雙饋感應(yīng)電機（DFIG）風力發(fā)電系統(tǒng)定子側(cè)直接掛網(wǎng)運行，使故障穿越運行顯得尤為重要。在研究多種故障電壓補償方案與九開關(guān)變換器脈寬調(diào)制策略的基礎(chǔ)上，提出新穎的采用九開關(guān)變換器替代雙饋風電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器實現(xiàn)并網(wǎng)控制與電壓串補一體化方案。
在對九開關(guān)變換器的數(shù)學模型、調(diào)制方法、工作狀態(tài)、網(wǎng)側(cè)九開關(guān)變換器的控制策略、直流側(cè)電壓分配以及全釩液流電池儲能環(huán)節(jié)電路模型進行理論分析的基礎(chǔ)上，建立網(wǎng)側(cè)采用九開關(guān)變換器的DFIG風電系統(tǒng)仿真模型。設(shè)計多種并網(wǎng)點電網(wǎng)電壓短路故障工況，分別對風電系統(tǒng)的電氣參數(shù)和運行特性進行深入仿真研究。
研究結(jié)果表明九開關(guān)變換器能維持DFIG機端電壓穩(wěn)定，使雙饋風電機組在對稱與不對稱電網(wǎng)電壓故障下實現(xiàn)柔性故障穿越運行。
雙饋風電機組（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）因勵磁變換器容量小、價格低、機組諧波小的特點已成為并網(wǎng)型風電的主流機型[1-4]。但因雙饋感應(yīng)發(fā)電機定子直接并網(wǎng)，其對電壓跌落相當敏感，所以在諸多風電故障穿越方案中，性能優(yōu)越、配置靈活的動態(tài)電壓恢復器（Dynamic Voltage Regulator, DVR）得到了越來越廣泛的關(guān)注。
國內(nèi)外眾多文獻對DVR補償故障電壓跌落進行了廣泛的研究。文獻[5]采用全釩液流電池（all Vanadium Redox flowBattery, VRB）儲能的三單相不間斷DVR提升雙饋式風電系統(tǒng)柔性故障穿越能力，但當電網(wǎng)電壓正常時，儲能單元不起作用，而且增加了控制的復雜性。
文獻[6]采用共用直流母線式三單相DVR補償電網(wǎng)中發(fā)生率最高的單相電壓暫降電能質(zhì)量問題，但由于其每相補償單元含有H橋，使風電機組體積龐大，提高了成本。文獻[7]則采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器限制轉(zhuǎn)子過電流與直流母線過電壓。
九開關(guān)變換器取代傳統(tǒng)背靠背雙PWM變換器為縮減變換器體積提供了技術(shù)可能性，一經(jīng)提出便受到了廣泛關(guān)注。文獻[8,9]采用九開關(guān)變換器替代傳統(tǒng)雙饋風電系統(tǒng)背靠背式變換器，節(jié)省了3個IGBT。
文獻[10]提出一種用于雙饋風電系統(tǒng)的新型九開關(guān)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器抑制DFIG定子磁鏈瞬態(tài)過程，消除電壓、電流諧波、各種故障電壓對雙饋風電系統(tǒng)的影響，可實現(xiàn)多種電壓故障工況下的低電壓穿越。鑒于九開關(guān)變換器體積小、安裝靈活度高等特點，在電助力船舶[11]、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器[12]等領(lǐng)域已有應(yīng)用研究。
九開關(guān)變換器的特殊結(jié)構(gòu)使其調(diào)制方式有別于傳統(tǒng)調(diào)制方案。為獲取與背靠背變換器同樣的獨立輸入/輸出及直流母線電壓的合理分配，采用適宜的調(diào)制策略成為關(guān)鍵因素。文獻[13,14]采用三角載波、兩組加入直流偏置量后的正弦調(diào)制參考信號與邏輯運算生成正弦脈寬調(diào)制方案。文獻[15]為提高直流電壓利用率采用了空間矢量脈寬調(diào)制方案。
本文提出了采用九開關(guān)變換器替代雙饋風電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器實現(xiàn)并網(wǎng)控制與電壓串補一體化方案。此方案與前文所提串補結(jié)構(gòu)相比，變換器體積小、控制復雜性降低。由于全釩液流電池具有功率容量大、效率高、響應(yīng)快、安全性高和成本低等優(yōu)點，過載和過放能力強[16,17]，功率和容量可獨立設(shè)計，容量擴展性強，本文將其用作直流側(cè)高效儲能單元，并針對多種電網(wǎng)電壓短路故障工況進行VRB儲能型網(wǎng)側(cè)九開關(guān)變換器仿真研究，仿真結(jié)果表明九開關(guān)變換器能輔助維持DFIG機端電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)機組故障穿越運行。
圖4 用于雙饋風電系統(tǒng)VRB儲能型網(wǎng)側(cè)九開關(guān)變換器拓撲結(jié)構(gòu)
圖6 網(wǎng)側(cè)九開關(guān)變換器控制框圖
結(jié)論
1）本文提出了雙饋風電系統(tǒng)中VRB儲能型網(wǎng)側(cè)九開關(guān)變換器拓撲結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)雙饋風電系統(tǒng)增設(shè)3個IGBT可實現(xiàn)并網(wǎng)與電壓補償一體化功能。
2）九開關(guān)變換器運行在電網(wǎng)電壓故障期間，通過其DVR功能，可對電網(wǎng)電壓在0～130%范圍內(nèi)的短時畸變進行補償。
3）多種電網(wǎng)電壓短路故障工況下九開關(guān)變換器均能維持DFIG機端電壓穩(wěn)定，輔助雙饋風電機組實現(xiàn)柔性故障穿越運行。后續(xù)將進行小功率九開關(guān)變換器在雙饋風電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。
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