风电技术专题︱基于反向电流跟踪的双馈风机低电压穿越控制策略
中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”，并设“智能制造与电工装备行业的转型升级”“智能开关设备的关键技术与最新发展”两个分论坛。
请感兴趣的读者扫描下方的二维码（或关注微信公众号“电气技术”），浏览会议详情和进行快速注册报名。注册时请准确填写相关信息，会议服务人员将及时与您确认参会事宜。
强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）的研究人员陈鉴庆、邹旭东等，在2016年第2期《电工技术学报》上撰文指出，通过励磁控制实现双馈机组的低电压穿越（LVRT）是风力发电的热点问题之一。现有的改进励磁控制策略一般需要磁链的准确观测和相序的快速分离，不易实现，并且存在较大的转矩脉动。同时根据转子端口等效阻抗特性分析，提出了一种转子电流反向跟踪定子电流的电流跟踪控制策略。
该策略将定子电流乘上适当系数后作为转子电流的指令值，其结构简单，而且理论上能消除电磁转矩脉动。仿真和实验结果表明，该策略能在深度故障下实现机组的LVRT可控运行，并能有效抑制转矩脉动，在超同步20%时，能实现电网电压对称跌落80%或单相全跌落的LVRT。
近年来，风能作为可再生能源的重要组成部分受到了广泛的关注[1]。据统计，截至2012年底，全世界风电装机容量占电力系统总能量的12%[2]。这一新能源的大量接入，使得电网对风电场的并网提出了更多的要求[3]。其中一个基本要求就是实现故障下的低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT），保证在一定故障下风机的不脱网运行[4-6]。
双馈式风力发电机（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）是当今风能开发利用中的主流发电机类型[7,8]，其定子直接与电网相连，抗电网扰动能力相对较弱[9]。由于定、转子之间的强耦合，电网电压发生深度跌落时，转子侧会感应出较高的感应电动势，进而导致直流母线电压的飙升。而且，定、转子电流的大幅波动会造成电机转矩脉动，对主轴、齿轮箱等产生很大的扭转切应力冲击[10,11]。
现有的双馈风机低电压穿越方案可以分为改进励磁控制和增加硬件电路两种方式[12]。增加硬件较为常用的方法是在转子侧投入Crowbar电阻并封锁转子侧变流器[5,12]（RotorSide Converter, RSC）。这种方法虽然能有效保护变流器，但Crowbar投入后的暂态过程中存在剧烈的转矩脉动[13,14]。
相比较而言，通过改进励磁控制实现LVRT无需增加硬件，而且在故障期间可对暂态分量进行控制，维持机组的可控运行。截止目前，国内外提出了各种LVRT励磁控制策略。
文献[15]提出了灭磁控制，利用转子电流在漏感上产生的磁场去消除定子磁链的直流和负序分量对转子磁链的影响，能实现较深度故障下的LVRT，但其需要准确的磁链观测和相序分离，对电机参数依赖性较强，并且存在较大的转矩脉动。
文献[16]在灭磁控制的基础上，结合虚拟阻抗的概念可降低转子电流需求，但仍存在和灭磁控制相同的缺点。
文献[17]提出了磁链跟踪控制策略，利用转子磁链部分跟踪定子磁链来间接控制定、转子电流，能有效抑制转矩脉动，但必须同时对定、转子磁链进行准确观测，并且取消了转子电流闭环，故障前后存在明显的励磁策略切换，增加了系统的复杂性和控制难度。
文献[18]提出转子电流直接同向跟踪定子电流的控制策略，实现了次同步运行时的80%深度故障下的LVRT，但超同步运行工况下，需要异常高的直流母线电压才能抑制过电流。
本文从转子变流器等效阻抗出发，通过对现有的典型控制策略的机侧变流器等效阻抗的分析，得出最有利于实现穿越的等效阻抗，并分析如何控制转子电流才能得到这一阻抗特性，进而分析利用有限变流器电压、电流容量实现深度故障下LVRT的根本要求。在此基础上，提出了一种转子电流反向成比例跟踪定子电流的励磁控制策略，该策略能有效抑制故障冲击电流，并且理论上电磁转矩恒等于零，因而能有效抑制转矩脉动。
图10 双馈式风力发电示范系统
结论
本文归纳了现有的励磁控制策略在转子端口等效阻抗特性上的共同特性，并基于对楞次定律的理解，结合双馈电机短路故障暂态过程的分析，从故障下变流器提供感应电流通路的角度对励磁控制的物理意义进行了分析和总结。
分析结果表明，典型的LVRT励磁控制策略都是顺应楞次定律的趋势为转子电流提供一个一定阻抗的通路，并且当等效阻抗为纯感性时，即定、转子电流方向完全相反时，控制效果最好。该分析方法可以作为评判某种控制策略是否可行的一个标准。
进而本文提出了一种转子电流指令反向跟踪定子电流的控制策略，并分析了该策略的物理意义及相对于其他控制策略的优点。通过对暂态过程的分析，得出了关键参数k的选取原则，并进行了仿真和实验验证，其结果均表明了该控制策略的有效性。
该控制策略具有以下的优点：①原理清晰，无需磁链观测，容易实现。②保留正常控制的转子电流闭环，结构简单。③能够有效抑制转矩脉动。
在深度故障发生后的一段时间内，励磁控制都需要从电网吸收无功功率才能保持不脱网运行，二者存在不可调和的矛盾。
关注新能源行业技术发展动态