李佳彬，王淑紅，樊慧彬，曹建文，王一帆，張愛(ài)玲

(1.太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006；3.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 611756)

0 引 言

近年來(lái)，隨著新能源發(fā)電的快速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量在電網(wǎng)中的占比越來(lái)越大，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。高電壓穿越能力和低電壓穿越能力是各國(guó)電力系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組提出的強(qiáng)制性要求。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障電壓穿越能力》(GB/T 36995-2018)中對(duì)于電網(wǎng)電壓驟升期間風(fēng)電機(jī)組所應(yīng)提供的無(wú)功支撐，故障發(fā)生、結(jié)束時(shí)刻的有功波動(dòng)都做了嚴(yán)格的規(guī)定。

和雙饋電機(jī)(doubly fed induction generator，DFIG)相比，無(wú)刷雙饋電機(jī)(brushless doubly fed induction generator，BDFIG)沒(méi)有電刷和滑環(huán)，在降低成本的同時(shí)增強(qiáng)了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。同時(shí)還具有所需變頻器容量小、功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。近年來(lái)在BDFIG本體和控制策略方面都取得了大量的研究成果。在低電壓故障穿越研究方面，現(xiàn)有的研究成果表明，無(wú)需附加任何硬件，BDFIG可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓跌落100%情況下的穿越[2-3]。但BDFIG高電壓穿越方法的研究報(bào)導(dǎo)較少。

在DFIG的高電壓穿越研究方面，文獻(xiàn)[4-6]通過(guò)增加DC Chopper電路、無(wú)功補(bǔ)償器等硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)高電壓穿越，但增加了硬件成本。文獻(xiàn)[7-8]將抑制轉(zhuǎn)子繞組暫態(tài)過(guò)電流作為關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略以抑制高電壓穿越期間轉(zhuǎn)子繞組暫態(tài)過(guò)電流。但文獻(xiàn)[7-8]均未提及高電壓穿越期間網(wǎng)側(cè)變流器的控制和動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力。文獻(xiàn)[9-13]提出合理分配網(wǎng)側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器無(wú)功電流，協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)高電壓穿越。文獻(xiàn)[9]提出可以通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)出部分無(wú)功來(lái)對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的無(wú)功進(jìn)行就地補(bǔ)償。文獻(xiàn)[10]提出在高電壓穿越期間動(dòng)態(tài)調(diào)整變流器母線參考電壓的方法以解決現(xiàn)場(chǎng)變流器過(guò)壓保護(hù)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[11-13]在高電壓穿越期間通過(guò)合理分配網(wǎng)側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器有功、無(wú)功提升了風(fēng)電機(jī)組的高電壓穿能力。但并未研究如何減小電壓驟升故障暫態(tài)有功功率的波動(dòng)。

在BDFIG的高電壓穿越研究方面，文獻(xiàn)[14]提出一種機(jī)側(cè)變流器的控制策略，旨在抑制電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時(shí)BDFIG控制繞組的暫態(tài)電流沖擊。但該方法未考慮電壓驟升故障期間網(wǎng)側(cè)變流器可能存在的直流母線過(guò)電壓?jiǎn)栴}，并且在故障穿越期間功率繞組有功功率及無(wú)功功率外環(huán)均斷開，使得二者均不可控。

本文對(duì)電壓驟升時(shí)刻籠型轉(zhuǎn)子BDFIG控制繞組暫態(tài)電流進(jìn)行理論推導(dǎo)，說(shuō)明抑制控制繞組過(guò)電流并非解決BDFIG高電壓穿越的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)中對(duì)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電壓升高期間提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐及有功功率波動(dòng)的要求，給出網(wǎng)側(cè)、機(jī)側(cè)變流器無(wú)功電流的分配原則，提出一種降低有功功率波動(dòng)的方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提控制策略的有效性，且該方法無(wú)需附加任何硬件。

1 電壓驟升故障BDFIG暫態(tài)分析

電網(wǎng)電壓發(fā)生驟升或驟降故障時(shí)，由于功率繞組(power winding,PW)磁鏈不能突變，控制繞組(control winding,CW)會(huì)感應(yīng)出較大沖擊電流。為了說(shuō)明電壓驟升故障時(shí)該電流的大小在IGBT的耐受范圍之內(nèi)，抑制控制繞組過(guò)電流并非解決BDFIG高電壓穿越的關(guān)鍵問(wèn)題，從BDFIG的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，推導(dǎo)電壓驟升故障期間BDFIG控制繞組電流的表達(dá)式。

1.1 無(wú)刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型

無(wú)刷雙饋電機(jī)有多種數(shù)學(xué)模型，由于本文機(jī)側(cè)控制策略是在控制繞組靜止坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)的，為了方便起見(jiàn)，采用控制繞組靜止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型[15]為：

(1)

(2)

(3)

ψp=Lpip+Lprir；

(4)

ψc=Lcic+Lcrir；

(5)

ψr=Lrir+Lprip+Lcric。

(6)

式中：下標(biāo)p、c、r分別代表BDFIG的功率繞組、控制繞組和轉(zhuǎn)子繞組；U、i、ψ分別為BDFIG三相電壓、電流和磁鏈的合成矢量；R、L為是電機(jī)各繞組電阻和電感；pp、pc分別BDFIG功率繞組和控制繞組的極對(duì)數(shù)；ωr表示轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。

1.2 電壓驟升故障BDFIG暫態(tài)分析

對(duì)于籠型轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)，轉(zhuǎn)子電壓為0，即

Ur=0。

(7)

由式(3)～式(6)結(jié)合式(7)可得

ic=

(8)

式中▽為微分算子，且▽=d/dt，由于▽-jpcωr遠(yuǎn)大于式(8)中其它各項(xiàng)，其倒數(shù)可以忽略不計(jì)，式(8)可以簡(jiǎn)化為

(9)

結(jié)合式(4)、式(5)和式(9)得控制繞組磁鏈表達(dá)式為

(10)

結(jié)合式(2)和式(10)可得控制繞組電壓為

Uc=Ec+Eψ。

(11)

由式(11)可知，控制繞組電壓由兩部分組成，Ec為控制繞組電阻與功率繞組等效漏感上的壓降之和，Eψ為功率繞組磁鏈在控制繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。很顯然，在電網(wǎng)電壓驟升或驟降時(shí)，由于功率繞組磁鏈的變化將導(dǎo)致Eψ變化。

由式(11)可得控制繞組電流表達(dá)式為

(12)

式(12)表明，控制繞組電流除了與電機(jī)參數(shù)有關(guān)外，與Uc-Eψ成正比，由于控制繞組電壓Uc受直流母線電壓大小和直流母線電壓利用率限制,變化范圍不大，因此故障期間控制繞組暫態(tài)電流大小主要與Eψ相關(guān)。故以下分析故障期間Eψ的變化。

假設(shè)t=t0時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱電壓驟升故障，σ為電壓幅值變化(pu)，驟升時(shí)取正，驟降時(shí)取負(fù)。功率繞組靜止坐標(biāo)系下功率繞組電壓可表示為：

(13)

式中：ωp為功率繞組電壓角頻率；|UpN|為電網(wǎng)相電壓幅值。忽略式(1)中PW的電阻Rp，并將式(13)代入，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣?，電網(wǎng)電壓對(duì)稱驟升故障期間，功率繞組αβ靜止坐標(biāo)系下的PW磁鏈?zhǔn)噶康谋磉_(dá)式為：

ψp=

(14)

式中τ為時(shí)間常數(shù)。結(jié)合式(1)、式(2)、式(8)可得

由式(14)可見(jiàn)，故障后功率繞組磁鏈由穩(wěn)態(tài)分量和暫態(tài)分量組成。對(duì)ψp求導(dǎo)，可得控制繞組靜止坐標(biāo)系下▽?duì)譸表達(dá)式為：

▽?duì)譸=

(15)

式中ωc為功率繞組電壓角頻率，由式(15)可得，與故障前相比，故障發(fā)生時(shí)刻(t=t0)時(shí)的▽?duì)譸增加或減少的倍數(shù)為

(16)

BFGIG的轉(zhuǎn)差率為

(17)

式中ωn為電網(wǎng)電壓角頻率。結(jié)合式(16)、式(17)，故障時(shí)▽?duì)譸增加或減少的倍數(shù)可表示為

(18)

由式(18)可知，K由電壓幅值變化σ、轉(zhuǎn)差率S和功率繞組電壓衰減時(shí)間常數(shù)決定?？紤]到時(shí)間常數(shù)帶來(lái)的影響較小，因此K的大小主要取決于電網(wǎng)電壓幅值變化和故障發(fā)生時(shí)刻BFGIG的轉(zhuǎn)差率。BDFIG的轉(zhuǎn)差率通常設(shè)計(jì)在-0.3到0.3，對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速的±30%。

我國(guó)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)中規(guī)定的最高電壓升高幅值和最低電壓跌落幅值分別為1.3 pu和0.2 pu，即σ=0.3和σ=-0.8。當(dāng)σ=0.3，S=-0.3,即電機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)，由式(18)可得K=-1，式(12)中的Uc-Eψ最大，可能導(dǎo)致的控制繞組暫態(tài)電流最大；當(dāng)σ=-0.8，S=-0.3時(shí)，由式(18)可得K=2.67,低電壓故障時(shí)，式(12)中的Uc-Eψ最大，可能導(dǎo)致的控制繞組暫態(tài)電流最大。不難看出，電壓跌落80%時(shí)的Uc-Eψ很大，因此抑制故障發(fā)生時(shí)刻BDFIG控制繞組過(guò)電流是解決低電壓穿越的關(guān)鍵問(wèn)題[2-3]；但電壓驟升30%時(shí)的Uc-Eψ不大，再考慮到高電壓穿越期間國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐的要求，功率繞組將從電網(wǎng)吸收一定量的感性無(wú)功功率，從而也可以減小控制繞組的電流，綜合考慮以上因素，可以將控制繞組電流限制在IGBT的的耐受范圍之內(nèi)。

綜上所述,控制繞組過(guò)電流并非無(wú)刷雙饋電機(jī)高電壓穿越需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文將研究重點(diǎn)放在電壓驟升期間BDFIG提供的無(wú)功支持和有功功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面。

2 BDFIG高電壓穿越控制策略

BDFIG的功率繞組與電網(wǎng)直接相連，控制繞組通過(guò)機(jī)側(cè)變流器(machine side converter,MSC)和網(wǎng)側(cè)變流器(grid side converter,GSC)與電網(wǎng)相連。BDFIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 無(wú)刷雙饋電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of BDFIG system

國(guó)標(biāo)中規(guī)定電網(wǎng)電壓驟升至1.1倍額定電壓以上時(shí)，電壓每升高1%，風(fēng)電機(jī)組至少提供1.5%的額定無(wú)功電流。本文通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器對(duì)無(wú)功電流協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)BDFIG的高電壓穿越。

2.1 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

2.1.1 網(wǎng)側(cè)變流器基本控制理論

網(wǎng)側(cè)整流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 網(wǎng)側(cè)變流器主電路及其控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Main circuit and control structure of grid side convertor

GSC在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程可描述為：

(19)

其中：Ud、Uq分別為GSC交流側(cè)輸入電壓合成矢量的d、q軸分量；ed、eq分別為電網(wǎng)電壓合成矢量的d、q軸分量；ω為電網(wǎng)電壓頻率；Id、Iq為電網(wǎng)輸入電流合成矢量的d、q軸分量。R、L為GSC進(jìn)線電阻、電感。

由圖2可見(jiàn)，BDFIG正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，GSC以直流母線電壓Udc為外環(huán)，控制內(nèi)環(huán)d軸電流；q軸電流控制為0，工作于單位功率因數(shù)。

2.1.2 電壓驟升故障期間母線電壓及無(wú)功電流的動(dòng)態(tài)給定

三相電壓型整流器母線電壓Udc的給定值要大于進(jìn)線線電壓幅值，這是由Boost升壓電路所決定的，否則會(huì)使進(jìn)線電流產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變，引入較大的諧波電流。同時(shí)母線電壓給定值受到器件耐壓水平的限制，抬高母線電壓必須考慮直流母線電容和IGBT等功率器件的耐壓能力。主流型號(hào)的風(fēng)力機(jī)組經(jīng)過(guò)低電壓穿越能力改造后，母線電容可承受1.3倍并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓幅值[12]，即

(20)

式中UN為電網(wǎng)額定相電壓幅值。

由SVPWM理論可知，變流器輸出電壓矢量的幅值受到直流母線電壓的限制，在不產(chǎn)生過(guò)調(diào)制的情況下,輸出電壓矢量的幅值和Udc的關(guān)系為

(21)

GSC穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，式(19)中的微分量可以不計(jì)。采用d軸電網(wǎng)電壓定向時(shí)Uq=0、Ud=UN，將式(19)代入式(21)整理后可得

(22)

式(22)表明，電網(wǎng)電壓驟升期間,GSC從電網(wǎng)吸收感性無(wú)功電流(即Iq為負(fù))可以將網(wǎng)側(cè)一部分電壓降落在進(jìn)線電抗器上，從而減小GSC進(jìn)線線電壓，有可能保持母線電壓不變。此外現(xiàn)行國(guó)標(biāo)規(guī)定電壓升高期間，風(fēng)電機(jī)組需要向電網(wǎng)提供容性動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐?；谏鲜鰞煞矫婵紤]，高電壓穿越期間GSC應(yīng)在器件耐壓水平允許范圍內(nèi)，保證發(fā)生有功不變的情況下吸收部分感性無(wú)功電流，使網(wǎng)側(cè)變流器短暫工作于非單位功率因數(shù)狀態(tài)來(lái)幫助電機(jī)完成高電壓穿越。

由式(22)可得保持電壓故障期間母線電壓不變的最小無(wú)功電流為

(23)

式中Um為故障期間的相電壓幅值。需要說(shuō)明的是，故障期間在保持網(wǎng)側(cè)變流器輸出有功功率不變的條件下，由于電壓升高，使得所需有功電流變小，因此進(jìn)一步增大了網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)送無(wú)功電流的能力，但必須保證不超過(guò)GSC的最大允許電流Imax，即

(24)

小功率電機(jī)受變流器容量限制，如果所能提供的無(wú)功電流小于式(23)計(jì)算值，則無(wú)功電流按照式(24)選取且需要適當(dāng)提高故障期間的母線電壓，母線電壓給定值選取為

(25)

2.2 機(jī)側(cè)變流器控制策略

機(jī)側(cè)變流器采用了間接功率控制(indirect power control strategy，IPC)[16]。

2.2.1 間接功率控制理論

圖3為本文采用的間接功率控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如圖所示，IPC控制策略分別以BDFIG功率繞組的有功功率Pp、無(wú)功功率Qp為外環(huán)，控制繞組磁鏈相角增量ΔXc、幅值增量Ks為內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的控制以及功率因數(shù)的調(diào)節(jié)[16]，電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，無(wú)功功率的給定為0，電機(jī)工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。

圖3 間接功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure of indirect power control strategy

2.2.2 電壓故障期間機(jī)側(cè)控制策略

BDFIG有功、無(wú)功功率可以表示[16]為：

(26)

由式(26)可見(jiàn)，功率繞組的有功及無(wú)功功率與控制繞組的磁鏈有關(guān)，由式(13)可見(jiàn)，電網(wǎng)電壓驟升時(shí)控制繞組磁鏈的幅值將大幅增加。由以上可知，控制繞組磁鏈大幅變化將導(dǎo)致故障開始及結(jié)束時(shí)有功功率的大幅波動(dòng)。在保持故障前后BDFIG有功功率給定不變的情況下，改變無(wú)功給定即可保持控制繞組磁鏈幅值故障前后保持不變，進(jìn)而減小功率繞組有功功率的波動(dòng)。

令Up=|UpN|ejωct,ψc=|ψc|ej(ωct-θ)，代入式(26)中可得：

(27)

(28)

(29)

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)，電網(wǎng)電壓驟升至1.3 pu時(shí)，機(jī)組至少應(yīng)提供30%額定無(wú)功電流，即

(30)

式中：Iq為網(wǎng)側(cè)給定無(wú)功電流；IN為BDFIG額定電流。

值得說(shuō)明的是，故障期間當(dāng)功率繞組吸收感性無(wú)功功率時(shí)，控制繞組電流是減小的，有助于抑制故障期間控制繞組過(guò)電流。

綜上所述,高電壓故障穿越期間BDFIG向電網(wǎng)注入的無(wú)功電流由網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變流器共同承擔(dān)。如式(30)所示，其中網(wǎng)側(cè)無(wú)功電流Iq由式(23)～式(25)計(jì)算，機(jī)側(cè)無(wú)功電流由式(29)和式(30)計(jì)算。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證在電網(wǎng)額定電壓、機(jī)組輸出額定功率的情況下，電網(wǎng)電壓驟升至1.3倍額定電壓時(shí)本文所提網(wǎng)側(cè)與機(jī)側(cè)控制策略的準(zhǔn)確性和有效性，在MATLAB中搭建了仿真模型，仿真中所用BDFIG參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)刷雙饋電機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of BDFIG

正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí),BDFIG功率繞組有功功率給定為11 kW，無(wú)功功率給定為0；網(wǎng)側(cè)無(wú)功電流給定為0，母線電壓給定為580 V。故障期間，功率繞組有功功率給定不變，無(wú)功功率給定由式(29)計(jì)算得-9.8 kVar,對(duì)應(yīng)的無(wú)功電流為-16 A，以保持磁鏈幅值不變；考慮到網(wǎng)側(cè)變流器的容量，由式(24)～式(25)得，網(wǎng)側(cè)無(wú)功電流給定為-10 A，網(wǎng)側(cè)與機(jī)側(cè)無(wú)功電流之和滿足式(30)；母線電壓給定為 650 V。

t=1.5 s時(shí)，電網(wǎng)電壓驟升至1.3倍額定電壓，持續(xù)時(shí)間1 s，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4(a)為無(wú)功功率給定為-9.8 kVar時(shí)功率繞組有功功率的仿真結(jié)果。為了驗(yàn)證故障期間功率繞組無(wú)功功率的大小對(duì)有功功率波動(dòng)的影響，在其它條件相同的情況下，圖4(b)給出了無(wú)功功率給定-3 kVar 時(shí)功率繞組有功功率的仿真結(jié)果。

由圖4(b)可見(jiàn)，故障發(fā)生及結(jié)束時(shí)有功功率的沖擊分別為25.5%PN和36.4%PN。由圖4(a)可見(jiàn),故障發(fā)生及結(jié)束時(shí)有功功率的沖擊減小為18.2%PN和30.4%PN。仿真結(jié)果表明，采用本文所提控制方法有效降低了電壓驟升故障發(fā)生及結(jié)束時(shí)刻有功功率的沖擊。國(guó)標(biāo)要求電壓驟升發(fā)生及恢復(fù)時(shí)刻有功功率波動(dòng)幅值在±50%PN范圍內(nèi)，故障發(fā)生80 ms后有功功率波動(dòng)在±5%PN范圍內(nèi)，仿真結(jié)果滿足國(guó)標(biāo)要求。

圖4(c)為控制繞組電流波形,故障發(fā)生及結(jié)束時(shí)刻控制繞組暫態(tài)電流均小于2倍額定電流。說(shuō)明抑制控制繞組暫態(tài)過(guò)電流并非BDFIG高電壓穿越的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖4(d)為功率繞組無(wú)功功率，正常工作時(shí)無(wú)功功率為0，故障期間為-9.8 kVar。圖4(e)為網(wǎng)側(cè)無(wú)功電流波形，正常工作時(shí)無(wú)功電流為0，GSC工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)；故障發(fā)生后無(wú)功電流快速跟隨給定變化為-10 A。仿真結(jié)果表明，網(wǎng)側(cè)與機(jī)側(cè)無(wú)功電流之和滿足式(30)，符合國(guó)標(biāo)要求。

圖4 仿真結(jié)果圖Fig.4 Simulation results

圖4(f)為母線電壓波形，母線電壓在BDFIG高電壓穿越期間維持穩(wěn)定。

仿真結(jié)果證明了所提控制策略的有效性。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提網(wǎng)側(cè)與機(jī)側(cè)控制策略的準(zhǔn)確性和有效性，搭建了高電壓故障穿越實(shí)驗(yàn)裝置其原理圖如圖5所示。電壓驟升裝置串聯(lián)于并網(wǎng)點(diǎn)及變壓器之間，由PLC控制。實(shí)驗(yàn)中采用的BDFIG參數(shù)同表1，由西門子變頻器驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。功率繞組和控制繞組的接法同圖1，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖6。

圖5 BDFIG高電壓穿越測(cè)試原理圖Fig.5 Test schematic diagram of HVRT for BDFIG

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖Fig.6 Experimental system platform

考慮到網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變流器中IGBT的安全性，將正常運(yùn)行時(shí)BDFIG的線電壓降為額定電壓的84.2%，幅值為450 V，在此基礎(chǔ)上，由高電壓發(fā)生裝置在并網(wǎng)點(diǎn)產(chǎn)生1.3倍的對(duì)稱電壓驟升，幅值為585 V，如圖7所示，t=1 s時(shí)故障發(fā)生，t=1.95 s時(shí)清除，持續(xù)時(shí)間0.95 s。

正常運(yùn)行時(shí)功率繞組有功功率給定為2.4 kW，以檢驗(yàn)BDFIG在國(guó)標(biāo)測(cè)試內(nèi)容中規(guī)定的風(fēng)電機(jī)組小功率輸出范圍內(nèi)對(duì)電壓故障時(shí)的響應(yīng)特性，無(wú)功功率給定為0；網(wǎng)側(cè)無(wú)功電流給定為0，母線電壓給定為480 V；故障期間功率繞組有功功率給定不變，無(wú)功功率給定為-6 kVar，對(duì)應(yīng)的無(wú)功電流為-11.8 A，以保持磁鏈幅值不變。考慮網(wǎng)側(cè)變流器的容量，由式(24)、式(25)得，網(wǎng)側(cè)無(wú)功電流給定為-12 A，網(wǎng)側(cè)與機(jī)側(cè)所發(fā)無(wú)功電流滿足國(guó)標(biāo)要求，母線電壓給定為540 V。

圖7 并網(wǎng)點(diǎn)線電壓Fig.7 Voltage of grid connection point

圖8為功率繞組有功功率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,為了驗(yàn)證故障期間功率繞組無(wú)功功率的大小對(duì)有功功率波動(dòng)的影響，在其它條件相同的情況下，圖8中同時(shí)給出了無(wú)功功率給定分別為-6 kVar和-2 kVar的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8 無(wú)功給定-2 kVar和-6 kVar的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of reactive power given at -2 kVar and -6 kVar

由圖8可見(jiàn)，功率繞組無(wú)功功率給定為-2 kVar時(shí)，故障發(fā)生后控制繞組磁鏈幅值由2.4 Wb變化為2.9 Wb，故障發(fā)生及結(jié)束時(shí)有功功率的沖擊分別為12.8 kW和5.3 kW；無(wú)功功率給定為-6 kVar時(shí)，故障期間磁鏈幅值基本未變，故障發(fā)生及結(jié)束時(shí)有功功率的沖擊分別減小為8 kW和4.2 kW，大大減小了功率繞組有功功率的波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文所提控制方法可以有效降低電壓驟升故障發(fā)生及結(jié)束時(shí)功率繞組有功功率的沖擊。

圖9為BDFIG發(fā)出的總有功功率，即功率繞組與控制繞組有功功率之和。正常運(yùn)行時(shí)為3 kW，故障發(fā)生及結(jié)束時(shí)最大沖擊值分別為8.5 kW和5.5 kW，波動(dòng)幅值在±50%PN范圍內(nèi)，故障發(fā)生80 ms后波動(dòng)在±5%PN范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足國(guó)標(biāo)要求。

圖9 BDFIG總有功功率Fig.9 Active power of BDFIG

圖10為控制繞組電流，由圖10可見(jiàn)，故障發(fā)生及結(jié)束時(shí)，暫態(tài)電流均小于2 pu，說(shuō)明抑制控制繞組暫態(tài)過(guò)電流并非BDFIG高電壓穿越的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖11(a)為網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)線電流，正常運(yùn)行時(shí)電流幅值為1.5 A，其交軸和直軸分量分別為Iq=0，Id=1.5 A。故障期間網(wǎng)側(cè)電流峰值約為12 A，其交軸和直軸分量分別為Id=1.2 A，Iq=-12 A，與給定值相符。

綜合圖8(a)與圖11(a)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，網(wǎng)側(cè)與機(jī)側(cè)提供的無(wú)功電流之和大于0.3倍額定電流，無(wú)功支撐能力滿足國(guó)標(biāo)要求。

圖11(b)為直流母線電壓，故障前后母線電壓均可保持在給定值附近。

圖11 網(wǎng)側(cè)電流和母線電壓Fig.11 Current of grid side and bus voltage

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提網(wǎng)側(cè)與機(jī)側(cè)協(xié)同控制策略可以滿足高電壓故障穿越期間風(fēng)電機(jī)組所應(yīng)提供的無(wú)功支持，并將有功功率的波動(dòng)幅值控制在允許的范圍之內(nèi)。

5 結(jié) 論

本文提出了一種無(wú)刷雙饋電機(jī)網(wǎng)側(cè)與機(jī)側(cè)協(xié)同控制的高電壓穿越控制策略，通過(guò)分析得到以下結(jié)論：

1)抑制控制繞組過(guò)電流并非無(wú)刷雙饋電機(jī)高電壓穿越需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，故障期間控制繞組暫態(tài)過(guò)電流均在機(jī)側(cè)變流器短時(shí)可承受的范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

2)給出了故障期間保持輸出有功功率不變條件下網(wǎng)側(cè)與機(jī)側(cè)變流器無(wú)功電流的分配原則?？紤]電網(wǎng)電壓驟升幅度和網(wǎng)側(cè)變流器容量，給出了網(wǎng)側(cè)變流器無(wú)功電流給定值的計(jì)算方法。在保持故障前后控制繞組磁鏈幅值不變的條件下，給出了機(jī)側(cè)無(wú)功功率(或無(wú)功電流)給定值的計(jì)算方法，該方法有效減小了故障時(shí)有功功率的波動(dòng)。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用所提控制策略的有效性，無(wú)需附加任何硬件可使BDFIG在保證變流器安全的條件下實(shí)現(xiàn)高電壓故障穿越。