基于反向电流跟踪的双馈风机低电压穿越控制策略分析

基于反向电流跟踪的双馈风机低电压穿越控制策略分析

母英泽

察哈尔新能源有限公司  内蒙古 乌兰察布市  012000

作者简介：姓名：母英泽（1995.02--）；性别：男，民族：汉，籍贯：内蒙古自治区满洲里市，学历：硕士研究生；现有职称：助理工程师；研究方向：风力发电技术

摘要：电力系统的稳定性对电力系统的安全稳定运行具有重要的影响，大容量交直流混合输电相关研究近年来也受到广泛关注。基于此，本文简单介绍基于电流矢量控制器的双馈风机低电压穿越控制，并深入探讨双馈风机电流补偿方法，以供参考。

关键词：反向电流跟踪；双馈风机；低电压；穿越控制

引言：在传统电力系统中，双馈风力发电机发出的直流电被转换成交流电，直流电在低电压时具有传输距离远、损耗小、能量转换效率高等优点。但是双馈风机容易出现低电压穿越现象，为了避免双馈风机发生低电压穿越等问题，正是本文研究的意义所在。

1.基于电流矢量控制器的双馈风机低电压穿越控制

1.1电流矢量控制器结构与工作原理

在该控制器中， VCM将电源转换为直流电，将交流电转换成直流电，然后将 VCM的分立部分连接到 VCM的直流端子上，在双馈风机低电压穿越时，为了抑制风机异常充电电流， VCM上接入一个电流矢量控制器。将电流矢量控制器的输出电流转换成直流分量，通过电阻电容变换器，从而获得对风机低电压穿越控制所需幅值进行输出的电压波形。由于双馈风机是对高电压进行穿越控制时需要降低系统电压，因此需要对两个电网中电压互感器所反馈的直流分量进行调整以保证其幅值稳定和跟踪速度加快。而传统控制方法虽然能够对风机电网信号进行调节，但是仍然存在着风机电压波形不稳定且波动幅度较大等缺点，需要使用非破坏性的电流矢量控制器对风机进行实时追踪，并通过反馈电流来调整风机电压。电流矢量控制器必须能够实现对风机输出分量进行实时跟踪，而非破坏性的动作。基于电流矢量控制器将风机电源转换为直流电，而直流功率变换器则直接转化为直流分量并且对其进行平滑变换，使其具有较高的输出精度和稳定性能。直流功率变换器由电容器、电抗器、励磁回路、电容、电感等组成，其中各电容是由两个电容器组合而成[1]。

1.2基于电流矢量控制器的双馈风机低电压穿越控制方法分析

为了能够对双馈风机低电压穿越控制提供有效的控制手段，应采用电流矢量控制器对电源优化调节，保证设备运行的安全性和稳定性。采用两个控制器分别设置直流电流为1 kW和2 kW，直流峰值功率为8 kW。采用一种参数优化策略在不同输入电压下能够有效提高电流驱动效率。由于电网电压通常不会达到恒定，因此如果设备出现低电压运行问题，将会影响电网运行稳定，而利用电压矢量控制器能够从电容器组自身状态出发，通过对直流分量进行抵消从而使得风机并网电压保持在正弦波以内。由于反向电流控制器只能够将风机并网信号进行优化，因此降低了双馈风机的并网电压穿越幅度达10%以上。

1.3电流跟踪运行效果分析

采用本控制策略可以有效降低电源侧电压损失。在本策略下，风机正常运行时，电源侧电压损失在0~10 V之间，如果电流矢量控制器对电源侧输出电流施加反向分量以抵消过零并联电网引起的直流分量，则电源侧电压损失可减少10~15 V。与传统方法相比，本控制策略能够在降低电源侧和电网输入之间形成正向电流交换，能够有效地降低电源侧过零并联电网引起的直流分量，从而使得电源侧和电网输出之间形成正向电压交换，因此该方法能够有效降低电源侧和电网输出之间出现风险的概率。实验数据表明，在基于电流矢量控制器的 MCU控制下，双馈风机并联电源侧可以降低其负载侧和电网输出之间的电压差约为50 V，降低功率波动约为10%以上，在降低电源侧和电网之间过零并联电网引起直流分量后，电源侧和电网输出电压均可达到控制要求。当电网电压波形正常时，这一控制策略能够有效降低风机低频运行造成的电源侧电压损失，为风机提供足够功率维持系统供电。随着电压波形发生变化，电流矢量控制器上的功率和风压控制模块上的功率调节模块之间产生一定关系。在电压波形变化不大、风压控制模块上功率和风压控制模块之间没有明显交集的时候，电流调整策略难以实现。随着功率调节模块的电流调整能力逐渐提高，最终将达到功率稳定可控目标。图1为反向电流追踪图。

图 1 反向电流追踪图

2.双馈风机的电流补偿方法

2.1控制策略

为了解决功率补偿装置无法满足双馈风机高电压穿越条件的问题，本文采用多级电流反馈控制策略。在风机发生低电压穿越时，需要从输入侧对风机进行电流补偿，从而使整个系统达到稳定状态。由于双馈风机的工作原理是由负载提供直流电场，在风机发生故障时需要补充能量避免发生低电压穿越现象。因此，本文提出了一种基于双向反馈回路的电流补偿机制来实现低电压穿越。由于该电流补偿机制将变压器本身产生的直流电流变为由风机负载所提供的直流电转化而来，当故障发生时，可以将直流电压互感器和变频器进行连接，使得风机电流得到一定程度上的缓解。在这种形式下，输入端电压等级将不受限制，但输出端电压等级不受限制，即可以达到电流抑制效果。同时电机负载为一个整流电路，其中输出电压等级相对固定，因而可以利用电流补偿机制来避免发生低电压穿越现象。

2.2补偿原理

由于风机输出的直流电经大功率变频器转化成了由风机负载提供的直流电。同时由于风机负载端电压互感器的参数与输入端电压互感器相匹配，因此其补偿效果优于直流电流补偿效果。为满足这一要求，需要将直流电流输出端电压互感器输出电源侧的功率变换器额定电压相匹配。同时也是为了使双馈风机输出端子电压能够与直流电压互感器输入端的电压值相等，故需使用电流补偿电压互感器。而一般情况下需要使用三个功率单元补偿三相功率，这三个功率单元分别是三相功率调节器、功率变换器以及功率放大器。通过数据可以得到三相对称跌落情况如图2所示。在保证了电流补偿效果的同时降低了负载端输出侧电压值。同时为了保证三相功率调节器内部电流大小能够被有效控制并达到与风机输出端电压相等的效果，需要在三相功率调节器的输出端引入一个整流电路来保证这一流量调节器产生的谐波被整流电路所吸收和被滤除。为了降低电流调节器以及功率调节器流量调节器由于内部短路产生的能量，需要在其两个电流互感器的输出端分别引入一个整流电路，实现补偿效果在理想情况下高于负载端电压[2]。

图 2 三相对称跌落

2.3基于反向电流跟踪控制策略的优化设计

由于风电场发生故障时，会产生大量高电压和高脉动的反向电流，因此需要对反向电流进行控制以降低低电压穿越对风电场发生故障时的影响。在本文中，针对双馈风机与单相电源系统，利用改进的反向电流跟踪控制策略，以实现风机的低电压穿越。根据优化设计方案：在风机与单相电源系统中，设计了双馈风机与单相电源系统的反向电流跟踪电路。因此单相电源也是一组优化设计方案，该方案能够有效实现反向电流跟踪功能。由于在风机与电网发生故障时，风机需要为电网提供一个较高水平的电压，而风机负载对电网贡献了一定时间内的有功功率，因此需要对风机负载上电状态进行实时监测以保证风机负载获得足够的有功功率支持，同时还需要结合实际工况对风机负载电压进行实时补偿。

结束语：综上所述，通过对比分析和相应的实验数据，双馈风机低电压穿越控制实现能够降低风机并网电压穿越幅度超过10%，同时满足了功率传递和电压控制等功能要求，这为双馈风机在低电压穿越时实现稳定运行提供可靠保障，为行业发展打下坚实基础。

参考文献：

[1]辛焕海,黄林彬,宫泽旭. 弱电网中低电压穿越控制策略导致的双馈风机失稳机理分析[J]. 电力自动化设备,2020,40(09):50-58.

[2]张若微,秦博宇,李恒毅. 基于干扰抑制的双馈风机低电压穿越控制策略[J]. 电力系统自动化,2020,44(20):112-120.