基于微电网的双馈风机低电压穿越策略研究

赵化峰，郭权利

(沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136)

基于微电网的双馈风机低电压穿越策略研究

赵化峰，郭权利

(沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136)

提出了一种基于微电网的风机动态无功发生策略，以提高双馈风力发电机的低电压穿越能力。策略包含风机网侧换流器、风机机侧换流器两部分。网侧换流器策略是令网侧换流器工作于STATCOM模式以达到为电网进行动态无功补偿的目的；机侧换流器策略是以恒功率因数模式向电网提供无功功率。试验结果表明，本策略可以在故障发生后使机端电压由110 V左右提升至300 V左右，并抑制直流母线电压的骤升，减小暂态过程对风机系统的危害，提高风机的低电压穿越能力。

双馈风力发电机；动态无功发生策略；微电网；低电压穿越

微电网作为一种消纳分布式电源的有效手段，具有着极大的发展潜力。风力发电机作为其中重要的组成部分，是否能够实现低电压穿越(low voltage ride-through，LVRT)关系到整个微电网，特别是孤岛运行模式下微电网的稳定。

双馈异步风力发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)是目前变速恒频风力发电机组的主流机型，但因为其变流器容量比较小，所以对电网电压扰动的抵御能力也变得较弱，因此此类机型要实现低电压穿越难度较大[1]。针对我国风电并网的LVRT要求[2]，国内学者已经对DFIG的LVRT技术进行了大量研究。研究大致分为两个方向：一种是对现有的矢量控制策略进行改进[3]；另一种则是通过增加硬件改变电路结构来实现LVRT。改进矢量控制策略方法的优点是不用增加额外的设备投资。通过增加硬件的方式实现LVRT，其优点主要有：①在电压跌落非常严重的情况下也可以实现LVRT[4]。如C. Zhan 和P. S. Flannery 等人提出使用一个额外的电网侧串联变换器来提高DFIG机组的LVRT能力的方法甚至可以实现零电压穿越[5-7]；②可以吸收风电机组上由于电压跌落而无法及时送出的电磁功率。如增加转子侧撬棒电路，这一做法也是目前ABB、GE等制造商普遍采用的方法。本文提出了一种基于微电网的风机动态无功发生策略，以提高双馈风力发电机的低电压穿越能力。

1 控制策略

1.1 概述

当系统发生电压跌落时，网侧换流器工作于STATCOM工作模式，为系统提供动态的无功支撑，机侧换流器则以恒功率因数的方式工作，通过人为给定功率因数的方式从定子侧向电网发出无功功率。当直流母线电容稳定后，储能装置工作于放电状态，为换流器供电。

1.2 网侧换流器控制策略

在传统的矢量控制策略中，通常设定电网与网侧换流器间没有无功交换。但在故障状态下，为了实现风机的LVRT，需要网侧换流器对电网进行一定的无功补偿，由于故障情况繁杂，若仅依靠人工手动调节补偿量，必然影响响应速度，因此需要对传统的矢量控制策略进行改进。由于DFIG网侧换流器结构类似于STATCOM，故可在系统电压发生跌落时，令网侧换流器工作于STATCOM状态,使其根据电网电压动态调节无功发出量。

由网侧换流器等效电路可得三相静止坐标系下的电压方程：

(1)

式中：uga、ugb、ugc为电网三相电压；ua、ub、uc为网侧换流器三相电压；ia、ib、ic为网侧换流器三相电流；Rg、Lg为网侧换流器串联的电阻和电感。

经派克变换得到同步旋转坐标系下的网侧换流器电压方程：

(2)

式中：ugd、ugq为电网电压的直轴、交轴分量；ud、uq为网侧换流器电压的直轴、交轴分量；id、iq为网侧换流器电流的直轴、交轴分量；ωs为同步角速度；p为微分。

换流器直流侧电流方程：

(3)

式中：udc为直流母线电压；C为直流母线电容；idcs为网侧换流器直流电流；idcr为机侧换流器直流电流。

忽略换流器损耗有：

(4)

式中：m为网侧换流器调制系数。

由式(3)、式(4)可得：

(5)

由式(2)、式(5)，以及机端电压—无功电流变换控制方程，得到网侧换流器的控制方程：

(6)

式中：Kip为电流内环的比例调节增益；Kil为电流内环的积分调节增益；Kup为电压外环的比例调节增益；Kul为电压外环的积分调节增益；Ksp为机端电压变换为无功电流的比例调节增益；Ksl为机端电压变换为无功电流的积分调节增益；角标中的ref表明该量为参考值。

控制框图如图1所示。

图1 改进的网侧换流器矢量控制策略

1.3 机侧换流器控制策略

风电机组为充分利用发电机容量多运行于单位功率因数。但目前，风电机组的利用率并不高，其中一部分容量处于闲置状态。因此，在系统发生故障时，可利用这部分剩余容量为系统无功补偿。在故障状态下，为了起到支撑系统电压的目的，需要风机定子向系统输出无功，因此有必要调整风机运行时的无功功率参考值。在传统的矢量控制策略中，需要人工给定无功功率参考值，本文则参考火电机组的运行方式，采取定功率因数的控制策略来实现定子侧的无功补偿。具体为风机运行时的功率因数初始值设置为0.95，之后可根据实际情况作适当修正。

异步发电机磁链方程：

(7)

式中：角标中的s表示定子变量；r表示转子变量；Ψdq为磁链矢量在直轴和交轴上的分量；L为绕组自感；Lm为定、转子间的互感。

取定子磁链矢量方向为同步坐标系的d轴，则定子电压将落在q轴上，则双馈风力发电机定子电压磁链方程：

(8)

在同步旋转坐标系下，机侧换流器无功功率方程为

(9)

式中：Qs为定子输出的无功功率。

将式(7)、式(8)带入式(9)可得：

(10)

由式(10)以及功率因数—无功功率换算公式可得风机机侧换流器无功功率外环控制方程：

(11)

式中：irdref为转子直轴参考电流；KQP为无功功率外环的比例调节增益；KQI为无功功率外环的积分调节增益；Qref为风机定子发出无功功率的参考值；Qs为风机定子实际输出的无功功率；Ps为风机定子实际输出的有功功率。

改动后的控制策略如图2所示。

图2 改进的机侧换流器矢量控制策略

2 仿真验证

为了验证本文提出的基于微电网的风机动态无功发生策略的正确性，以IEEE9节点系统和1台1.5 MW、500 kvar的双馈异步风力发电机为例，利用PSCAD进行仿真验证。分别以传统的矢量控制策略和本文提出的低电压穿越策略对换流器进行建模。风机运行风速为10 m/s，风能利用系数为0.28，定子饶阻为0.005 4 pu，转子绕组为0.006 07 pu。风机经变压器接入35 kV电网，故障设定为6 s时，35 kV母线发生单相接地故障，故障时间0.1 s。

采用本文提出的风机动态无功发生策略前，直流母线电容端电压波形如图3所示，在故障发生至故障切除前的一段时间内，直流母线电压急速上升。当故障切除后，直流母线电压下降，但仍无法在短时间内恢复稳定状态。

图3 采用动态无功发生策略前的直流母线电容端电压波形

采用动态无功发生策略前，风机机端电压瞬时值波形如图4所示。图中机端电压在发生故障的一瞬间急剧跌落，并在故障发生至故障切除的一段时间内继续跌落。从图5可以看到，在故障发生之后电压最低可跌至约110 V。

当使用动态无功发生策略时，机端电压瞬时值波形如图6所示。通过和图4比较可知，较使用此策略前，机端电压得到了有效提升，故障切除后的电压波动也得到了有效抑制。由图7可知，故障后电压最低值约为300 V。

图4 未采用动态无功发生策略的风机机端电压波形

图5 未采用动态无功发生策略的风机机端电压有效值

图6 采用动态无功发生策略后的风机机端电压波形

图7 采用动态无功发生策略后的风机机端电压有效值

3 结束语

从仿真结果可以看到，使用本文提出的基于微电网储能装置的风机动态无功发生策略，可以在故障发生后使风机机端电压得到一定的提升，并有效抑制直流母线电压的骤升，减小故障切除后直流母线电压的波动幅度。从而起到降低定子、转子内的过电压、过电流以及稳定直流母线电压的作用，保护发电机绕组和换流器。与此同时，通过在系统故障状态下令风机向电网输出无功功率，使机端电压得到了一定的提升，从而使DFIG在低电压状态下的并网运行时间得到延长，达到可以提升DFIG低电压穿越能力的目的。

[1] 梁纪峰，戎士洋,齐 全，等.大型风电集群无功电压特性研究[J].东北电力技术，2015, 36(2)：35-37.

[2] 陈 雷，常加辰.应用于风电场的MMC-STATCOM控制策略研究[J].东北电力技术，2015,36(4)：1-5.

[3] 胡家兵，孙 丹，贺益康，等.电网电压骤降故障下双馈风力发电机建模与控制[J].电力系统自动化，2006，30(8)：21-26.

[4] 操瑞发，朱 武，涂祥存，等.双馈式风力发电系统低电压穿越技术分析[J].电网技术，2009,33(9)：72-77.

[5] 贺益康，周 鹏.变速恒频双馈异步风力发电系统低电压穿越技术综述[J].电工技术学报，2009,24(9)：140-146.

[6] Xiang Dawei, Li Ran. Control of a doubly fed induction generator in a wind turbine during grid fault ride-through[J]. IEEE Transaction on Energy Conversion, 2006, 21(3): 652-662.

[7] Zhan C, Barker C D. Fault ride-through capability investigation of a doubly-fed induction generator with an additional series-connected voltage source converter[C]. Proceedings of the 8th IEE International Conference on AC and DC Power Transmission, 2006: 79-84.

出版物上日期、时间、时刻的表示

1 全数字式日期表示法

①一个全数字式日期由时间元素“年、月、日”组成。

②一个全数字日期应按如下顺序表示：即年、月、日。

③全数字日期只允许用阿拉伯数字表示，即“0，1，2，3，4，5，6，7，8，9”。如果需要，也可使用分隔符。

④时间元素的表示：年用4位数表示；月用2位数表示；日用2位数表示。

⑤1981年8月24日可表示为如下形式之一；

19810824(不用分隔符)；1981-08-24(用连字符分隔)；1981 08 24(用间隔字符分裂隔)。

2 时间、时刻的表示

①表示时间。例如：“今天植树共用了1 h 30 min 30 s。

②表示时刻。例如：“1959年10月23日10时53分10秒。”“明天上午9 h 30 min”。

③“星期(周)、月、年”不是时间的法定计量单位，但仍可按习惯使用。

3 日期与时间的组合表示

当日期与时间的表示组合时，其时间元素应按如下顺序排列：年、月、日、时、分、秒。

例如：当阳历日期1981年8月25日与时间14时12分36秒组合时，可表示为“19810825141236”(在数据处理系统之间交换时用)；或“1981-08-25-14:12:36”(便于人们理解)。

4 a(年)、d(天)、h(小时)在叙述文中的用法

①电台每天播放18 h。

②每隔1～2 a，举办1次国际学术讨论会。

③3 d后，我们去北京。

需要说明的是，以上用法只是作为一种可以表述的方法提出来，目前并不着意强调其使用。

摘自《量和单位的使用原则及方法》

Research on Control Strategy to Improve Low Voltage Ride-Through Capability of Double Fed Induction Generator Based on Microgrid

ZHAO Huafeng, GUO Quanli

(School of Electrical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang， Liaoning 110136，China)

A strategy of dynamic reactive power is proposed which can improve low voltage ride-through capability of double fed induction generator.The strategy includes two parts which is grid-side converter control strategy of wind turbine and rotor-side converter control strategy of wind turbine. In grid-side converter control strategy, the grid-side converter works at STATCOM mode to compensate reactive power dynamically for power system. In rotor-side converter control strategy, the rotor-side converter provides reactive power to power system with constant power factor. The results show that the strategy improves the terminal voltage of wind turbines from 110 V to 300 V and a sudden rise of DC bus voltage can be inhibited. This strategy decreases the damage of transient process to wind turbines and improves low voltage ride-through capability of double fed induction generator.

double fed induction generator; dynamic reactive power provide strategy; microgrid; low voltage ride-through

TM614

A

1004-7913(2017)02-0005-04

赵化峰(1990)，男，硕士，研究方向为智能电网、微电网控制策略、保护技术及电能质量。

2016-12-01)