雙饋風電機組在電網(wǎng)嚴重故障下的勵磁控制技術研究.pdf

1、隨著風電的大規(guī)模開發(fā)和并網(wǎng)規(guī)范的日趨嚴格，低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)能力成為并網(wǎng)風電機組的一項必備要求。在多種風電機型中，雙饋機組(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)因具有變流器容量小、成本低等優(yōu)點而成為近十年來的主流機型，不過其自身結構特點使其LVRT較為困難。目前，一般采用附加撬棒電路的方案來實現(xiàn) LVRT，但撬棒投入期間機組不再受控并帶來吸收無

2、功、電磁轉矩脈動等問題，同時安裝撬棒電路還會增加機組的硬件成本。因此，研究雙饋風電機組的無撬棒LVRT技術具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
　　在不借助撬棒等附加硬件的情況下，要實現(xiàn)LVRT只能通過優(yōu)化變流器的勵磁控制算法來提高現(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壓過流。目前，基于優(yōu)化控制算法的LVRT方案在穿越電網(wǎng)輕度故障時已取得不錯的控制效果，但在穿越電網(wǎng)嚴重故障時尚存在一些困難。在此背景下，本文圍繞

3、著雙饋風電機組在電網(wǎng)嚴重故障下的LVRT勵磁控制技術展開研究：
　　1)鑒于雙饋機組 LVRT期間的變流器過壓過流問題主要是由故障期間的轉子感應電動勢(Electromotive Force, EMF)引起，本文研究了計及轉子電流影響的EMF暫態(tài)特性，并結合典型MW級雙饋機組參數(shù)量化了EMF暫態(tài)特征受到勵磁調(diào)控影響的范圍，為后續(xù)章節(jié)以EMF為起點研究變流器容量約束下的勵磁控制奠定理論基礎。
　　2)鑒于轉子側變流器(Roto

4、r-side Converter, RSC)有限的容量是電網(wǎng)嚴重故障時勵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對應最小故障電流的計算方法，用于評估變流器容量約束下的勵磁控制LVRT最大能力。首先拋開具體的控制方法，分析了 EMF超過直流母線電壓時的轉子電流時域行為，得到了RSC輸出電壓在不同時段應具有什么樣的特征才能使轉子電流的峰值最小化；基于該時域分析，提出了故障電流最小峰值的計算方法并推導出該峰值與

5、電網(wǎng)故障、機組參數(shù)、故障前初始工況等多種因素的解析表達式。仿真結果驗證了理論計算的準確性，同時也證明了該最小峰值可以實現(xiàn)。根據(jù)前述計算，從兩個方面評估了勵磁控制的LVRT極限：1)給定機組硬件下所能穿越的最大故障深度，2)穿越某一電網(wǎng)嚴重故障所需的變流器最小容量。該結果可為雙饋機組變流器的容量設計優(yōu)化提供參考。
　　3)針對電網(wǎng)嚴重故障時需改進控制指令才能維持系統(tǒng)可控而現(xiàn)有指令改進方法依賴磁鏈觀測的問題，本文提出了無需磁鏈觀測的電

6、流反向跟蹤控制來生成合適的暫態(tài)控制指令。首先分析了 RSC輸出電壓約束下的系統(tǒng)可控運行范圍，指出在電網(wǎng)嚴重故障時轉子電流指令中應包含有一定的暫態(tài)、負序故障分量才能維持系統(tǒng)可控；然后利用并網(wǎng)DFIG定轉子電流之和基本恒定的固有特性，提出了控制轉子電流以一定比例系數(shù)跟蹤定子電流的控制方法。通過設計合適的跟蹤系數(shù)使對應轉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)嚴重故障下抑制變流器過壓過流，還可抑制電磁轉矩脈動。

7、仿真和實驗結果驗證了該方法的有效性。
　　4)針對 LVRT期間電流指令和擾動都異于正常工況導致電流內(nèi)環(huán)難以實時準確跟蹤控制指令的問題，本文提出了一種利用電流指令和 EMF構成復合前饋的控制方法來提高電流環(huán)的跟蹤控制能力。首先將通常以數(shù)學形式存在的比例-積分-微分(PID)等控制器轉化為由電阻、電容、電感等元件構成的串并聯(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構及參