一種雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略

張 陽 黃科元 黃守道

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長沙 410082）

0 引言

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的迅速增加，并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行問題成為關(guān)注的焦點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越（Low Voltage Ride Though，LVRT）能力成為衡量風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[1-5]。目前，對電網(wǎng)電壓跌落故障下提高風(fēng)電機(jī)組LVRT 能力的研究，已成為國內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型。在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率外環(huán)控制中，功率給定是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，直接影響到最大風(fēng)能追蹤控制的效果。當(dāng)前雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的功率給定方法是:首先測試出雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，得出轉(zhuǎn)速與功率的最佳關(guān)系曲線圖，再根據(jù)該曲線圖得到電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的功率給定量，最終實(shí)現(xiàn)雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率閉環(huán)控制[2-8]。

這種確定雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出有功功率給定值的方法，控制比較粗略。其原因是只有單一的功率閉環(huán)，而沒有轉(zhuǎn)速閉環(huán)，當(dāng)轉(zhuǎn)速波動較大時(shí)，系統(tǒng)速度和功率實(shí)時(shí)匹配的動態(tài)性能欠佳，并且抗沖擊能力較差，系統(tǒng)穩(wěn)定性較低[9,10]。

本文詳細(xì)分析了DFIG 機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器控制方法，在原有的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率給定方法的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速閉環(huán)，提出了一種改進(jìn)變換器控制策略和硬件保護(hù)相結(jié)合的低電壓穿越控制方法，保護(hù)轉(zhuǎn)子變換器，實(shí)現(xiàn)快速向電網(wǎng)提供無功支持、幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)。該控制策略改善了轉(zhuǎn)速與功率實(shí)時(shí)匹配的動態(tài)性能，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。DFIG 系統(tǒng)的總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of the whole system

1 改進(jìn)變換器控制策略

1.1 機(jī)側(cè)變流器控制策略

傳統(tǒng)的功率給定方法為，首先測試出雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，做出轉(zhuǎn)速與功率的最佳關(guān)系曲線模塊，再將實(shí)測的電機(jī)機(jī)械角速度ωm作為輸入量送入該模塊中，經(jīng)該模塊查表后得到與ωm相對應(yīng)的雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出有功功率Pg*，作為該模塊的輸出，即實(shí)現(xiàn)了雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率給定。

圖2 改進(jìn)的功率給定方法控制框圖Fig.2 Diagram of the improved given power control method

機(jī)側(cè)變流器采用定子磁鏈定向的矢量控制方案，控制結(jié)構(gòu)采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。由實(shí)測有功功率查表（最佳功率曲線表）得到最佳轉(zhuǎn)速的參考值，轉(zhuǎn)速參考值與反饋值構(gòu)成轉(zhuǎn)速外環(huán)，其輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定值。無功功率的實(shí)測值與反饋值構(gòu)成功率環(huán)，其輸出作為定子d 軸電流的給定值。內(nèi)環(huán)為電流閉環(huán)，其作用是跟蹤轉(zhuǎn)速外環(huán)給出的電流有功分量的給定值以及電流無功分量（q 軸分量）的給定值。

電機(jī)的定子電壓空間矢量方程為

穩(wěn)態(tài)時(shí)pψs=0，由此可得

將式（3）代入式（2）得到

式中，isd、isq為未知量。

將式（4）改寫成矩陣形式為

可求得

式中，usd、usq分別為定子電壓的d、q 軸分量；isd、isq分別為定子電流的d、q 軸分量；ird、irq分別為轉(zhuǎn)子電流的d、q 軸分量；Rs、Ls、Lm分別為電機(jī)定子電阻、定子電感、互感；ψsd、ψsq分別為定子磁鏈的d、q 軸分量；ω1為電網(wǎng)角頻率。

所以轉(zhuǎn)子電壓前饋項(xiàng) urd'、urq' 為

式中，Rr、Lr分別為電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻、電感；ω 為轉(zhuǎn)子電角頻率。

由于有功、無功兩個(gè)功率外環(huán)是對稱的，故兩個(gè)外環(huán)參數(shù)完全相同。同樣d、q 兩個(gè)電流內(nèi)環(huán)是對稱的，故兩內(nèi)環(huán)的PI 參數(shù)也完全相同，其設(shè)置見表1。

表1 機(jī)側(cè)變流器的PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)Tab.1 The machine side converter PI regulator parameters

1.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

網(wǎng)側(cè)控制器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方案，控制結(jié)構(gòu)采用雙閉環(huán)控制方式:外環(huán)為直流電壓閉環(huán)，其輸出作為電流有功分量（d 軸分量）的給定值。內(nèi)環(huán)為電流閉環(huán)，其作用是跟蹤電壓外環(huán)給出的電流有功分量的給定值以及用戶設(shè)定的電流無功分量（q 軸分量）的給定值。網(wǎng)側(cè)控制器框圖如圖3 所示。

由于d、q 兩個(gè)電流內(nèi)環(huán)是對稱的，故兩內(nèi)環(huán)的PI 參數(shù)完全相同，其設(shè)置見表2。

圖3 網(wǎng)側(cè)控制器框圖Fig.3 Diagram of grid side controller

表2 網(wǎng)側(cè)變流器的PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)Tab.2 The grid side converter PI regulator parameters

2 Crowbar 保護(hù)電路

在低電壓穿越時(shí)，轉(zhuǎn)子電流會增大至數(shù)倍[11,12]，為了使流過轉(zhuǎn)子側(cè)的電流和直流母線電壓在安全的范圍之內(nèi)，采取了轉(zhuǎn)子Crowbar 保護(hù)電路和直流側(cè)Crowbar 保護(hù)電路。這種保護(hù)電路控制簡單，響應(yīng)速度快，可靠性高，成本較低。

2.1 轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar 保護(hù)電路

如圖4 所示，由三相二極管整流橋、IGBT 和泄放電阻構(gòu)成的保護(hù)電路，其中三相整流橋與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，當(dāng)轉(zhuǎn)子三相電流超過1.5(pu)時(shí)，通過功率開關(guān)器件 IGBT 將泄放電阻連接到轉(zhuǎn)子回路中，用泄放電阻來消耗掉轉(zhuǎn)子的過電流，保護(hù)了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器免遭過電流的損害。

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar 保護(hù)電路Fig.4 Diagram of machine side crowbar

泄放電阻的取值是關(guān)鍵，阻值應(yīng)足夠大以便迅速有效地削弱轉(zhuǎn)子側(cè)過電流，也要盡量小，避免直流側(cè)過電壓。當(dāng)電網(wǎng)故障清除后，保護(hù)電路可以通過IGBT 的門極信號切除，機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行。

泄放電阻的阻值選取

根據(jù)上面公式計(jì)算出Crowbar 保護(hù)電路中的泄放電阻的取值范圍，然后通過Simulink 仿真實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)的泄放阻的阻值。

2.2 直流側(cè)Crowbar 保護(hù)電路

如圖5 所示，由IGBT 和泄放電阻構(gòu)成的保護(hù)電路，通過泄放電阻來釋放直流母線電容上的過電壓能量，將直流電壓限制在兩側(cè)變流器功率開關(guān)器件允許的范圍之內(nèi)。

圖5 直流側(cè)Crowbar 保護(hù)電路Fig.5 Diagram of DC side crowbar

當(dāng)Udc超過設(shè)定的閥值，完全投入卸荷電路，為避免保護(hù)頻繁動作，可采用帶滯環(huán)的直流側(cè)Crowbar 保護(hù)，動作閾值可以設(shè)定為下限為1 400V，上限為1 450V。即當(dāng)直流母線電壓超過1 450V 時(shí)，直流Crowbar 投入，低于1 400V 時(shí)自動切除。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文所采用的雙饋電機(jī)參數(shù)見表3。圖6～圖8分別為電壓跌落器（VSG）取值為0.2、0.5、0.75時(shí)（即電壓跌落至 0.2(pu)、0.5(pu)、0.75(pu)）主要參數(shù)波形。其中:①曲線為機(jī)側(cè)正序電壓波形的標(biāo)幺值；②曲線為機(jī)側(cè)有功功率波形；③曲線為機(jī)側(cè)無功功率波形；④曲線為無功電流波形，電壓跌落期間，系統(tǒng)全發(fā)無功功率，有功功率置零。電壓恢復(fù)正常后，有功功率、無功功率、無功電流均能很快恢復(fù)到跌落前的狀態(tài)。并網(wǎng)電壓和動態(tài)無功電流見表4。

表3 電機(jī)參數(shù)Tab.3 Motor parameters

圖7 DFIG—電壓跌落至50%時(shí)主要參數(shù)波形Fig.7 DFIG—the waveforms of main parameters when voltage dip to 50 percents

圖8 DFIG—電壓跌落至75%時(shí)主要參數(shù)波形Fig.8 DFIG—the waveforms of main parameters when voltage dip to 75 percents

表4 并網(wǎng)點(diǎn)電壓與動態(tài)無功電流的關(guān)系Tab.4 The relationship of grid side voltage and dynamic reactive current

以三相電壓跌落50%深度的工況為例，得到圖9 所示的仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)對比。電壓U、有功功率P、無功功率Q、無功電流Iq仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的差值在跌落前、跌落期間、跌落后均基本上保持在±1%。

圖9 仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)圖形對比Fig.9 The comparison of simulation and measured data

4 結(jié)論

本文主要分析了電網(wǎng)故障時(shí)機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略，在原有的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率給定方法的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速閉環(huán)，提出了一種改進(jìn)變換器控制策略與Crowbar 硬件電路相結(jié)合的控制方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該控制策略改善了轉(zhuǎn)速與功率實(shí)時(shí)匹配的動態(tài)性能，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。不僅能使電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)電系統(tǒng)不脫網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了快速向電網(wǎng)供電，幫助電網(wǎng)恢復(fù)的功能。

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