2. 2　PMSG 的暂态现象

   

　　对于PM SG, 定子经ACöD CöA C 变流器与电网相接, 发电机和电网不存在直接耦合。电网电压的瞬间降落会导致输出功率的减小, 而发电机的输出功率瞬时不变, 显然功率不匹配将导致DC2link (直流母线) 电压上升[ 7, 11, 12 ] , 这势必会威胁到电力电子器件安全。如采取控制措施稳定DC2link 电压, 必然会导致输出到电网的电流增大, 过大的电流同样会威胁变流器的安全。当变流器直流侧电压在一定范围波动时, 电机侧变流器一般都能保持可控性, 在电网电压跌落期间, 电机仍可以保持很好的电磁控制。所以同步直驱系统的LVRT 实现相对DF IG 而言较为容易[ 13 ]。

   

　　3　LVRT 的实现方法

  

　　3. 1　FSIG 的LVRT 实现

  

　　电压跌落期间FS IG 的主要问题是电磁转矩衰减导致转速的飞升。其简单的结构使得能采取的措施也很有限。最简单的方法是在可靠判断出故障后, 利用快速变桨来减小输入机械转矩, 限制转速上升[ 5, 7 ]。但风机桨叶具有很大的惯性, 该方案需要风机有很好的变桨性能。

  

　　变桨控制不足之处在于无法提供无功以支持电网恢复, 鼠笼电机的运转反而需要吸收电网的无功。一般减少无功吸收的方法是按最大功率输出安装电容器组。但在风力发电这种能量波动大的场合会带来系统电压的波动, 且会磨损发电机械, 故障时临近母线会出现过电压, 因此文献[14 ] 提出采用静态无功补偿SVC ( stat ic var compen sa to r) 方案, 安装一个静态无功补偿器, 实时补偿所需无功。研究结果显示, 稳态运行波形得到改善, 提高了故障穿越能力。

   

　　文献[16 ] 提出采用静态同步补偿器STACOM (vo ltage sou rce stat ic var comp en sato r)来调节电压, 其研究结果显示在适当的额定功率下, 该方案可以实现低电压穿越。与静态无功补偿器相比, 该方法的补偿电流不依赖于连接点电压,所以补偿电流在电压下降时不会降低。然而, 由于成本的原因, 这一方案难以工程化。总的来说,DF IG 在电压跌落时面临的问题不是很大, 其LVRT 实现可以配合变桨和其他措施实现。

  

　　3. 2　PM SG 的LVRT 实现

   

　　电压跌落期间PM SG 的主要问题在于能量不匹配导致直流电压的上升。可采取措施储存或消耗多余的能量以解决能量的匹配问题。这种设计的效果需要考虑成本、电网规范以及故障深度和时间。可以考虑从变流器设计入手[ 11 ] , 选择器件时放宽电力电子器件的耐压和过流值, 并提高直流电容的额定电压。这样在电压跌落时可以把DC2link的电压限定值调高, 以储存多余的能量, 并允许网侧逆变器电流增大, 以输出更多的能量。但是考虑到器件成本, 增加器件额定值是有限度的, 而且在长时间和严重故障下, 功率不匹配会很严重, 有可能超出器件容量, 因此这种方法较适用于短时的电压跌落故障。

  

　　上面的方法考虑增大功率输出和储能以解决功率匹配。同样可以考虑减小电机的发电功率来平衡功率[ 11, 12 ]。

   

　　如减小同步机电磁转矩设定值, 这样会引起发电机的转速上升, 从而达到允许转速的暂时上升来储存风机部分输入能量, 这有效地减小了发电机的输出功率。如果故障不严重, 可以不采取变桨控制;一旦电机转速上升过多或不便用上升转速来储存能量可以直接采取变桨控制。变桨可从根本上减小风机的输入功率, 有利于电压跌落时的功率平衡。这种策略结合增加器件容量的方法可进一步提高穿越裕度。

   

　　对于更长时间的深度故障, 可以考虑采用额外电路单元储存或消耗多余能量。文献[7, 11 ] 给出两种外接电路单元实现LVRT 的方案, 如图3 所示。图3 (a) 为在DC2link 上接一个储能系统, 当检测直流电压过高则触发储能系统的IGBT , 转移多余的直流储能, 故障恢复后将所储存的能量馈入电网。图3 (b) 采用Buck 变换器, 直接用电阻消耗多余的DC2link 能量。

   

    

图3　两种用于PMSG 的LVRT 方案 Fig. 3　Two LVRT implemen ta tion s in PMSG

   

　　3. 3　DFIG 的LVRT 实现

  

　　与前两种机型相比,DF IG 在电压跌落期间面临的威胁最大。电压跌落出现的暂态转子过电流、过电压会损坏电力电子器件, 而电磁转矩的衰减也会导致转速的上升。

  

　　由于DC2link 会出现过、欠电压, 因此可以考虑与PM SG 一样在DC2link 上接储能系统, 以保持DC2link 电压稳定[ 7 ]。这种基于能量管理的控制方案主要是从维持ACöD CöA C 变流器直流母线电压的角度考虑问题, 没有直接涉及到双馈电机本身的LVRT 特性。

　　文献[18 ] 考虑定子磁化电流的动态过程, 建立精确模型及相应的控制策略来减小暂态过电流。通过在转子电压方程中加入补偿项实时修正模型中的动态量以达到补偿效果, 提高电压波动时的动态响应。而文献[19 ] 针对不对称故障引起的二次谐波设计了含有重复控制器的锁相环以滤除负序分量, 提高了LVRT 能力。文献[20 ] 指出故障过电流引起控制失败原因在于常规线性控制策略的局限性, 由此设计了一个非线性控制方案, 提高了LVRT 能力。

   

　　除此以外, 下面重点介绍几种典型的LVRT实现方案。

   

　　3. 3. 1　基于双馈电机定子电压动态补偿的控制策略

  

　　电网电压跌落时, 定子磁链中出现的直流分量和负序分量会在转子电路中感生出较大的电势, 频率分别为Xr 和Xs + Xr (Xs 为同步角速度, Xr 为转子角速度)。由于转子电路的漏感和电阻值较小, 较大的电势必然在转子电路中产生较大的电流。

  

　　为削弱定子磁链的变化对转子电路的影响, 可采用对磁链进行动态补偿控制的方案, 即通过控制发电机的漏磁链以抵消定子磁链中的暂态直流、负序分量对转子侧的影响[ 6, 21, 31 ]。定转子间磁链的关系如式(1) 所示:

  

   

　　式中:为转子磁链; Lm 为励磁电感;为定子磁链; L s 为定子电感; L r 为转子电感; L sl 为定子漏感;L rl 为转子漏感; I r 为转子电流。因此, 在故障情况下可以通过对转子电流的控制, 使转子电流的方向位于定子磁链的直流分量和负序分量相反的方向上, 如图4 静止坐标系下的统一相量2 矢量图所示[ 6 ] , 图中转子电流实际代表了转子漏磁链量, 从而可以在一定程度上削弱甚至消除定子磁链对转子磁链的影响。相对于电压跌落引起的感应电动势, 变流器能提供多大的电压支持很关键。在相同条件下, 电压下跌时电机运行于超同步速比次同步速需要更高的转子端电压; 定子电压跌落越大, 转子电流控制所需转子端电压也越大, 对转子电流的控制也就越困难; 在故障发生时重载比轻载时的控制困难, 而对于无功功率, 控制电压随无功电流的增加而减小。增大电流控制环的带宽, 能有效抑制动态过渡过程中转子电流的峰值[ 22 ]。

   

    

图4　转子电流的控制 Fig. 4　Con trol of the rotor current

     

　　图中:为定子磁链正序分量,为定子磁链直流分量,为定子磁链负序分量, I r_ 0 为转子电流直流分量, I r_ n 为转子电流负序分量。此外由式(1) 不难分析, 变流器利用转子电流对转子磁链变化的补偿能力受定子和转子漏感的影响, 漏感越大, 这种补偿控制能力越强, 即LVRT能力越强; 反之LVRT 能力也就越弱。

    (待续)