用于DFIG風電場接入電網(wǎng)的固態(tài)變壓器控制策略

李 程，廖 勇

（重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400044）

引言

隨著風電裝機容量增大，電網(wǎng)與風電場之間的相互影響也越來越大?，F(xiàn)行的風電場接入電網(wǎng)的方式存在著許多問題，如低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）［1-3］， 現(xiàn)有文獻針對作為主流機型的DFIG 的 LVRT 能力進行了討論［4-9］。文獻［4-5］應(yīng)用外部無功補償技術(shù)提高端電壓。文獻［6］以DFIG的精確數(shù)學模型為依據(jù)，提出了計及定子勵磁電流動態(tài)過程的改進勵磁控制策略。文獻［7］應(yīng)用附加網(wǎng)側(cè)變流器進行無功補償來提高端電壓。文獻［8-9］應(yīng)用轉(zhuǎn)子側(cè)改進電流控制調(diào)節(jié)定子磁通，但上述文獻無法適用于發(fā)電機母線電壓嚴重驟降的場合。為解決這個問題，更好的風電場接入電網(wǎng)方式受到人們廣泛關(guān)注。

柔性高壓直流輸電便于連接弱交流系統(tǒng)，以其為基礎(chǔ)的風電場并網(wǎng)方式得到了深入研究［10］。但當直流鏈電壓一定時，兩側(cè)交流電壓的幅值將受到限制。而SST不僅有隔離故障作用，還有升壓功能。因此風電場采用SST的并網(wǎng)方式受到學術(shù)界的重視［11］。 文獻［12］依靠單相 d-q 矢量控制，提出電壓和功率平衡控制策略來控制級聯(lián)多電平SST。文獻［13］借助SST的多個變流器的控制，滿足光伏發(fā)電的最大功率跟蹤、單位功率因數(shù)發(fā)電并網(wǎng)等要求。文獻［14］則引入SVPWM控制技術(shù)提高SST的性能。但DFIG機組并入電網(wǎng)有其特點及控制需求，上述文獻無法解決其存在的問題。文獻［15］利用SST的故障隔離功能緩解公共耦合點電壓的下降對風力發(fā)電機端電壓的影響，但這僅適用于電網(wǎng)電壓輕度跌落的場合。

本文針對風場側(cè)電網(wǎng)電壓突然跌落引起的DFIG風力發(fā)電機電壓、電流及電磁轉(zhuǎn)矩沖擊，采用SST將DFIG風電場接入電網(wǎng)，通過SST控制風場側(cè)電網(wǎng)電壓，抑制DFIG定、轉(zhuǎn)子過電壓、過電流，使風機變流器功率器件免受沖擊，從而提高并網(wǎng)DFIG的LVRT能力。同時為避免SST的功率器件受過電壓和過電流的沖擊，本文進一步分析風場側(cè)換流器輸出電壓變化斜率與能量傳遞、直流鏈等效電容容值的關(guān)系，以及風場側(cè)電壓下降與電網(wǎng)電壓下降的關(guān)系，以尋求最佳SST下降、上升斜率；最后建立了DFIG系統(tǒng)、SST及其控制系統(tǒng)的模型，并對電網(wǎng)故障進行了仿真，驗證所提SST控制策略的正確性和有效性。

1 固態(tài)變壓器及其控制

固態(tài)變壓器把電力電子變換技術(shù)和基于電磁感應(yīng)原理的高頻電能變換技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了電壓（或電流）幅值、頻率、相位的變換。圖1顯示了級聯(lián)型三相SST的拓撲結(jié)構(gòu)。第1階段是三相全控整流器，第2階段是隔離型高頻直流/直流轉(zhuǎn)換器，由雙向有源橋（dual active bridge，DAB）轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，高頻變壓器主要起到電氣隔離和電壓等級變換的作用。第3階段是三相全控逆變器。圖1中Vhabc為公共耦合點（point of common coupling，PCC）的電壓，ihabc為從PCC流入SST的電流，Vhdc為高壓直流鏈電壓，Vldc為低壓直流鏈電壓，Vlabc和ilabc分別為逆變器的輸出電壓和電流。由于系統(tǒng)的功率雙向傳輸特性，功率還可從低壓側(cè)傳輸?shù)礁邏簜?cè)。

圖1 三相SST拓撲結(jié)構(gòu)

SST的基本工作原理為將原邊的工頻信號由電力電子電路升頻轉(zhuǎn)化為高頻信號，然后由中間高頻隔離變壓器耦合到副邊，再通過電力電子電路降頻還原成工頻信號。

圖2（a）為整流單元d、q解耦控制框圖?？刂葡到y(tǒng)采用電網(wǎng)電壓定向控制，其中d軸控制回路調(diào)節(jié)直流母線電壓，以使有功功率及時傳送至電網(wǎng)，q軸控制回路實現(xiàn)無功功率傳輸，控制這兩分量可控制電網(wǎng)側(cè)輸入端的功率因數(shù)。DAB中逆變器和整流器的驅(qū)動信號是占空比為50%的互補觸發(fā)脈沖。當傳輸?shù)挠泄蚔hdc保持不變時，通過控制原副邊調(diào)制信號的移相角差Ddc即可調(diào)節(jié)Vldc，控制系統(tǒng)如圖2（b）所示。三相SST的逆變單元的控制系統(tǒng)采用一個恒定的定向在d軸的虛擬電壓矢量V*labc為參考（如圖2（c）所示），使風電場網(wǎng)絡(luò)這個無源網(wǎng)絡(luò)的電壓矢量也定向在d軸上，進而實現(xiàn)了有功和無功的解耦控制，此時 V*l，q＝0。

圖2 SST控制框圖

2 電網(wǎng)故障情況下SST控制策略

電網(wǎng)對稱故障的過渡過程包括電網(wǎng)電壓驟降后，風電場從正常運行過渡到故障運行，以及電網(wǎng)電壓突然恢復后，風電場從故障運行恢復到正常運行。雙饋風電場采用傳統(tǒng)變壓器時，定子電壓幅值會隨著電網(wǎng)電壓驟降而驟降，進而引發(fā)發(fā)電機定子磁鏈出現(xiàn)較大暫態(tài)直流分量。因為故障期間定子磁勢產(chǎn)生的電樞磁場分量只能經(jīng)過轉(zhuǎn)子繞組的漏磁路，所以轉(zhuǎn)子繞組中必將感應(yīng)出較大的電流才能產(chǎn)生足夠的磁鏈來平衡定子磁鏈。另外，若電網(wǎng)故障過程中發(fā)電機仍舊輸出較大功率，則由于發(fā)電機定子電壓的降低，定子電流必將增大，發(fā)電機轉(zhuǎn)子切割定子磁場也將在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)差頻率電流分量?，F(xiàn)代的風機能在此情況下自動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子電流的恒流控制。

SST的整個運行工況要求其中的兩直流鏈電壓的波動盡可能小，它的穩(wěn)定是網(wǎng)側(cè)換流器（grid side voltage source converter，GSVSC）和風場側(cè)換流 器 （wind farm side voltage source converter，WFVSC）互不干擾，獨立控制的前提條件。電網(wǎng)電壓因故障發(fā)生深度跌落后，GSVSC的輸出功率將受到限制，從WFVSC輸送到DAB的有功無法全部饋入電網(wǎng)。功率的不平衡使多余的有功在電容積累而引發(fā)充電電流，導致其電壓隨時間大幅上升，威脅直流環(huán)節(jié)的安全運行，降低系統(tǒng)在電網(wǎng)故障下的穩(wěn)定性，甚至會導致系統(tǒng)脫網(wǎng)。

要實現(xiàn)低電壓穿越，SST需轉(zhuǎn)換控制策略。在GSVSC直流電壓控制系統(tǒng)、DAB轉(zhuǎn)換器副邊電壓控制系統(tǒng)和WFVSC交流電壓控制系統(tǒng)分別引入超馳控制模塊，使得故障發(fā)生后，控制系統(tǒng)一旦接到高壓直流鏈電壓超過安全上限這類偏差越限的異常信號，超馳邏輯將根據(jù)事故發(fā)生的原因立即執(zhí)行優(yōu)先增、優(yōu)先減、禁止增、禁止減等邏輯功能，強制系統(tǒng)運行在預先設(shè)定好的安全狀態(tài)。

2.1 風場側(cè)換流器控制策略

DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器通常采用IGBT作為功率開關(guān)器件，為保證故障過渡過程中轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的安全運行，關(guān)鍵是要限制在此期間的轉(zhuǎn)子電流小于IGBT允許的最大暫態(tài)峰值電流。對采用SST的DFIG系統(tǒng)，控制WFVSC的輸出空間電壓矢量即可改變風場側(cè)電網(wǎng)電壓。當電網(wǎng)故障時，若能有效控制SST，改變發(fā)電機定子磁鏈的變化過程，進而改變發(fā)電機的電磁暫態(tài)過渡過程，使輸出電壓抵消掉發(fā)電機定子磁鏈中的暫態(tài)直流分量，則可有效“阻隔”電網(wǎng)電壓突變對發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)的不良影響，從而避免過渡期間轉(zhuǎn)子側(cè)過電流的出現(xiàn)。為了確保發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子電流均過渡平穩(wěn)，應(yīng)充分利用緩沖時間，現(xiàn)表述影響最大緩沖時間Tmax的因素。

由于SST是由功率器件組成的，無法像傳統(tǒng)變壓器一樣承受大于額定值幾倍的電壓和電流，其中DAB兩側(cè)電容器所能承受的電壓上限是依照系統(tǒng)正常運行時各直流鏈電壓大小設(shè)定的。在兆瓦級全功率的應(yīng)用上，通過增加電容容量來吸收多余能量無法滿足運行的經(jīng)濟效益，只有將從WFVSC流入到直流鏈的有功在規(guī)定的緩沖時間內(nèi)降低到故障后的平衡功率值才能根本解決問題。風機轉(zhuǎn)子電流在故障過程中被控恒定，于是其輸出的有功隨著定子電壓降低而降低。SST可以通過控制風場側(cè)電網(wǎng)電壓來控制傳輸?shù)街绷麈湹挠泄β?，使之與被限制的由GSVSC輸?shù)诫娋W(wǎng)的有功一致，在電網(wǎng)故障和恢復過程中依據(jù)電容電壓的運行狀況進行有功減小和恢復控制。充分利用SST內(nèi)逆變器與整流器的動態(tài)信息，借助主-從控制思想使兩者傳輸?shù)墓β蕪娭破ヅ?，以適應(yīng)電網(wǎng)故障下的運行。

DC/DC單元的低壓直流鏈相比于高壓直流鏈需承受更大的直流電流，為保持電壓穩(wěn)定，低壓側(cè)的電容值比高壓側(cè)電容值大很多。電網(wǎng)故障情況下，可利用低壓直流鏈儲存一部分多余的有功，以分擔一定高壓側(cè)電容的壓力，相當于增加了該單元的電容值，延長了最大緩沖時間。

電網(wǎng)發(fā)生故障后，如果檢測到的高壓直流鏈電壓幅值高于門限值Vhdc_th，WFVSC的控制系統(tǒng)需在Tmax秒內(nèi)完成電網(wǎng)故障情況下的控制，以保證兩側(cè)直流鏈電壓大小均不超過上限值，計算Tmax的直流鏈動態(tài)方程為

式中：Pw_n和Pw_f分別為故障前后輸入到DC/DC單元的有功；PG_n和PG_f分別為故障前后輸出到電網(wǎng)的有功；Ch、Cl分別為高壓直流鏈和低壓直流鏈的電容容值。由式（1）和式（2）可得到高壓直流鏈電壓從門限值Vhdc_th以及低壓直流鏈電壓從正常運行值Vldc_n同時達到各自上限值Vhdc_max、Vldc_max所用的時間，即最大緩沖時間為

選擇合適的小于Tmax的緩沖時間T后，可得到故障發(fā)生后風機定子電壓由正常運行值Vs_n開始降低的降壓曲線斜率ks_d和故障消除后風機定子電壓增壓曲線斜率ks_i的整定方式分別為

控制策略的變換最終是確保風電場有功輸出降低到故障時的平衡功率。故障情況下GSVSC饋入電網(wǎng)的有功隨著電網(wǎng)電壓跌落而降低，本文用電網(wǎng)電壓跌落因子ku來衡量電網(wǎng)電壓跌落程度，ku定義為

式中：ug_f為電網(wǎng)電壓故障時的電壓幅值；ug_d為電網(wǎng)電壓正常時的d軸分量大小。

控制WFVSC輸出的電壓幅值，按電網(wǎng)電壓跌落因子 ku比例降低， 即令此時 Vl，d的給定 V*l，d_f=kuV*l，d_n。 其中，V*l，d_n為正常運行時Vl，d的給定，降低到該指令的斜率由式（4）確定?？刂颇Ｊ降霓D(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)故障下風場側(cè)換流器的故障穿越控制

2.2 雙向有源橋轉(zhuǎn)換器控制策略

緩沖時間T也是低壓側(cè)電容電壓變化的重要依據(jù)，得到的低壓直流鏈電壓的增壓曲線斜率kdc_i和降壓曲線斜率kdc_d分別為

電網(wǎng)故障下低壓直流鏈電壓超弛控制原理如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)故障下雙向有源橋的故障穿越控制

控制系統(tǒng)檢測到異常信號后啟動該模塊，根據(jù)檢測到的高壓直流鏈電壓的標幺值確定低壓直流鏈電壓標幺值的給定。其中，兩個標幺值的基準值均是正常運行時各自電壓大小。低壓側(cè)電容電壓從正常運行值增加，斜率由式（6）確定，直到兩邊電容電壓的標幺值相同后，低壓側(cè)電容電壓開始與高壓側(cè)電容電壓保持同步上升或下降，以達到兩邊電容器依照各自緩沖能力承擔多余有功功率的效果。

2.3 電網(wǎng)側(cè)換流器控制策略

為幫助電網(wǎng)建立電壓，加快故障清除，希望SST能在故障期間向電網(wǎng)提供一定無功支持。又為防止換流器電流過大而導致?lián)p壞，GSVSC需變換到恒流控制，因此，其輸出的無功有限。SST要向電網(wǎng)優(yōu)先提供盡可能多的無功補償，超弛控制模塊會相對放開對ih，q的限制。無功功率可達的最大值和相應(yīng)電流q軸分量可達的最大值分別為

式中：Smax為GSVSC輸出視在功率最大值，一般取Smax=1.2Pmax，Pmax為其輸出最大有功功率值；Pg為當下GSVSC傳輸?shù)挠泄β剩籭g_max為變換器所能承受的最大電流；ih，d為當下?lián)Q流器電流的d軸分量。 選擇 i*h，q小于但又接近于 ih，q_max，使傳輸?shù)臒o功小于但又接近于Qg_max。在這種限定下，GSVSC的無功電流達到盡可能大的同時，還不會出現(xiàn)過電流。

此外，為使直流鏈電壓在故障消除后盡快恢復，需在GSVSC的直流電壓外環(huán)控制回路引入超弛控制模塊。電網(wǎng)故障前，GSVSC的直流電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器投入PI1，調(diào)節(jié)器參數(shù)kpn、kin按照穩(wěn)態(tài)無差跟蹤控制要求選取。當檢測到電網(wǎng)故障時，迅速切換至調(diào)節(jié)器PI2，調(diào)節(jié)器參數(shù)kpf、kif以電壓不失穩(wěn)控制原則選取。對應(yīng)的超弛控制模塊如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)故障下網(wǎng)側(cè)換流器的故障穿越控制

3 仿真分析

本文所提的故障穿越運行控制策略的可行性由圖6所示的2 MW雙饋風力發(fā)電機組驗證。其中，有兩個DFIG通過SST連接到電網(wǎng)。風力發(fā)電機組的基本風速、切入風速、切出風速分別為9 m/s、4 m/s、25 m/s。將風速為基準值時的風機角速度標幺值設(shè)為1，在基準風速下風機產(chǎn)生額定功率及功率因數(shù)。

圖6 采用固態(tài)變壓器的雙饋風力發(fā)電機組

三相SST的拓撲結(jié)構(gòu)依照圖1，控制系統(tǒng)依照圖2，并根據(jù)圖3～圖5對應(yīng)3部分的控制系統(tǒng)進行改進。第1階段的整流單元將11 kV工頻交流電轉(zhuǎn)換為30 kV高壓直流電；第2階段的DC/DC變換單元中，高頻變壓器頻率為5 kHz，原邊電壓為30 kV，副邊電壓為1 200 V；第3階段的逆變單元將1 200 V低壓直流電轉(zhuǎn)換為690 V的工頻交流電。

針對上述系統(tǒng)，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，選用的單個風機參數(shù)為：額定功率Pn=1 MW，功率因數(shù) cos φ=0.9，定子端額定電壓 Vn=690 V，電網(wǎng)的額定線電壓為Vs=11 kV，且在1 s時階躍到2.2 kV，1.625 s時又階躍回 11 kV。 整個 SST 容量為2.4 MW，高壓直流鏈電壓的門限值設(shè)定為1.1 p.u.，上限值設(shè)為 1.2 p.u.，低壓直流鏈電壓的上限值也設(shè)為 1.2 p.u.。 對電網(wǎng)電壓 625 ms 的 80%三相對稱跌落進行仿真驗證，仿真波形如圖7所示。

圖7（a）為電網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路故障時采用傳統(tǒng)變壓器的DFIG仿真結(jié)果。DFIG機組轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)過電流，系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩大幅震蕩，直流母線電壓快速泵生。隨著暫態(tài)直流磁鏈的衰減，轉(zhuǎn)子過電流及電磁震蕩均相應(yīng)衰減。

圖7（b）為電網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路故障時采用SST的DFIG仿真結(jié)果。故障發(fā)生和切除時，在SST的隔離作用下，定子電壓的變化較為緩慢。整個故障過程中，發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子電流均過渡平穩(wěn)，故障電流峰值僅在額定值附近，有效地抑制了轉(zhuǎn)子側(cè)過電流的出現(xiàn)。直流母線電容電壓波動不大，處于安全范圍內(nèi)。發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩在所提故障控制策略下波動較小，因此對風機的機械沖擊較小。電磁轉(zhuǎn)矩的減小使其與原有風機軸上的機械轉(zhuǎn)矩形成了不平衡，造成了風機轉(zhuǎn)速的短暫上升，完成了將多余的能量轉(zhuǎn)換為風機葉輪機械能的過程。由于風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣性，在短暫的情況下，風機角速度上升幅度相對比較小，而且風機是變速恒頻控制方式，轉(zhuǎn)速的上升不會帶來風機穩(wěn)定控制方面的問題。故障排除后，靠WFVSC的控制，機組迅速恢復正常運行，為故障后電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供支持。

圖7 電網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路故障時采用傳統(tǒng)變壓器和采用SST的DFIG機組仿真結(jié)果對比

圖7（c）為對應(yīng)的SST仿真結(jié)果，電網(wǎng)電壓跌落后，GSVSC輸送到電網(wǎng)的有功明顯下降。在恒流控制作用下，GSVSC的電流過沖沒有超出30%，在短暫的過渡后平穩(wěn)在大約高于額定電流20%處。電流的增大一是為了提供無功補償，其q軸分量變大；二是為了盡量輸出更多的有功，其d軸分量也變大。故障消除后都恢復到正常運行值。在超弛控制的作用下，WFVSC輸出的交流電壓緩慢下降，傳輸?shù)挠泄σ哺陆?，這樣的下降配合了GSVSC的有功傳輸，使兩直流鏈母線電壓過多的上升被抑制，增幅都不足17%，有效地保護了電容。低壓側(cè)電容電壓的上升吸收了一部分有功，緩解了高壓側(cè)電容的壓力，且由于移相角差的調(diào)節(jié)作用，低壓側(cè)電容電壓的波動比高壓側(cè)的小。

4 結(jié)語

通過對比可知，采用SST以及本文的控制方案，避免了DFIG風力發(fā)電機電壓、電流及電磁轉(zhuǎn)矩的沖擊，使整個DFIG系統(tǒng)具有良好的低電壓穿越運行性能。故障發(fā)生后，風場側(cè)電網(wǎng)電壓下降斜率的大小與流通過DAB兩側(cè)的有功及直流鏈等效電容容值有關(guān)，下降值的大小與電網(wǎng)電壓跌落因子有關(guān)。仿真結(jié)果表明，改進的SST控制策略減小了crowbar在某些情況下投入的機率，提高了雙饋風力發(fā)電機低電壓穿越的能力。

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