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| 双馈感应发电机(DFIG)，故障穿越，风力发电机，电力系统故障。 |
介绍 |
| 近年来，风能已成为最重要和最有前途的可再生能源之一。随着电能需求的增加和随之而来的化石燃料的枯竭，全世界对风能的兴趣也增加了。风力发电的发展在20世纪最初的几十年有所增加。目前，德国、美国、丹麦、印度和西班牙这五个国家集中了全球83%以上的风能产量。然而，这种可再生能源的利用也在世界其他地区迅速普及。 |
| 印度风力发电的发展始于上世纪90年代，在过去几年中有了显著的增长。虽然与丹麦或美国相比，印度是风能行业的新手，但印度的风力发电装机容量为19051.46兆瓦，居世界第五位。2009年至2010年，印度的经济增长率是其他四大国家中最高的。泰米尔纳德邦风力发电峰值接近7162.18兆瓦，是南亚风力发电枢纽之一。泰米尔纳德邦的风力发电量占印度总风力发电量的40%。 |
| 随着风力发电进入电网的渗透率增加，DFIG风力涡轮机由于其变速特性而大量部署，从而影响系统动力学。双馈感应发电机(DFIG)由于其能源效率高、对风力发电机的机械应力小、连接的电力电子转换器的额定功率相对较低、成本低等优点，是目前较为流行的风力发电机系统。这使得人们对开发适合DFIG的模型并将其集成到电力系统研究中产生了兴趣。近年来，风力发电渗透率不断提高，有必要引入新的做法。例如，正在修订电网规范，以确保风力涡轮机有助于控制电压和频率，并在发生扰动后保持与主机网络的连接。 |
| 低压穿越(LVRT)或故障穿越(FRT)是风力发电机在较低电网电压下运行的能力。由于DFIG系统中的电力电子转换器与全额定转换器的WT相比具有相对较低的额定功率，因此DFIG WT的LVRT能力对于该系统的稳定性问题具有特殊的意义。 |
| 在现有的控制策略中，使用最多的是撬杆保护。在故障发生时，转子侧变换器将被阻塞，安装在转子端子上的撬杠电路将被触发，以抑制转子电路中的过电流。因此，发电机作为一个传统的感应电机，从故障电网[1]吸收无功功率。斩波电路，在直流母线上有一个电阻，通常与撬杠一起使用，通过在直流母线[2]，[3]上消耗过多的功率来平滑直流链路电压。 |
| 本文提出了一种新型的转子侧和电网侧变换器控制策略，以提高DFIG WT的LVRT容量，而不需要额外的电流和电压保护。其关键思想是在电网电压下降期间通过适当控制转子侧变换器来提高发电机转子转速。与传统的控制方法不同，本文提出的控制策略基于一个简单的概念，即将不平衡能量转化为动能能量，而不是将其消耗掉。在电网侧控制方案中，在故障期间增加了反映转子侧变换器直流链路电流变化的补偿项，以平滑直流链路电压的波动。与[4]中的LVRT方案相比，本文提出的电网侧控制器控制策略可有效降低故障期间定子电压降至零时的极高暂态。利用Matlab/Simulink在1.5 mw的DFIG WT上进行了仿真研究，验证了所提出的控制策略的有效性。 |
dfig风力机建模 |
| A.涡轮模型 |
| 1)气动模型 |
| 风力包含的能量是由单位时间内流动质量的动能给出的， |
| P0 = ρavα /2 (1) |
| 其中空气密度(ρ=1.225 kg/m3)， Vα为风速，A为涡轮扫过的面积。 |
| 从风力中提取的理论最大功率是风力中所含功率的16/27倍。这个极限是Albert Betz在1919年提出的，被称为Betz极限[5]。 |
 (1） |
| 风力发电机的功率系数是机械功率和风力功率的比值， |
 |
| 功率系数是叶尖速比和叶距角[deg]的函数，由经验公式给出， |
 （4）
|
| 在那里, |
 （5） |
 (6） |
| λ为叶尖速比，是一个无量纲量，气动型风力机的最大值为9。风力机的功率系数与叶顶速比是表征风力变流器性能的重要标尺。扭矩和功率由 |
 (7） |
 （8） |
| 因此，机械风力提取的数学关系可以表示为: |
 （9) |
| B.机器型号 |
| 在同步转速[6]，[7]的d-q参考系中，可以给出感应发电机定子和转子电路的电压方程 |
| 定子电压方程(10) |
 |
| 转子电压方程(11) |
 |
| 定子磁链方程(12) |
 |
| 转子磁链方程(13) |
 |
| 其中，is = Ids + j Iqsand Ir = Idr + j Iqrare分别为定子和转子电流矢量;v = Vds + j vq和Vr = Vdr + j vq为定子和转子电压矢量。同样的，通量连杆。力矩由 |
 (14） |
| 变换所对应的幂方程由 |
 (15） |
 （16） |
| C.传动系 |
| 在电力系统研究中，传动系被建模为一系列通过无质量轴连接的刚性圆盘。对于常规发电厂同步发电机(SG)的小信号分析，使用单质量或集总质量模型，因为传动系表现为单个等效质量(所关心的模式是非扭转的，几乎相等的所有惯性参与)。这是由于机械刚度(发电机、涡轮和相邻涡轮段之间)远远高于等效电气刚度(发电机和无限母线之间)。在这种情况下，感兴趣的模式通常可互换地称为“系统模式”、“非扭转模式”或“机电模式”。 |
| 当谈到风力发电厂的DFIG时，机械参数是这样的，这些术语不能互换使用。齿轮箱的存在使轴更细长，导致机械刚度与等效电气刚度相同的顺序。较低的轴刚度加上发电机相对比涡轮轻得多的事实，导致了没有“系统模式”的动态行为。换句话说，不存在传动系表现为单一等效质量的模式。因此，在使用DFIG[8]进行WECS稳定性研究时，必须考虑多质量传动系统。一般来说，考虑双质量模型(一个用于涡轮，另一个用于发电机)就足够了，因为与叶片和轮毂相关的模态要么阻尼良好，要么不在感兴趣的频率范围内。动力学方程是由每个质量(转速)和轴(扭转或扭转角)的牛顿运动方程得到的， |
 (17) |
 （18) |
 (19) |
| 轴扭矩为， |
 (20) |
拟议的控制策略 |
| 该控制策略可以通过在电网故障期间暂时提高发电机转子转速，将额外的输出功率转化为WT动能，从而有效地限制电流振荡。如果转子速度增加超过额定值，螺距控制将被触发，以减少风力的功率提取。这可以限制转子的超速，从而限制施加在涡轮系统上的过度机械应力。此外，在故障时电网侧控制方案中增加了反映转子侧变换器直流链路电流变化的补偿项，以平滑直流链路电压的波动。 |
| 所提出的控制策略充分利用DFIG WT系统内的现有资源来实现lvrt，而不需要额外的组件，如撬棍。它能有效地保护电力电子设备免受电网故障时电流和电压波动的影响，保证DFIG的LVRT。采用这种新的控制策略可以达到几个优点。从能量的角度来看，新的控制策略可以吸收故障期间额外的输出功率，否则基于crowbar的控制将会耗散。值得注意的是，断层清除后，增加的动能可以缓慢地释放到电网中。从控制的角度来看，该控制策略可以消除与dfiga和电网良好连接的背对背变换器，而不损失故障期间的可控性。这可能同时支持WT对故障网格的主动和反应性支持，这对于基于撬棍的控制来说是困难的。详细的控制方案将在第三- a节和第三- b节中说明，仿真验证将在第四节中给出。 |
| A. RSC模型的控制 |
| 为了实现电磁转矩与转子励磁电流的解耦，将感应发电机控制在定子磁链定向坐标系中，定子磁链定向坐标系是一个同步旋转的坐标系，其d轴沿定子磁链矢量位置[9]方向。这将导致 |
 (21） |
 (22) |
| 因此, |
 (23） |
 (24） |
 (25） |
 （26) |
 (27） |
| 代入我们得到， |
 (28) |
 (29) |
 (30） |
| 由上式可知，定子有功功率和无功功率可以独立控制。采用定子磁链定向方法，实现电流控制的PWM逆变器需要解耦方案。这意味着d轴或q轴上电压分量的任何变化都会导致电流分量的变化。为了解决这个问题，将重新开发方程，以补偿d轴和q轴之间的交叉耦合。我们先将以下参数定义为感应电机的泄漏因子: |
 (31) |
| 补偿条款, |
 （32) |
 （33） |
| 将这些补偿项添加到相应的未补偿电压项中，可以实现RSC定子磁链定向控制的解耦性能。 |
| 正常工作时，RSC的控制方案如图2所示。典型的比例积分(PI)控制器用于调节转子速度和无功功率(外部)控制环以及转子电流(内部)控制环。当短时低压故障发生时，来自风的输入功率和流入电网的功率在瞬间发生不平衡，导致转子和定子电路出现瞬态过电流。因此，从能量平衡的角度来看，抑制转子和定子回路中过电流的关键是减少流经DFIG小波变换系统的不平衡能量。由于电网故障，当所监测的转子电流、定子电流、直流链路电压和电网电压中至少有一个超过其各自的保护设定值时，将触发所提出的LVRT控制策略。采用这种控制策略，转子侧控制器将在故障期间通过将发电机转矩降低到零来提高发电机转子转速，以吸收并将来自风的入射能量转化为WT惯性中的动能。在故障清除后，增加的动能可以转化并释放到电网中。RSC对电网故障的控制方案如图3所示。 |
| 新的控制策略不会对WT系统造成过大的机械应力。当DFIG WT运行在或接近额定转速时，故障期间由于所提出的控制方案而产生的加速度可能会使风力机转速加速到其额定值以上。这可以增加推力和离心力，应用于转子结构，可能危及风力涡轮机机械系统[10]。然而，WT的超速可以通过俯仰控制得到有效的抑制，当转子转速超过额定值时，俯仰控制会立即被激活。此外，由于电网故障持续时间短，且很少发生，所以超速持续时间短。根据[10]中推力和离心力的表达式，所提出的控制策略对水轮机安全运行的负面影响很小。 |
| B. GSC模型的控制 |
| 为了实现对电网与GSC之间有功功率和无功功率流动的独立控制，变换器控制在电网电压导向参考系中运行，该参考系是一个同步旋转的参考系，其基准点沿电网电压矢量位置方向。沿着定子电压位置对准参考系的d轴vq为零，并且，由于电源电压的幅值是恒定的vdis恒定。有功功率和无功功率将分别与ids和iqs成正比。 |
 (34) |
 (35） |
| 在正常运行时，当流经电网和转子侧变流器的功率平衡时，ios等于toior，因此直流链路电压恒定。描述直流链路电容器动态特性的方程可以表示为 |
 （36) |
| 当电网电压下降时，由于电网与转子侧变流器之间的瞬时不平衡潮流可能不相等，因此直流链路电压可能出现波动。在[11]中，为了减小直流链路电压的波动，直接将反映转子侧控制器输出功率瞬时变化的项(Pr/ Vds)设置为电网故障时的参考项(idl)。但在电网故障时，定子电压有可能降为零。这将引入一个极高的idl瞬态值。 |
| 在本文的控制方案中，当转子电流、定子电流、直流链路电压或电网电压由于电网电压下降而超过其各自的继电器设置时，将项(Pr/ Vdc)描述为扰动来补偿转子瞬时功率。通过这种方法，可以在电网故障时平稳地调节idl。GSC在电网故障时的详细控制方案如图5所示。 |
结果与讨论 |
| 对100 ms的三相故障进行了仿真，并对所提出的控制策略进行了故障穿越能力的评估。下面讨论了DFIG-WT在故障期间的行为。 |
| 带撬棍保护的DFIG WT和所提控制策略的仿真结果如图所示。 |
| 7和图8。撬棒电阻值选择为。撬杆保护的详细方案见[10]。8给出了所提控制方案的LVRT行为。在故障期间，转子转速增加到其额定值以上，这将立即触发俯仰控制。这就限制了电能向动能的转化。 |
| 转子转速略超过额定值。但当PCC处电压降至0持续100 ms时，最大超速仅为6%，整个违规周期为100 ms，超速持续时间较短，对风力机结构影响很小。在所提出的控制方案下，故障过程中转子转速的变化如图6所示。 |
| 然而，在该控制策略下，有功功率、无功功率、定子和转子电流的瞬态行为仍优于常规的撬棒保护。特别地，所提出的控制策略可以抑制瞬态定子和转子电流低于撬杠阈值;因此，DFIG可以保持有功和无功功率的不间断控制，有可能在故障期间实现电网支持服务。 |
结论 |
| 为了提高DFIG WT的LVRT能力，本文提出了一种新的有效的转子和网侧变流器控制策略。该控制策略使DFIG能够继续发电，并在PCC等故障发生时通过临时提高发电机转子转速来吸收过多的能量。该策略还在电网侧控制器中引入了补偿项，以抑制故障时的直流链路过电压。仿真结果表明，所提出的控制策略能够有效抑制转子电路中的瞬态电流。与传统的撬杆保护相比，采用该控制策略的DFIG WT在电网电压短时下降时具有更好的暂态性能。 |
附录 |
| DFIG WT系统参数如下: |
| 风力机额定风速:12米/秒 |
| DFIG: |
| 额定功率:1.5MW; |
| 额定电压:575 V; |
| 额定电流:1505A; |
| 额定转子转速:1.1 p.u。 |
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数字一览 |
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参考文献 |
- A. Hansen和G. Michalke，“DFIG风力涡轮机的故障穿越能力”，更新。能量，32卷，没有。9，第1594-1610页，2007年7月。
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- V. Akhmatov，风力发电的感应发电机。布伦特伍德，加州:多元科学，2005年。
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