基于虛擬阻抗的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)高電壓穿越控制策略

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1、基于虛擬阻抗的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)高電壓穿越控制策略舒恒（ABB高壓電機(jī)有限公司上海市200245）摘要：木文主要集中論述了基于虛擬阻抗的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)高電壓穿越控制，提出了只體的控制措施和控制的方法，供以后的同行在類似工作中進(jìn)行參考和借鑒。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)；虛擬阻抗；高電壓穿越1八■>?一、刖§在電網(wǎng)運(yùn)行的過程中，電網(wǎng)電壓驟升故障會(huì)導(dǎo)致很多問題的岀現(xiàn)，甚至?xí)痣姶呸D(zhuǎn)矩的沖擊問題，所以，必須要針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)高電壓穿越控制策略進(jìn)行分析，提高系統(tǒng)的高電壓穿越性能。二、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)顧名思義，“雙饋”指的就是電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均可完成電力供應(yīng)過程。一般來說，雙饋式

2、發(fā)電機(jī)的主要部件有定、轉(zhuǎn)子及其接線盒，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑環(huán)系統(tǒng)與冷卻設(shè)備等。其中，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要存在成型繞組、矩形半線圈、散嵌繞組等形式；滑環(huán)系統(tǒng)主要包括碳刷、刷架、滑環(huán)、滑環(huán)風(fēng)扇、滑環(huán)座、滑環(huán)維護(hù)罩等部分，而滑環(huán)乂分為熱套式和環(huán)氧澆注式兩種類型；冷卻設(shè)備主要分為風(fēng)冷式、水冷式等多種形式。從性質(zhì)上區(qū)分，雙饋式發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)歸入異步式發(fā)電機(jī)的范疇，但這類發(fā)電機(jī)乂擁有與同步式發(fā)電機(jī)相似的激磁繞組來調(diào)控勵(lì)磁過程及功率因數(shù)。因此，這種發(fā)電機(jī)兼有同步和異步式發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。這類發(fā)電機(jī)體積小、成木低、無(wú)功功率的調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)便易行、抗電磁干擾能力較強(qiáng)。同時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁過程與所連接的供電網(wǎng)絡(luò)關(guān)系不大，可以直接由轉(zhuǎn)

3、子所處電路完成。因此，發(fā)電機(jī)輸出能量的穩(wěn)定性較強(qiáng)，在其工作過程一般不會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生大幅波動(dòng)。系統(tǒng)可以通過控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁過程來快速、精確地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)參數(shù)以及功率因數(shù)。另外，雙饋式發(fā)電機(jī)還對(duì)風(fēng)力變化奮著出色的適應(yīng)能力和維持輸出電能穩(wěn)定的能力。三、虛擬阻抗控制策略隨著轉(zhuǎn)子電阻的增加，轉(zhuǎn)子磁鏈特征值的實(shí)部變大，遠(yuǎn)離虛軸，虛部基本不變；定子磁鏈特征值的實(shí)部變小，靠近虛軸，虛部也基本不變。這表明轉(zhuǎn)子側(cè)的阻尼變大，轉(zhuǎn)子磁鏈直流分量的衰減速度變快，而定子側(cè)的阻尼變小，定子磁鏈直流分量衰減速度減慢。隨著定子對(duì)轉(zhuǎn)子的耦合增強(qiáng)，將對(duì)電網(wǎng)電壓驟升過程中轉(zhuǎn)子電流的動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生影響。隨著轉(zhuǎn)子虛擬電阻的增加

4、，轉(zhuǎn)子所需要的電壓也將增加，動(dòng)態(tài)過程也將加長(zhǎng)。隨著轉(zhuǎn)子電感的增加，轉(zhuǎn)子磁鏈特征值的實(shí)部變?nèi)?，遠(yuǎn)離虛軸，虛部基本不變；定子磁鏈特征值的實(shí)部也變大，遠(yuǎn)離虛軸，虛部基本不變。表明增加轉(zhuǎn)子側(cè)電感后，定子側(cè)的阻尼變大，定子磁鏈直流分量衰減加快，當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升時(shí)，定子磁鏈直流分量耦合到轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)速頻率的交流分量衰減加快，使得電網(wǎng)電壓驟升吋轉(zhuǎn)子電流的振蕩過程減小。虛擬電阻就其本身而言，依然是電阻特性，其動(dòng)態(tài)抗擾能力受到較大限制，而虛擬電阻的進(jìn)一步增大會(huì)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響。而且針對(duì)高頻擾動(dòng)情況，漏電感的存在使得虛擬電阻對(duì)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的改善作用較小。考慮到穩(wěn)態(tài)情況下雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電流的

5、頻率通常較小，因此可以在串聯(lián)虛擬電阻的基礎(chǔ)上，再串入虛擬電感形成虛擬阻抗，虛擬電感的引入將進(jìn)一步抑制反電動(dòng)勢(shì)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的擾動(dòng)作用，特別對(duì)高頻動(dòng)態(tài)擾動(dòng)的抑制能力加強(qiáng)，冋吋虛擬電感對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性的影響較小。通過調(diào)節(jié)虛擬阻抗值的大小可以得到較為理想的頻域特性，與常規(guī)控制相比,虛擬電阻控制在低頻部分具有較強(qiáng)的擾動(dòng)抑制作用；然而在高頻區(qū)域，虛擬電阻控制與常規(guī)控制具有相同的擾動(dòng)抑制特性，而虛擬阻抗控制在高頻區(qū)域依然具奮較好的抗擾作用，而且保持其低頻區(qū)域與虛擬電阻幾乎具冇相同的擾動(dòng)抑制特性。四、雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制雙饋式電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與繞線式感應(yīng)電機(jī)非常相似，它們的定子繞組都

6、是接在了對(duì)稱三相電源上，并且該電源的頻率是固定的。但是二者之間也是有所區(qū)別的，其中主要就在于雙饋式電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組要接到一個(gè)頻率可調(diào)的三相交流電源上，并且一般要通過交-交變頻器提供一個(gè)頻率比較低的電流。一般來講，電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求主要就是上網(wǎng)電壓的變化率和頻率變化量，這兩個(gè)量由于和上網(wǎng)的無(wú)功和有功有關(guān)，所以對(duì)于發(fā)電機(jī)的輸出電壓的控制很重要。而雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制主要就是通過變頻器對(duì)勵(lì)磁電流的幅值、頻率和相位的控制。這樣通過調(diào)節(jié)以上三個(gè)量的大小，來調(diào)節(jié)勵(lì)磁控制器的給定值，達(dá)到變速恒頻的目的。轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁控制器有以下幾個(gè)控制目標(biāo)：①由于通過調(diào)節(jié)定子輸出的有功功率，可以改變轉(zhuǎn)子電壓的相位

7、，所以要保證定子有功功率快速跟蹤勵(lì)磁控制器的有功功率給定值P*。②由于通過調(diào)節(jié)定子上的無(wú)功，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的幅值，所以要保證定子的輸出電壓能快速跟蹤勵(lì)磁控制器的電壓給定值U*。③由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的快慢能夠決定了轉(zhuǎn)子電壓的頻率，所以要保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能快速跟蹤勵(lì)磁控制器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定值n*。當(dāng)電機(jī)所帶負(fù)荷突然發(fā)生變化吋，如果電機(jī)的轉(zhuǎn)速也能很快地隨之作出改變，那么電機(jī)轉(zhuǎn)子上的動(dòng)能就會(huì)得到充分地利用，從而可以釋放和吸收負(fù)荷。這樣既能夠穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率，還提高了機(jī)組的