電網(wǎng)故障下交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器建模與控制

易 宏，蔣鐵錚，徐蓓蓓，曾 翔

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

近年來(lái)，風(fēng)能作為清潔能源倍受關(guān)注，隨著風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量的不斷增加，風(fēng)電在電力系統(tǒng)中的地位發(fā)生了明顯的變化，大容量的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的影響將不容忽視[1]。在各種類(lèi)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，交流勵(lì)磁的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī) (DFIG)以其調(diào)速范圍寬、可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤以及有功功率和無(wú)功功率可在四象限獨(dú)立調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，取代了傳統(tǒng)的恒速恒頻異步發(fā)電機(jī)[2]。采用交-直-交雙脈寬調(diào)制 (PWM)變換器容量較小，轉(zhuǎn)速范圍限制在0.75%～1.25%(標(biāo)幺值)時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的容量一般僅為25% ～35%的發(fā)電機(jī)額定容量[3]。

實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電網(wǎng)故障引發(fā)的電壓驟降是一種比較常見(jiàn)的故障類(lèi)型。當(dāng)故障發(fā)生導(dǎo)致定子電壓的驟降時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子側(cè)變換器相比發(fā)電機(jī)容量較小，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的控制能力有限，必然引起轉(zhuǎn)子過(guò)電流和隨之帶來(lái)的變換器的直流過(guò)電壓[4，5]。因此必須采取有效措施來(lái)限制故障時(shí)轉(zhuǎn)子過(guò)電流及減小直流鏈的電壓波動(dòng)，并為系統(tǒng)提供一定的頻率和電壓支持，提高交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不間斷運(yùn)行能力和電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

目前，大型MW級(jí)以上交流勵(lì)磁的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，主要采用轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)(Crowbar Protection)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)短路故障時(shí)發(fā)電機(jī)的不間斷運(yùn)行[6～8]。在該方案中，首先電網(wǎng)故障時(shí)保護(hù)電阻和勵(lì)磁主回路的投切應(yīng)該滿足嚴(yán)格的時(shí)序要求，這就需要為Crowbar電路增加相應(yīng)的硬件電路，必然會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的成本，而且在故障過(guò)程中，嚴(yán)格把握好保護(hù)電阻和勵(lì)磁主回路投切時(shí)間的關(guān)系，控制難度也會(huì)很大;其次電網(wǎng)故障時(shí)，由于切除了發(fā)電機(jī)變頻器勵(lì)磁電源，風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，必須從電網(wǎng)中吸收大量的無(wú)功功率進(jìn)行勵(lì)磁，更加不利于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，而且電網(wǎng)故障時(shí)，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比較大，對(duì)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械沖擊比較嚴(yán)重。當(dāng)電網(wǎng)故障切除，風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電壓恢復(fù)正常時(shí)，電網(wǎng)側(cè)變換器將重新投入以恢復(fù)直流鏈電容電壓，在直流電容電壓重新建立的過(guò)程中，直流鏈電壓的波動(dòng)將可能影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)重新投入正常運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁控制效果[8，9]。文獻(xiàn)[10] 以雙饋發(fā)電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，考慮了定子暫態(tài)勵(lì)磁電流改進(jìn)的勵(lì)磁控制策略。僅從轉(zhuǎn)子側(cè)的變換器進(jìn)行控制，電網(wǎng)故障時(shí)將產(chǎn)生轉(zhuǎn)子功率變化，直流電容電壓出現(xiàn)較大的幅值波動(dòng)，必然對(duì)直流電容造成沖擊，影響發(fā)電機(jī)的不間斷運(yùn)行控制效果。文獻(xiàn)[11]所提出的當(dāng)電網(wǎng)電壓下降到一定值時(shí)，即將封鎖網(wǎng)側(cè)變換器，讓電容與電網(wǎng)隔離，這時(shí)能量只在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和電容之間流動(dòng)，通過(guò)控制策略抑制轉(zhuǎn)子過(guò)電流來(lái)穩(wěn)定直流電容電壓。但由于PI的控制能力和電容的容量有限，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌幅比較大時(shí)，轉(zhuǎn)子的功率振蕩劇烈，直流鏈電容電壓也隨之發(fā)生波動(dòng)，從而影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。

考慮到上述情況，為了減小電網(wǎng)電壓驟降下DFIG轉(zhuǎn)子過(guò)電流和直流電容過(guò)電壓的危害，對(duì)DFIG進(jìn)行合適的控制十分重要。本文以變換器的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，從轉(zhuǎn)子側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變換器兩個(gè)方面進(jìn)行控制，確定了電網(wǎng)故障下，網(wǎng)側(cè)變換器采用轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸入瞬時(shí)電流波動(dòng)為前饋量的前饋控制策略;對(duì)于轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用以DFIG精確數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的定子磁鏈定向矢量控制策略。

1 雙PWM變換器勵(lì)磁的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

圖1所示為雙PWM變換器勵(lì)磁的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 雙PWM變換器勵(lì)磁的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Wind power generation system of dual PWM converter excitation

發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由兩個(gè)完全相同的兩電平電壓型雙PWM變換器通過(guò)直流母線連接起來(lái)。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器一是給DFIG的轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁分量的電流，從而可以調(diào)節(jié)DFIG定子側(cè)所發(fā)出的無(wú)功率;二是通過(guò)控制DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩分量的電流控制DFIG的轉(zhuǎn)速，或控制DFIG定子側(cè)所發(fā)出的有功功率，從而使DFIG運(yùn)行在風(fēng)力機(jī)的最佳功率曲線上，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤 (捕獲)運(yùn)行。網(wǎng)側(cè)變換器一是保證其良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦，諧波含量少，功率因數(shù)符合要求;二是保證直流母線電壓的穩(wěn)定，直流母線電壓的穩(wěn)定是兩個(gè)PWM變換器正常工作的前提，是通過(guò)對(duì)輸入電流的有效控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，兩個(gè)PWM變換器的工作狀態(tài)經(jīng)常發(fā)生變換，當(dāng)發(fā)電機(jī)亞同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)通過(guò)變換器向轉(zhuǎn)子輸入轉(zhuǎn)差率的能量，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器做逆變器運(yùn)行，此時(shí)網(wǎng)側(cè)變換器做整流器運(yùn)行，當(dāng)發(fā)電機(jī)超同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)剛好相反。當(dāng)發(fā)電機(jī)以同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)向轉(zhuǎn)子輸入直流電流進(jìn)行勵(lì)磁，雙PWM變換器實(shí)際作斬波器運(yùn)行。根據(jù)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器與網(wǎng)側(cè)變換器工作狀態(tài)完全可逆，和電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也相同。本文以轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器以逆變狀態(tài)運(yùn)行，網(wǎng)側(cè)變頻器以整流狀態(tài)運(yùn)行。

2 雙PWM變換器聯(lián)合控制策略

2.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器定子磁鏈定向矢量控制

為了最大限度的捕獲風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，采用定子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型。在定子磁鏈定向下，d軸與定子磁鏈?zhǔn)噶喀穝的方向重合，則定子磁鏈在d，q軸上分量為Ψsd=|Ψs|，Ψsq=0。則在定子磁鏈定向坐標(biāo)系下，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓為[9，10]:

式 (1)表明可以通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子電壓進(jìn)行前饋補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的解耦控制，前饋補(bǔ)償項(xiàng)為:

代入 (1)式進(jìn)行補(bǔ)償后的電壓和電流關(guān)系為:

磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程如下:

定子輸出有功和無(wú)功功率分別為:

式中:Vs，Vr分別為定轉(zhuǎn)子電壓矢量;Is，Ir分別為定轉(zhuǎn)子電流矢量;Ψs，Ψr分別為定轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?Rs，Rr分別為定轉(zhuǎn)子電阻;Ls=Lδs+Lm，Lr=Lδr+Lm分別為定轉(zhuǎn)子繞組全自感，其中 Lm，Lδs和Lδr分別是定轉(zhuǎn)子間互感、定子漏感和轉(zhuǎn)子感;以上轉(zhuǎn)子各量均為折算后的值;ω1為同步電角度;ωr為轉(zhuǎn)子電角度;ωs=ω1-ωr為轉(zhuǎn)差電角度。

圖2 電網(wǎng)電壓驟降下轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控原理圖Fig.2 Rotor converter control strategy diagram under stator voltage dip fault

式 (2)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制，為消除d，q軸轉(zhuǎn)子電壓、電流分量間交叉耦合的補(bǔ)償項(xiàng)。將轉(zhuǎn)子電壓分解為解耦項(xiàng)和補(bǔ)償項(xiàng)后，既簡(jiǎn)化了控制，又能保證控制的精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。得出如圖1所示的控制框圖，定子電壓相角采用鎖相環(huán) (PLL)檢測(cè)，設(shè)計(jì)良好的PLL可以消除定子電壓諧波對(duì)電壓相角檢測(cè)的影響。

2.2 電網(wǎng)側(cè)變換器的定子電壓定向前饋控制

電壓型PWM整流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，采用定子電壓定向的控制策略，d軸與定子電壓矢量的方向重合，則定子電壓在d，q軸上分量為Vsd=|Us|，Vsq=0。忽略功率器件的開(kāi)通和關(guān)斷損耗，整流器的高頻數(shù)學(xué)模型可表示如下[12]:

從式 (5)中得出能解除d，q軸間電流耦合和消除電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的控制方法，令

則式 (6)變?yōu)?/p>

式中:Ed，Eq分別為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)在d，q軸上的分量;id，iq為饋入整流器的電流ia，ib，ic在d，q上的分量;L為進(jìn)線電感;R為進(jìn)線等效電阻。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)側(cè)PWM變換器同時(shí)受到電網(wǎng)電壓降落和負(fù)載側(cè)電流波動(dòng)兩方面的擾動(dòng)。直流母線電壓的波動(dòng)與負(fù)載電流iload的突變有直接的關(guān)系，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的輸入電流對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器來(lái)說(shuō)就是負(fù)載電流，因此，負(fù)載電流對(duì)于網(wǎng)側(cè)PWM變換器來(lái)講就是一個(gè)外部擾動(dòng)信號(hào)。在傳統(tǒng)的控制控制策略中，未引入負(fù)載電流前饋控制時(shí)，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生突變時(shí)，則直流母線電壓首先受到影響，偏離額定值，導(dǎo)致母線電壓與設(shè)定的額定值的偏差增加，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，只能在一定程度上逐步減小，直至消除這一偏差，系統(tǒng)再次進(jìn)入穩(wěn)定的狀態(tài)。但是由于直流鏈電壓調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)速度比較滯后，在負(fù)載電流突然增大的一段時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)側(cè)整流器還不能提供負(fù)載消耗的能量。這時(shí)，直流鏈電容將釋放其所儲(chǔ)存的能量，和網(wǎng)側(cè)變換器一起向負(fù)載輸送能量。當(dāng)負(fù)載電流突然減小時(shí)，由于網(wǎng)側(cè)變換器所提供的能量超過(guò)了負(fù)載所要消耗的能量，多余的能量只有流向直流鏈電容，對(duì)其進(jìn)行充電。正是這種輸入與輸出之間的動(dòng)態(tài)過(guò)程不平衡，才造成了直流鏈母線電壓的上下波動(dòng)。如果電容的容量較小時(shí)，電壓的波動(dòng)就會(huì)比較大，就有可能有超出直流鏈電壓的設(shè)置范圍。

由以上分析可知，如果將三相整流器中電壓外環(huán)的輸出加上前饋分量，即網(wǎng)側(cè)變換器所需的負(fù)載電流iload，因此，電壓跌落時(shí)，電網(wǎng)側(cè)變換器可采用電流內(nèi)環(huán)控制，將轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸入瞬時(shí)電流iload和直流電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出一起作為網(wǎng)側(cè)變換器的d軸電流給定值，而把定子電壓的變化作為一個(gè)附加補(bǔ)償量E*。這樣電網(wǎng)側(cè)變換器的d軸電流給定量和輸入瞬時(shí)電流都將及時(shí)跟隨轉(zhuǎn)子功率變化，將直流鏈電壓的波動(dòng)限制在一定范圍內(nèi)。圖3給出了定子電壓跌落時(shí)電網(wǎng)側(cè)變換器控制原理框圖。

圖3 定子電壓跌落時(shí)電網(wǎng)側(cè)變換器控制原理圖Fig.3 Grid converter control strategy diagram under stator voltage dip fault

3 仿真分析

為了驗(yàn)證所使用的定轉(zhuǎn)子變換器聯(lián)合控制策略在電網(wǎng)電壓驟降情況的有效性，本文在Matlab的Simulink軟件環(huán)境下，與傳統(tǒng)定子和轉(zhuǎn)子側(cè)的控制策略進(jìn)行比較。傳統(tǒng)的控制策略是網(wǎng)側(cè)變換器沒(méi)有考慮前饋控制，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器忽略了轉(zhuǎn)子電阻。圖4所示為1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)的系統(tǒng)圖，建立了變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的參數(shù)如下:

圖4 含風(fēng)電廠的電網(wǎng)系統(tǒng)圖Fig.4 Grid system diagram connected with wind power plant

風(fēng)力機(jī):風(fēng)輪半徑R=17 m，額定功率1 600 kW，最佳風(fēng)能利用系數(shù)Crmax=0.73，齒輪箱增速比N=6.254，空氣密度r=1.25 kg/m3。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī):額定功率1 500 kW，定子額定電壓575 V，額定頻率60 Hz，極對(duì)數(shù)3，定子電阻0.023 p.u.，定子漏感0.18 p.u.，轉(zhuǎn)子電阻0.016 p.u.，轉(zhuǎn)子漏感0.16 p.u.，互感2.9 p.u.，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.685 p.u.，摩擦系數(shù)0.01 p.u.。

雙PWM變換器:進(jìn)線電感0.003 p.u.，電阻0.3 p.u.，直流電容電壓1 150 V，電容0.01F，器件開(kāi)關(guān)頻率1 620 Hz。

圖5給出定子電壓驟降下，傳統(tǒng)與改進(jìn)控制策略的仿真波形。需要說(shuō)明的是:

(1)網(wǎng)側(cè)變換器按照功率因素為1進(jìn)行控制。

(2)有功功率為正，表示發(fā)電機(jī)定子向電網(wǎng)輸出有功功率;而無(wú)功功率為正，表示發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率。

在0.1 s時(shí)電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱性接地性故障，持續(xù)時(shí)間為0.1 s。定子電壓降低至0.4 p.u.，如圖5(c)所示，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，由于沒(méi)有及時(shí)輸出而出現(xiàn)輕微的波動(dòng)，然后迅速減小如圖5(b)所示，發(fā)電機(jī)定子將從電網(wǎng)中吸收更多的無(wú)功功率來(lái)支持電壓如圖5(a)所示，從而導(dǎo)致定子側(cè)產(chǎn)生過(guò)電流如圖5(d)所示。進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加，將導(dǎo)致直流電壓的升高，以致發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的電流及有功、無(wú)功功率都會(huì)發(fā)生振蕩。

當(dāng)吸收的無(wú)功功率迅速增加和轉(zhuǎn)子側(cè)矢量控制使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流迅速減小，這時(shí)要求雙PWM變換器提供的瞬時(shí)功率也就相應(yīng)減小，采用了轉(zhuǎn)子側(cè)瞬時(shí)功率反饋控制，能迅速傳送到網(wǎng)側(cè)變換器，這樣輸入電流也就減小，使得直流電壓得到了穩(wěn)定控制，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

如圖5(e)所示，改進(jìn)的控制策略更能有效控制轉(zhuǎn)子沖擊電流，轉(zhuǎn)子電流的幅值得到了抑制，表明了改進(jìn)的控制策略能有效防止故障時(shí)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的過(guò)電流。

如圖5(g)所示，改進(jìn)的控制策略更能有效地控制直流鏈電壓的幅值，表明了改進(jìn)的控制策略可以有效控制防止故障時(shí)變換器直流電壓波動(dòng)較大而無(wú)法提供勵(lì)磁功率支持。

如圖5(f)所示，改進(jìn)的控制策略更能有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩的幅值波動(dòng)，進(jìn)而有效的減小了風(fēng)電機(jī)組軸系傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械沖擊，因而對(duì)延長(zhǎng)機(jī)械系統(tǒng)的壽命是非常有利的。

如圖5(h)所示，改進(jìn)的控制策略更能及時(shí)跟蹤發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子功率的變化，能有效控制網(wǎng)側(cè)變換器的輸入電流，能更好地保護(hù)變換器，因此對(duì)延長(zhǎng)變換器的壽命是非常有利的。

4 結(jié)論

隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的比重越來(lái)越大，電網(wǎng)在發(fā)生故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力顯得十分重要。本文設(shè)計(jì)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸入電流波動(dòng)，為附加前饋量的雙環(huán)電壓控制策略和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器考慮定子磁鏈暫態(tài)的定子磁鏈定向控制策略聯(lián)合起來(lái)控制，能在電網(wǎng)故障時(shí)有效控制轉(zhuǎn)子電流和雙PWM變換器的直流電壓，保證了發(fā)電機(jī)的不脫網(wǎng)運(yùn)行，提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

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