低电压穿越

在背靠背NPC转换器的风力发电系统中用于低电压穿越的存储在发电机转子惯量的能量的应用萨尔瓦多阿勒颇子，会员，IEEE，亚历杭德罗卡，学生会员，IEEE，塞尔吉奥布斯克茨蒙日，高级会员，IEEE，萨米尔库罗，会员，IEEE，和本吴，研究员，IEEE摘要随着风电装机容量的增长，风力发电成在整个发电系统中已占据十分重要的比例。

所以，电力系统运营商包括风电厂的监管为了提高整个电力系统的控制水平，无论是在稳态和暂态操作状态。

因此，风力发电系统需要验证电力系统运营商规定的电网连接的要求。

当出现电网电压降时，低电压穿越（LVRT）技术要求的承诺生成在所产生的有功功率和向电网提供的有功功率之间的不匹配。

传统的解决方案假设有源电力过剩消耗在一个直流环节电阻上。

在本文中，一个连续的控制方案提出了中性点钳位转换器。

在电网电压骤降时，发电机侧和电网侧转换器的控制器同时工作以符合储存在涡轮发电机的机械系统惯性的有功功率过剩同时保持恒定的直流母线电压的低电压穿越技术的要求。

仿真和实验结果验证了所提出的控制方案。

关键词：低电压穿越（LVRT），中性点钳位转换器，风能转换。

一、引言上世纪90年代初以来，风力发电装机容量已明显增加[ 1 、2]。

到2010年底，世界总装机容量的风力发电能力达到194.5GW [如图 1 ]，同时并入电网的风能不断增加。

例如，在西班牙，平均风能渗透度在2008、2009、2010年分别已经达到11%，13.8%，和16% [ 3、4、5 ] 。

然而，风电穿透暂时达到更高的重要性，例如，在西班牙已达到53% （2009年11月8日）[ 6 ]。

在这样的背景下，电力系统运营商通过逐步更新他们的电网连接要求（GCR）确保可靠性和效率来应对这种新的情况。

这种更新的电网连接要求包括在整个电力系统的运行控制的分布式发电[ 7 、8] 。

典型的稳态或准稳态运行的要求如基于系统电压和频率的反应和有功功率调节在电网连接要求被指定。

在短暂的操作，当电网跌落时低电压穿越（LVRT）技术要求需要风力发电厂保持连接，有助于通过具体的取决于电网电压跌落深度的配置文件向电网提供有功和无功功率来保持网络的电压和频率稳定。

因此，低电压穿越技术可能是在电网连接要求中最具挑战性的，至少从风能转换系统（WECS）的观点可以看出。

所有这些要求大大影响现代的风能转换系统中功率转换器和控制器的设计 [9 、10 ]。

图1.允许发电机断开的电压极限曲线图2.传递到电网的有功电流低电压穿越的要求，从实用经营者E-ON [ 7 ]提取的电网连接要求，显示在图1和2。

当一个电网跌落出现时，发电厂必须保持对电网的连接，如果线电压仍在图1中的限制线1。

在某些情况下和在规定的条件下，在线1和线2之间的一个短暂的断开是允许的。

此外，电网跌落发生期间，风能转换系统必须向电网传递在图2中指定的无功电流值，以援助效用来稳住电网电压。

补偿的无功功率的量取决于在电网跌落中的电压减少的百分比，该系统的额定电流，和在电压跌落前的电网无功电流。

由于较好的风能捕获能力和更好的效率，目前变速风力发电系统相比固定速度的风力涡轮机是首选[ 11 ]。

双馈感应发电机（DFIG）[ 12 、13 ]，是最常用的实现变速风力发电系统，由于减少了电源转换器的评级。

对于双馈感应发电机的不同的低电压穿越解决方案的比较发现在[ 14 ]。

这种拓扑结构对电网故障特别敏感。

另一个常见的变速风力系统配置是基于一种带有全功率变流器[ 11 ]，[ 15 ]，[ 16]的永磁同步发电机（PMSG）。

与双馈感应发电机相比，这种拓扑结构提供了扩展速度的操作范围，和发电机和电网之间的全解耦，从而导致对不同风速的更高的功率捕获和能够满足低电压穿越技术要求的增强了的能力。

这些特性使得这种配置很有趣，即使变频器不再增长。

双层低电压电平电压源转换器（VSCS）在风能转换系统[ 12 ]，[ 13 ]，[ 15 ]–[ 17 ]是最常用的拓扑结构。

考虑到目前的趋势是增加在风能转换系统风力涡轮机的额定功率[ 1 ]，[ 11 ]，有一些的拓扑结构用于更高的功率水平[ 10 ]可以比传统的电平电压源转换器更适合。

例如，电流源转换器（CSCS）[ 9 ]，[ 10 ]或三电平中点钳位（NPC）转换器[ 18 ]–[ 23 ] 。

一个电网的干扰下，可以被注入到电网中的最大有功功率所占的比例降低至终端电压降低[ 17 ]，也可以被低电压穿越要求[ 7 ]，[ 8 ]所限制。

因此，有源功率不匹配在产生的功率和功率向电网提供的过程之间被发现[ 21 ]。

设计满足控制系统低电压穿越要求的风能转换系统是具有挑战性的。

低电压穿越实现的几种方法在文献中被找到的。

动态制动是发现在[ 14 ]，[ 24 ]为双馈感应风力发电机，[ 17 ]为两个级别的背靠背电压源变换器，在[ 18 ]，[ 22 ]，[ 23 ]为NPC背靠背变流器。

在[ 25 ]提出了直流电路中的能量存储系统，这种系统需要额外的电路和控制。

对二级背靠背电压源变换器的一些不同控制方法在[ 26 ]和[ 27 ]被发现，但是没有如何管理有功功率过剩。

可以通过在汽轮发电机系统的惯性中存储有功功率过剩来获得低电压穿越技术要求。

在[ 9 ]中对于CSC 这种解决方法的一些类似的方法被发现，对二级背靠背VSC在[ 27 ]在高速振动的瞬态操作中被观察，和在[ 28 ]中的NPC背对背但是应用到一个风电场而不是一个单一的涡轮并没有具体的控制在不平衡的电网电压的电网侧转换器中被观察。

需要一种来应对非对称电网骤降控制策略，因为只有12%的电网跌落是对称的[ 29]，[ 30 ]。

图3. 通过NPC转换器和一个电容滤波器连接到电网的永磁同步风力发电机这项连接一个永磁同步风力发电机和电网的技术与全功率背靠背的NPC转换器相关，如图所示图3。

传统的磁场定向控制（FOC）已在发电机侧变换器的实现。

在电网侧转换器，该控制可以解决对称和非对称的电网骤降[ 29 ]。

对于单一的永磁同步风力发电机涡轮的低电压穿越要求通过在涡轮发电机的机械系统的惯性存储有功功率剩余来实现。

已提出的控制方案具有良好的稳态和动态性能，得到在模拟实验结果，和表明一些例子直流制动斩波器的操作可以被免除的可行性分析。

本文的组织如下：第二部分详述系统及其模型。

控制系统介绍在第三部分被给出。

仿真结果在第四部分中。

第五部分显示已提出的控制方案所获得的实验结果。

已提出的控制方案的可行性分析在第六部分给出。

最后，结论在第七部分得出。

二、 系统描述和模型这项技术中的系统如图3所示。

在这部分，对发电机和电网侧的模型也显示出。

A 、发电机侧模型在发电机侧，永磁同步风力发电机的电气方程如公式（1）和（2），转矩方程如公式（3）和机械方程如公式（4）。

电气和转矩方程在旋转框架（d q ）表示出，其中q 轴与转子磁链对齐。

sq s s sd s sd s sd i L i dtd L i R u ω-+= (1) r s sd s s sq s sq s sq i L i dtd L i R u ψωω+++= (2) sq re i p T ψ2= (3) m m e m b dtd J T T ωω+=- (4) 其中，sq sd u u ,为d q 坐标系定子电压；sq sd i i ,为d q 坐标系定子电流；s L 定子电感；s R 定子电阻；s ω 转子磁通电机速度 ；r ψ为转子磁链；e T 为电磁转矩 ；p 为电机极对数；m T 为机械转矩；J 为惯性矩（发电机）； m ω为轴机械速度；b 为摩擦系数。

用于发电侧控制的实现， 需要转子磁通的电角度。

这角度可由一个编码器/解析方法或从定子电压和电流估计得到的。

转子磁通可以通过测试空载电机和测量电动势（r s E ψω=）估算得到。

B 、电网侧模型电网侧转换器必须应对电网骤降。

在参考文献[ 21 ]中， 详细介绍了应对非对称网格的基于对称分量应用的三种不同的方法。

这三种方法中，带有负序电网电压前馈（ VCCF ）的矢量电流控制器已经在目前的工作中得到运用。

使用这种方法，该控制在正序中实施，而且没有必要发展电网侧转换器的负序模型。

因此，对网侧变换器的模型如下所示：++-+-=gd VSId dgrid L qgrid dgrid u L u L i L R i i dt d 11ω （5） ++-+--=gq VSIq qgrid L qgrid qgrid u Lu L i L R i i dt d 11ω （6） 其中，qgrid dgrid i i ,为电网d q 坐标系中电网电流；++VSIq VSId u u ,为电网d q 坐标系中正序电压的逆变器电压；++gq gd u u ,为电网d q 坐标系中正序电网电压；L 为滤波电感；L R 为滤波电阻；ω为电网角频率。

C 、直流母线电压平衡直流侧中点电压平衡通过虚拟空间矢量调制切换策略和一个定制的电压平衡控制[ 31] 来实现，它是也运用在背靠背拓扑结构中的NPC 转换器。

用这种方法，没有必要在模型中包含一些关于直流侧中性点的信息。

三、控制系统图4.在正常运行和电网电压跌落时的用来存储跌落时汽轮发电机的机械系统的惯性中的有功功率过剩的控制框图（LVRT 满足要求）所提出的系统控制框图如图4所示。

对发电机侧变流器，使用了传统的矢量控制（FOC ）。

转子磁链角通过编码器得到。

对于网侧变换器，带有负序电网电压前馈的矢量电流控制器（VCCF)[ 21 ] 已实施。

该控制策略能够管理对称和非对称的电网骤降。

延迟的信号消除方法是用于获取电网电压的对称分量的序列分离方法（SSM ）。

电网电角度由一个与SSM 同时工作的锁相环获得，保证当不对称电网故障或电网不平衡发生时的角度精度[ 21 ]。

同步参考系的d 轴已经电网电压的正序向量（0=+gq u ） 对齐。

负序电网电压前馈使在终端的电网转换器产生相同的在电网中已出现的负序电网电压。

因此，只有正序电压施加到滤波器，只有正序电流循环通过滤波器。

因此，电流控制器只有在正序中能够实施。

在正常运行时，对于发电机侧变流器，该参考速度是由一些最大功率点跟踪 （MPPT ）算法给出的，来获取实际风力发电量的最大值。

MPPT 算法在这项技术中已不被考虑。

然后，电磁转矩在参考速度与机械转矩相匹配，由于在发电机侧电流参考（ *sq i ）。

发电机输出的有功功率被送到直流环节。

为了保持和直流环节电压参考值一致，直流稳压器给出d 轴电网侧转换器的电流参考 （ *dgrid i ）。

因此，等量的有功功率从发电机被传递到电网。

另一方面， 传给电网和从电网吸收到的无功功率可以通过电网侧转换器电流(*qgrid i )的q 轴分量来调节,独立于有功功率调节。