电网故障下交流励磁双馈风力发电机变流器建模与控制

易 宏，蒋铁铮，徐蓓蓓，曾 翔

(长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114)

0 引言

近年来，风能作为清洁能源倍受关注，随着风电并网装机容量的不断增加，风电在电力系统中的地位发生了明显的变化，大容量的风电场并网运行对电力系统的影响将不容忽视[1]。在各种类型的风力发电机组中，交流励磁的变速恒频双馈风力发电机 (DFIG)以其调速范围宽、可以实现最大风能追踪以及有功功率和无功功率可在四象限独立调节等优点，取代了传统的恒速恒频异步发电机[2]。采用交-直-交双脉宽调制 (PWM)变换器容量较小，转速范围限制在0.75%～1.25%(标幺值)时，转子侧变频器的容量一般仅为25% ～35%的发电机额定容量[3]。

实际系统运行过程中，电网故障引发的电压骤降是一种比较常见的故障类型。当故障发生导致定子电压的骤降时，因为转子侧变换器相比发电机容量较小，对发电系统的控制能力有限，必然引起转子过电流和随之带来的变换器的直流过电压[4，5]。因此必须采取有效措施来限制故障时转子过电流及减小直流链的电压波动，并为系统提供一定的频率和电压支持，提高交流励磁风力发电机组不间断运行能力和电网运行的稳定性。

目前，大型MW级以上交流励磁的双馈感应风力发电机组，主要采用转子短路保护技术(Crowbar Protection)实现电网短路故障时发电机的不间断运行[6～8]。在该方案中，首先电网故障时保护电阻和励磁主回路的投切应该满足严格的时序要求，这就需要为Crowbar电路增加相应的硬件电路，必然会增加整个系统的成本，而且在故障过程中，严格把握好保护电阻和励磁主回路投切时间的关系，控制难度也会很大;其次电网故障时，由于切除了发电机变频器励磁电源，风力发电机作为感应电动机运行，必须从电网中吸收大量的无功功率进行励磁，更加不利于电网电压稳定，而且电网故障时，发电机的电磁转矩波动比较大，对风力机的机械冲击比较严重。当电网故障切除，风力发电机定子电压恢复正常时，电网侧变换器将重新投入以恢复直流链电容电压，在直流电容电压重新建立的过程中，直流链电压的波动将可能影响风力发电机重新投入正常运行时的励磁控制效果[8，9]。文献[10] 以双馈发电机的精确数学模型为基础，考虑了定子暂态励磁电流改进的励磁控制策略。仅从转子侧的变换器进行控制，电网故障时将产生转子功率变化，直流电容电压出现较大的幅值波动，必然对直流电容造成冲击，影响发电机的不间断运行控制效果。文献[11]所提出的当电网电压下降到一定值时，即将封锁网侧变换器，让电容与电网隔离，这时能量只在发电机转子和电容之间流动，通过控制策略抑制转子过电流来稳定直流电容电压。但由于PI的控制能力和电容的容量有限，当电网电压跌幅比较大时，转子的功率振荡剧烈，直流链电容电压也随之发生波动，从而影响发电机的运行。

考虑到上述情况，为了减小电网电压骤降下DFIG转子过电流和直流电容过电压的危害，对DFIG进行合适的控制十分重要。本文以变换器的数学模型为基础，从转子侧和电网侧变换器两个方面进行控制，确定了电网故障下，网侧变换器采用转子侧变换器输入瞬时电流波动为前馈量的前馈控制策略;对于转子侧变换器采用以DFIG精确数学模型为基础的定子磁链定向矢量控制策略。

1 双PWM变换器励磁的风力发电系统

图1所示为双PWM变换器励磁的变速恒频双馈风力发电系统。

图1 双PWM变换器励磁的风力发电系统Fig.1 Wind power generation system of dual PWM converter excitation

发电机的转子由两个完全相同的两电平电压型双PWM变换器通过直流母线连接起来。转子侧变换器一是给DFIG的转子提供励磁分量的电流，从而可以调节DFIG定子侧所发出的无功率;二是通过控制DFIG转子转矩分量的电流控制DFIG的转速，或控制DFIG定子侧所发出的有功功率，从而使DFIG运行在风力机的最佳功率曲线上，实现最大风能追踪 (捕获)运行。网侧变换器一是保证其良好的输入特性，即输入电流的波形接近正弦，谐波含量少，功率因数符合要求;二是保证直流母线电压的稳定，直流母线电压的稳定是两个PWM变换器正常工作的前提，是通过对输入电流的有效控制来实现的。在实际运行过程中，两个PWM变换器的工作状态经常发生变换，当发电机亚同步运行状态时，电网通过变换器向转子输入转差率的能量，转子侧变换器做逆变器运行，此时网侧变换器做整流器运行，当发电机超同步运行状态时，运行状态刚好相反。当发电机以同步运行状态时，电网向转子输入直流电流进行励磁，双PWM变换器实际作斩波器运行。根据转子侧变换器与网侧变换器工作状态完全可逆，和电路的拓扑结构也相同。本文以转子侧变频器以逆变状态运行，网侧变频器以整流状态运行。

2 双PWM变换器联合控制策略

2.1 转子侧变换器定子磁链定向矢量控制

为了最大限度的捕获风能，实现双馈感应风力发电机有功功率和无功功率的解耦控制，采用定子磁链定向的同步旋转d-q坐标系下的风力发电机数学模型。在定子磁链定向下，d轴与定子磁链矢量Ψs的方向重合，则定子磁链在d，q轴上分量为Ψsd=|Ψs|，Ψsq=0。则在定子磁链定向坐标系下，双馈感应风力发电机的转子电压为[9，10]:

式 (1)表明可以通过对转子电压进行前馈补偿来实现对发电机的解耦控制，前馈补偿项为:

代入 (1)式进行补偿后的电压和电流关系为:

磁链和电磁转矩方程如下:

定子输出有功和无功功率分别为:

式中:Vs，Vr分别为定转子电压矢量;Is，Ir分别为定转子电流矢量;Ψs，Ψr分别为定转子磁链矢量;Rs，Rr分别为定转子电阻;Ls=Lδs+Lm，Lr=Lδr+Lm分别为定转子绕组全自感，其中 Lm，Lδs和Lδr分别是定转子间互感、定子漏感和转子感;以上转子各量均为折算后的值;ω1为同步电角度;ωr为转子电角度;ωs=ω1-ωr为转差电角度。

图2 电网电压骤降下转子侧变换器控原理图Fig.2 Rotor converter control strategy diagram under stator voltage dip fault

式 (2)实现了转子电压、电流解耦控制，为消除d，q轴转子电压、电流分量间交叉耦合的补偿项。将转子电压分解为解耦项和补偿项后，既简化了控制，又能保证控制的精度和动态响应的快速性。得出如图1所示的控制框图，定子电压相角采用锁相环 (PLL)检测，设计良好的PLL可以消除定子电压谐波对电压相角检测的影响。

2.2 电网侧变换器的定子电压定向前馈控制

电压型PWM整流器在两相同步旋转dq坐标系下，采用定子电压定向的控制策略，d轴与定子电压矢量的方向重合，则定子电压在d，q轴上分量为Vsd=|Us|，Vsq=0。忽略功率器件的开通和关断损耗，整流器的高频数学模型可表示如下[12]:

从式 (5)中得出能解除d，q轴间电流耦合和消除电网电压扰动的控制方法，令

则式 (6)变为

式中:Ed，Eq分别为电网电动势在d，q轴上的分量;id，iq为馈入整流器的电流ia，ib，ic在d，q上的分量;L为进线电感;R为进线等效电阻。

当电网发生故障时，电网侧PWM变换器同时受到电网电压降落和负载侧电流波动两方面的扰动。直流母线电压的波动与负载电流iload的突变有直接的关系，转子侧变换器的输入电流对网侧变换器来说就是负载电流，因此，负载电流对于网侧PWM变换器来讲就是一个外部扰动信号。在传统的控制控制策略中，未引入负载电流前馈控制时，当负载电流发生突变时，则直流母线电压首先受到影响，偏离额定值，导致母线电压与设定的额定值的偏差增加，通过电压调节器的调节作用，只能在一定程度上逐步减小，直至消除这一偏差，系统再次进入稳定的状态。但是由于直流链电压调节环调节速度比较滞后，在负载电流突然增大的一段时间内，网侧整流器还不能提供负载消耗的能量。这时，直流链电容将释放其所储存的能量，和网侧变换器一起向负载输送能量。当负载电流突然减小时，由于网侧变换器所提供的能量超过了负载所要消耗的能量，多余的能量只有流向直流链电容，对其进行充电。正是这种输入与输出之间的动态过程不平衡，才造成了直流链母线电压的上下波动。如果电容的容量较小时，电压的波动就会比较大，就有可能有超出直流链电压的设置范围。

由以上分析可知，如果将三相整流器中电压外环的输出加上前馈分量，即网侧变换器所需的负载电流iload，因此，电压跌落时，电网侧变换器可采用电流内环控制，将转子侧变换器输入瞬时电流iload和直流电压PI调节器的输出一起作为网侧变换器的d轴电流给定值，而把定子电压的变化作为一个附加补偿量E*。这样电网侧变换器的d轴电流给定量和输入瞬时电流都将及时跟随转子功率变化，将直流链电压的波动限制在一定范围内。图3给出了定子电压跌落时电网侧变换器控制原理框图。

图3 定子电压跌落时电网侧变换器控制原理图Fig.3 Grid converter control strategy diagram under stator voltage dip fault

3 仿真分析

为了验证所使用的定转子变换器联合控制策略在电网电压骤降情况的有效性，本文在Matlab的Simulink软件环境下，与传统定子和转子侧的控制策略进行比较。传统的控制策略是网侧变换器没有考虑前馈控制，转子侧变换器忽略了转子电阻。图4所示为1.5 MW风力发电机组接入电网的系统图，建立了变速恒频双馈风力发电机组的仿真模型。风力发电机组的参数如下:

图4 含风电厂的电网系统图Fig.4 Grid system diagram connected with wind power plant

风力机:风轮半径R=17 m，额定功率1 600 kW，最佳风能利用系数Crmax=0.73，齿轮箱增速比N=6.254，空气密度r=1.25 kg/m3。

双馈感应发电机:额定功率1 500 kW，定子额定电压575 V，额定频率60 Hz，极对数3，定子电阻0.023 p.u.，定子漏感0.18 p.u.，转子电阻0.016 p.u.，转子漏感0.16 p.u.，互感2.9 p.u.，转动惯量0.685 p.u.，摩擦系数0.01 p.u.。

双PWM变换器:进线电感0.003 p.u.，电阻0.3 p.u.，直流电容电压1 150 V，电容0.01F，器件开关频率1 620 Hz。

图5给出定子电压骤降下，传统与改进控制策略的仿真波形。需要说明的是:

(1)网侧变换器按照功率因素为1进行控制。

(2)有功功率为正，表示发电机定子向电网输出有功功率;而无功功率为正，表示发电机从电网吸收的无功功率。

在0.1 s时电网发生对称性接地性故障，持续时间为0.1 s。定子电压降低至0.4 p.u.，如图5(c)所示，此时发电机输出的有功功率，由于没有及时输出而出现轻微的波动，然后迅速减小如图5(b)所示，发电机定子将从电网中吸收更多的无功功率来支持电压如图5(a)所示，从而导致定子侧产生过电流如图5(d)所示。进而引起转子侧电流的迅速增加，将导致直流电压的升高，以致发电机侧变流器的电流及有功、无功功率都会发生振荡。

当吸收的无功功率迅速增加和转子侧矢量控制使转子励磁电流迅速减小，这时要求双PWM变换器提供的瞬时功率也就相应减小，采用了转子侧瞬时功率反馈控制，能迅速传送到网侧变换器，这样输入电流也就减小，使得直流电压得到了稳定控制，保证了系统的安全运行。

如图5(e)所示，改进的控制策略更能有效控制转子冲击电流，转子电流的幅值得到了抑制，表明了改进的控制策略能有效防止故障时转子和转子侧变换器的过电流。

如图5(g)所示，改进的控制策略更能有效地控制直流链电压的幅值，表明了改进的控制策略可以有效控制防止故障时变换器直流电压波动较大而无法提供励磁功率支持。

如图5(f)所示，改进的控制策略更能有效地控制电磁转矩的幅值波动，进而有效的减小了风电机组轴系传动系统的机械冲击，因而对延长机械系统的寿命是非常有利的。

如图5(h)所示，改进的控制策略更能及时跟踪发电机转子功率的变化，能有效控制网侧变换器的输入电流，能更好地保护变换器，因此对延长变换器的寿命是非常有利的。

4 结论

随着风力发电在电网中的比重越来越大，电网在发生故障时风电机组的低电压穿越能力显得十分重要。本文设计的双馈风力发电机转子侧变换器输入电流波动，为附加前馈量的双环电压控制策略和转子侧变换器考虑定子磁链暂态的定子磁链定向控制策略联合起来控制，能在电网故障时有效控制转子电流和双PWM变换器的直流电压，保证了发电机的不脱网运行，提高了电力系统运行的稳定性和可靠性。

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