基于电力电流主动补偿和RSC被动保护的双馈风电系统故障穿越控制策略研究

1、基于电力电流主动补偿和RSC被动保护的双馈风电系统故障穿越控制策略研究1.绪论1.1 研究背景与意义当今世界，能源已经是各个国家经济发展的重要基石，随着社会的高速发展，能源的需求也越来越高。目前能源供应主要以化石能源(煤炭、石油、天然气)为主体，但当前所探明的化石能源储存量已经远远不能满足各个国家的消耗量，如果不改变现有资源利用方式，化石能源将在数百年内被消耗殆尽【1】。另一方面，化石能源的使用给环境、生态造成了严重的恶化，这已经是成为各个国家亟待解决的问题。因此，清洁、高效的可再生能源已成为大多数国家代替化石能源的首要选择【2-3】。目前，清洁能源包括风能、太阳能、水能、地热能、核能等，这些

2、可再生能源相对于化石能源普遍具有储量大、污染少的特点【4】。我国能源国情具有储量少、分布不均匀、人均占有量低于世界平均水平等特点，并且能源供给与需求、能源利用与环境保护的矛盾十分突出，因此，在保护好环境的前提下，积极寻求和开发绿色可再生能源是实现国民经济的快速发展的必由之路【5】。风能具有可再生、无污染、储量大等特点，在可再生能源中占有十分重要的地位。风力发电作为利用风能的一种方式，其技术日渐成熟，并且不受地域的限制，而且近年来成本不断下降，因此成为最易开发和最具有规模化的发电模式，受到世界各国政府的广泛关注【6-9】。近年来，国内许多风电设备制造企业快速发展，不断缩小与世界先进风电国家之间的

3、设备研发、设计和制造水平的差距，中国风电行业在 2003 年以后就建立了千万瓦级的超大型风电场，兆瓦级风电机组也开始了样机试验阶段，中国风电在 2016年累计装机容量已经达到 233.7GW，成为世界风电装机容量最大的国家，但值得注意的是，我国在核心技术和产业竞争力上与全球领先的风电制造设备企业相比，尤其是风电机组的整体设计、功率等级以及关键部件制造能力上面还存在一定的差距【10】。.1.2 双馈风电机组故障穿越控制策略研究现状故障穿越能力是任何风电机组所面临的巨大挑战，尤其是对双馈感应电机而言，其挑战性最大，这主要是因为双馈感应电机定子侧直接与电网相连，其对电网电压故障十分敏感，当电网电压发

4、生短路故障时，首先是定子侧产生过电流，其次是定子磁链在故障瞬间不发生突变，其磁链中将感应出负序分量和暂态直流分量，这两种分量与转子绕组中的磁场交互作用，导致转子侧产生很大的感应反电动势，致使定、转子侧回路产生过电流和振荡【20】。从能量守恒的角度来讲，风力机的产生的电能是由风力机吸收的风能转换而来的，由于故障发生时间极其短暂，因此可以认为在故障期间外部环境的风速是保持不变的，因此，风力机吸收的风能在故障期间与故障前基本不变。双馈感应电机在故障期间吸收的电能会全部转换为电能，当电网发生短路故障时，定子电压会下降，其电压的下降会使电机的定子侧只能向电网传送一部分电能，这种不平衡的能量将会导致风电机

5、组转速增大，流过转子侧变流器的转差功率也会增大，进而导致定、转子侧产生过电流，转子过电流流过变流器时，导致直流侧电压升高，超过其安全阈值，形成过电压。转子侧过电流和直流侧过电压将会给转子侧变流器和直流母线带来严重的破坏，与此同时，定、转子过电流也会导致电磁转矩发生振荡，这将对电机机械造成很大应力冲击【21】。.2.双馈感应发电系统模型及控制的研究本章首先阐述了双馈感应发电系统的结构以及运行原理，建立了双馈感应发电机在不同坐标系下的数学模型，并在此基础上建立了双馈风力发电系统正常电网电压条件下的仿真模型，为第三章的故障暂态响应分析与第四、第五章的控制策略研究奠定了理论基础。2.1 双馈感应发电系

6、统结构模型及运行原理双馈感应发电系统结构模型如图 2-1 所示，其主要包括：风力浆机、加速齿轮箱、双馈感应风力发电机、转子侧变流器和网侧变流器【37】。其中双馈感应发电机的定子侧通过变压器与电网相连接，而转子绕组则通过中间的变流器连接到电网的。双馈感应电机的定、转子侧都向电网馈电，并且其作为控制用电机，其最基本要求为调控风机速度。双馈感应发电机在调控风机速度的同时，也可以调控其功率因数，使其值在可正可负之间灵活选择。双馈感应电机是具有异步特性的同步电机，但与异步电机相比，其性能有很多的不同。例如，异步电机本身没有励磁绕组，其功率因数不可调控，并且负荷改变会使转子转速发生改变，而双馈感应电机具有

7、励磁绕组，并且可以改变功率因数，其转子转速在负荷改变时，转速不发生变化。根据机电能量转换原理，双馈发电机定、转子的旋转磁场必须保持相对静止。由于电机定子与大电网连接，因此其定子磁场旋转速度是不变化的，而转子转速会随着风速的变化不断变化，因此转子侧与网侧变流器的作用是不断调整转子侧频率.2.2 双馈感应电机数学模型双馈感应电机的数学模型是解决其控制问题的理论基础，因为具有非线性、强耦合以及高阶性等特点，对双馈感应电机的研究首先从数学模型着手，为了后面分析问题更为方便，此处规定双馈感应电机定子绕组采用发电机惯例，转子绕组采用电动机惯例，电压、电流、磁链正方向均符合右手定则【40】。为了建立双馈电机

8、数学模型，对于一些不必要的因素在理论分析中需要忽略，所以给出如下假设【41】：(1)忽略发电机铁心损耗和内部磁路饱和；(2)假定定子绕组与转子绕组三相对称，空间上相差 ；(3)忽略高次谐波，磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布.3.双馈感应电机电压故障时暂态响应分析 . 173.1 双馈感应电机暂态分析一般问题 . 173.1.1 双馈感应电机转子稳态模型 . 173.1.2 双馈感应电机故障前稳态分析 . 183.2 双馈感应电机故障期间暂态分析 . 193.2.1 三相对称故障期间双馈感应电机瞬态行为. 193.2.2 不对称故障期间双馈感应电机瞬态行为 . 203.3 本章小结 . 244.双

9、馈风力发电机组故障穿越技术研究 . 254.1 基于定子磁链定向矢量控制的转子侧变流器控制策略. 254.2 基于电流主动补偿的转子侧变流器控制策略 . 344.3 本章小结 . 465.基于附加硬件保护电路的故障穿越技术研究 .475.1 基于转子侧串 DCR 的 RSC 被动保护控制策略 .475.2 本章小结 .555.基于附加硬件保护电路的故障穿越技术研究在目前的电网故障穿越策略中，外加硬件保护电路是一种简单有效的方式。在上一章中介绍了定子电流主动补偿为转子电流参考值的转子侧控制策略，但由于受转子侧变流器实际能力的限制，在故障瞬间转子电流参考值的突变，会导致转子电压波形在故障后第一个波

10、峰附近产生较大偏差，使转子电流瞬间升高，超过了转子侧变流器最大允许电流值，并且不对称短路故障时转子回路会存在转子电流大于额定电流运行的情况，使转子侧变流器和转子回路遭受故障瞬间转子过电流以及大于额定电流的连续冲击，为了抑制这两种过电流，需要在转子回路串联一种动态限流阻抗器(DCR)，并与电流主动补偿控制策略联合作用在转子侧变流器以及回路中，以实现双馈风电系统故障时的穿越【58-59】。本章首先对 DCR 电路的模型以 DCR 电路的限流电阻阻值选取进行了研究，得到了DCR 的限流电阻阻值。另外，设计了 DCR 电路中开关的投切控制策略，最后通过仿真验证了所提出的 DCR 电路的有效性。5.1

11、基于转子侧串 DCR 的 RSC 被动保护控制策略动态限流阻抗器(DCR)由旁路开关以及限流电阻组成，其拓扑结构如图 5-1 所示，在电网电压正常情况下，旁路开关在闭合当中，转子电流经过旁路开关流过变流器；当双馈机组发生短路故障时，旁路开关断开，转子侧回路串入限流电阻，故障电流流过限流电阻，从而限制了该回路的瞬间过电流以及大于额定值的电流。DCR 串入转子侧回路后的系统图如图 5-2 所示。DCR 限流电阻阻值的确定首先要考虑最严重三相短路故障条件下转子故障电流可能出现的最大值，限流电阻是串联在转子绕组回路的，在电网发生电路故障时转子侧变流器仍然处于工作状态，因此在计算限流电阻大小的时候需考虑

12、转子侧变流器所能承受的电压上限，所以要计算出转子故障电流的最大值的表达式，在式中应该包含转子侧变换器输出电压的量。.结论本文对电网故障时风电故障穿越控制策略进行了研究与分析。主要研究成果如下：(1)建立了双馈感应电机的数学模型，分析了双馈感应电机在电网电压故障下的暂态特性，推导出转子侧感应反电动势表达式，并指出转子侧感应反电动势对双馈风电系统故障穿越的重要影响。(2)基于双馈感应电机在电网故障时引起的过电流、过电压等问题，提出了改进的转子侧变流器控制策略。通过理论分析可知定、转子电流负序分量和暂态直流分量存在两倍频和单倍频的交流分量，为了消除这两种交流分量，提出将定子电流主动补偿为转子电流参考值的控制策略，建立了该控制策略下的仿真模型，并进行了仿真验证，仿真结果表明所提控制策略能够有效提高双馈风电机组故障穿越能力。(3)针对定、转子侧故障瞬间过电流以及故障