第30期 姚骏等：电网短路故障时交流励磁风力发电机不脱网运行的励磁控制策略 67 IAC=Iigac jliBAC (8) 将有利于系统动态信号的检测及控制。同理，可将 式中Ic为去掉直流分量后的转子电流空间矢量。 Ic中的负序分量经反向旋转变换和陷波滤波后得 由于需要在故障过程中同时限制转子电流正序 到反向同步轴系下的直流分量和。 和负序分量，因此采用了2个旋转方向相反的同步 由于需要限制4个直流电流分量、，、心 旋转坐标轴系来简化控制。式(8)中的转子电流空间 和，因此可设定4个直流分量的控制值为0，利 矢量包含了在空间以同步速度旋转的正序电流空间 用4个P调节器即可实现对转子电流的限制。电流 矢量和负序电流空间矢量，则其又可表示为 正序和负序分量分别经PI调节和旋转变换后得到 Tinc Ifeic +Ie-jo (9) 转子电压正序控制信号U和负序控制信号U,合 式中：表示在正向同步旋转坐标轴系下转子电 成后得到在定子静止轴系下的转子电压控制信号 流正序空间矢量：表示在反向同步旋转坐标轴 U,将该信号与转子位置角进行旋转变换后即得到 系下转子电流负序空间矢量：为同步电角速度。 转子轴系下的励磁电压控制信号U。为提高故障暂 设转子电流正序空间矢量在同步旋转坐标系下 态过程中转子电流的动态响应能力，可适当增大转 的分量分别为和，负序空间矢量在同步旋转 子励磁电压U:的限幅值以增加输出电压的幅值和 坐标系下的分量分别为心和，则有 动态调节范围，这将有利于提高发电机不脱网励磁 =+j 控制的效果18)。将限幅后的控制信号转换为三相励 (10) =0+j0 磁控制信号后，采用SPWM或SVPWM调制技术 输出实际的转子三相励磁电压以控制发电机。图2 限制转子电流实际上就是要限制4个直流电流 为电网短路故障时交流励磁发电机的改进励磁控制 分量、，、和I。对c分别进行正向同 框图。 步旋转变换和反向同步旋转变换，根据式(9)有： TAce-ioIe (11) TiAceic= 0 变换器 式中：I和分别表示经正向旋转变换后，在正 U 向同步旋转坐标系下的转子电流d、q轴分量； 转子电流 和I“分别表示经反向旋转变换后，反向同步旋转 坐标系下的转子电流d、q轴分量，结合式(10)，其 转子位置 可分别表示为 Io=It+IN cos2ot+IN sin 2ot 电网 cos201-I sin 2ot 图2：电网故障时交流励磁发电机的改进励磁控制框图 =cos2ot-Ig sin 2ot (12) Fig.2 Block diagram of ACEG ride-through control during a grid fault =+Icos2t+sin2ot 3仿真研究 由式(11)人、(12)可知，Ic中的正序分量经正向 为验证所提出的电网故障时发电机不脱网运行 旋转变换后变成正向同步轴系下的2个直流分量 改进励磁控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink I和I,而c中的负序分量却变成2o频率的交 软件对一台2MW商用交流励磁风力发电机在电网 流分量，该交流分量可以利用低通滤波器或陷波器 对称和非对称短路故障条件下进行了仿真计算，对 滤除。低通滤波器的频带较窄，在滤除2o频率交流 采用传统“crowbar protection”方案和采用本文方 分量的同时会影响电流检测及控制的动态性能，考 案的发电机不脱网运行能力进行了仿真对比研究。 虑到电网故障时对发电机电流控制的准确性和快速 图3为用于仿真的交流励磁发电机系统配置图，交 性要求较高，这里选用陷波角频率为2的陷波器来 流励磁发电机通过升压变压器与风电场母线相连， 滤除交流分量，得到正向同步轴系下的直流分量 并经由双回输电线与无穷大电网相连，系统的配置 和1，。陷波器对除2频率以外的信号影响很小， 参数如表1、2所示。 C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net第 30 期 姚 骏等： 电网短路故障时交流励磁风力发电机不脱网运行的励磁控制策略 67 ss s rAC r AC r AC I Ij = + α β I (8) 式中 s rAC I 为去掉直流分量后的转子电流空间矢量。 由于需要在故障过程中同时限制转子电流正序 和负序分量，因此采用了 2 个旋转方向相反的同步 旋转坐标轴系来简化控制。式(8)中的转子电流空间 矢量包含了在空间以同步速度旋转的正序电流空间 矢量和负序电流空间矢量，则其又可表示为 s Pj N j rAC r r e e t t dq dq ω − ω II I = + (9) 式中： P r dq I 表示在正向同步旋转坐标轴系下转子电 流正序空间矢量； N r dq I 表示在反向同步旋转坐标轴 系下转子电流负序空间矢量；ω为同步电角速度。 设转子电流正序空间矢量在同步旋转坐标系下 的分量分别为 P r d I 和 P r q I ，负序空间矢量在同步旋转 坐标系下的分量分别为 N r d I 和 N r q I ，则有 PPP rrr N N N rrr j j dq d q dq d q I I I I ⎧ = + ⎪ ⎨ ⎪ = + ⎩ I I (10) 限制转子电流实际上就是要限制 4 个直流电流 分量 P r d I 、 P r q I 、 N r d I 和 N r q I 。对 s rAC I 分别进行正向同 步旋转变换和反向同步旋转变换，根据式(9)有： s j P N j2 rAC r r r r s j P j2 N rAC r r r r ej e e je tt t t d q dq dq tt t t d q dq dq I I I I ω ωω ω ωω ω ω − − − − ⎧ =+ = + ⎪ ⎨ ⎪ =+ = + ⎩ I II I I I (11) 式中： r t d I ω 和 r t q I ω 分别表示经正向旋转变换后，在正 向同步旋转坐标系下的转子电流 d、q 轴分量； r t d I −ω 和 r t q I −ω 分别表示经反向旋转变换后，反向同步旋转 坐标系下的转子电流 d、q 轴分量，结合式(10)，其 可分别表示为 PN N r rr r PN N r rr r NP P r rr r NP P r rr r cos 2 sin 2 cos 2 sin 2 cos 2 sin 2 cos 2 sin 2 t d dd q t q qq d t d dd q t q qq d I I I tI t I I I tI t I I I tI t I I I tI t ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω − − ⎧ =+ + ⎪ ⎪ =+ − ⎪ ⎨ ⎪ =+ − ⎪ ⎪ =+ + ⎩ (12) 由式(11)、(12)可知， s rAC I 中的正序分量经正向 旋转变换后变成正向同步轴系下的 2 个直流分量 P r d I 和 P r q I ，而 s rAC I 中的负序分量却变成 2ω频率的交 流分量，该交流分量可以利用低通滤波器或陷波器 滤除。低通滤波器的频带较窄，在滤除 2ω频率交流 分量的同时会影响电流检测及控制的动态性能，考 虑到电网故障时对发电机电流控制的准确性和快速 性要求较高，这里选用陷波角频率为 2ω的陷波器来 滤除交流分量，得到正向同步轴系下的直流分量 P r d I 和 P r q I 。陷波器对除 2ω频率以外的信号影响很小， 将有利于系统动态信号的检测及控制。同理，可将 s rAC I 中的负序分量经反向旋转变换和陷波滤波后得 到反向同步轴系下的直流分量 N r d I 和 N r q I 。 由于需要限制 4 个直流电流分量 P r d I 、 P r q I 、 N r d I 和 N r q I ，因此可设定 4 个直流分量的控制值为 0，利 用 4 个 PI 调节器即可实现对转子电流的限制。电流 正序和负序分量分别经 PI 调节和旋转变换后得到 转子电压正序控制信号 P Ur 和负序控制信号 N Ur ，合 成后得到在定子静止轴系下的转子电压控制信号 s Ur ，将该信号与转子位置角进行旋转变换后即得到 转子轴系下的励磁电压控制信号 r Ur 。为提高故障暂 态过程中转子电流的动态响应能力，可适当增大转 子励磁电压 r Ur 的限幅值以增加输出电压的幅值和 动态调节范围，这将有利于提高发电机不脱网励磁 控制的效果[18]。将限幅后的控制信号转换为三相励 磁控制信号后，采用 SPWM 或 SVPWM 调制技术 输出实际的转子三相励磁电压以控制发电机。图 2 为电网短路故障时交流励磁发电机的改进励磁控制 框图。 双PWM 变换器 电网 电网 转子位置 角测量 θ n SPWM 限幅及过 调制处理 ura urb urc rb i ra 转子电流 i 空间矢量 合成 n j e θ s rα I s r β I s rα AC I s r β AC I t d I ω r c f = 50Hz t q I ω r P r d I P r q I cf =100Hz 0 0 PI PI N r d I N r q I 0 PI PI 0 j e− ωt n j e− θ P Ur d P Ur q N Ur d N Ur q P Ur N Ur s Ur 交流励 磁发电 机 r Ur r r I s r I c f = 50Hz t d I −ω r t q I −ω r j e− ωt j e ωt j e ωt cf =100Hz cf =100Hz cf =100Hz 图 2 电网故障时交流励磁发电机的改进励磁控制框图 Fig. 2 Block diagram of ACEG ride-through control during a grid fault 3 仿真研究 为验证所提出的电网故障时发电机不脱网运行 改进励磁控制策略的有效性，利用 Matlab/ Simulink 软件对一台 2MW 商用交流励磁风力发电机在电网 对称和非对称短路故障条件下进行了仿真计算，对 采用传统“crowbar protection”方案和采用本文方 案的发电机不脱网运行能力进行了仿真对比研究。 图 3 为用于仿真的交流励磁发电机系统配置图，交 流励磁发电机通过升压变压器与风电场母线相连， 并经由双回输电线与无穷大电网相连，系统的配置 参数如表 1、2 所示