帶電流限幅無功電流注入的LVRT控制策略研究

李小凡， 胡國文

（鹽城工學院 電 氣工程學院，江蘇 鹽 城 224051）

近年來，隨著風力發(fā)電量在電力系統(tǒng)中的比重增加，如果電網(wǎng)故障導致風電機組的切機，會引起電網(wǎng)的擴大化故障。因此，許多國家都對風力發(fā)電提出了要求，即在電網(wǎng)電壓跌落處于一定范圍時，風電機組必須保持和電網(wǎng)相連。目前，對低電壓穿越控制已有較多研究［1－14］。

本文依據(jù)網(wǎng)側變流器最大通態(tài)電流和風電機組在低電壓跌落故障時，需要注入無功電流以支撐電網(wǎng)電壓的恢復，提出一種帶限幅功能的無功電流注入網(wǎng)側變流器控制策略，對電網(wǎng)電壓單相接地短路故障引起電壓跌落情況進行了仿真實驗研究，該方法可使三相電流不會超過變流器的電流極限，并對正序電壓起到支撐作用，對負序電壓起到抑制作用，實現(xiàn)了不脫網(wǎng)運行，具有一定的實際應用價值。

1 網(wǎng)側逆變電壓和電流分析

直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)結構如圖1所示。圖中，Lf、Lg和Cf為 濾 波 電 感 和 電 容；ua、ub和uc為濾波電容端電壓；ia、ib和ic為濾波電感電流。

圖1 直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)結構圖

采用對稱分量法可將一個不平衡的三相系統(tǒng)分解成3個平衡對稱的三相系統(tǒng)，即正序系統(tǒng)、負序系統(tǒng)和零序系統(tǒng)。考慮到分析的三相系統(tǒng)為三線制，因此三相電流之和為0，電壓的零序分量也為零。則三相電壓ua、ub和uc為：

其中，Up和Un分別為LCL濾波器電容端電壓正序分量和負序分量；θ1和θ2分別為a相電壓正序分量和負序分量的初相位；ω為電網(wǎng)角頻率。

三相電流ia、ib和ic為：

其中，Ip和In分別為LCL濾波器電感電流正序分量和負序分量；θp和θn分別為電流正序分量和負序分量的相位角。

一個對稱的三相電網(wǎng)系統(tǒng)只含有正序分量，沒有零序和負序分量。在電網(wǎng)發(fā)生跌落時，電網(wǎng)電壓的不對稱而含有負序分量，負序電流在正序dq軸產(chǎn)生2倍于基頻的諧波。由于負序電流分量的存在，機側的功率不再是常數(shù)，產(chǎn)生2倍于基頻的周期性波動。不對稱電流和功率的波動將導致負序的定、轉(zhuǎn)子電流加重定、轉(zhuǎn)子繞組的發(fā)熱，同時使定、轉(zhuǎn)子三相繞組發(fā)熱不對稱，而定、轉(zhuǎn)子電流不對稱度嚴重時還會引起過流。脈動的有功功率和無功功率會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到很大的影響，電磁轉(zhuǎn)矩的周期性脈動嚴重時會損壞風電系統(tǒng)的機械部件。

因此，在電網(wǎng)發(fā)生跌落時，設定θp＝－π／2，從網(wǎng)側變流器往電網(wǎng)看電流滯后電壓，也就是從電網(wǎng)側往網(wǎng)側變流器看，電流超前電壓，相當于注入了容性無功，使電網(wǎng)的正序電壓得到支撐。同樣設定θn＝－π／2，從網(wǎng)側變流器往電網(wǎng)看電流超前于電壓，從電網(wǎng)往網(wǎng)側變流器側看，電流滯后電壓，相當于注入了感性無功，使電網(wǎng)負序電壓得以抑制。

由3S／2S坐標變換，可知：

由（1）式可知，三相電壓包含正序和負序分量。以θ角度對電壓正序分量進行2S／2R變換，其正序基波的變換為：

在實際控制中，為了得到單位功率因素，一般使用鎖相環(huán)PLL控制，使得旋轉(zhuǎn)的q軸分量為0，這樣相當于θ＝ωt＋θ1。以－θ角度對電壓負序分量進行2S／2R變換，其負序基波的變換為：

由（6）式可得：

2 帶電流限幅無功電流注入控制策略

在控制中，對無功電流的注入存在一個前提條件，即注入電流應在網(wǎng)側變流器通態(tài)浪涌電流以內(nèi)?？蓪ⅲ?）式寫成如下形式：

其中，三相電流相位為：

三相電流峰值為：

其中，φ＝θ2－θn－（θ1＋θp）＝θ2－θn＋π。

三相電流矢量如圖2所示。

圖2 三相電流矢量圖

由圖2可知，此時三相電流中的a相電流峰值最大。三相電流最大的峰值取決于φ，當π／3≤φ＜π時，b相電流峰值最大；當π≤φ＜5π／3時，c相電流峰值最大；當－π／3≤φ＜π／3時，a相電流峰值最大。

為了讓網(wǎng)側變流器不發(fā)生過流，使三相電流峰值最大的等于限幅電流Imax，而限幅電流Imax的選取原則是小于網(wǎng)側變流器的通態(tài)浪涌電流。則負序電流反推得到：

當π／3≤φ＜π時，k＝1；當π≤φ＜5π／3時，k＝－1；當－π／3≤φ＜π／3時，k＝0。

而當電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時，注入電網(wǎng)的動態(tài)正序無功電流ipd可由電網(wǎng)規(guī)范得到，則（11）式中正序電流為：

當網(wǎng)壓跌落時，輸出有功功率受到限制，為使發(fā)動機運行不受故障的影響，直流側輸入的功率基本保持不變，因此直流側功率發(fā)生不平衡，輸入功率大于輸出功率，導致直流側電壓升高。為了降低機側變流器輸出功率變化對直流側電壓升高的影響，需要從整體角度出發(fā)，對電機側變流器和電網(wǎng)側變流器進行關聯(lián)、協(xié)調(diào)控制。因此，在直流側增加過電壓保護電路，如Crowbar電路［1］。

帶電流限幅無功電流注入的控制策略如圖3所示。

圖3 帶電流限幅無功電流注入的控制策略框圖

3 仿真實驗

為了驗證所提方法的正確性和可行性，進行了仿真實驗驗證。三相PWM電壓型變換器開關頻率為10kHz；LCL濾波器的電感Lf、Lg和電容Cf分別為2mH、2mH和3μF。為了更接近真實情況，仿真實驗時的直流源MPPT（最大功率點跟蹤）為650V、最大功率100kW的PV源，Imax取235A。實驗過程中，使電網(wǎng)c相接地短路而引起電壓跌落。

控制系統(tǒng)不注入無功電流時，正序電壓和負序電壓有效值波形如圖4所示。

圖4 不注入無功電流時電壓有效值波形

3.1 無負序電流控制方式

無負序電流控制方式就是在圖3無功電流注入控制中去除負序電流控制，同時負序電壓也不作前饋，此時正序電壓和負序電壓有效值波形如圖5所示。

圖5 去除負序電流控制時電壓有效值波形

由圖4和圖5對比可知，無負序電流控制方式時，電網(wǎng)正序電壓被抬升了9.85V，負序電壓被壓制了10.3V，對電網(wǎng)的正面作用比較明顯。無負序電流控制方式時，三相電流和電壓波形如圖6所示。

由圖6可知，此時只控制了正序電流，三相電流波形不平衡。由于c相接地短路，故c相逆變電流較大，而由于未對負序電流控制，故c相逆變電流嚴重超限。如果不進行控制，發(fā)生低電壓低落時風電機組將因逆變過流而切機。

圖6 去除負序電流控制時三相電流和電壓波形

3.2 帶電流限幅無功電流注入的控制方式

采用帶電流限幅無功電流注入的控制方式時，正序電壓和負序電壓有效值波形如圖7所示。

圖7 加入負序無功電流控制時電壓有效值波形

由圖4和圖7對比可知，帶電流限幅無功電流注入的控制方式時，電網(wǎng)正序電壓被抬升了11.2V，負序電壓被壓制了3.6V，對電網(wǎng)正序電壓支撐作用較明顯。

帶電流限幅無功電流注入的控制方式時，三相電流和電壓波形如圖8所示。

由圖8可知，由于加入負序無功電流控制，整個三相電流表現(xiàn)為不平衡。由于是c相發(fā)生接地故障，故c相的電流變大以平衡c相的負序分量。但是整個短路過程中，三相電流都被控制在限幅值以內(nèi)，這說明帶電流限幅無功電流注入的控制方式，首先按照要求注入正序無功電流來支撐正序電壓，然后盡網(wǎng)側變流器最大能力去抑制負序電壓。

圖8 加入負序無功電流控制時三相電流和電壓波形

4 結束語

本文提出一種帶電流限幅無功電流注入的控制方式，通過注入無功電流的正序和負序，以支撐電網(wǎng)電壓跌落時電網(wǎng)電壓，從而實現(xiàn)穿越低電壓。通過無負序電流控制方式和帶電流限幅無功電流注入控制方式的仿真實驗比較，可以發(fā)現(xiàn)帶電流限幅無功電流注入的控制方式在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，不僅可以抬升電網(wǎng)正序電壓，又可以抑制負序電壓，同時逆變?nèi)嚯娏鞅豢刂圃诎踩秶鷥?nèi)，保證網(wǎng)側變流器不會因過流而切機，具有很好的優(yōu)越性。

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