基于虚拟阻抗的双馈风力发电机高电压穿越控制策略

发布日期：2017-07-03 来源：中国知网 作者：谢震，张兴，杨淑英，宋海华，曲庭余 浏览次数：322

电网电压骤升故障会造成双馈感应发电机定子绕组中产生定子磁链的暂态直流分量，甚至引起比电网电压跌落更强的双馈发电机定、转子电流和电磁转矩的冲击。首先分析电网电压骤升下双馈发电机转子电流的电磁过渡过程，在变流器转子电流环中引入虚拟电阻控制，虽然能够有效抑制转子电流和电磁转矩的振荡，但是会引起转子电压过高和转子电流振荡过程加长，仅在低频部分具有抑制作用，因此本文引入虚拟电感，形成虚拟阻抗的改进控制策略，缩短了电网

电压骤升时的转子振荡过程，并且对高频部分具有较强的抑制作用，提高了系统的高电压穿越性能。仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性和可行性。

近年来，双馈感应发电机(doubly fed induction generator，DFIG)[1-3]在风力发电系统中得到广泛应用。为了适应电网导则的要求，双馈风力发电机组必须具有低电压穿越的能力[4-11]，但是电网电压骤升对其影响以及相应的高电压穿越(high voltage ride through，HVRT)技术研究较少。而在实际风电场系统中，当电网电压跌落发生时，风电场无功补偿装置电容器的投切，造成系统无功过剩，在电网电压恢复时刻常引起电网电压迅速骤升，对风电机组造成了二次危害。2011 年甘肃某风电场在低电压故障结束后，由于电网内无功补偿装置因不具备自投切功能，造成局部电网无功过剩、电压抬高，使部分机组因高电压保护动作切除，导致第二批风电机组脱网，数量甚至超过了低电压脱网过程中的风电机组数量。类似事故在2011 年发生了多次，对电网安全影响较大[12]。随着风力发电装机容量的不断扩大和并网准则完善，具有高电压穿越能力也会逐步成为对风电场的必然要求。澳大利亚率先制定了真正意义上的并网风力发电机的高电压穿越准则[13]：当高压侧电网电压骤升至额定电压的130%时，风电机组应维持60ms 不脱网，并提供足够大的故障恢复电流。

实现双馈风力发电机HVRT 的方法有以下几种。文献[14]在电网电压骤升时采用动态电压恢复器，通过补偿正常和故障情况下的电压差值，来维持发电机电网入线端的电压不变；文献[15]在电网电压骤升时采用静止同步无功补偿器，主要是通过控制注入电网的无功电流迫使电网电压下降。显然这两种方案由于增加了成套的硬件系统，而使成本大幅增加。文献[16]在变流器直流侧增加斩波电路，抑制电网电压骤升导致网侧变流器能量逆向流动而引起的变流器直流侧电压上升。从而实现了故障时的控制解耦。文献[17] 提出一种直流电压的柔性控制策略，直流电压的参考值随着网侧电压变化而变化，减少了变流器的功率损耗。文献[18] 针对电网电压对称骤升采用一种转子变阻尼的控制策略，虽然能够抑制电网电压骤升时转子电流的振荡，但是会引起转子电压过高，转子电流的过渡过程加长，仅在低频部分具有较强的抑制作用。

针对上述问题，本文首先对电网电压骤升下双馈发电机的转子电流电磁暂态过程进行分析，在此基础上提出基于虚拟阻抗的改进控制策略。从而在抑制电网电压骤升下转子过电压的同时，最大限度地抑制了转子过电流，缩短了转子电流的过渡过程，不仅在低频部分具有较强的扰动抑制作用，而且在高频部分也具有较强的扰动抑制作用，提高了双馈风力发电机的HVRT 性能。仿真和实验结果证明了所提方案的可行性。

关键词： 风力发电；双馈感应发电机；虚拟阻抗；高电压穿越