基于转子串联独立电源的DFIG 低电压穿越能力研究

李天成，韩晓锋，徐伟进

（1.东北电力大学，吉林 吉林 132012；2.东北电力设计院，长春 130021）

在最近几年中，风力发电所占比重在各大电网显著增长，因此各大电网公司制定了有关风力发电机并入电网的规范，使电网发生低电压事件或其他某种干扰时，风机从电网中断开以避免整个电网崩溃。通常在双馈异步发电机（DFIG）系统中发生电网故障时，过电流保护装置将变流器断开。这种保护不足以保护系统，这是由于转子电流流经变流器二极管并到达直流母线电路，从而导致直流母线过电压，该过电压可能损坏变流器元件。由于这个原因，转子被短路，定子从电网断开。然而风力发电的迅速发展促进电网公司建立新的规范章程，因此风力发电必须适应这些新的要求。这些要求集中于两个要点：风力发电机必须具有低电压穿越（LVRT）能力以及风力发电机对电网稳定性的影响。

不同类型的风机可以采用不同的措施和技术来实现其低电压穿越。文献［1］至［5］分别叙述了直驱式永磁发电机机和双馈式异步发电机的实现低电压穿越的方法，其中双馈式异步发电机组可以根据机组自身实现低电压穿越功能。文献［6］至［7］提出了转子侧Crowbar的投入与切除控制策略以及投切时间对机组实现LVRT 的影响。文献［8］至［10］分析了双馈式异步发电机的LVRT 控制策略并提出了根据桨距角控制提高LVRT 能力的方法。

然而，上述文献中提出的解决方案都有一个共同的缺点：所有解决方案都是基于直接连接到电网的电力电子变流器。当电网发生故障时，变流器的功能将被限制，将在低电压的情况下运行，因此减弱了其能量疏散能力。在诸如此类的解决方案中，发生在电网中的每种干扰或波动都将直接影响网侧变流器，因而在电网故障时发电机的性能未被完全优化。

本文提出了一种基于发电机转子串联励磁机的双馈式异步发电机，因为不存在直接连接到电网的电力电子部件，所以在电网故障期间风力发电机的性能得以优化，具有励磁机的系统保证了励磁机侧的变流器总是以稳定的电压工作。

1 双馈式异步发电机的结构和机理

1.1 基于转子串联励磁机的双馈式异步发电机的结构

基于转子串联励磁机的双馈式异步发电机的结构见图1。变速系统包括叶片以及连接到传动系统的转子轮毂；传动系统主要包括涡轮轴、齿轮箱、转子轴以及双馈感应发电机。双馈感应发电机的定子可以通过接触器或断路器与电网相连。该系统还包括机械耦接到传动系统的励磁机，如异步机、直流机、同步机（如永磁机）或者其他可以作为电动机和发电机工作的电机。

励磁机可通过机械转轴与传动系统耦接，轴的一端连接励磁机另一端则连接到双馈感应发电机的转子。该励磁机还连接到通过直流母线连接的两个电力电子变流器（即背对背变流器），两个有源电力电子变流器的交流侧中的一侧连接到双馈感应发电机的转子电路中，另一交流侧连接到励磁机系统。

变流器控制单元（CUU）用于调节发电机和励磁机的功率，该控制单元包含连接到发电机转子电路和励磁机的滤波器，以保护该单元免受由电力电子变流器的有源开关所产生的电压突变的影响。

1.2 基于转子串联励磁机的双馈式异步发电机的工作原理

基于转子串联励磁机的双馈式异步发电机的等效电路图见图2。该等效电路图包括定子电阻Rs、转子电阻Rr、定子电抗Ls、转子电抗Lr、励磁机（磁化支路）电阻Rc、励磁机（磁化支路）电抗Lm，定子压降US。

在发生低电压事件时，异步机的磁化支路将试图保持发电机中的磁链，该磁链不能瞬时改变，因此将表现为电网电压和发电机中的磁化电压之间的压降，该电压降与磁链和转子旋转速率成比例，并且该电压降将在定子中产生仅由定子电感和定子电阻所限制的过电流。由于定子和转子之间的强耦合，因此在定子电流中的转变效应也将出现在转子电流中。

在双馈发电机中，发电机的转子连接到电力电子变流器，因此在该转变期间的转子电流由于发电机的消磁作用将从转子流经转子侧变流器到达直流母线系统。在常规的解决方案中，当发生低电压事件时，过剩的能量必须在无源部件中耗散，否则可能损坏直流母线系统和变流器开关。本文所叙述的解决办法具有两个过程：一是通过变流器系统和励磁机实现转子电路和机械转动系统之间的能量转移，二是使系统恢复额定工作状态以便根据电网不同的需求产生电流和功率。

图2 串联励磁机DFIG等效电路

本文所述解决方案中，由双馈式异步发电机在低电压事件期间因消磁所产生的能量流经变流器和励磁机，并最终被励磁机转换成转动机械能，因此，全部能量被转移到传动系统。由于在发电机转子中产生过电压，转子电流流经转子侧变流器到达直流母线系统。为了在最短时间内恢复系统正常工作，励磁机侧的变流器以其最大电流状态工作，从而在整个过程中将母线电压保持在控制之中，该电流的限制由逆变器主控单元来执行。当励磁机电压保持在稳定状态时，变流器具有较大的能量疏散能力，多余的能量将被传送至励磁机，励磁机将该能量存储为转动机械能。

2 转子串联励磁机的DFIG 整体控制策略

2.1 转子电路与励磁机能量转移的控制策略

变流器控制单元通过控制电力电子变流器的有源开关来控制如何将能量疏散到励磁机，图1示出如何控制电力电子变流器的开关。为了很快地疏散能量，主控单元中的控制系统通过直流母线调节器设置低电压检测算法并计算最大瞬时电流。该低电压算法基于测得的定子电流和转子电流。主控单元建立最大电流，可以根据半导体温度限制，开关频率以及其他参数将该最大电流传递给变流器的开关，在图1中，开关频率可以变化。直流母线调节器建立传递到励磁机的有功电流Iq，该有功电流是变流器可利用的最大电流。

主控单元建立的励磁机侧的变流器以其最大电流工作的时间是固定的，该时间可由主控单元计算，并将依赖于直流母线间的电容电压UC、转子电流和定子电流以及其他变量。这些参数应该满足如下3个标准：UC小于最大母线电压；转子电流小于最大转子电流；定子电流小于最大定子电流。

2.2 基于励磁机的发电机组输出电流和功率的控制策略

当电网发生故障时，会在双馈发电机中感应出振荡电流，该电流与发电机转子的旋转频率有关。定子磁链不旋转，因此在转子侧可将定子磁链视为反向旋转的矢量，这样便可通过内环控制实施矢量补偿来减弱该振荡电流。转子系统一方面依赖于转子电流，另一方面依赖于磁化电流，因此当电网发生故障时，电流调节环路必须在故障期间检测这些振荡电流以便保持系统的可控性。一旦控制系统检测到振荡电流，该控制系统必须试图减弱该电流以便使该转变的时间最小化并且使系统进入规范的状态。

该过程可以在上一小节所述过程开始若干毫秒后开始，主控单元决定该过程的开始时间。在此期间，可以考虑不同的控制策略，如可以向电网供给无功电流和无功功率，或者向电网供给有功电流和有功功率，或者使用混合控制策略，向电网供给有功和无功电流或者有功和无功功率。

3 试验数据分析

当电网发生故障时，定子电流、转子电流和励磁机侧的变流器电流呈现图3所示的变化。在图3中可知电流如何从转子流到励磁机。在第1个50ms期间，励磁机侧的变流器以其最大电流容量工作以便疏散由发电机消磁所导致的过剩能量。主控单元使变流器以最大电流工作，以该电流工作的时间依据低电压故障特点和电力系统参数而变化。

图3 发电机过电流曲线

在电流中出现的振荡由发电机的机械旋转频率决定。一旦发电机完全消磁，则励磁机侧的变流器电流接近于0。此外，转子侧的变流器在发生低电压时间时会产生额定的无功电流，因此，定子电流和转子电流的最终值与系统额定电流相对应。通过控制减弱电流的振荡，见图4，可见无功电流对定子电压的影响。在最初的25 ms中，定子电压下降80%，并且由于电网支持策略，产生了无功电流，所以定子电压升高到额定电压的30%。

图4 发电机电压曲线

4 结论

本文所提出基于发电机转子串联励磁机的低电压穿越技术对变速异步风机进行低穿能力改进的方法，已实际应用于吉林省某风电场异步风机低穿性能改造。通过试验分析，确定改造后风机LVRT 能力明显提高，证明了该改进方法的实用性和有效性。

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