基于多相PMSG和三电平变流器的风电机组低电压穿越

稳定就能正常工 作 。 因 此 ， 电网故障情况下对直驱 主要是针对电网侧逆变器的 风电系统的特性分 析 ， 运行状态进行分析 。 ） 对称故障时直驱风电系统的响应特性 １ 在电 网 电 压 发 生 对 称 故 障 时 ， 随着风电机组并 网点电压的跌落 ， 变流器输出到电网的有功功率将
图 ２ Ｖ ｉ ｅ ｎ ｎ ａ整流器电路拓扑 Ｆ ｉ ． ２ Ｔ ｏ ｏ ｌ ｏ ｏ ｆ Ｖ ｉ ｅ ｎ ｎ ａ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｆ ｉ ｅ ｒ ｇ ｐ ｇ ｙ
｛
Ｐｏ ｃ ｏ ｓ ２ ｔ＋Ｃ ｓ ｉ ｎ ２ ｔ ω ω ｕ ｔ ＝Ｃ ０ ＋Ｃ １ ２
所以当电 网 发 生 故 障 时 电 网 侧 变 流 器 首 先 受 到 影 响 。 而发电机侧整流器和发电机却由于直流环节的 解耦作用 ， 与电网完全隔离 ， 只要直流母线电压保持 — ２ ４ —
Ｐ 为： Δ
；修回日期 ： 。 收稿日期 ： ２ ０ １ １ ０ ５ １ ７ ２ ０ １ １ ０ ９ ３ ０ － － － － ） ； 国家自然科学基金资助项目 （ 台达环 境 与 教 育 基 ５ １ ０ ０ ７ ０ ７ ３ 金会 “ 电力电子与科技发展计划 ” 资助项目 。
） 用储能单元（ 储能 Ｃ 在直流 问题 。 文献 ［ ４］ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ ， 侧代替卸荷电阻 在 直 流 过 压 时 将 系 统 多 余 能 量 转 移到储能单元 ， 电网 故 障 消 失 后 再 将 所 储 能 量 馈 入 电网 。 这种方法虽 然 提 高 了 能 效 ， 然而储能单元体 积庞大 、 容 量 有 限， 在大功率风电系统中的应用受 ］ 限 。 文献 ［ 通过 提 高 发 电 机 转 速 来 减 少 发 电 机 输 ５ 但只研究了电网对称故障 出功率从而实现 Ｌ ＶＲ Ｔ， 时的情况 ， 对更为严重的不对称故障并未讨论 。 本文研究了一种基于多相直驱永磁同步发电机 （ 和串并联混合式三电平变流器的大功率并 ＰＭＳ Ｇ） ／ 网风电系统的 Ｌ ＶＲ Ｔ 技术 。 利用 Ｐ Ｓ Ｃ Ａ Ｄ ＥＭＴ Ｄ Ｃ 建立了推荐风电系 统 的 时 域 模 型 ， 实现了该系统的 并给 出 了 不 同 电 网 故 障 情 况 下 的 Ｌ ＶＲ Ｔ 控制策略 ， 仿真结果 ， 对控制方案的可行性进行了验证 。
（ ） ２ ０ １ ２， ３ ６ １ １
图 １ 基于 ６ 相 １ ２ 绕组 ＰＭ Ｓ Ｇ 及混合式三电平变流器的风电并网系统方案 Ｆ ｉ ． １ Ｗ ｉ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ６ １ ２ ｉ ｎ ｄ ｉ ｎ ＰＭ Ｓ Ｇ ａ ｎ ｄ ｈ ｂ ｒ ｉ ｄ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｗ ｅ ｒ ｈ ａ ｓ ｅ －ｐ －ｗ － ｇ ｙ ｇ ｙ ｐ
曾翔君 ，张宏韬 ，李 迎 ，杨永兵 ，杨 旭
（ ） 西安交通大学电气工程学院 ，陕西省西安市 ７ １ ０ ０ ４ ９
摘要 ：当前国内外对于风电机组的并网规范都要求电网发生电压跌落时风电机组能够保持不脱网 运行以帮助电网故障恢复 。 针对一种新型的基于多相直驱永磁同步发电机 （ 和混合式三电 ＰＭＳ Ｇ） 平变流器的大功率直驱风电系统的低电压穿越技术进行了研究 。 首先分析了电网故障对直驱风电 系统带来的影响 ， 然后给出了新型机组的低电压穿越策略 ， 即通过改变电机侧和电网侧变流器的电 流给定 ， 配合发电机转速调节的方法来控制系统的能量传输 ， 进而达到穿越故障的目的 。 最后建立 ， 验证了控制策略的可行 了所提出的风电系统的时域模型 给出了不同电网故障情况下的仿真结果 ， 性和有效性 。 关 键词 ：低电压穿越 ；直驱风电机组 ；多相直驱永磁同步发电机 ；三电平全功率变流器 ；风力发电
２
压以 ２ 倍工频振荡 。 直流侧电压振荡继而又影响发 电机侧变流器的控制动作 ， 破坏全系统的稳定 ， 在故 当电网 障恢复后也难以 立 即 恢 复 正 常 运 行 。 因 此 ， 电压发生不对称故障时 ， 必须对控制策略做出调整 ， 消除功率传输中的波动分量 ， 保证系统稳定运行 。
３ 推荐系统的 Ｌ Ｖ Ｒ Ｔ 控制方案
Ｔｅｍ ＝ ｎ ６ ｉ ＬＭ －ＬＴ ） ｉ ｉ ６ ｉ ＝ｎ Ψｆ Ψｆ Ｔ ＋（ Ｍ Ｔ］ Ｔ 槡 ｐ［ ｐ槡 （ ） ６ ： 式中 ｕＭ 和ｕＴ 分别为发电机定子侧输出电压的 Ｍ ， Ｔ 轴分量 ； ｉ ｉ Ｔ Ｍ 和 Ｔ 分别为发电机定子电流的 Ｍ ， 轴分量 ； ＬＭ 和 ＬＴ 分 别 为 同 步 电 抗 的 Ｍ ， Ｔ 轴分量 （ ， ） ； 对于隐极 式 电 机 有 ＬＭ ＝ＬＴ Ψｆ 为 永 磁 磁 链 ； ω ｓ ； 为发 电 机 的 角 频 率 ； 为 极 对 数 Ｔｅｍ 为 电 磁 转 矩 ； ｎ ｐ Ｒ 为定子绕组电阻 。 可见 ， 多相直驱 ＰＭＳ Ｇ 的数学模型类 似 于 三 相 故单 位 功 率 因 数 控 制 方 式 对 于 多 相 直 驱 ＰＭＳ Ｇ， ＰＭＳ Ｇ 也是适用的 。 在 单 位 功 率 因 数 控 制 方 式 下 ， 多相直驱 ＰＭＳ 此 Ｇ 定子的相电压和相电流同相 位 ， ） ） 时式 （ 和式 （ 可改写为 ： ５ ６
Ｓ Ｑｏ ｊ ｏ ｕ ｔ ＝Ｐ ｏ ｕ ｔ＋ ｕ ｔ
（ ） ２
（ ） ３ Ｑｏ ｃ ｏ ｓ ２ ｔ＋ Ｄ２ ｓ ｉ ｎ ２ ｔ ω ω ｕ ｔ ＝Ｄ ０ ＋Ｄ １ 式中 ： Ｃ Ｄ０ ， Ｃ Ｄ１ ， Ｃ Ｄ２ 为与电网电压和电流的 ０， １， ２， 正、 负序分量相关的系数 ； ω 为电网电压角频率 。 因此 ， 直流侧电容器上所储存的过剩能量
针对 图 １ 所 示 风 电 系 统 ， 本文提出利用发电机 侧整流器来限制多相直驱 ＰＭＳ 通过 Ｇ 的输出功率 ， 并配合电 使发电机转速升高 以 储 存 系 统 多 余 能 量 ， 网侧变流器无功补偿控制的 Ｌ ＶＲ Ｔ 控制策略 。 ３． １ 发电机变速控制 在 ＭＴ 坐标 系 下 （ 多 Ｍ 轴沿着转子 磁 场 定 向） ［ ９］ 相直驱 ＰＭＳ Ｇ 的数学模型如下 ： ｄ ｉ ｕ ＬＴ 烄 Ｍ ＝ Ｍ － ＲｉＭ ＋ ｉ ω ｓ Ｔ ｄ ｔ ＬＭ ＬＭ ＬＭ 烅 ｄ ｉ ｕ ＬＭ ６ ω Ψｆ Ｒ Ｔ Ｔ ｓ 槡 ＝ － ｉ ｉＭ － ω Ｔ－ ｓ ｄ ｔ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｔ Ｔ Ｔ Ｔ 烆
第３ ６ 卷 第 １ １期 ２ ０ １ ２年６月１ ０日
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ６ Ｎ ｏ ． １ １ Ｊ ｕ ｎ ｅ １ ０， ２ ０ １ Байду номын сангаас
： ／ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ ０ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ １ ０ ２ ６． ２ ０ １ ２． １ １． ０ ０ ５ － ｊ
基于多相 ＰＭ Ｓ Ｇ 和三电平变流器的风电机组低电压穿越
减少 ， 根据风电系统的输入与输出功率平衡 ， 那么变 流器系统 中 的 多 余 能 量 将 储 存 到 直 流 侧 的 电 容 器 中， 从而造成直 流 母 线 过 压 。 故 障 期 间 直 流 母 线 电 压 Ｕｄ Ｕｄ ｃ升高的值 Δ ｃ可用下式计算 ：
） 并网逆变器采用 ２ 组二极管中点钳位 （ ４ Ｎ Ｐ Ｃ） 三电平变流器并联 。 由于直流母线电压被两并联的 所以可以 Ｖ ｉ ｅ ｎ ｎ ａ 整流器组串联而提高到 中 压 范 围 ， 充分利用三电平变 流 器 在 中 压 范 围 的 应 用 优 势 ， 一 另一方面减少滤 方面降低输出变流 器 的 电 流 等 级 ， 波器的数量 。 从 输 出 容 量 上 考 虑 ， １组中压三电平 变流器相当于 ２ 组 低 压 两 电 平 变 流 器 并 联 ， 从而更 适用于大功率风电场合 。 电 网 侧 升 压 变 压 器 也 设 计 成 多 相， 低压侧 ５） ２ 组隔离的三相绕组互为反相 。 通 过 隔 离 绕 组 实 现 三电平变流器并联 ， 可以消除并联环流 ， 反相设计则 能够自动抵消直流 母 线 中 点 电 压 脉 动 。 文 献 ［ 中 ６］ 给出了新系统与传统系统的比较 。
０ 引言
随着全球风电机组装机容量比重的日渐上升， 无论是国内还是国外对于风电机组并网规范都提出 １］ 。 低电压穿越 （ 了新要求 ［ 技术就是风 电 并 Ｌ ＶＲ Ｔ） 甚至成为衡量风电机组 网所面临的关键问 题 之 一 ， 能否并网的必要条件 。 兆瓦级风电机组是目前风力发电的主流技术。 直驱永磁 同 步 风 电 机 组 由 于 不 需 要 与 电 网 直 接 连 接， 也不需要齿轮变速箱 ， 具有效率高 、 结构简单 、 便 调速范围宽等优点 。 另外 ， 由于直驱永磁同 于维护 、 步风电机组通过背 靠 背 全 功 率 变 流 器 与 电 网 连 接 ， 所以发生电网电压 跌 落 故 障 时 ， 不会直接影响到风 机的运行特性 ， 因此 相 对 于 双 馈 异 步 感 应 风 电 机 组 ［］ 具有更强 的 Ｌ ＶＲ Ｔ 能力 ２ 。但是随着电网电压的 跌落 ， 电网侧变流器在输出电流受限的情况下 ， 输送 到电网的功率将随着电网电压的跌落而减小 。 假设 风速恒定的情况下 ， 保持电机侧变流器控制策略不 则将导致系统输入功率与输出功率不平衡 ， 多余 变， 的能量只能积累到 直 流 侧 电 容 器 内 ， 从而造成直流 严重危及系统安全 。 因此 ， 实现直驱风 电压的升高 ， 电系统 Ｌ ＶＲ Ｔ 技术的根本途径在于抑制直流侧电 容器上能量的增加 。 ］ 文献 ［ 采用了 一 种 基 于 在 直 流 侧 并 联 卸 荷 负 ３ （ ） 的方式 ， 消耗掉直流侧过剩能量 ， 载 耗能 Ｃ ｒ ｏ ｗ ｂ ａ ｒ 但是耗能电阻的体积和损耗是这种方法存在的主要
１ 推荐风电系统的结构和特点
图１ 给 出 了 本 文 所 推 荐 的 风 电 并 网 系 统 方 案， 其主要特点如下 。 ） 直接通 过 ＰＭＳ １ Ｇ 的多相绕组设计产生多组 隔离三相电源 ， 不仅可以简化变流器的并联 ， 克服零 序环流 ， 也能够实现变流器的串联 。 ） 发电机为六 相 电 机 ， 但每相都含一对空间相 ２ （ ， 差１ 的反相绕组 图 中 和１ ８ ０ ° １ 分别标注为０ ° ８ ０ ° ） 。４ 个隔 离 三 相 绕 组 分 别 连 接１ 个 三 相 和２ ３ ０ ° １ ０ ° ， 三开关三电平整流器 （ 其电路拓扑 Ｖ ｉ ｅ ｎ ｎ ａ 整流 器 ） 见图 ２， 其中连接一对反向 绕 组 的 ２ 个 Ｖ ｉ ｅ ｎ ｎ ａ整 流 器在直流侧并联 ， 以消除电容器中点电压脉动 。 ） 发电机的定子同步电抗可直接被用做 ３ 从而减少了系统无源 Ｖ ｉ ｅ ｎ ｎ ａ整流器的 Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ电 感 ， 元件的开销 ， 提高了效率 。 — ２ ３ —