双馈感应风力发电机低电压穿越控制策略

甄佳宁，陈益广，王颖

（1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072；2.天津经济技术开发区汉沽现代产业区总公司，天津 300480）

双馈感应风力发电机低电压穿越控制策略

甄佳宁1，陈益广1，王颖2

（1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072；2.天津经济技术开发区汉沽现代产业区总公司，天津 300480）

针对双感应馈风力发电机低电压穿越问题，提出了一种新型的转子侧变流器控制策略，该控制策略采用基于定子磁链定向的矢量控制方法，对转子稳态励磁电流添加补偿量，得到新的转子电流励磁给定值，抵消了定子磁链直流分量和负序分量对转子电流的部分影响，并能够有效地抑制双馈感应发电机转子过电流，增强了双馈感应风力发电机的低电压穿越能力。Matlab仿真结果验证了该控制策略的有效性和可行性。

风力发电；双馈感应风力发电机；低电压穿越；电压骤降；转子变换器

随着风力发电技术的不断发展，风力发电装机容量在不断扩大，并网风电机组对电网的影响越来越显著，诸多的风电并网问题突显出来。电网电压跌落是电网故障中最为常见的问题之一，后果通常也最为严重。当电网电压发生大幅度跌落故障后，如果风电机组不具备低电压穿越能力，将导致风电机组大规模解列，失去对电网电压的支撑，对电网稳定运行和电能质量产生严重影响。为此世界上许多电网运营商均对风电机组低电压穿越能力提出了要求：当电网电压发生跌落后，风电机组必须在一定时间内与电网连接而不解列，甚至在过渡过程中为电网提供一定无功支撑以帮助电网电压快速恢复。为了使风力发电能够实现大规模并网，风力发电机必须具备一定的低电压穿越能力[1]。

双馈感应风力发电机DFIG（doubly fed induction generator）具有变流器容量较小、有功和无功可独立解耦控制等特点，目前在兆瓦级风电机组中得到了广泛研究和应用[2～7]。由于DFIG定子绕组直接与电网连接，变频器容量较小，故而对电网故障非常敏感，仅靠自身难以实现低电压穿越。当电网发生故障时，电网电压跌落将直接导致定子电压的跌落，而定子磁链不能跟随定子电压一起突变，所以在定子侧会出现暂态磁链的直流分量，引起定子电流的大幅增加；而定子绕组与转子绕组在磁场上存在强耦合关系，此直流分量切割转子绕组，在转子侧也必然会感应出较大的过电流和过电压。转子侧突然增加的大量能量一部分会流经转子侧变换器和网侧变换器传递到电网，可能对变流器造成损害；另一部分会对直流母线电容充电，使直流母线电压大幅升高威胁电容的安全[8～11]。因此要想实现双馈电机的低电压穿越，必须在电网发生电压跌落故障时对定转子过电流进行抑制。

1 DFIG数学模型

两相dq同步旋转坐标系双馈电机定子电压方程为

式中：uds、uqs，udr、uqr分别为定子电压和转子电压的d、q轴分量；ids、iqs，idr、iqr分别为定子电流和转子电流的d、q轴分量；ωs为转差电角速度，ωs=ω1-ωr；ψds、ψqs，ψdr、ψqr分别为定子磁链和转子磁链的d、q轴分量。

定子磁链方程为

式中，Ls、Lr和Lm分别为定子、转子绕组的自感和dq坐标系同轴等效定转子绕组间的互感。

采用定子磁链定向方法，将两相同步旋转坐标系的d轴定向在定子磁链方向上。则定子d、q轴磁链分量分别为

并网运行时双馈发电机定子侧频率为工频，定子电阻远小于定子电抗，可以忽略，即rs=0，因此DFIG感应电动势矢量e1可以近似等于定子电压矢量u1。同时，由于e1落后ψ190°，故e1和u1位于q轴负方向，则有

电网电压us为常数，当电机并入电网后，u1= us。将rs=0，式（5）和式（6）代入式（1）和式（3），得

式中：u′dr、u′qr为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项；Δudr、Δuqr为消除d、q轴转子电压、电流间交叉耦合的补偿项。将转子电压分解成解耦项和补偿项之后，就可以实现对电机的有效控制。

根据瞬时有功、无功功率理论，可以得到仅以转子电流表示的DFIG的瞬时有功、无功功率为

由式（12）和式（13）可以分别实现对DFIG转子d、q轴电压及电机有功、无功功率的解耦控制。但是此方法并不适于故障情况下的电机分析控制。原因在于：①此控制策略建立在双馈电机的三阶降阶模型基础上，对电机定子磁链的暂态过程做了忽略，如果故障过程中不成立，将无法实现对转子电压的解耦控制；②电网发生故障时，电机定子端电压会发生突变，导致定子磁链定向不准，将会造成有功、无功不能实现解耦控制。

故障发生瞬间，发电机定子端电压发生突变，根据磁链守恒原理，磁链不能突变，定子电流中将出现逐渐衰减的暂态直流分量。因此，在电网故障期间，定子磁链分为两部分：①以同步转速旋转的定子磁链旋转分量，其大小由当前的定子电压决定；②定子磁链的直流分量，其初始值与故障发生的严重程度有关。定子磁链对转子的影响也分为两部分：①转子电压感应以同步转速旋转的定子磁链旋转分量所产生的电流称为转子电流励磁分量，此分量在同步旋转dq坐标系下为直流分量；②定子磁链的直流分量和负序分量相对转子旋转，切割转子绕组，感应出的电流在同步旋转dq坐标系下为交流量，称为转子电流旋转分量。因此，在电网发生故障时转子电流在这两个分量组的共同作用下产生了转子过电流现象。

2 DFIG低电压控制策略

我国国家电网对并网发电的风电机组提出了相应的低电压穿越要求[12]，如图1所示。

图1 国家电网提出的低电压穿越要求Fig.1 LVRT requirementproposed by stategrid

为了抑制转子电流的旋转分量，对转子电流进行定向控制，使转子电流方向同定子磁链的直流分量和负序分量相反，从而抵消转子磁链中部分直流和负序分量。对三相转子电流iar、ibr、icr进行坐标变换，得到同步旋转dq坐标系下的转子电流idr、iqr，此时，转子电流励磁分量为直流量，而由定子磁链直流分量产生的转子电流旋转分量为交流量。为了把转子电流旋转分量分离出来，对idr、iqr进行低通滤波，得到转子电流励磁分量Id，rdc和Iq，rdc，从而可得转子电流旋转分量为

为抵消定子磁链直流分量和负序分量对转子电流的影响，在转子稳态励磁电流idr*，iqr*加入反向的id，rac，iq，rac，产生新的转子电流励磁给定值，即

采用低电压穿越控制策略的双馈电机控制如图2所示。

图2 双馈电机低电压穿越控制框图Fig.2 LVRT control frame of DFIG

3 双馈电机低电压穿越仿真分析

为验证所提出的双馈电机LVRT控制策略的有效性，用MATLAB/Simulink对1台3kW双馈风力发电系统进行了仿真研究。电网在0.8 s时发生故障，电压跌落至故障前的80%，故障持续200ms，在1.0 s时电网电压恢复正常。双馈电机的仿真参数为：额定功率为3 kW，额定电压为220V，额定频率为50Hz，定子电阻为3.74Ω，定子漏感为0.304 2 H，转子电阻为3.184Ω，转子漏感为0.301 7H，定、转子互感为0.292H，转动惯量为0.001 25 kg·m2，极对数为2。

在电网故障下在双馈电机转子侧分别采用稳态矢量控制策略仿真和采用低电压穿越控制策略仿真。图3为采用稳态控制策略下DFIG的idr和iqr的仿真波形。由图3可以看出，在电网电压跌落期间idr、iqr明显增大，转子过电流现象严重；在电网恢复期间转子电流出现了衰减的直流分量。图4为采用低电压控制策略下DFIG的idr和iqr的仿真波形。由图4可以看出，电网发生故障期间idr、iqr也发生了明显的增大，但与采用稳态控制下的转子电流相比要小很多，转子过电流现象得到有效抑制；故障解除时转子的直流衰减分量也有一定的减小，因此双馈电机的LVRT能力增强。

图3 采用稳态控制策略的转子电流仿真波形Fig.3 Simulation waveform sof rotor currentunder traditionalcontrolstrategy

图4 采用低电压控制策略的转子电流仿真波形Fig.4 Simulation waveformsof rotor currentunder LVRT controlstrategy

4 结语

电网电压跌落故障会导致风力发电机定、转子过电流和过电压现象，严重危害电机的安全稳定运行和变流器的安全。本文分析了电网故障发生时双馈风力发电机定、转子过电压和过电流产生的原因，并提出了一种DFIG转子侧控制策略。建立了1台3 kW的双馈感应风力发电机的仿真模型，进行了双馈电机的LVRT仿真研究。仿真结果表明，采用LVRT控制策略可有效抑制电网故障期间电机转子的过电流，提高双馈感应电机的低电压穿越能力。

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Low Voltage Ride Through ControlStrategy of Doubly Fed Induction Generator

ZHEN Jia-ning1，CHENYi-guang1，WANGYing2
（1.Key Laboratory ofSmartGrid ofMinistry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Corporation of TEDA Industrial Park，Tianjin 300480，China）

For low voltage ride through issue of doubly fed induction generator，a new control strategy for rotor side converter is proposed in this paper.The control strategy uses stator flux oriented vector control to add a compensation amount to the rotorsteady-state excitation current.A new given value of rotorexcitation current isobtained，which can partly offset the impactof DC and negative sequence componentof stator flux on the rotor current.Over current in the rotor can be effectively suppressed，and the LVRT capability of DFIG is enhanced.Matlab simulation results prove the validity and feasibility of the proposed controlstrategy.

wind powergeneration；doubly fed induction generator；low-voltage ride through；voltage sag；rotor side converter

TM614

A

1003-8930（2013）05-0088-04

甄佳宁（1987—），男，硕士研究生，研究方向为电机及其控制。Email：zhenjianing@tju.edu.cn

2012-11-30；

2013-02-03

陈益广（1963—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电机及其控制。Email：chenyiguang@tju.edu.cn

王颖（1980—），女，硕士，工程师，研究方向为电气控制。Email：wangying_1128@yahoo.com.cn