舒恒
（ABB高压电机有限公司 上海市 200245）
摘要：本文主要集中论述了基于虚拟阻抗的双馈风力发电机高电压穿越控制，提出了具体的控制措施和控制的方法，供以后的同行在类似工作中进行参考和借鉴。
关键词：风力发电；双馈感应发电机；虚拟阻抗；高电压穿越
一、前言
在电网运行的过程中，电网电压骤升故障会导致很多问题的出现，甚至会引起电磁转矩的冲击问题，所以，必须要针对双馈风力发电机高电压穿越控制策略进行分析，提高系统的高电压穿越性能。
二、双馈风力发电机的结构与特点
顾名思义，“双馈”指的就是电机的定子与转子均可完成电力供应过程。一般来说，双馈式发电机的主要部件有定、转子及其接线盒，传动机构、滑环系统与冷却设备等。其中，转子结构主要存在成型绕组、矩形半线圈、散嵌绕组等形式；滑环系统主要包括碳刷、刷架、滑环、滑环风扇、滑环座、滑环维护罩等部分，而滑环又分为热套式和环氧浇注式两种类型；冷却设备主要分为风冷式、水冷式等多种形式。
从性质上区分，双馈式发电机应当归入异步式发电机的范畴，但这类发电机又拥有与同步式发电机相似的激磁绕组来调控励磁过程及功率因数。因此，这种发电机兼有同步和异步式发电机的优点。
这类发电机体积小、成本低、无功功率的调节方式简便易行、抗电磁干扰能力较强。同时，发电机的励磁过程与所连接的供电网络关系不大，可以直接由转子所处电路完成。因此，发电机输出能量的稳定性较强，在其工作过程一般不会使电网产生大幅波动。系统可以通过控制发电机励磁过程来快速、精确地调节发电机运转状态参数以及功率因数。另外，双馈式发电机还对风力变化有着出色的适应能力和维持输出电能稳定的能力。
三、虚拟阻抗控制策略
随着转子电阻的增加，转子磁链特征值的实部变大，远离虚轴，虚部基本不变；定子磁链特征值的实部变小，靠近虚轴，虚部也基本不变。这表明转子侧的阻尼变大，转子磁链直流分量的衰减速度变快，而定子侧的阻尼变小，定子磁链直流分量衰减速度减慢。随着定子对转子的耦合增强，将对电网电压骤升过程中转子电流的动态过程产生影响。随着转子虚拟电阻的增加，转子所需要的电压也将增加，动态过程也将加长。随着转子电感的增加，转子磁链特征值的实部变大，远离虚轴，虚部基本不变；定子磁链特征值的实部也变大，远离虚轴，虚部基本不变。表明增加转子侧电感后，定子侧的阻尼变大，定子磁链直流分量衰减加快，当电网电压骤升时，定子磁链直流分量耦合到转子侧的转速频率的交流分量衰减加快，使得电网电压骤升时转子电流的振荡过程减小。
虚拟电阻就其本身而言，依然是电阻特性，其动态抗扰能力受到较大限制，而虚拟电阻的进一步增大会对双馈发电机的稳态运行产生较大的影响。而且针对高频扰动情况，漏电感的存在使得虚拟电阻对动态扰动的改善作用较小。考虑到稳态情况下双馈发电机转子侧电流的频率通常较小，因此可以在串联虚拟电阻的基础上，再串入虚拟电感形成虚拟阻抗，虚拟电感的引入将进一步抑制反电动势对双馈发电机转子电流的扰动作用，特别对高频动态扰动的抑制能力加强，同时虚拟电感对双馈发电机的稳态运行特性的影响较小。
通过调节虚拟阻抗值的大小可以得到较为理想的频域特性，与常规控制相比，虚拟电阻控制在低频部分具有较强的扰动抑制作用；然而在高频区域，虚拟电阻控制与常规控制具有相同的扰动抑制特性，而虚拟阻抗控制在高频区域依然具有较好的抗扰作用，而且保持其低频区域与虚拟电阻几乎具有相同的扰动抑制特性。
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四、双馈式风力发电机的控制
双馈式电机在结构上与绕线式感应电机非常相似，它们的定子绕组都是接在了对称三相电源上，并且该电源的频率是固定的。但是二者之间也是有所区别的，其中主要就在于双馈式电机的转子绕组要接到一个频率可调的三相交流电源上，并且一般要通过交-交变频器提供一个频率比较低的电流。
一般来讲，电网对电能质量的要求主要就是上网电压的变化率和频率变化量，这两个量由于和上网的无功和有功有关，所以对于发电机的输出电压的控制很重要。而双馈式风力发电机的控制主要就是通过变频器对励磁电流的幅值、频率和相位的控制。这样通过调节以上三个量的大小，来调节励磁控制器的给定值，达到变速恒频的目的。转子侧的励磁控制器有以下几个控制目标：
①由于通过调节定子输出的有功功率，可以改变转子电压的相位，所以要保证定子有功功率快速跟踪励磁控制器的有功功率给定值P*。
②由于通过调节定子上的无功，可以调节转子电压的幅值，所以要保证定子的输出电压能快速跟踪励磁控制器的电压给定值U*。
③由于转子转速的快慢能够决定了转子电压的频率，所以要保证转子转速能快速跟踪励磁控制器的转子转速给定值n*。
当电机所带负荷突然发生变化时，如果电机的转速也能很快地随之作出改变，那么电机转子上的动能就会得到充分地利用，从而可以释放和吸收负荷。这样既能够稳定电网电压和频率，还提高了机组的效率。
五、风力发电机主动式保护设计
在风力发电的研究中，对于故电网障保护的分析是重点研究课题。主动式Crowbar过电保护器是风电电网故障保护中应用较多的保护原理，Crowbar主要采用电阻绕接转子组旁路变流器来实现电流单向通道的一种保护模式，目前在国内风电机组线路保护中通常采用Crowbar电网保护模式。主动Crowbar电网保护模式在电路中采用新型强迫换流的电子组元件GTO、IGCT等对任意电流回路进行切断保护，主动Crowbar电网保护的组成有通用二极管整流桥和旁路电阻共同组成可变值电阻，在风力发电机联网供电的过程中，可以在断线不脱网阶段启动保护作业，以此满足风力发电机组高压穿越技术的关键要求。
在Crowbar的电路设计中，需要对保护电阻取值进行特定功率选取，对电路空间策略进行规定。DFIG在主动Crowbar电网保护线路中的电阻取值受到转子侧变流器最大电力输出功率的最高电压安全取值系数的影响，当风力发电机组进行并网发电时，如果发生电力故障，Crowbar会使限值最小的电阻转子抑制在旁侧短路电流，在转子动力消失时，电流不会对旁侧短路转子造成损坏，变流器定值不会受到影响。Crowbar在电网通过的电阻值过大时，电网中形成直流电阻会加剧变流器的恒定电压压力，可能对变流器造成破坏。因此，对于电阻取值需要根据转子和抑制电流的效果进行综合决定。
在电网发生故障的过程中，变流器电阻与直流电压在Crowbar的约束下可以达到UI-max目前在Crowbar电网电阻控制的主要形式可以分为两种：其一是当电网中电流不稳，导致电阻值出现增大的情况下，Crowbar会在电路故障区域进行延迟切除；其二是当电网转子中的额定电流超过电网电阻承受标准的情况下，Crowbar会锁闭线路，使转子停止通过旁侧变流器，当电网电流恢复到设定电流值下限时，变流器会切除Crowbar的控制端，并且恢复转子通过。
一般在电网故障的处理中，Crowbar在故障线路中处于激活状态，双馈发电机能够对电能输出的不可控状态进行功率限定，对电网中的超额电流部分进行无功率处理，是电网电压值恢复平均水平，并且能够有效控制电网电压额度，对电网进行故障恢复。
六、结束语
综上所述，针对电网运行过程中的定子磁链的暂态直流分的问题，本文提出了具体的控制措施和策略，有利于提高电网系统的高电压穿越性能，值得借鉴和推广。
参考文献
[1]洪书娟，陈媛，王瑞鲜.双馈风力发电系统低电压穿越的建模与控制[J].变频器世界，2012（10）：51-54.
[2]和立辉，尹忠东.双馈型风力发电机低电压穿越的探讨[J].科技风，2012（15）：10-10.
论文作者:舒恒
论文发表刊物:《电力设备》2016年第8期
论文发表时间:2016/7/19
标签：转子论文; 电网论文; 电压论文; 定子论文; 电阻论文; 发电机论文; 电流论文; 《电力设备》2016年第8期论文;