双馈风电系统中VRB储能型网侧九开关变换器

内蒙古工业大学、国网山西省电力公司电力调度控制中心、呼和浩特市供电局的研究人员廉茂航、任永峰等，在2018年第6期《电工技术学报》上撰文指出，双馈感应电机（DFIG）风力发电系统定子侧直接挂网运行，使故障穿越运行显得尤为重要。在研究多种故障电压补偿方案与九开关变换器脉宽调制策略的基础上，提出新颖的采用九开关变换器替代双馈风电系统网侧变换器实现并网控制与电压串补一体化方案。

在对九开关变换器的数学模型、调制方法、工作状态、网侧九开关变换器的控制策略、直流侧电压分配以及全钒液流电池储能环节电路模型进行理论分析的基础上，建立网侧采用九开关变换器的DFIG风电系统仿真模型。设计多种并网点电网电压短路故障工况，分别对风电系统的电气参数和运行特性进行深入仿真研究。

研究结果表明九开关变换器能维持DFIG机端电压稳定，使双馈风电机组在对称与不对称电网电压故障下实现柔性故障穿越运行。

双馈风电机组（Doubly-Fed Induction Generator, DFIG）因励磁变换器容量小、价格低、机组谐波小的特点已成为并网型风电的主流机型[1-4]。但因双馈感应发电机定子直接并网，其对电压跌落相当敏感，所以在诸多风电故障穿越方案中，性能优越、配置灵活的动态电压恢复器（Dynamic Voltage Regulator, DVR）得到了越来越广泛的关注。

国内外众多文献对DVR补偿故障电压跌落进行了广泛的研究。文献[5]采用全钒液流电池（all Vanadium Redox flowBattery, VRB）储能的三单相不间断DVR提升双馈式风电系统柔性故障穿越能力，但当电网电压正常时，储能单元不起作用，而且增加了控制的复杂性。

文献[6]采用共用直流母线式三单相DVR补偿电网中发生率最高的单相电压暂降电能质量问题，但由于其每相补偿单元含有H桥，使风电机组体积庞大，提高了成本。文献[7]则采用串联网侧变换器限制转子过电流与直流母线过电压。

九开关变换器取代传统背靠背双PWM变换器为缩减变换器体积提供了技术可能性，一经提出便受到了广泛关注。文献[8,9]采用九开关变换器替代传统双馈风电系统背靠背式变换器，节省了3个IGBT。

文献[10]提出一种用于双馈风电系统的新型九开关统一电能质量调节器抑制DFIG定子磁链瞬态过程，消除电压、电流谐波、各种故障电压对双馈风电系统的影响，可实现多种电压故障工况下的低电压穿越。鉴于九开关变换器体积小、安装灵活度高等特点，在电助力船舶[11]、统一电能质量调节器[12]等领域已有应用研究。

九开关变换器的特殊结构使其调制方式有别于传统调制方案。为获取与背靠背变换器同样的独立输入/输出及直流母线电压的合理分配，采用适宜的调制策略成为关键因素。文献[13,14]采用三角载波、两组加入直流偏置量后的正弦调制参考信号与逻辑运算生成正弦脉宽调制方案。文献[15]为提高直流电压利用率采用了空间矢量脉宽调制方案。

本文提出了采用九开关变换器替代双馈风电系统网侧变换器实现并网控制与电压串补一体化方案。此方案与前文所提串补结构相比，变换器体积小、控制复杂性降低。由于全钒液流电池具有功率容量大、效率高、响应快、安全性高和成本低等优点，过载和过放能力强[16,17]，功率和容量可独立设计，容量扩展性强，本文将其用作直流侧高效储能单元，并针对多种电网电压短路故障工况进行VRB储能型网侧九开关变换器仿真研究，仿真结果表明九开关变换器能辅助维持DFIG机端电压稳定，实现机组故障穿越运行。

结论

1）本文提出了双馈风电系统中VRB储能型网侧九开关变换器拓扑结构，相比传统双馈风电系统增设3个IGBT可实现并网与电压补偿一体化功能。

2）九开关变换器运行在电网电压故障期间，通过其DVR功能，可对电网电压在0～130%范围内的短时畸变进行补偿。

3）多种电网电压短路故障工况下九开关变换器均能维持DFIG机端电压稳定，辅助双馈风电机组实现柔性故障穿越运行。后续将进行小功率九开关变换器在双馈风电系统中的应用研究。