基于電網電壓驟升故障下雙饋風力發(fā)電機變阻尼的控制策略

摘 要：隨著經濟與科技的快速發(fā)展，我國風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展速度不斷提升，而關于風力發(fā)電的相關研究也在這一實踐的支持下得以更加深入，電網電壓驟升帶來的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)運行威脅問題正是由此受到了業(yè)界的廣泛重視，為此本文基于電網電壓驟升故障下雙饋風力發(fā)電機變阻尼的控制策略展開了具體研究，希望這一研究能夠為我國風力發(fā)電事業(yè)的更好發(fā)展帶來一定啟發(fā)。

關鍵詞：電網電壓驟升故障；雙饋感應發(fā)電機；變阻尼控制；低電壓穿越（LVRT）技術

前言：在我國當下的風電發(fā)電領域研究中，電網電壓跌落帶來的風電機組影響向來是這一領域研究的熱門，關于電網電壓驟升帶來的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)運行威脅問題收到的關注較之也相差甚遠，但事實上這一故障問題的出現(xiàn)往往會導致風電機組的脫網，而為了避免這一故障所引發(fā)的嚴重后果出現(xiàn)，本文就風機變流器轉子側有源阻尼的控制策略進行了深入研究，并提出了變阻尼的改進控制方案，希望能夠由此實現(xiàn)電網電壓驟升故障所引發(fā)的轉子過電流抑制，這對于雙饋風力發(fā)電機的HVRT性能提升也將帶來較為積極的影響。

1.電網電壓驟升時雙饋感應發(fā)電機（DFIG）暫態(tài)過程分析

為了能夠較為深入完成本文基于電網電壓驟升故障下雙饋風力發(fā)電機變阻尼控制策略展開的研究中，我們首先需要進行電網電壓驟升時雙饋感應發(fā)電機暫態(tài)過程分析，這一分析需要通過雙饋感應發(fā)電機暫態(tài)建模實現(xiàn)。

在雙饋感應發(fā)電機暫態(tài)建模中，筆者將雙饋感應發(fā)電機轉子側參數(shù)歸算到定子側，而結合由此得出的圖1所示雙饋感應發(fā)電機等效電路我們不難發(fā)現(xiàn)，電動機慣例的采用使得我們能夠在電機磁路線性條件下得出轉子磁鏈即 ，這一轉子磁鏈中的R、L、Lm、 、V、i、s、

r分別代表電阻、電感、互感、磁鏈矢量、電壓矢量、電流矢量、定子、轉子[1]。

圖1雙饋感應發(fā)電機等效電路

而結合轉子磁鏈進行進一步分析，我們就能夠得出發(fā)電機暫態(tài)電感

、轉子電動勢 ，這一公式中的ω指的是電機旋轉角速度，最終我們就能夠得出穩(wěn)態(tài)轉子電動勢，即 [2]。

不過由于剛剛得到的這一穩(wěn)態(tài)轉子電動勢是在轉子開路的情況下轉子電壓表達式，如果將在變流器驅動轉子時，轉子電壓則會表現(xiàn)為

，而考慮到兆瓦級雙饋感應發(fā)電機轉子電阻和暫態(tài)電感較小，在本文就電網電壓驟升時雙饋感應發(fā)電機暫態(tài)過程分析環(huán)節(jié)的研究中，筆者忽略了轉子電流產生的電壓降，而由此我們就能夠最終得出電網電壓驟升過程中定子磁鏈方程，即

。結合這一定子磁鏈方程我們不難發(fā)現(xiàn)，電網電壓驟升時雙饋感應發(fā)電機暫態(tài)過程以同步角速度ω旋轉，而自然磁鏈這一瞬態(tài)分量則存在幅值衰減且不旋轉的特點[3]。

2.基于阻尼的高電壓穿越（HVRT）控制

在完成電網電壓驟升時雙饋感應發(fā)電機暫態(tài)過程分析后，我們就可以真正進行本文研究的核心，基于電網電壓驟升故障下雙饋風力發(fā)電機變阻尼控制策略的論述，這一論述主要是為了抑制高電壓穿越過程中雙饋感應發(fā)電機的震蕩與發(fā)電系統(tǒng)所受到的沖擊，而為了真正實現(xiàn)這一目標，筆者就雙饋感應發(fā)電機系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、無源阻尼控制、有源阻尼控制展開了，最終得出了變阻尼控制策略[4]。

2.1雙饋感應發(fā)電機系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

在雙饋感應發(fā)電機系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中，考慮到雙饋感應發(fā)電機定子磁鏈為狀態(tài)變量，筆者得出了雙饋感應發(fā)電機定子磁鏈的特征方程，即

，結合這一特征方程我們就能夠進行具體的自然振蕩頻率ωn、阻尼系數(shù) 的表述，即

考慮到兆瓦級雙饋感應發(fā)電機的定子電阻較小，由此我們可以斷定兆瓦級雙饋感應發(fā)電機具備欠阻尼特性，這一特性就使得兆瓦級雙饋感應發(fā)電機在電網電壓驟升時更容易出現(xiàn)震蕩問題，而想要較好降低電網電壓驟升時雙饋感應發(fā)電機所受到的影響，增加系統(tǒng)阻尼的控制方案就顯得很有必要[5]。

2.2無源阻尼控制

在增加系統(tǒng)阻尼的控制方案中，無源阻尼控制是這一方案實現(xiàn)的重要思路，這一組成部分對于電網電壓驟升時雙饋感應發(fā)電機因轉子感應出反電動勢而導致的轉子過電流問題出現(xiàn)有著較好的抑制效用。而在具體的無源阻尼控制引入中，在發(fā)電機轉子側串入動態(tài)電阻就是引入無源阻尼控制的最簡單方法，電網電壓驟升時雙饋感應發(fā)電機的轉子過電流問題能夠早這一簡單方法作用下得到較好解決，不過在筆者的深入分析中發(fā)現(xiàn)，由于這一無源阻尼控制的引入減小了轉子回路的時間常數(shù)，這就使得實際動態(tài)電阻的設計往往會面臨著較為復雜的難題，系統(tǒng)本身的損耗也會由此加大，由此可見引入無源阻尼控制并不是實現(xiàn)電網電壓驟升時雙饋感應發(fā)電機轉子過電流問題抑制的最好方法[6]。

2.3有源阻尼控制

由于引入無源阻尼控制的增加系統(tǒng)阻尼的控制方案方法存在較多方面的不足，我們就有必要進行有源阻尼空知這一增加系統(tǒng)阻尼控制方案的深入分析，而考慮到無源阻尼控制出現(xiàn)的實際動態(tài)電阻設計問題與系統(tǒng)損耗問題，筆者設計了如圖2所示基于虛擬電阻的雙饋感應發(fā)電機有源控制策略結構圖，圖中所示的Ra、SVPWM分別代表虛擬電阻與空間矢量脈寬調制。

圖2基于虛擬電阻的雙饋感應發(fā)電機有源控制策略結構圖

結合圖2我們能夠較為直觀了解引入有源阻尼控制實現(xiàn)雙饋感應發(fā)電機轉子過電流問題抑制的思路，而這一思路的進一步深入就能夠得到引入有源阻尼控制的雙饋感應發(fā)電機電流內環(huán)控制結構圖，圖3對這一結構圖進行了較為直觀的展示，而為了便于進行有源阻尼控制引入的思路分析，筆者通過公式 對這一思路進行了表達，而考慮到雙

饋感應發(fā)電機主電路功率器件開關頻率較高，筆者通過進一步分析得出了 這一雙饋感應發(fā)電機電流內環(huán)被控對象傳

遞函數(shù)，而通過調節(jié)虛擬電阻Ra的大小就能夠實現(xiàn)電網電壓擾動的動態(tài)響應改變，電網電壓驟升故障下雙饋風力發(fā)電機所出現(xiàn)的轉子過電流問題抑制的實現(xiàn)就將由此獲得有力支持[7]。

圖3引入有源阻尼控制的雙饋感應發(fā)電機電流內環(huán)控制結構圖

2.4變阻尼控制策略

結合上文內容我們能夠較為直觀了解基于電網電壓驟升故障下雙饋風力發(fā)電機變阻尼控制策略的思路，而考慮到無源阻尼控制的引入存在諸多不足，筆者確定了基于虛擬電阻的雙饋感應發(fā)電機有源控制策略，這一策略通過提升雙饋感應發(fā)電機轉子側阻尼較好實現(xiàn)了轉子電動勢增加，源自電網電壓驟升的轉子電流與電磁轉矩都能夠在虛擬電阻的增加中得到較好抑制，為此我們必須做好虛擬電阻的選擇，這樣才能夠保證轉子電壓盡可能處于正常狀態(tài)，暫態(tài)時間也才能夠在變阻尼控制策略應用中得到較好的控制。

3.仿真分析

為了驗證本文所研究的電網電壓驟升故障下雙饋風力發(fā)電機變阻尼控制策略的實用性，筆者選擇了2MW雙饋感應發(fā)電機參數(shù)為例開展了仿真研究，這一研究中筆者將定子額定電壓、定子額定電流、轉子開路電壓、轉子額定電流分別設置為690V、1.4kA、2kV、550A，而轉子繞組電阻、互感、定子自感、定子繞組電阻、極對數(shù)則設置成了0.0041Ω、0.0123H、0.0125H、0.0043Ω、2。結合這一系列數(shù)據(jù)，筆者開展了具體的仿真分析，而通過這一仿真分析筆者得出了虛擬電阻的增加會直接提升系統(tǒng)抑制雙饋風力發(fā)電機轉子電流振蕩的能力，且超同步運行會造成最大的轉子電流振蕩幅度。

結論：在本文就基于電網電壓驟升故障下雙饋風力發(fā)電機變阻尼的控制策略展開的研究中，筆者詳細論述了電網電壓驟升時雙饋感應發(fā)電機暫態(tài)過程分析、基于阻尼的高電壓穿越控制、仿真分析等內容，而結合這一系列內容我們就能夠較為直觀了解到將有源阻尼控制引入雙饋感應發(fā)電機轉子勵磁控制過程的重要性，而經過仿真驗證，我們能夠較為直觀認識到有源阻尼控制引入雙饋感應發(fā)電機轉子勵磁控制所能夠實現(xiàn)的電網電壓驟升故障應對，這對于雙饋感應發(fā)電系統(tǒng)的整體控制能力提升將帶來較為積極的影響，希望我國風電事業(yè)的更好發(fā)展也能夠從中得到一定啟發(fā)。

參考文獻：

[1]謝震，張興，楊淑英，宋海華，曲庭余，石權利.電網電壓不對稱驟升下雙饋風力發(fā)電機改進控制策略[J].中國電機工程學報，2013，15：109-118+9.

[2]石權利.電網電壓驟升下雙饋風力發(fā)電機網側變流器控制策略的研究[D].合肥工業(yè)大學，2013.

[3]張旭光.雙饋風力發(fā)電機高電壓穿越控制策略研究[D].合肥工業(yè)大學，2015.

[4]劉坤.電網不對稱驟升故障下雙饋風力發(fā)電機控制策略研究[D].合肥工業(yè)大學，2015.

[5]王蕓，龔文明，黃偉煌.電網電壓連鎖故障下雙饋式風力發(fā)電機魯棒增強控制策略[J].太陽能學報，2014，12：2387-2394.

[6]謝震，李厚濤，張興，張旭光，楊淑英.電網電壓驟升下雙饋風力發(fā)電機軸系振蕩抑制的改進控制策略[J].中國電機工程學報，2016，06：1714-1723.

[7]鄧友漢.雙饋風力發(fā)電機最大風能捕捉及低電壓運行技術研究[D].武漢大學，2014.

作者簡介：

程亮（1972年）男，河北邯鄲，漢，助理工程師，大專，從事風力發(fā)電場管理工作。