双馈风力发电系统低电压穿越控制策略研究

通馋电潦技术　２０１７年１月２５日第３４卷第１期　Ｔｅｌｅｅｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ．２５，２０１７，Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．１　ｄｏｉ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０１７．０１．０５０　鹅誉　双馈风力发电系统低电压穿越控制策略研究　王国权，常海松，韩建鹏　（华北水利水电大学电力学院，河南郑州４５００４５）　摘要：近年来，在双馈风力发电系统的使用过程中，高电压引起了严重的安全隐患，人们开始引进低电压穿越控制系　统，并采用有效的运行策略，满足了双馈风力在发电过程中对用电系统的低电压穿越控制，有效提高了风力发电机的可靠　性，实现了高效平稳运行。文章基于发电模型，分析论证各个情况，验证控制系统的有效性。　关键词：双馈风力发电系统；低电压穿越控制策略；直流电路；仿真模拟　Ｔｈｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｌｏｗ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｒｏｓｓｉｎｇ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　Ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ　Ｗｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｗＡＮＧ　Ｇｕｏ－ｑｕａｎ，ＣＨＡＮＧ　Ｈａｂｓｏｎｇ，ＨＡＳ　Ｊｉａｎ－ｐｅｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００４５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｓａｆｅｔｙ　ｈａｚａｒｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｐｅｏｐｌｅ　ｂｅｇａｎ　ｔｏ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ａｄｏｐｔ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ　ｗｉｄ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎｎ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｉｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅｓ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｍｏｏｔｈ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ　ＯＩ１　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｅａｃｈ　ｃａｓｅ　ｔｏ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏ１　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｉｄｅ￣ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ；ＩＸ；ｃｉｒｃｕｉｔ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　０　引　言　随着双馈风力发电系统中风电容量不断增加，在　电网电压跌落严重的情况下，风电机组会因自保而脱　网，严重时导致电网崩溃，风力发电机的低电压穿越能　力是一个需要解决的问题。并网运行，定子绕组又直　接挂网，当电网因故障出现电压骤降时，定转子磁场的　耦合作用，在转子侧会感应出较大的过电流和过电压，　尤其对变流器造成严重影响。　许多学者针对这种情况，对风电机组的控制策略　和保护原理进行了大量研究，电网电压轻微跌落时，可　以通过改进控制策略实现，当电网发生很严重的故障　后，仅仅改进控制策略已经不能满足低电压穿越的需　要。改进网侧变换器控制策略和硬件保护相结合的低　电压穿越控制方法，保护转子变换器和限制直流母线　过电压，并在电网电压恢复期间向系统提供有功和无　功支撑，以满足并网规程中低电压穿越运行的基本要　求。　１双馈风力发电系统　双馈绕线式发电机的风力发电机组是一个完整的　系统。所谓双馈指的是双端口馈电，定子跟转子都可　以发电，互相切割磁感线。　双馈电机必须配合变频器使用。变频器给双馈电　机的转子施加转差频率的电流进行励磁，调节励磁电　流的幅值、频率、相位，实现定子恒压恒频输出。并网　型风力发电系统要求机组输出的有功功率能追踪风力　机所能捕获的最大风能，调节有功功率可通过调节风　收稿日期：２０１６—１０—１７　作者简介：王国权（１９９２一），男，河南巩义人，硕士研究生，研究　方向为新能源并网运行与优化控制策略研究。　电机组的转速，使风力机运行在最佳叶尖速比，进而实　现最大风能捕获。因此从这个角度看来，双馈电机可　以在风能波动的情况下实现电能的较稳定输出。　现有大规模商用双馈风力发电系统的组成比较复　杂，主要包括以下组件：　（１）叶轮：叶轮内部包括轮毂、叶片、边桨距系统、　集中润滑系统。　（２）机舱：底座、偏航系统、齿轮箱、双馈发电机、集　中润滑系统、液压系统、机舱控制系统。有的还包含有　独立的齿轮箱冷却系统、发电机冷却系统。　（３）其他电控设备：主控系统、变流器等。　近年来，随着风电装机容量的不断增加，风电机组　与电网之间的相互影响，并网风电机组的安全运行问　题成为关注的焦点。其中，电网故障时风电机组的不　脱网运行，即低电压穿越问题尤受关注。针对该问题　国家电网也已经对并网发电的风电机组提出了具体的　低电压穿越要求，因此在使用过程中，引进了低电压穿　越控制策略，提出一种全新的网侧变流器无功功率的　控制策略来实现对电网无功支持，以助于电网故障恢　复以及加快机端电压恢复。　２低电压穿越控制策略　当电网在运行过程中出现故障时，在转子侧变换　器输出电压允许的范围内，本文采用抵消定子磁链直　流分量和负序分量的低电压穿越控制策略，否则，采用　Ｃｒｏｗｂａｒ硬件保护电路与消磁控制策略相结合的方　法。设三相转子电流为固定的，将其变换到同步旋转　参考坐标系下得到，此时，转子电流励磁分量为直流　量，而由定子磁链直流和负序分量引起的转子旋转电　流分量为交流量，为将转子电流旋转分量分离出来，使　经过低通滤波，得到转子电流励磁分量，而转子电流旋　转分量为抵消定子磁链直流分量和负序分量。　Ｃ蠢Ｌ德电．涿　ｊ｜：　２０１７年１月２５日第３４卷第１期　王国权，等：双馈风力发电系统低电压　穿越控制策略研究　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊａｎ．２５，２０１７，Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．１　当电网中的电压在使用过程中出现电压大幅度跌　落时，抵消定子磁链直流分量和负序分量对转子的影　响需要转子侧变换器提供很大的转子电流，可能导致　转子侧变换器输出电压达到限幅值及转子电流超出限　幅值。单靠转子变换器控制算法已经无法实现故障穿　越，本文采用封锁转子变换器脉冲，并将Ｃｒｏｗｂａｒ保　低电压穿越的无功需求。若采用原有的方法无功电流　给定值始终为０，不能为系统提供所需的无功电流。　而新的控制方法．在原有的基础上进行了改进，取得了　显著成效，更加适应新情况的发展。　４结束语　本文分析了电网电压跌落以及电网电压恢复情况　下的运行状况，提出了一种网侧变换器无功功率控制　策略。基于模型，进行了控制策略的仿真研究，结果表　明不仅能为电网提供足够的无功功率帮助电网恢复，　同时也能在故障切除后向系统继续发出无功功率来加　快风机机端电压恢复。该控策略相对简单，具有较好　的实用价值。　护电路接人转子绕组对转子进行保护，待定子磁链部　分衰减，感应电动势衰减到限幅值以内，切除Ｃｒｏｗｂａｒ　电路，继续使用转子变换器ＬＶＲＴ控制算法。当转子　变换器输出电压超出限定值时，仅采用改进转子侧变　换器控制策略的方式实现电网电压严重跌落时的低电　压穿越，保护转子励磁变换器并快速为电网提供功率　支持，保证正常的运行。　３仿真论证　为验证低电压穿越控制策略的有效性，对其进行　了实验研究，使用参数为：双馈发电机额定功率Ｐ＝３　ｋＷ，频率ｆ＝５０　Ｈｚ，定子为Ｙ联结方式，电阻１．９５Ｑ，　漏感９．０４　ｍＨ；转子为Ｙ联结方式，折算到定子侧后，　电阻３．５４　Ｑ，漏感９．０４　ｍＨ，励磁电阻为９．４２　Ｑ，励　磁电感为２５８．５　ｍＨ，可以得出此时的低电压穿越控　制策略的有效性是正确可行的。　原有控制策略采用了典型的电压电流双闭环控　制，即电流ＰＩ调节器按照典型一型系统设计以及直流　母线电压ＰＩ调节器按照典型二阶系统设计；改进的新　控制策略，电流ＰＩ调节器仍按照典型一型系统设计，　新加入的两个　ＰＩ　调节器则根据二阶系统设计。新的　控制策略下，当电网短路使得机端电压降低，流入电压　ＰＩ调节器的电压偏差增大，无功功率基准值随之将增　大，这样也就会让定子无功电流给定值增大，用以满足　－ｍ，…，ｍ，ｍＩＩＩｌＩ，ｌｍ，ｍ－ｌｌｍｍ，ｍｍ１．１－参考文献：　［１］国家电网．国家电网公司风电场接人电网技术规定［ｚ］．　中国风能技术中心，２００９．　Ｅ２３向大为，杨顺昌，冉立．电网对称故障时双馈感应发电　机不脱网运行的励磁控制策略［Ｊ］．中国电机工程学报，　２００６，２６（３）：１６４－１７０．　Ｅ３３张学广，徐殿国，李伟伟．电网对称故障下基于ａｃｔｉｖｅ　ｃｒｏｗｂａｒ双馈发电机控制［Ｊ］．电机与控制学报，２００９，１３　（１）：９９－１０３．　［４］胡家兵，孙丹，贺益康，等．电网电压骤降故障下双馈风　力发电机建模与控制［Ｊ］．电力系统自动化，２００６，３０（８）：　２１－２６　［５］陈伯时．．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出　断料．，ｆ１ｆ１７　ｌｍ，Ｉ，，－Ｉ，ｍ，ｍ，，，ｍ，ｍ，，，１．，，，－，，，，，－，，，　（上接第１２５页）　４对船舶防雷的建议　（１）提高对雷电危害的认识，制定防雷应急处置预　案。船公司及船员要高度重视雷电的危害，认真做好　外部防雷设施的维护保养，按规定正确使用各种设备，　尤其是在雷电频发时期，在保证船舶航行安全的前提　下，尽量减少电子设备的使用。雷暴天气发生时，船员　应尽量避免在甲板上尤其是桅杆上作业。　（２）由于海水腐蚀性大，船舶通信导航设备的天线　容易生锈，导致其电阻增大起不到避雷的效果，因此船　舶通信导航设备的天线要定期进行检查，及时更换锈　蚀的天线，更换时最好在铜线表面涂一层牛油加以保　护。　（３）严格开展防雷装置的定期检测，做好接地装置　的腐蚀检测，确保接地电阻不超过４　Ｑ。　（４）船舶上暴露的部分辐射长电缆，电缆的铠装要　定期检查，确保其有良好的接地，如果条件允许，可加　设电缆防护罩以防止直击雷的危害。　（５）由于船舶通信导航设备一般都设置在船舶驾　驶台，其天线一般在顶甲板，连接设备电缆通过暴露区　域，电缆的铠装、屏蔽层也要定期检查，使其具有良好　的接地，确保雷电流能够快速流向船体，减少对设备的　危害。　５结束语　船舶防抗雷击是一项复杂的综合性课题，要采取　外部防护和内部防护相结合的方式。在设计船舶防雷　方案时，要综合考虑安全性、实用性和经济性。在船舶　建造过程中，要严格按图施工，特别要做好接地保护、　电气连接等工艺。在船舶使用过程中，船员要认真开　展日常保养，定期检测相关设备的电阻，在雷雨天尽量　避免外出，减少雷电造成的危害。