新穎的雙饋式風力發(fā)電機低電壓穿越控制策略

高仕紅

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

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新穎的雙饋式風力發(fā)電機低電壓穿越控制策略

高仕紅

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

摘要：針對現(xiàn)有文獻中雙饋風力發(fā)電機組低電壓穿越控制策略存在的缺陷，提出一種新穎的低電壓穿越控制策略.在電網(wǎng)故障期間，利用雙滯環(huán)電流控制器快速的瞬態(tài)響應速度和對系統(tǒng)參數(shù)變化的不敏感性來抑制轉(zhuǎn)子電路的過電流；在dc-link上采用crowbar技術(shù)，吸收轉(zhuǎn)子側(cè)多余能量，防止直流母線電壓過高.在Mtalab/Simu1ink平臺中構(gòu)建了所提出的低電壓穿越控制策略的動態(tài)仿真模型，研究了三種典型電網(wǎng)故障下的低電壓穿越性能，驗證了所提出的低電壓穿越策略的可行性.仿真結(jié)果表明所提出的低電壓穿越策略抑制了轉(zhuǎn)子繞組的過電流和dc-link的電容過電壓，改善了雙饋式風力發(fā)電機的低電壓穿越性能.

關(guān)鍵詞：雙饋感應發(fā)電機;低電壓穿越;雙滯環(huán)電流控制器;crowbar

隨著風電產(chǎn)業(yè)的快速增長，大量風電并入電網(wǎng)，對傳統(tǒng)電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定運行帶來諸多問題，其中最主要的問題是風電機組的低電壓穿越(low voltage ride-through，LVRT)問題.就目前風電機組的應用情況來說，MW級功率的風力發(fā)電機組主要是雙饋感應風力發(fā)電機組，其被廣泛應用于各大型風電場中.原因在于雙饋式感應發(fā)電機(double-fed induction generator，DFIG)較其它風電機組具有突出的優(yōu)點，如調(diào)速范圍寬、有功和無功功率獨立可調(diào)以及變換器所需容量較小等.但雙饋感應風力發(fā)電機的定子繞組直接與電網(wǎng)相聯(lián)，并且通過其轉(zhuǎn)子側(cè)小容量的變換器來控制有功和無功功率的調(diào)節(jié).因此，雙饋風力發(fā)電機組的這種結(jié)構(gòu)導致其對電網(wǎng)故障引起的機端電壓跌落非常地敏感[1].由電網(wǎng)故障引起的DFIG機端電壓跌落將導致其轉(zhuǎn)子繞組的過電流，以及dc-link直流橋上電容的過電壓[2-3].如不采取適當?shù)南拗拼胧﹣硪种妻D(zhuǎn)子繞組的過電流和電容的過電壓，其中轉(zhuǎn)子繞組的過電流產(chǎn)生的熱效應將損壞轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(rotor-side converter，RSC)以及dc-link的過電壓將導致直流母線上電容的絕緣擊穿.對此問題許多專家學者進行了大量的理論和仿真實驗研究，即如何改善雙饋風力發(fā)電機組的低電壓穿越性能.主要研究工作大致歸納為如下：①在DFIG轉(zhuǎn)子繞組端或dc-link橋上采取適當?shù)挠布胧?，如添加crowbar撬棒電路[4-5].此方法對電網(wǎng)的對稱故障較為有效，但對嚴重的電網(wǎng)不對稱故障，滿足不了電網(wǎng)的低電壓穿越需求；②在DFIG定子側(cè)或轉(zhuǎn)子側(cè)增添額外的硬件[6-7]，如添加變換器或動態(tài)電阻器.此方法雖對適用于電網(wǎng)的各種故障類型，但其以增加DFIG系統(tǒng)的硬件成本為代價，并且增加了系統(tǒng)控制的復雜性；③改進的控制策略[8-9]，如定子磁鏈去磁法.此方法受到了國內(nèi)外學者的推崇，在電網(wǎng)故障期間，系統(tǒng)的瞬態(tài)控制性能變差，滿足不了電網(wǎng)公司規(guī)定的低電壓穿越需求.

針對上述雙饋風力發(fā)電機組低電壓穿越控制策略存在的缺陷，在此提出一種新穎的雙饋感應風力發(fā)電機組低電壓穿越控制策略.其控制策略思想是：為解決傳統(tǒng)PI電流調(diào)節(jié)器瞬態(tài)響應速度慢和控制帶寬窄的問題，軟件上采用瞬態(tài)性能優(yōu)良的雙滯環(huán)電流控制器(Double hysteresis current controller，DHCC)來取代PI電流調(diào)節(jié)器，利用其非?？斓乃矐B(tài)響應速度和對系統(tǒng)參數(shù)變化的不敏感性來抑制電網(wǎng)故障期間DFIG轉(zhuǎn)子繞組的過電流.為解決dc-link直流母線上的過電壓，硬件上采用直流母線crowbar技術(shù)吸收轉(zhuǎn)子側(cè)多余能量，抑制直流母線上電容的過電壓，防止電容絕緣擊穿.

1d-q坐標系下DFIG的數(shù)學模型

雙饋風力發(fā)電機的各類數(shù)學模型已在大量的文獻中被詳細介紹,在此僅簡要介紹用于本文研究的數(shù)學模型.若DFIG各物理量的參考正向采用電動機慣例，在d-q參考坐標系下DFIG定、轉(zhuǎn)子繞組電壓及磁鏈矢量的動態(tài)方程為[1,6]：

(1)

(2)

式中：v，i，ψ為DFIG定子和轉(zhuǎn)子的電壓、電流和磁鏈矢量；R,L為電阻和電感參數(shù)；上標d，q表示d-q參考坐標系下的參數(shù)；下標s，r，m表示DFIG定、轉(zhuǎn)子繞組及激磁參數(shù)；ω1為d-q坐標系的旋轉(zhuǎn)電角速度；ωr為DFIG轉(zhuǎn)子的電角速度.

(3)

若DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器RSC采用定子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)，在忽略DFIG定子繞組電阻Rs的前提下，由式(1)和式(2)可知，DFIG送入電網(wǎng)的有功和無功功率為：

(4)

2RSC的控制器設(shè)計

2.1PI控制器

(5)

若DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的電流內(nèi)環(huán)采用PI控制器，由(5)式可得PI控制器的控制規(guī)律：

(6)

式中kp,ki為PI控制器的比例和積分增益.下標ref表示DFIG轉(zhuǎn)子電流的設(shè)定值.

圖1　PI控制策略的原理Fig1　Principle of PI control strategy

圖2　RSC輸出的電壓矢量及參考電壓區(qū)間Fig.2　Output voltage vectors of RSC and interval of reference voltage

SaSbScvrvravrbvrc000v0000100v12/3-1/3-1/3110v21/31/3-2/3010v3-1/32/3-1/3011v4-2/31/31/3001v5-1/3-1/32/3101v61/3-2/31/3111v7000

雙饋感應風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的電流內(nèi)環(huán)控制通常采用定子磁鏈定向的矢量控制技術(shù)，在PI控制策略下其原理如圖1所示.

2.2雙滯環(huán)電流控制器的原理

滯環(huán)電流控制器雖然存在開關(guān)頻率不穩(wěn)定現(xiàn)象，但在工程上應用很廣泛.滯環(huán)電流控制器最初主要用于抑制電網(wǎng)諧波的有源電力濾波器中[10-12].其具有的主要優(yōu)越性能如下：瞬態(tài)響應速度快、硬件電路實施簡單以及對系統(tǒng)參數(shù)變化引起的性能惡化具有較強的魯棒性等.

為方便分析所提出的雙滯環(huán)電流控制器的工作原理，在此引入表示RSC開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)函數(shù)Sa,Sb,Sc.由分析可知，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器共有8種開關(guān)切換狀態(tài)[12-13].轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸出的各相電壓取決于其三相橋臂的總體狀態(tài)SaSbSc，其開關(guān)狀態(tài)及對應的輸出電壓如表1所示(以Vdc為基準).

為消除三相電壓空間矢量在abc坐標系下的相間影響，在此引入坐標變換，把abc坐標系下的轉(zhuǎn)子電壓變換到靜止正交的α-β坐標系下，取α軸與a相繞組軸線重合，由表1可得雙饋感應風力發(fā)電機組RSC輸出的電壓矢量：

(7)

考慮RSC所有開關(guān)的狀態(tài)組合，根據(jù)式(7)可得DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的8個離散空間電壓矢量：

(8)

根據(jù)式(8)可得DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的8個電壓矢量及參考電壓區(qū)間的分布，其如圖2所示.

若把d-q同步旋轉(zhuǎn)參考坐標系下的轉(zhuǎn)子電壓變換到轉(zhuǎn)子參考坐標系下，由式(3)可得在轉(zhuǎn)子參考坐標下雙饋感應風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的輸出電壓：

(9)

(10)

一般雙饋感應風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子繞組的電阻很小，為了分析簡單起見，通常忽略轉(zhuǎn)子繞組的電阻，式(10)可簡化為:

(11)

(12)

圖3　雙滯環(huán)電流控制器的實施Fig.3　Implementation of double hysteresis current controller

圖4　低電壓穿越控制策略的實施Fig.4　Implementation of Low voltage through control strategy

DaoDboDcoDaiDbiDci000001010011100101110111區(qū)間100v7v7v7v7v1v6v2v7Ⅰ110v0v0v3v0v1v0v2v0Ⅱ010v7v7v3v4v7v7v2v7Ⅲ011v0v5v3v4v0v0v0v0Ⅳ001v7v5v7v4v7v6v7v7Ⅴ101v0v5v0v0v1v6v0v0Ⅵ

表3　雙饋風力發(fā)電機參數(shù)

3所提出的低電壓穿越控制策略

3.1低電壓穿越控制策略實施

所提出的雙饋感應風力發(fā)電機組低電壓穿越控制策略是：當電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，其將會導致雙饋感應風力發(fā)電機組的機端電壓電壓跌落，此時利用雙滯環(huán)電流控制器非常快的瞬態(tài)響應速度和對外部擾動具有強的魯棒性來抑制雙饋感應風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)子繞組的過電流，以達到保護轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的目的.同時，電網(wǎng)短路故障造成的轉(zhuǎn)子側(cè)過剩能量將導致DC-link電容電壓的升高，當電容電壓超過其設(shè)計限值Vdc_lim時，激活DC-link側(cè)的crowbar，吸收轉(zhuǎn)子側(cè)多余能量，防止直流母線電壓過高，保護DC-link母線上電容器的安全.為了限制crowbar被頻繁激活，設(shè)其作用時間為20ms.因此，所提出的低電壓穿越控制策略實施框圖如圖4所示.

3.2低電壓穿越控制策略仿真實驗研究

為了驗證所提出的控制策略對雙饋風力發(fā)電機組低電壓穿越性能改善的有效性，在Matlab/Simulink仿真平臺中構(gòu)建了所提出的低電壓穿越控制策略的動態(tài)仿真模型，其中額定功率為2MW的商用雙饋風力發(fā)電機組被采用，其主要參數(shù)如表3所示.

設(shè)電網(wǎng)故障導致機端電壓跌落前雙饋感應風力發(fā)電機組以功率因數(shù)cosφ=0.9額定運行在超同步狀態(tài)，即DFIG轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差為-0.2.為評估所提出的控制策略在機端電壓深度跌落時對DFIG低電壓穿越性能的改善，在此僅對三種典型電網(wǎng)故障類型(即三相對稱短路；b、c相間故障；a相接地故障)進行了仿真實驗研究.設(shè)t=0.2s時電網(wǎng)故障發(fā)生，其導致DFIG機端電壓突然跌落，電網(wǎng)故障持續(xù)時間被設(shè)為100ms.DFIG的定子電壓vsabc、轉(zhuǎn)子故障電流irabc、dc-link直流電壓Vdc的波形分別如圖5(a)、(b)、(c)所示.

圖5　本文提出的控制策略下機端電壓跌落0.8 p.u.時的irabc，Udc，icrowbar和Singal：(a)對稱跌落；(b)相間故障(b、c相)；(c)一相跌落(a相)Fig.5　irabe,Ude,icrowber and Crowbar signal fof o.sp.u.terminal Voltagedip under the control strategy of this paper

在允許轉(zhuǎn)子側(cè)變換器RSC過調(diào)制運行條件下，dc-link的安全限制電壓一般設(shè)定為1.3p.u.(以dc-link額定電壓為基值)，DFIG轉(zhuǎn)子繞組允許的安全限制電流一般設(shè)定為2p.u.(以轉(zhuǎn)子繞組額定電流為基值)[7].由圖5(a)、(b)、(c)可知，對常見的三種電網(wǎng)故障，當機端電壓跌落0.8p.u.時，所提出的低電壓控制策略能使DFIG很好地滿足電網(wǎng)要求的低電壓穿越要求.在機端電壓跌落至電壓恢復期間，對稱跌落時轉(zhuǎn)子電流的沖擊幅值為1.92p.u.；b、c相間故障時轉(zhuǎn)子電流的沖擊幅值為1.6p.u.；a相接地故障時轉(zhuǎn)子電流的沖擊幅值為1.4p.u.,這三種情況下轉(zhuǎn)子電流的沖擊幅值均小于其安全限制值.同時，由圖5還可看出只在機端電壓對稱跌落時dc-linkcrowbar被激活，并且只在電壓跌落階段激活一次.

4結(jié)論

針對目前文獻中雙饋式風力發(fā)電機低電壓穿越控制策略的缺陷，為提高雙饋異步風力發(fā)電機的低電壓穿越能力，提出一種新穎的低電壓穿越控制策略.軟件上采用雙滯環(huán)電流控制技術(shù)來控制DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)的變換器，利用其非?？斓乃矐B(tài)響應速度和對系統(tǒng)參數(shù)變化的不敏感性來克服PI電流調(diào)節(jié)器瞬態(tài)響應速度慢和控制帶寬窄的缺陷，抑制了DFIG轉(zhuǎn)子繞組的過電流，達到保護轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的目的.硬件上采用dc-linkCrowbar技術(shù)吸收轉(zhuǎn)子側(cè)的過剩能量，防止直流母線電容電壓的升高，保證dc-link母線上電容的絕緣安全.為驗證所提出的低電壓穿越控制策略的有效性，對機端電壓跌落(由電網(wǎng)對稱和不對稱短路故障引起)的三種典型情況進行了一系列的仿真實驗研究.由圖5(a)、(b)和(c)可看出，所提出的低電壓穿越控制策略對DFIG轉(zhuǎn)子繞組中的過電流和Dc-link直流母線上的電容過電壓具有很好的抑制作用，保證它們在各自的設(shè)計安全限值之下.因此，所提出的低電壓穿越策略大大改善了DFIG的低電壓穿越性能.

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責任編輯：時凌

Novel Control Strategy for Low Voltage Ride-through of Doubly-fed Wind Power Generator

GAO Shihong

(School of Information Engineering,Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China)

Abstract：Aiming at the defects of LVRT control strategies of doubly-fed wind power generator in the current literatures，a novel LVRT control strategy is proposed.During the grid fault，the rotor overcurrent is suppressed by using the DHCC which has the fast transient response speed and the insensitivity to parameter variations.And the dc-link voltage is restrained by means of the crowbar technology which absorbs the excess energy and protects the overvoltage of dc-link bus.The dynamic simulation model based on the proposed LVRT control strategy is structured in Mtalab/Simu1ink platform.The LVRT performances of doubly-fed wind power generator under three kinds of typical grid fault are investigated，and the feasibility of the proposed LVRT control strategy is verified.The simulation results show that the proposed LVRT control strategy suppresses the overcurrent of rotor windings and the capacitor overvoltage of dc-link.So，the proposed control strategy improves the LVRT performance of doubly-fed wind power generator.

Key words：doubly-fed induction generator (DFIG);low voltage ride-through (LVRT);double hysteresis current controller (DHCC);crowbar

收稿日期：2016-01-01.

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2011CDC016).

作者簡介：高仕紅(1971- )，男(苗族)，博士生，副教授，主要從事大功率電力電子在電力系統(tǒng)中的應用研究.

文章編號：1008-8423(2016)01-0045-05

DOI:10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.03.012

中圖分類號：TM614

文獻標志碼：A