' 装置，不同阻值时低电压穿越运行性能比较 0『0\\13虹 装置 电阻 4 ( ^ ) 0^ 7 ~ 0^ 83 时刻 定 子 电 压 ( ^ ) 0.1 ^ 0^ 85 时 刻 无 功 功 率 ( 吸收〉 （…） 010^&I 装置 切除时的转子 电 流 （…） 电网恢复时 的转矩波动幅 度 ( …) 直流过电压峰 值/ 乂（故障发生 0^ /01*0^ 13&I 装置 清除时〉 0 ^ 1 0 ^ 62 1. 15 1.50 - 0 ‘ 57 1465/1362 0.5 0 ^ 85 0 ^ 80 1.35 - 1.33 1254/1225 1.0 92 0，48 1.28 - 1.48 1250/1300 2 .0 0 ^ 94 0 ^ 43 1.25 - 1.56 1251/1310 在采用方案二且选取1 = 1.0 ( ^ ) 的条件下，从电网故障清除到交流 ' 装置切除这段期间内，网侧变换器作输出无功补偿控制，其仿真结 果如图6 - 1 9 所示。图中，1=0. 7 ~ 0丨8 8期间，网侧变换器无功功率参考 值 设 置 为 二 么 。这样，虽 然 0耵0 定子吸收了 0.48 ( ^ ) 的无功功率， 但网侧变换器向电网输出了 0.45 ( 押）的无功功率，补偿结果使得整个机组 从电网吸收的无功功率接近于零，促使机端电压幅值得到比较完全的恢复 [ - 1.0 ( 押）] 。此外，转子侧变换器在1 = 0 . 8 3 时刻恢复工作后，可控制直 流环节电压和转子电流峰值分别为1325乂 和 1.35 ( ^ ) ,均 小 于 设 定 的 保 护 值 ，确保不会再次激活0 (^ 1 ^ ' 装置的投人，且 整 个 0！^ ；风电系统能在 1001115内恢复至正常工作状态。 ^ 140 第 6 章双馈异步风力发电机的低电压穿越运行7 00 0.5 0 ^0.5 0.5 0 义 - 0.5 一 1 0.3 0.4 0.6 0.7 1 时间化 图 6 - 1 6 电网电压对称跌落至157。额定值、采用方案一的运行结果 时刻：①故障发生；② 交 流 虹 装 置 投 人 、转子侧变换器停止工作；③ 交 流 狀 装 置 切 除 、 转子侧变换器重新工作；④故障切除。 波形 ： （“ 251^ 侧 三 相 电 压 （押 ） ； ( ^ ) 575乂 侧 三 相 电 压 （… ）； ( ^ ) 转 子 侧 变 换 器 电 流 （… ）； ( ⑴ 转 子 绕 组 电 流 （巧）； ( ^ ) 直流 环 节 电 压 （乂）； “ ）电 磁 转 矩 （… 〉；(^)定子有功功率 ( ^ ) ； ( 卜）定子无功功率（押）；（丨）总 有 功 功 率 （押）； ( ^ ) 总 无 功 功 率 （押 ）；(^)网 侧 变 换器有功功率 （^ ) ; ( 丨）网侧变换器无功功率（巧 ）。 ^ 141 \并网双馈异步风力发电机运行控制 1.5 ⑷ 0 -1.5 1.5 ㈨ 0 ― ^一 一 1.5 2.5 1.47 1. ^ ~ 、- 、- | 1 ^数 纖 瞧 # 1 1 1 1 * 1 隱 -1.47 一 2.5 ① 1 ^ ^ - 一 : 1 ― . I 0.4 时间么 0.7 0.8 图 6 - 1 7 电网电压对称跌落至150/ 0额定值、采用方案二时的 运 行 结 果 〈时刻和波形说明同图6 - 1 6 〉 142 ^ 第 6 章双馈异步风力发电机的低电压穿越运行7 ：: ① |②^ ④、卜 ③+ 0.5---------------1 \ ---------- ^二- -------------------------- ---------------------- 图 6 - 1 8 电网电压对称跌落至157。额定值、采用方案二， 不 同 圪 阻 值 时 1^11丁运行结果，图中箭头表圪阻值增大 时刻：①故障发生；② 转 子 交 流 投 入 、转子侧变换器停止工作；③ 转 子 交 流 ' 切除、 转子侧变换器重新工作；④故障切除。 波形： （^ ) 2 5 1 ^相电压幅值（押）； ( ^ ) 575乂相电压幅值（押）；( ^ ) 最大转子电流幅值（叫）； ( ^ ) 转子侧变换器电流幅值（巧）；( ^ ) 直流电压〈V 〉；（丨）电磁转矩（⑷）；(^)定子有功功率 ( ^ ) ; ( ^ ) 定子无功功率（押）；（丨）总有功功率（叫）；（彳）总无功功率（…）；(^)网侧变 换器有功功率（押〉；（丨）网侧变换器无功功率（⑷）。 ^ 143 \并网双馈异步风力发电机运行控制 时间作 图 6 - 1 9 电网电压对称跌落至157。额定值、采用方案二且圪二 1.0 ( ^ ) , 网侧变换器在〖 7 〜0丨88 时刻作无功补偿时的V II丁运行结果 〈时刻及波形说明同图6 - 1 6 〉