电网故障期间双馈风力发电机的鲁棒去磁控制方案

　　摘 要：本文论述了双馈式风力发电机不依赖于系统参数的鲁棒去磁控制。双馈式电机定子与电网直接相连，对电网扰动十分敏感。去磁控制加快了由电网故障引起的定子自然磁链的衰减，提升了双馈式发电机性能。由于不需要额外的硬件配置，该控制方案便于广泛使用。然而传统去磁控制与双馈式发电机自身参数相关，受到系统参数变化的影响。改进后的鲁棒去磁控制方案只需要定子电流，鲁棒性较强。本文通过仿真证明了这种改进控制方案的有效性，并且对比验证了它的优势。
　　关键词：去磁控制，磁链，双馈式风力发电机，低电压穿越
　　1.介绍
　　在过去的几十年里，风能的利用得到大幅增长。如今，双馈式风力发电机(DFIG)是兆瓦级风力发电机中使用最广泛的一种。它可以调速并对有功、无功解耦控制，而且，变流器工作在额定功率的25%–30%，与使用大型变流器的直驱式风力发电相比更能够满足体积小、重量轻、消耗少、损耗低的要求[1]。
　　传统方式中，当检测到电网故障，双馈式发电机便会断开与转子侧变流器的连接进行自我保护。当风能在系统中所占比例不高时，脱网影响不大。但是随着风场容量的不断增长，电网要求风电场在一定故障条件下与电网保持连接。这就是低电压穿越(LVRT)要求。
　　低电压穿越对于双馈式风力发电场很难实现。由于双馈式发电机与电网直接相连，电网对称故障引起的定子电压跌落会产生定子磁链直流分量[3]。对于不对称电网故障，还会引起负序磁链[4]。负序磁链和定子磁链直流分量会在转子侧感生出大电压，引起转子侧变流器的过调制，同时还会引起电磁转矩波动和损耗。如果不对转子侧感生电压进行有效抑制，转子回路中的大瞬态电流会损坏电力电子变流器并导致转子
　　变流器与风力发电机的脱离。现有办法是在转子侧安装一个撬棒电路[5], [6]来解决低电压穿越问题。作为一种相对保守的保护，当检测到转子侧的过电流，撬棒电路会短路转子侧，同时封锁转子侧变流器触发信号。但是，双馈感应发电机也就变成了一个普通的感应电机，需要吸收无功。因此我们有时也会在双馈式感应电机端口安装一个动态无功补偿装置来提供给电网无功[7]。解决低电压穿越问题的方案包括已经提出的采用额外的电力电子变压器[8-10]，并联动态电阻[11]等。但是，这些方案或者成本太高，或者控制过于复杂，尚未得到广泛应用。去磁控制是Xiang 等人在[12]抵消由电网故障引起的定子磁链中首次提出的。由Lopez 等人在[13]，[14]中进一步联合了撬棒电路来满足低电压穿越的要求。现已证明去磁控制确实能加快定子直流磁链的衰减，提升双馈式发电机性能，并且它不需要额外的硬件配置，便于广泛使用。但是，在定子直流磁链的估算中需要知道定子阻值大小，而定子阻值又会随着工作条件的变化而变化，影响了传统去磁控制的效果。Liang等人在[15]中采用虚拟电阻减弱系统参数变化的影响，但是定子电阻值依然是必须的。本文给出了鲁棒去磁控制方案，改进的控制仅仅需要定子电流信息，不依赖系统参数，因此不会受到系统参数变化的影响。本文同时对传统以及鲁棒控制方案进行理论分析，说明了两种控制方案的本质是相同的。本文也讨论了去磁控制对定子电流的影响。仿真结果证实了改进后的控制方案的有效性。
　　2.双馈式发电机(DFIG)模型和电网故障响应