雙饋風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)嚴(yán)重故障下的勵(lì)磁控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著風(fēng)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和并網(wǎng)規(guī)范的日趨嚴(yán)格，低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)能力成為并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的一項(xiàng)必備要求。在多種風(fēng)電機(jī)型中，雙饋機(jī)組(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)因具有變流器容量小、成本低等優(yōu)點(diǎn)而成為近十年來(lái)的主流機(jī)型，不過(guò)其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其LVRT較為困難。目前，一般采用附加撬棒電路的方案來(lái)實(shí)現(xiàn) LVRT，但撬棒投入期間機(jī)組不再受控并帶來(lái)吸收無(wú)

2、功、電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等問(wèn)題，同時(shí)安裝撬棒電路還會(huì)增加機(jī)組的硬件成本。因此，研究雙饋風(fēng)電機(jī)組的無(wú)撬棒LVRT技術(shù)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　在不借助撬棒等附加硬件的情況下，要實(shí)現(xiàn)LVRT只能通過(guò)優(yōu)化變流器的勵(lì)磁控制算法來(lái)提高現(xiàn)有硬件的利用效率，從而在并網(wǎng)規(guī)范要求的所有電網(wǎng)故障下都避免變流器過(guò)壓過(guò)流。目前，基于優(yōu)化控制算法的LVRT方案在穿越電網(wǎng)輕度故障時(shí)已取得不錯(cuò)的控制效果，但在穿越電網(wǎng)嚴(yán)重故障時(shí)尚存在一些困難。在此背景下，本文圍繞

3、著雙饋風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)嚴(yán)重故障下的LVRT勵(lì)磁控制技術(shù)展開(kāi)研究：
　　1)鑒于雙饋機(jī)組 LVRT期間的變流器過(guò)壓過(guò)流問(wèn)題主要是由故障期間的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(Electromotive Force, EMF)引起，本文研究了計(jì)及轉(zhuǎn)子電流影響的EMF暫態(tài)特性，并結(jié)合典型MW級(jí)雙饋機(jī)組參數(shù)量化了EMF暫態(tài)特征受到勵(lì)磁調(diào)控影響的范圍，為后續(xù)章節(jié)以EMF為起點(diǎn)研究變流器容量約束下的勵(lì)磁控制奠定理論基礎(chǔ)。
　　2)鑒于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(Roto

4、r-side Converter, RSC)有限的容量是電網(wǎng)嚴(yán)重故障時(shí)勵(lì)磁控制的主要約束條件，本文提出了一種求解 RSC電壓輸出能力被充分利用時(shí)對(duì)應(yīng)最小故障電流的計(jì)算方法，用于評(píng)估變流器容量約束下的勵(lì)磁控制LVRT最大能力。首先拋開(kāi)具體的控制方法，分析了 EMF超過(guò)直流母線電壓時(shí)的轉(zhuǎn)子電流時(shí)域行為，得到了RSC輸出電壓在不同時(shí)段應(yīng)具有什么樣的特征才能使轉(zhuǎn)子電流的峰值最小化；基于該時(shí)域分析，提出了故障電流最小峰值的計(jì)算方法并推導(dǎo)出該峰值與

5、電網(wǎng)故障、機(jī)組參數(shù)、故障前初始工況等多種因素的解析表達(dá)式。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，同時(shí)也證明了該最小峰值可以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)前述計(jì)算，從兩個(gè)方面評(píng)估了勵(lì)磁控制的LVRT極限：1)給定機(jī)組硬件下所能穿越的最大故障深度，2)穿越某一電網(wǎng)嚴(yán)重故障所需的變流器最小容量。該結(jié)果可為雙饋機(jī)組變流器的容量設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。
　　3)針對(duì)電網(wǎng)嚴(yán)重故障時(shí)需改進(jìn)控制指令才能維持系統(tǒng)可控而現(xiàn)有指令改進(jìn)方法依賴磁鏈觀測(cè)的問(wèn)題，本文提出了無(wú)需磁鏈觀測(cè)的電

6、流反向跟蹤控制來(lái)生成合適的暫態(tài)控制指令。首先分析了 RSC輸出電壓約束下的系統(tǒng)可控運(yùn)行范圍，指出在電網(wǎng)嚴(yán)重故障時(shí)轉(zhuǎn)子電流指令中應(yīng)包含有一定的暫態(tài)、負(fù)序故障分量才能維持系統(tǒng)可控；然后利用并網(wǎng)DFIG定轉(zhuǎn)子電流之和基本恒定的固有特性，提出了控制轉(zhuǎn)子電流以一定比例系數(shù)跟蹤定子電流的控制方法。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的跟蹤系數(shù)使對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子電壓電流的幅值都限定在 RSC容許范圍內(nèi)從而維持系統(tǒng)受控，不僅可在電網(wǎng)嚴(yán)重故障下抑制變流器過(guò)壓過(guò)流，還可抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

7、仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。
　　4)針對(duì) LVRT期間電流指令和擾動(dòng)都異于正常工況導(dǎo)致電流內(nèi)環(huán)難以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確跟蹤控制指令的問(wèn)題，本文提出了一種利用電流指令和 EMF構(gòu)成復(fù)合前饋的控制方法來(lái)提高電流環(huán)的跟蹤控制能力。首先將通常以數(shù)學(xué)形式存在的比例-積分-微分(PID)等控制器轉(zhuǎn)化為由電阻、電容、電感等元件構(gòu)成的串并聯(lián)支路，再與主電路中的電氣元件組合，建立了電流閉環(huán)控制系統(tǒng)的等效電路模型，然后從電路角度直觀分析了控制器結(jié)構(gòu)及參