电网不对称故障下双馈风力发电机组穿越控制的研究.pdf

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电网不对称故障下双馈风力发电机组穿越控制的研究1 电网不对称故障下双馈风力发电机组穿越控制的研究2 电网不对称故障下双馈风力发电机组穿越控制的研究3 电网不对称故障下双馈风力发电机组穿越控制的研究4 电网不对称故障下双馈风力发电机组穿越控制的研究5 电网不对称故障下双馈风力发电机组穿越控制的研究6

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第39卷第16期2011年8月16日电力系统保护与控制PowerSvstemProtectionandControlV.01.39No.16Aug.16,2011电网不对称故障下双馈风力发电机组穿越控制的研究苏平,付纪华,赵新志,翟来,刘军,党琦(陕西省电力公司西安输变电运行公司,陕西西安710075)摘要:在研究电网电压不对称对双馈感应发电机(DFI6)影响以及DF1G正、负序数学模型的基础上,分析了电网电压不对称条件下DFIG定子输出有功、无功功率和发电机电磁转矩的组成。针对电网电压不对称时负序电流对定子侧有功功率、无功功率、电磁转矩和直流侧电压的影响,提出电流正序分量跟踪控制策略,并在转子侧和网侧变换器的控制中对电网电压的正、负序分量分别处理。转子侧变流器采用正序电流跟踪的滞环控制,实现了电流的无差跟踪。网侧逆变器控制内环采用电流前馈控制,并控制负序电流为零,外环采用电压环稳定直流电压。仿真结果表明,在电网不对称故障时,这种控制策略可以消除负序电流对定子侧有功功率、无功功率、电磁转矩和直流侧电压的影响,实现不对称故障穿越。_关键词:双馈感应电机;不对称故障;风力发电;对称分量法;故障穿越Researchonasymmetricalfaultsride-throughcontrolofDoublyFedInductionGenerator(DFIG)SUPing,FUJi.hua,ZHAOXin.zhi,ZHAILai,LIUJun,DANGQi’’(ShaanxiElectricPowerCorporation,Xiaf1PowerTransmissionOperationCompany,Xian710075,China)一一一,Abstract:Basedonthee岱ctoftheasymmetricgridvolmgeonDFIGandthepositiveandnegativesequencemathematicalmodelofDFIGmispaperanalysesthecompositionofoutputactiveandreactivepoweroftheDFIGstatorandthegenerator—electromagnetictorqueunderasymmetrica1gridvoltagecondition.Consideringtheeffectonstatorsideactiveandreactivepower,electromagnetictorque,andDCsidevoltagecausedbythenegativesequencecurrent,acurrentpositivesequencecomponenttrac ̄dngControlstrategyisproposed,andthepositiveandnegativesequencecomponentsofgadvoltageareprocessedseparatelybothintherotorsideconvertercontrolandthegridsideconvenercontro1.Hystemticposhivesequencecurrenttrackingcontro1technologyisappliedtotherotorsideconveae ̄whichachievesacurrentnon.poortracking.Currentfeedforwardcontroltechnologyisintroducedintothein/lerringofgridsideinve ̄ercontro1.whichensuresthatnegativesequencecurrentiszero,whiletheouterringadoptsvoltageringtostabilizeDClinkvoltage.Finalthecontrolstrategyissimulated,andthesimulationresulBdemonstratethatthecontrolstrategycaneliminatetheeffectofthenegativesequencecurrentandrealizestheasymmetricalfaultsride.through.Keywords:doublyfedinductiongenerator(DFIG);asymmetricalfaults;windpower;symmetricalcomponent;faultridethrough中图分类号:TM614文献标识码:A—文章编号:16743415(2011)16.0101.060引言目前大型变速恒频风力发电系统中双馈电机占了很大比重,随着双馈感应风力发电机组单机容量和装机容量的不断增大,发电机与电网的相互影响变得越来越重要ll】。然而风电场大都处于偏远地区,与电力主干网连接较弱,电网电压容易发生波动、不平衡。当电网处于这种不平衡状态时,为实现自我保护,风电机组常采取立即切断与电网的连接的方式。随着风电总装机容量在电网中所占比重的上升,电力系统对风电机组的运行要求也越来越严格。电网运行规程要求风电机组在电网故障时不得与系统解列,须承受暂态最大5%、稳态最大2%的电网不对称电压。通常变换器的控制方法都是假设三相电网平衡,但是当实际电网不平衡时,按电网电压对称来控制的设计的变换器的直流电压会产生偶数次谐波,交流电流会产生奇数次谐波,这会影响系统的控制性能。风电系统容量较大会对与风电场相连的电力系统的稳定性产生非常大的影响。因此,风电机组的不对称故障穿越成为风电行业中一项非常重要的研究课题【4J。文献[5】通过引入二倍电网频率陷波器和改进定开关频率直接功率控制(CSF.DPC)参数不匹配带来的误差,使CSF.DPC可适用于不对称性故障穿越运行控制;文献[6】给出了负序控制系统4类不同控制目标时转子负序电流指令值,得到适.1O2.电力系统保护与控制应于电网电压不平衡的DFIG在正、负序坐标下的励磁矢量控制策略,但没有给出每一种控制目标的具体控制方法;文献【7]提出了基于。【p_-_|PCC策略在两相静止坐标系下消除直流侧纹波的控制方案,并采用基于预测电流的跟踪控制,实现了电流的无差跟踪,但是仅有网侧变换器的控制方法;文献【8】给出了转子侧和网侧的协调控制策略,但是没有任何正、负序检测分离装置,控制精度受到很大影响。针对以上问题,本文在分析电网电压不平衡对DFIG的影响的基础上,针对电网电压不对称时负序电流对定子侧有功功率、无功功率、电磁转矩的影响,提出电流正序分量跟踪控制策略,并在转子侧和网侧变换器的控制中对电网电压的正、负序分量分别处理,以提高DFIG的不对称故障穿越能力。应用PSCAD/EMTDC建立DFIG仿真模型,在电网不对称故障情况下对DFIG的性能进行仿真研究,验证所提策略的正确性和有效性。1不对称电压产生的影响及原因造成电网不对称主要有以下几个方面的原因[8】.(1)三相电网配电时,三相负载不平衡;(2)大容量单相负载的使用;(3)不对称故障造成系统三相不对称;(4)非全换位输电线或紧凑型输电线造成系统不对称;(5)非全相运行造成系统三相不对称。故障引起的电网电压跌落有对称的,更多的却是不对称的,即使是对称故障,大多也是由不对称故障发展而来。因此由不对称故障引起的电网电压不对称成为研究的热点。图1中表示故障点到母线1的阻抗,五表示系统阻抗。故障发生时,母线1上的电压为:7=—(1)Ize+Zs式中,表示故障时母线1上的残余电压。一般情况下乙远小于负荷阻抗,因此短路故障都伴随着电压跌落。图1电网故障示意图Fig.1Sketchmapofgridfaults当电网电压不对称时,电网电压的负序分量加在并网运行的DFIG定子侧,会产生负序励磁电流,导致定、转子电流的不对称。负序的定、转子电流在正序d、q轴产生两倍频的谐波。同时,由于定、转子电流负序分量的存在,DFIG的有功功率、无功功率、电磁转矩以及转速不再是常数,存在两倍于基频的周期性脉动。不对称电流、功率、转矩的脉①动将导致如下后果【9】:负序的定、转子电流将加重定、转子绕组的发热,同时使定、转子三相绕组发热不对称,而定、转子电流不对称度严重时还会②引起过流;脉动的有功功率和无功功率会使系统③的稳定性受到很大的影响;电磁转矩的周期性脉动严重时会损坏风电系统的机械部件(如转轴、齿轮箱、叶片等)。当电网电压不对称时,变换器性能也发生变化。变换器的交流侧存在负序电流,使得三相电流不平衡;直流侧电压存在偶数次纹波,通过PWM调制导致交流侧电流有奇数次谐波。当发生程度严重的电网电压不对称故障时,为了风电系统的安全性,需要从电网中切除风电系统。当并网运行的风电系统容量较大时,风电系统从电网切除将对整个系统的运行稳定性产生非常大的影响。2BFIG在正、负序下的数学模型【5.6】图2示出双馈感应发电机定子ABC坐标系、转子abc坐标系、正序和负序dq坐标系的关系。abe坐标系以电角速度逆时针旋转,正序dq坐标系以q转速逆时针旋转,负序dq坐标系以转速顺时针旋转。图2坐标变换关系示意图Fig.2Schematicdiagramofcoordinatetransformation运用坐标变换对三相定、转子坐标系下DFIG的电压方程和磁链方程进行变换,得到DFIG在正、负序坐标系下的正、负序电压方程和磁链方程。正序电压方程为:苏平,等电网不对称故障下双馈风力发电机组穿越控制的研究.1O3.]i-Rs甜三l:Pf10l0卦正序磁链方程为:一q{f,一陲+(2)(3)其中:、、i分别表示电压、磁链、电流;下标d、q表示在d、q轴上的分量;下标s、r表示定、转子侧的分量;上标P、N分别表示正、负序分量;足、足表示等效之后的定、转子电阻;厶、厶为定、转子自感;厶为定、转子之间等效的互感;为转差角速度,=啦一;P为微分算子。负序电压方程为:p+一一负序磁链方程为:+p++qN。一一-L,0厶00一0厶一Lo0Lr00一Lo0厶3电网电压不平衡时DFIG的功率分析基于定于正、负序磁链足同情况卜,1反砹:(1)将P定义在dP轴上,并忽略其暂态过程,将N定义在dN轴上,并忽略其暂态过程;(2)忽略定子电阻足,则有:=(6)l=0…{三P㈩=…N(8)l=0…UN4 ̄_N-o ̄e,N=一…转子正序电压与正序电流之间的关系为:‘lrP=(足+,P)-co ̄o'L(10)qrP=(足+0-Lrp)i;r+(O'Lr/fir+厶P/)(11)其中,=1一/LsLr,为漏抗因子。转子负序电压与负序电流之间的关系为:=(足+)+(12)=(R+p)一(+N/)定子输出有功功率和无功功率为:=等(《一N.N2U:U ̄(4)Lq(5)(13)一—鲁Nz;出PU。 ̄'iN]s(2r+)+(14)鲁(一N.P。s(2Qs:一。哇(一N.N+鲁(+N.P)sin(2ao)+(15(一N.Pos(2)由式(14)和式(15)t可以看出,定子侧输出●●●●●●●●●●●1JOO0ROOOooo00t00o0o0_。.............。.。。..。.........Lll●●●●●●●●●●1,J●●●●●●●●●●●r-JO0O00ROo00000l1-104一电力系统保护与控制的有功功率和无功功率存在两倍频的脉动。电磁转矩为:箍(N.N+箍(P.N一N.PCOS(2qH)+(一ieqr)COS(20 ̄t+Oo)(16)由式(16)可以看出,电磁转矩同样含有两倍频脉动。4电网电压不对称时DFlG的控制策略4.1机侧变换器控制由电网电压不对称时DFIG的功率分析可以看出,定子侧有功功率、无功功率以及发电机电磁转矩的两倍频脉动都是由电网电压不对称引起的,通过控制转子电流负序分量可以抑制这些脉动物理量。因此,在DFIG正序数学模型中,不将脉动量作为控制目标,可得如图3的DFIG正序数学模型[们。图3DFlG正序数学模型Fig.3PositivesequencemathematicalmodelofDFIG图中,=/,=U。N/,=UqN/<r。图4是电网电压不对称时,在正、负序坐标系下的基于定子正、负序磁链定向的DFIG转子侧励磁矢量控制策略图。ISCM(InstantaneousSymmetricalComponentsMethod)是瞬时对称分量法I】¨,采用瞬时对称分量法分别得到转子电压和电流,电网电压的正序、负序分量,通过锁相环PLL对电网电压进行锁相,得到电网电压正、负序分量的相位。再通过坐标变换矩阵将电网电压和转子电流分别变换到正序坐标系和负序坐标系中,正序分量、作为正序控制系统的反馈量输入。正序控制系统输出的转子正序控制电流和变换到静止的转子两相坐标系中得到和;负序控制系统输出的转子负序控制电流和变换到静止的转子两相坐标系中得到和。将正序控制电流和以及负序控制电流和进行叠加,得到两相坐标系中的转子控制电流,再经过两相静止坐标到三相静止坐标变换作为控制电流、和。在功率变换器控制系统中,滞环比较方式Il2l同时兼有两种职能,一是作为闭环电流调节器,二是起着PWM调制器的作用。因此本文转子侧变换器采用电流滞环比较方式,以转子电流的正序分量、和作为三相电流指令信号,与控制电流fa、fh和比较,驱动转子变换器。图4DFlG机侧变换器控制框图Fig.4DiagramofDFIGgeneratorsiderectifiercontrol4.2网侧整流器控制网侧逆变器把机侧整流器输出直流电逆变成符合并网条件的交流电,并维持变流器直流电压的稳定。当电网不对称故障时,控制逆变器使输出电流保持三相对称。图5是网侧逆变器控制框图。图5中,采用瞬时对称分量法ISCM得到电网电压的正序、负序分量,并在电流内环中分别处理。负序参考电压矢量为电网负序电压,正、负序参考电压在0【p两相静止坐标系中叠加,其合成电压作为空间电压矢量PWM的参考矢量。这样,逆变器交流侧电压负序分量等于电网负序电压,注入电网的电流中不含负序分量,保持三相对称。苏平,等电网不对称故障下双馈风力发电机组穿越控制的研究图5DFIG网侧变换器控制框图Fig.5DiagramofDFIGgr.dsideinvertercontrol5仿真分析本文在PSCAD/EMTDc中建立了一台DFIG风力发电机系统仿真模型,对电网不对称短路故障时发电机系统进行了仿真。参数设置如下:双馈发电机(DFIG)参数:额定功率为500kVA,定子额定电压为l3.8kV,额定频率为50Hz,额定转速为380rad/s,定子电阻为0.0054pll,定子’漏感为o.102P-u转子电阻为0.00607P.u,转子漏感为0.11p.uo风速为额定风速、风力发电机组以单位功率因数运行时,电网高压侧发生两相短路故障时,分别对常规控制策略下和本文提出的不对称控制策略下进行仿真比较。故障发生在3s,故障持续的时间均为0.25s。图6是常规对称控制策略下DFIG的仿真结果。系统发生断路故障使得电压跌落,电压跌落时电磁转矩也减小,因为电压减小,磁链减小,因而电磁转矩减小,而风力机在额定风速下输入的机械转矩不变,所以发电机的转速会增大,因为发电机定转子的耦合作用,转子电流也变大。由于系统采用的是无功功率控制,所以定子侧的无功功率基本保持不变,而有功功率则降低,故障后定子磁链减小,造成定子无功功率偏离原来的运行点。直流电压是升高的,但是由于直流母线之间装设了电容,而电容是个惯性环节,使得直流侧响应非常慢,所以直流母线电压的变化也就非常小。可以看出在电网电压出现不对称跌落时,直流电压、定子侧有功功率、定子侧无功功率和发电机电磁转矩呈现出二倍频的纹波,这是由于电网电压包含负序分量所致,与前面的分析结果一致。>15lO5O露一5-一l1051410匪要……——……….卜l~一ql}~一}一~}一~}螺三臣.基:兰三3O20lO0—1O.20一日0.2OZ挥趣母一I60图6对称控制策略下DFIG的仿真结果2.9503.0503。15032503.350秦匪筐嚣图7不对称控制策略下DFIG的仿真结果Fig.7Simulationresultsunder,asymmetricalcontrolstrategy.1rd/蟪硼《>斜姆器渡)l,料器议.1rd,器媾埘《》瓣罄暮议%>瓣一】O6.电力系统保护与控制图7是本文提出的不对称控制策略下DFIG的仿真结果。可以看出在同样的故障下,相比于图6,系统直流电压、定子侧有功功率、定子侧无功功率和发电机电磁转矩均没有出现二倍频的纹波。证明了该控制方法的正确性和快速性。6结论通过对所提出的控制方法理论分析、仿真研究可知:(1)在电网不对称故障时,这种控制策略可以有效、快速地消除负序电流产生的定子侧有功功率、无功功率、电磁转矩和直流侧电压的二倍频谐波,实现不对称故障穿越。(2)转子侧变流器电流跟踪控制与传统采用电压补偿法的转子电流闭环控制相比,本文采用的滞环控制的电流指令无需再进行电压补偿环,省略了转子电流指令再解耦和电压补偿的环节,使得控制环大为简化,而且电流跟踪误差范围固定易于控制。(3)网侧逆变器控制内环采用电流前馈控制,并控制负序电流为零,外环采用电压环以稳定直流电压。电网电压实时信号的直接引入使得对电网故障的动态反应更快,控制及时,控制方法简单易行。参考文献[1]JuanManuelCarrasco,Jan.T, ̄asiewicz,Ram6nC'0Portillo ̄3uisado,eta2.PoweJ 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庸梦人
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