雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越的節(jié)能控制策略

李杰，趙鵬

（ 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程系， 河南 開封 475004）

近年來，跟著風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)里所占比例的不斷增多及雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用， 電網(wǎng)對雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的并網(wǎng)要求越來越高，需要其具備故障穿越的能力[1-5]。 因此，對雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越節(jié)能控制策略的研究具有重要意義，已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題[6-10]。

研究雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)高電壓穿越的節(jié)能控制問題，因?yàn)橥獠匡L(fēng)力環(huán)境變化較大，需保持變換器的穩(wěn)定性節(jié)能控制。 傳統(tǒng)節(jié)能控制方法不僅動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能差，而且節(jié)能控制策略相對復(fù)雜[11-15]。

本文提出一種采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越的節(jié)能控制策略，對串聯(lián)網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器的限制向電機(jī)定子側(cè)及電網(wǎng)間增加正確的限制電壓，按照電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)，給出d-q軸系下SGSC的電壓控制方程， 保持DFIG定子端電壓不變，過濾DFIG定子磁鏈中的暫態(tài)直流分量。 當(dāng)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)電壓及電流均不超限時(shí)，對轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的輸出電壓矢量進(jìn)行節(jié)能控制，使雙饋風(fēng)電系統(tǒng)為電網(wǎng)提供最大程度的無功支持，迅速復(fù)原電網(wǎng)電壓。 仿真測驗(yàn)效果證明，所提戰(zhàn)略具備較高的節(jié)能限制功能。

1 電網(wǎng)電壓驟升時(shí)雙饋風(fēng)系統(tǒng)(DFIG)機(jī)側(cè)暫態(tài)過程分析

為了分析雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的高電壓穿越（high voltage ride-through，HVRT）特質(zhì)，首先需對理想電網(wǎng)電壓條件下DFIG的運(yùn)行模型進(jìn)行分析。將DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成定子側(cè)， 同時(shí)依據(jù)電動(dòng)機(jī)慣例，DFIG T型等效電路見圖1。

圖1 DFIG T型等效電路Fig. 1 DFIG T equivalent circuit

在理想電網(wǎng)下建立DFIG的暫態(tài)方程，其定子壓方程和定子磁鏈方程可描述如下：

式中：Usm、θ分別描述定子電壓幅值和相位。

通過圖1可獲取定、轉(zhuǎn)子電壓和磁鏈方程：

式中：us、ur分別用于描述定子、轉(zhuǎn)子電壓矢量；Rs、Rr分別用于描述定子、轉(zhuǎn)子電阻；is、ir用于描述定子、轉(zhuǎn)子電流矢量；ψs、ψr用于描述定子、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?；ωr用于描述轉(zhuǎn)子角速度；Ls、Lr分別用于描述定子、轉(zhuǎn)子電感；Lm用于描述定子轉(zhuǎn)子的互感。

通過式（ 2）、式（ 3）獲取轉(zhuǎn)子電壓方程：

式中：σ=1-L2m/（ LsLr）。

將式（ 1）代入式（ 4）中，獲取靜止坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子電壓矢量：

式中：s=（ ω1-ωr）/ω1，用于描述DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率。

分析式（ 5）可以看出，在正確電網(wǎng)電壓及穩(wěn)定環(huán)境下，假如不解析定、轉(zhuǎn)子電流的功能，那么轉(zhuǎn)子電壓幅值及DFIG運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差率成正比。 為了便于分析，假設(shè)DFIG轉(zhuǎn)子為開路，則通過式（ 2）、式（ 3）可獲?。?/p>

假設(shè)電網(wǎng)電壓在g=t0時(shí)刻出現(xiàn)高電壓穿越故障，故障后電網(wǎng)電壓幅值用Usm2進(jìn)行描述，則通過式（ 1）可獲?。?/p>

式中：τ=Ls/Rs用于描述定子時(shí)間常數(shù)。

不分析定子電流，當(dāng)t≥t0時(shí)，將式（ 7）代入式（ 4）中，獲取靜止坐標(biāo)系下電網(wǎng)電壓穿越故障時(shí)DFIG轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電壓：

利用坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，則有：

分析上式可知，當(dāng)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)出現(xiàn)高電壓穿越故障時(shí)，在轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電動(dòng)勢主要包括以轉(zhuǎn)差角頻率sω1旋轉(zhuǎn)的交流分量和以轉(zhuǎn)子速角頻率ωr旋轉(zhuǎn)的交流分量。

因?yàn)橥獠匡L(fēng)力環(huán)境變化較大，需保持變換器的穩(wěn)定性節(jié)能控制，上述分析的節(jié)能控制方法不僅動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能差， 而且節(jié)能控制策略相對復(fù)雜，為了提高節(jié)能控制效果，提出一種采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越的節(jié)能控制策略。

2 采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器（ SGSC）的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越的節(jié)能控制策略

雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越時(shí)，對SGSC的輸送電壓矢量實(shí)行節(jié)能限制， 維持DFIG定子端電壓不變，過濾DFIG定子磁鏈里的暫態(tài)直流分量，達(dá)到預(yù)防電磁轉(zhuǎn)矩及輸送功率波動(dòng)的目標(biāo)。 另一方面，當(dāng)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)電壓及電流均不超限時(shí)，對轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器（ rotor sideconverter，RSC） 及 并 聯(lián) 網(wǎng) 側(cè) 轉(zhuǎn) 換 器（ parallel grid side converter，PGSC）的輸送電壓矢量進(jìn)行節(jié)能控制，使雙饋風(fēng)電系統(tǒng)為電網(wǎng)提供最大程度的無功支持，快速恢復(fù)電網(wǎng)電壓。

2.1 SGSC的節(jié)能控制

當(dāng)電網(wǎng)電壓驟升時(shí)，SGSC把預(yù)防DFIG 定子端電壓產(chǎn)生變化當(dāng)作限制對象，維持電機(jī)定子電壓矢量為高電壓穿越故障前的電壓矢量。 所以，需利用對串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的控制向電機(jī)定子側(cè)及電網(wǎng)之間增加正確的限制電壓，讓發(fā)電機(jī)定子電壓處在高電壓穿越障礙的形態(tài)，也就是

式中：us用于描述非故障期間發(fā)電機(jī)定子端電壓矢量；u′s用于描述障礙期間發(fā)電機(jī)定子端電壓矢量。

雙饋風(fēng)電系統(tǒng)平常工作時(shí)，DFIG 定子端電壓us是限定電壓，在根據(jù)電網(wǎng)電壓定向的正向一起旋轉(zhuǎn)d-q軸系下，對SGSC實(shí)行限制，讓高電壓穿越障礙進(jìn)程里定子電壓矢量維持障礙前的形態(tài)不變。 障礙進(jìn)程里定子電壓矢量可表示為

式中：usd、usq分別用來表示正常運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)程里定子端電壓矢量的d、q軸分量；、分別用來表示障礙期間電子端電壓矢量的d、q軸分量；Vsm用來表示正常作事時(shí)定子電壓矢量幅值。

根據(jù)電網(wǎng)電壓定向的一起扭轉(zhuǎn)，d-q 軸系下SGSC的電壓限制方程可描述成：

式中：uscd、uscq分別用來表示以電網(wǎng)電壓定向的正向同步扭轉(zhuǎn)d-q軸系下SGSC限制電壓的d、q軸分量；Kp1、τi1分別用于描述PI控制器的比例系數(shù)與積分時(shí)間常數(shù)。

2.2 RCS的節(jié)能控制

在對故障電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，GSC已輸出部分無功電流，則DFIG定子側(cè)輸出的無功電流Isq需符合：

式中：IN用于描述DFIG額定電流。

依據(jù)DFIG定子側(cè)輸出無功功率方程可獲取當(dāng)前RCS無功電流：

式中：Ls、Lm分別用于描述DFIG定子電感與定轉(zhuǎn)子間互感。

需注意，電網(wǎng)電壓驟升時(shí)，在達(dá)到式（ 13）所需的條件下， 若RSC容量依舊存在盈余則還需進(jìn)行有功功率節(jié)能控制，避免機(jī)組轉(zhuǎn)速升高及雙饋風(fēng)電系統(tǒng)頻率的震蕩。 當(dāng)前定子側(cè)輸出有功功率可通過下述過程進(jìn)行調(diào)整。

為了使直流環(huán)節(jié)輸入輸出功率達(dá)到平衡，有：

考慮到工程設(shè)計(jì)中RSC容量通常會(huì)高于GSC，因此電壓驟升時(shí)，RSC輸出的有功功率Pr主要取決于當(dāng)前GSC 所能輸入的最大有功功率Pgmax。正轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下DFIG定子有功功率Ps可通過下式求出：

假設(shè)Us=Ug，則結(jié)合式（ 15）、式（ 16）可獲取電壓驟升期間RSC 允許通過的有功電流值：

為了保持不超過RSC的電流耐量Prmax，DFIG轉(zhuǎn)子有功電流必須符合下述條件：

綜合式（ 16）、式（ 17）即可獲取HVRT期間RSC輸出有功電流指令最大值：

式中：min{}用于描述取小值運(yùn)算。

2.3 PGSC的節(jié)能控制

電網(wǎng)電壓驟升時(shí)，網(wǎng)側(cè)變換器依舊以穩(wěn)定直流母線電壓Udc作為節(jié)能控制目標(biāo)， 因?yàn)榘l(fā)生障礙時(shí)PGSC所連電網(wǎng)電壓的幅值增大， 為了達(dá)到PGSC的修改條件，PGSC需根據(jù)電網(wǎng)電壓驟升的幅度汲取局部無功功率。在PGSC運(yùn)用電網(wǎng)電壓定向矢量節(jié)能限制形式同時(shí)不解析進(jìn)線電阻Rg的情況下， 其穩(wěn)態(tài)電壓方程可描述成：

式中：Ug用于描述電網(wǎng)電壓合成矢量的幅值；Lg用于表示PGSC的進(jìn)線電感；Vgd和Vgd分別用來表示PGSC交流側(cè)輸送電壓的d軸和q軸分量；Igd和Igq分別用來表示PGSC電流的d軸和q軸分量。

根據(jù)矢量調(diào)節(jié)理論， 當(dāng)沒有產(chǎn)生過調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)制比需符合下述條件：

結(jié)合式（ 20）、式（ 21）可獲?。?/p>

在達(dá)到調(diào)節(jié)比條件一起可維持直流母線電壓不變的要求下，PGSC所需的無功電流最小值Igqmin可描述成：

因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓驟升時(shí)，PGSC無功輸送重點(diǎn)和電網(wǎng)電壓的驟升幅度相關(guān)，則HVRT 期間PGSC需從電網(wǎng)汲取的最小無功功率Qgmin可描述成：

雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越期間，PGSC的無功功率給定值可通過式（ 24）求出，保持故障期間直流母線電壓值不變，為整個(gè)過程所有變流器的節(jié)能控制提供穩(wěn)定的直流母線電壓支持。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文提出的采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越的節(jié)能控制策略的有效性， 需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。 實(shí)驗(yàn)在Matlab/Simulink中將表1描述的2 MW 雙饋風(fēng)電機(jī)系統(tǒng)參數(shù)為例進(jìn)行仿真，同時(shí)將傳統(tǒng)采用并網(wǎng)逆變器的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越的節(jié)能控制策略作為對比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2 描述的是采用傳統(tǒng)策略和本文策略系統(tǒng)側(cè)變換器輸出電壓調(diào)制波比較結(jié)果， 圖3描述的是采用2種不同策略時(shí)，系統(tǒng)側(cè)變換器電流dq軸分量和直流母線電壓比較結(jié)果， 從而得出2種策略的系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果，上述2個(gè)實(shí)驗(yàn)均在電網(wǎng)電壓驟升至1.08 pu，Requ=60 Ω的情況下進(jìn)行。

圖2 側(cè)變換器輸出電壓調(diào)制波Fig. 2 Output voltage modulation wave at the side of converter

圖3 側(cè)變換器電流dq 軸分量和直流母線電壓Fig. 3 dq axis component and dc bus voltage at the side converter current

分析圖2、圖3可以看出，雖然傳統(tǒng)節(jié)能控制策略和本文節(jié)能控制策略下系統(tǒng)均可控，但采用本文節(jié)能控制策略能夠大大降低輸出電壓，從而增加控制裕度，并且本文策略所提供的無功電流也有助于降低電網(wǎng)電壓的驟升幅度。

4 結(jié)論

本文提出一種采用串聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)高電壓穿越的節(jié)能控制策略，對串聯(lián)網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器的限制向電機(jī)定子側(cè)及電網(wǎng)間增加正確的限制電壓，按照電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)，給出d-q軸系下SGSC的電壓控制方程， 保持DFIG定子端電壓不變，過濾DFIG定子磁鏈中的暫態(tài)直流分量。 當(dāng)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)電壓及電流均不超限時(shí)，對轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和并聯(lián)網(wǎng)側(cè)變換器的輸出電壓矢量進(jìn)行節(jié)能控制，使雙饋風(fēng)電系統(tǒng)為電網(wǎng)提供最大程度的無功支持，快速復(fù)原電網(wǎng)電壓。 仿真測驗(yàn)結(jié)果證明，所提策略具備較高的節(jié)能限制功能。

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