不平衡电压对双馈风力发电机组变频器的影响分析

卢鑫鑫

中闽（福清）风电有限公司，福建 福州 350300

0 引言

从国内风力发电机组布局看，双馈风力发电机组大多安装在高山或远海等易遭受大风冲击的环境，运用弱电网与电网并联，其定子与电网直接相连，稳定性差，故障频发[1]。当电网发生故障时，系统电压频率、幅值、相位发生变化，出现电压不平衡现象，产生较大的负序电压、电流，降低双馈风力发电机工作效率[2]。文献[3]基于对称分量理论，论证了电机正序直流量和负序二倍频率的交流量相互作用是引起电网频率波动的主要原因。Seman等[4]提出电压不平衡引起的功率和电磁转矩出现的二倍频波动，可通过改变双馈风机的控制方法、提高其抗干扰的能力得以解决。另有文献[5]通过建模分析并解释了产生谐波的原因，通过转子基波和谐波电流指令算法设计出一种PI-R电流控制器，抑制了转子谐波分量，通过对一台2 MW双馈风力发电机进行仿真，论证了控制器的有效性。

1 双馈风力发电机组特性概述

双馈风力发电机结合了同步、异步发电机的特征，其系统结构如图1所示。因具有调速性能优越、励磁容量偏小、有/无功功率能实现独立调节等特点，系统稳定性较好，通过双馈发电方式可使发电机在同步运行状态下其转速不受频率限制，转子的转速和位置对输出电压、电流的性能参数不造成影响[6]。文章以某风电场单台1.5 MW双馈风力发电机为例展开分析，其参数如表1所示。

图1 双馈风力发电机系统结构

表1 1.5 MW双馈风力发电机组参数

2 不平衡电压对变频器的影响

基于文献[7]提出的理论，对研究对象进行仿真，得出不平衡电压对双馈风力发电机变频器直流侧和交流侧的影响。

2.1 变频器直流侧

仿真过程中直流电容-电压波形图如图2所示，直流电容-电压频谱图如图3所示。从图2可以看出，直流电压出现0.001 s的周期性波动现象。从图3可以发现，出现了偶数次谐波分量，100 Hz谐波分量的幅值是直流电压幅值的1/6。

图2 直流电容-电压仿真波形图

图3 直流电容-电压仿真频谱图

2.2 变频器交流侧

变频器交流侧A相电压波形图如图4所示，变频器交流侧A相电压频谱图如图5所示。从图4可以看出，变频器交流侧A相电压出现周期性的畸变。从图5可以发现，出现了频率150 Hz、250 Hz和350 Hz的奇数次谐波电压分量。

图4 变频器交流侧A相电压波形图

图5 变频器交流侧A相电压频谱图

3 对变频器的要求及控制策略

综上所述，在双馈风力发电机系统中，变频器直流侧会出现偶数次谐波分量，变频器交流侧会出现奇数次谐波分量。对变频器提出如下要求：（1）其功率具有双向流动性；（2）可以改变电能质量；（3）不出现电压谐波分量；（4）具有提供无功功率的能力。

因双馈风力发电机组风处于超同步状态和处于同步状态时各自的特点不同，将变频器的控制系统采用电压外环、电流内环进行控制，引入矢量控制的方案，采用双闭环控制，最后通过PI调节器进行整定，以抑制谐波分量的产生[8]。对于交流侧，可以通过双馈风力发电机在dq轴坐标系下的数学模型，引入矢量控制解耦技术，经过PI调节器处理，采用PWM获取发电机的励磁电流，实现有功功率和无功功率的单独控制。

4 结束语

文章对某1.5 MW双馈风力发电机系统仿真结果证明，不平衡电压对双馈风力发电机组变频器直流侧会产生偶数次谐波影响，交流侧会产生畸变的奇数次谐波影响，通过引入矢量控制技术，采取双环控制的策略，可以抑制不平衡电压带来的影响。