不同控制策略對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)暫態(tài)特性影響仿真研究

王燕萍，鄭　濤，王增平

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京　102206)

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不同控制策略對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)暫態(tài)特性影響仿真研究

王燕萍，鄭濤，王增平

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京102206)

0　引　言

基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用兩個(gè)背靠背、通過(guò)直流環(huán)節(jié)連接的兩電平電壓型PWM變換器進(jìn)行交流勵(lì)磁，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)[1]。這個(gè)雙PWM變換器通過(guò)采用不同的控制策略，各自實(shí)現(xiàn)自己的控制目標(biāo)[2-3]。其中網(wǎng)側(cè)變換器主要實(shí)現(xiàn)保持直流母線電壓穩(wěn)定，保證輸入電流正弦和控制輸入功率因數(shù)；機(jī)側(cè)變換器主要是在變速恒頻的前提下實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤，和通過(guò)獨(dú)立控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率解耦，從而靈活地調(diào)節(jié)無(wú)功。

由于雙饋風(fēng)機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)，其故障暫態(tài)特性相比于傳統(tǒng)同步機(jī)更為復(fù)雜，對(duì)含有高滲透率分布式雙饋風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)保護(hù)提出了挑戰(zhàn)[4]。目前，針對(duì)不同程度的故障，雙饋風(fēng)機(jī)采用的低電壓穿越策略不同：當(dāng)故障導(dǎo)致機(jī)端電壓輕微跌落時(shí)，風(fēng)機(jī)主要靠本身的控制策略實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行；當(dāng)故障導(dǎo)致機(jī)端電壓嚴(yán)重跌落時(shí)，一般采用在轉(zhuǎn)子回路里串接撬棒電路將轉(zhuǎn)子側(cè)短接，同時(shí)閉鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器以實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)的低電壓穿越運(yùn)行[5]。

但無(wú)論是網(wǎng)側(cè)變頻器還是機(jī)側(cè)變頻器可以采用的控制策略均有很多種，當(dāng)它們分別采用不同的控制策略時(shí)，故障期間呈現(xiàn)的暫態(tài)特性將會(huì)不同，對(duì)電網(wǎng)保護(hù)產(chǎn)生的影響也會(huì)存在差異。文獻(xiàn)[6]詳細(xì)推導(dǎo)了基于定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的控制策略并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的PI控制器，仿真驗(yàn)證了該控制策略的合理性及控制器設(shè)計(jì)的有效性。文獻(xiàn)[7]針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越能力的問(wèn)題，分析了目前已有的各種應(yīng)對(duì)策略，并提出了結(jié)合Crowbar和直流卸荷電路應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的控制策略。文獻(xiàn)[8-10]分別建立和分析了各類矢量控制策略在雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的特性，但缺乏對(duì)發(fā)生故障時(shí)的風(fēng)機(jī)暫態(tài)特性的分析。文獻(xiàn)[11]提出了一種以定子電壓綜合矢量恒定為控制約束的直接功率控制，建模仿真了該控制策略的有效性。文獻(xiàn)[12-15]提出了一些先進(jìn)的直接功率控制策略在變頻器上的應(yīng)用，但大多是對(duì)原有控制策略的改進(jìn)?？偨Y(jié)現(xiàn)有研究情況，雖然對(duì)變頻器的各種控制策略研究已經(jīng)很多，但都不全面，缺少對(duì)不同控制策略的控制效果的對(duì)比分析，特別是對(duì)不同控制策略下的故障暫態(tài)特性的對(duì)比研究。

基于以上分析，本文根據(jù)網(wǎng)側(cè)基于電網(wǎng)電壓定

向的矢量控制策略和直接功率控制策略，機(jī)側(cè)基于定子磁鏈定向的矢量控制策略和直接功率控制策略，在EMTDC/PSCAD中搭建了兩套應(yīng)用不同控制策略的雙饋風(fēng)機(jī)仿真模型,脈沖觸發(fā)方式均采用SVPWM，對(duì)電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱性短路故障時(shí)不同控制策略下的暫態(tài)特性進(jìn)行了仿真對(duì)比研究，考慮到電網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)電網(wǎng)電壓故障時(shí)變流器的無(wú)功功率控制的要求，仿真對(duì)比了基于不同控制策略的網(wǎng)側(cè)變頻器發(fā)無(wú)功時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐作用?？偨Y(jié)分析了不同控制策略對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)對(duì)稱性短路故障暫態(tài)特性的影響及產(chǎn)生差異的原因，為更加深入研究基于不同控制策略的雙饋風(fēng)機(jī)的故障暫態(tài)特性奠定了基礎(chǔ)。

1　變頻器控制策略研究

1.1網(wǎng)側(cè)變頻器控制策略

根據(jù)文獻(xiàn)[1，8]可得同步速旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變頻器矢量控制策略和直接功率控制策略原理圖如圖1所示。

圖1　網(wǎng)側(cè)變頻器控制策略原理圖

1.2機(jī)側(cè)變頻器控制策略

理想對(duì)稱電網(wǎng)電壓條件下DFIG風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，定、轉(zhuǎn)子側(cè)均采用電動(dòng)機(jī)慣例，可得機(jī)側(cè)基于定子磁鏈定向的矢量控制策略和直接功率控制策略原理圖如圖2所示。

圖2　機(jī)側(cè)變頻器控制策略原理圖

對(duì)比基于定子磁鏈定向的矢量控制策略和直接功率控制策略原理圖：矢量控制策略有兩個(gè)PI控制環(huán)，外環(huán)是功率環(huán)，內(nèi)環(huán)是轉(zhuǎn)子電流環(huán)，其可控對(duì)象是轉(zhuǎn)子電壓，被控對(duì)象是轉(zhuǎn)子電流。直接功率控制策略只有一個(gè)PI控制環(huán)，即功率環(huán)，其可控對(duì)象是轉(zhuǎn)子電壓，被控對(duì)象是定子功率。相比而言，直接功率控制省去了電流控制環(huán)，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，且受電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行工況影響小，魯棒性好。

2　不同控制策略雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性仿真

以仿真軟件EMTDC/PSCAD為平臺(tái)，結(jié)合上一節(jié)介紹的數(shù)學(xué)模型，變頻器脈沖觸發(fā)方式為電壓空間矢量調(diào)制(SVPWM)的情況下，搭建了兩套30kW雙饋發(fā)電機(jī)風(fēng)力系統(tǒng)仿真模型，一套網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)都采用矢量控制策略，一套網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)都采用直接功率控制策略，均于超同步方式運(yùn)行，轉(zhuǎn)差率s=-0.2，基本參數(shù)如表1。

表1　30kW雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)參數(shù)

2.1不同控制策略的雙饋風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性

圖3為采用矢量控制策略(VC)和直接功率控制策略(DPC)的兩套仿真模型穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)定、轉(zhuǎn)子電流仿真波形。

圖3　DFIG穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流

從圖3可以看出，矢量控制策略的定、轉(zhuǎn)子電流與直接功率控制的定、轉(zhuǎn)子電流基本一致，存在的微小差異主要是不同控制策略PI控制器參數(shù)設(shè)置誤差引起的。因此可以得出結(jié)論：如果忽略不同控制策略PI控制器參數(shù)設(shè)置誤差的影響，本文提出的兩套不同控制策略對(duì)風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性影響一致，且均能保證風(fēng)機(jī)正常的并網(wǎng)運(yùn)行。

2.2機(jī)端電壓輕微跌落時(shí)不同控制策略下雙饋風(fēng)機(jī)的暫態(tài)特性

圖4～5為采用矢量控制策略和直接功率控制策略的兩套仿真模型在發(fā)生輕微對(duì)稱性短路故障導(dǎo)致機(jī)端電壓不同程度跌落時(shí)的短路電流仿真波形。故障在1 s時(shí)發(fā)生，撬棒電路不投入，風(fēng)機(jī)依靠自身的控制策略實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，故障持續(xù)時(shí)間0.3 s。

圖4　DFIG機(jī)端電壓跌落至80%時(shí)的短路電流

圖5　DFIG機(jī)端電壓跌落至60%時(shí)的短路電流

分析圖4～5可知，非嚴(yán)重故障時(shí)，隨著機(jī)端電壓跌落程度的加深，矢量控制策略和直接功率控制策略的定、轉(zhuǎn)子短路電流特性差異逐漸增大。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因就在根據(jù)自動(dòng)控制理論，快速響應(yīng)性和調(diào)整時(shí)間與過(guò)調(diào)量是相互矛盾的，即滿足快速響應(yīng)性和調(diào)整時(shí)間的系統(tǒng)，往往會(huì)有較高的過(guò)調(diào)量；而不存在過(guò)調(diào)的系統(tǒng)，往往無(wú)法保證具有滿意的快速響應(yīng)性和調(diào)整時(shí)間。正因?yàn)槿绱?，轉(zhuǎn)子側(cè)直接功率控制直接利用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)瞬時(shí)有功、無(wú)功功率，響應(yīng)速度快，在出現(xiàn)功率偏差的時(shí)候，直接功率控制的單環(huán)PI快速調(diào)節(jié)定子功率使功率偏差變小，功率與電流波動(dòng)持續(xù)時(shí)間縮短但會(huì)引起過(guò)調(diào)量變大，即故障瞬時(shí)短路電流幅值會(huì)較大，而矢量控制是雙環(huán)結(jié)構(gòu)，響應(yīng)速度慢，調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)但過(guò)調(diào)量小，所以故障瞬間短路電流的幅值較小，且故障穩(wěn)態(tài)期間電流也相應(yīng)較小。

2.3機(jī)端電壓嚴(yán)重跌落時(shí)不同控制策略下風(fēng)機(jī)的暫態(tài)特性

圖6所示為采用矢量控制策略和直接功率控制策略的兩套仿真模型在發(fā)生嚴(yán)重對(duì)稱性短路故障導(dǎo)致機(jī)端電壓跌落至零時(shí)的短路電流仿真波形。故障在1 s時(shí)發(fā)生，故障瞬間投入撬棒電路并封鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的觸發(fā)脈沖，故障持續(xù)時(shí)間0.3s。

圖6　DFIG機(jī)端電壓跌落至零時(shí)的短路電流

從圖6可以看出，嚴(yán)重故障時(shí)，不考慮撬棒動(dòng)作的延時(shí)，矢量控制與直接功率控制的定、轉(zhuǎn)子短路電流特性基本一致。原因在于嚴(yán)重故障時(shí)，撬棒電路瞬間動(dòng)作，轉(zhuǎn)子側(cè)控制在故障期間不起作用，只有網(wǎng)側(cè)控制起作用，而網(wǎng)側(cè)控制策略對(duì)定、轉(zhuǎn)子短路電流特性基本無(wú)影響。

實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)DFIG機(jī)端電壓嚴(yán)重跌落時(shí)，從故障發(fā)生到撬棒動(dòng)作存在一定的延時(shí)，為更貼近實(shí)際情況，圖7、8仿真對(duì)比了機(jī)端電壓跌落至0時(shí)考慮撬棒動(dòng)作延時(shí)時(shí)間不同的兩種控制策略的短路電流。

圖7　延時(shí)3ms投入撬棒定、轉(zhuǎn)子電流仿真波形

圖8　延時(shí)5ms投入撬棒定、轉(zhuǎn)子電流仿真波形

分析圖7、8可知，故障發(fā)生后撬棒投入時(shí)刻不同，風(fēng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子短路電流特性不同，直接功率控制的短路電流較矢量控制的短路電流提前到達(dá)峰值，且幅值大于矢量控制。撬棒電路越晚投入，不同控制策略的定、轉(zhuǎn)子短路電流差異越大，且主要體現(xiàn)在故障初期。原因在于短路電流特性主要由轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略決定，直接功率控制利用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)瞬時(shí)有功、無(wú)功功率，響應(yīng)速度快，但過(guò)調(diào)量大，所以故障瞬間直接功率控制的短路電流峰值較大，撬棒越晚投入，轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略起作用時(shí)間越長(zhǎng)，特性差異越明顯，仿真結(jié)果與理論分析一致。

2.4基于不同控制策略的網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)直流母線電壓的穩(wěn)定作用

考慮到網(wǎng)側(cè)變流器的主要作用在于保持直流母線電壓穩(wěn)定，有必要分析一下基于不同控制策略的網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)保持直流母線電壓穩(wěn)定的效果，下圖所示為對(duì)稱故障導(dǎo)致機(jī)端電壓跌落至80%時(shí)不同控制策略下直流母線電壓仿真結(jié)果，故障時(shí)間為0.5s。

圖9　不同控制策略對(duì)直流母線電壓的穩(wěn)定作用

由圖9可知基于直接功率控制的網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)直流母線電壓的穩(wěn)定效果比矢量控制要好，其波動(dòng)幅度小，故障切除后能更快地恢復(fù)至穩(wěn)定值。原因在于網(wǎng)側(cè)直接功率控制通過(guò)調(diào)節(jié)功率來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，響應(yīng)速度快，魯棒性性強(qiáng)。

2.5故障期間網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)無(wú)功對(duì)電網(wǎng)電壓的影響

電網(wǎng)電壓故障時(shí)變流器的無(wú)功功率控制是目前電網(wǎng)導(dǎo)則所要求的，與傳統(tǒng)的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，DFIG功率因數(shù)可在+0.95到-0.95之間調(diào)整，可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)整輸出的有功和無(wú)功，其無(wú)功調(diào)節(jié)能力可以在電網(wǎng)發(fā)生輕微對(duì)稱或不對(duì)稱故障時(shí)維持電壓穩(wěn)定[16]。文獻(xiàn)[17]指出網(wǎng)側(cè)變流器的控制帶寬明顯高于發(fā)電機(jī)組，可對(duì)電網(wǎng)故障迅速做出反應(yīng)，因此，在故障期間選擇通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)注入無(wú)功比選擇轉(zhuǎn)子側(cè)變流器通過(guò)發(fā)電機(jī)注入無(wú)功要容易實(shí)現(xiàn)，也更加可靠。因此本文主要研究基于不同控制策略的網(wǎng)側(cè)變頻器在故障期間發(fā)無(wú)功對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐作用。圖10所示為電網(wǎng)電壓輕微跌落時(shí)，單臺(tái)不同控制策略風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)無(wú)功輸出仿真對(duì)比圖，圖11為多臺(tái)(10臺(tái))基于矢量控制策略機(jī)組并列運(yùn)行和多臺(tái)(10臺(tái))基于直接功率控制策略機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓支撐作用仿真對(duì)比圖。

圖10　單臺(tái)不同控制策略機(jī)組網(wǎng)側(cè)無(wú)功輸出

圖11　多臺(tái)不同控制策略機(jī)組對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐作用

從圖10可以看出，單臺(tái)基于不同控制策略的網(wǎng)側(cè)變頻器無(wú)功輸出只在故障初始和結(jié)束時(shí)特性略有差異，原因就在于直接功率控制與矢量控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力不同，而進(jìn)入穩(wěn)定后的控制效果相同，所以故障期間輸出幅值相差很小，因而可以推斷多臺(tái)機(jī)并列運(yùn)行時(shí)，基于不同控制策略的機(jī)組對(duì)故障期間電網(wǎng)電壓的支撐作用基本相同，圖11的仿真結(jié)果驗(yàn)證了這一推論。

3　結(jié)　論

本文根據(jù)網(wǎng)側(cè)基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制和直接功率控制策略，機(jī)側(cè)基于定子磁鏈定向的矢量控制和直接功率控制策略，分別搭建了基于矢量控制策略和直接功率控制策略的兩套雙饋風(fēng)機(jī)仿真模型。結(jié)合仿真和理論分析得出以下結(jié)論：

① 機(jī)端電壓輕微跌落時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)控制起作用，轉(zhuǎn)子側(cè)直接功率控制直接利用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)瞬時(shí)有功、無(wú)功功率，響應(yīng)速度快，在出現(xiàn)功率偏差的時(shí)候，直接功率控制的單環(huán)PI快速調(diào)節(jié)定子功率使功率偏差變小，功率與電流波動(dòng)持續(xù)時(shí)間縮短但會(huì)引起過(guò)調(diào)量變大，即故障瞬時(shí)短路電流幅值會(huì)較大，電壓跌落程度越深，特性差異越明顯；

② 機(jī)端電壓嚴(yán)重跌落，撬棒電路瞬間動(dòng)作時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)控制在故障期間不起作用，只有網(wǎng)側(cè)控制起作用，短路電流特性無(wú)差異；

③ 機(jī)端電壓嚴(yán)重跌落時(shí)，撬棒越晚投入，轉(zhuǎn)子側(cè)控制作用時(shí)間越長(zhǎng)，不同的控制策略，短路電流特性差異越大；

④ 基于直接功率控制的網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)直流母線電壓的穩(wěn)定效果比矢量控制要好，其波動(dòng)幅度小，故障切除后能更快地恢復(fù)至穩(wěn)定值；

⑤ 單臺(tái)基于不同控制策略的網(wǎng)側(cè)變頻器無(wú)功輸出只在故障初始和結(jié)束時(shí)特性略有差異，故障期間輸出幅值相差很小，相同數(shù)量的矢量控制機(jī)組并列運(yùn)行和相同數(shù)量的直接功率控制機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)對(duì)故障期間電網(wǎng)電壓的支撐作用基本相同。

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(責(zé)任編輯：楊秋霞)

Simulation Research on the Impact of Different Control Strategies on Transient Characteristics of DFIG

WANG Yanping，ZHENG Tao，WANG Zengping

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University),Beijing 102206,China)

本文根據(jù)網(wǎng)側(cè)基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略和直接功率控制策略及機(jī)側(cè)基于定子磁鏈定向的矢量控制策略和直接功率控制策略，在PSCAD平臺(tái)上分別搭建了基于矢量控制策略和直接功率控制策略的兩套雙饋風(fēng)機(jī)仿真模型，對(duì)比分析了電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱性短路故障導(dǎo)致機(jī)端電壓不同程度輕微跌落和嚴(yán)重跌落時(shí)基于不同控制策略的風(fēng)機(jī)的暫態(tài)特性，分析了不同時(shí)刻投入撬棒電路時(shí)基于不同控制策略的風(fēng)機(jī)短路電流特性，并仿真分析了基于不同控制策略的網(wǎng)側(cè)變頻器不發(fā)無(wú)功時(shí)對(duì)直流母線電壓的穩(wěn)定作用及發(fā)無(wú)功時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐作用，最后總結(jié)了不同控制策略對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)對(duì)稱性短路故障暫態(tài)特性的影響。

雙饋風(fēng)機(jī)；矢量控制；直接功率控制；撬棒電路；無(wú)功；暫態(tài)特性

In this paper,two simulation models of DFIG are set up respectively based on direct power control strategy and vector control strategy by using PSCAD simulation platform,on which the voltage oriented vector control and direct power control strategy are applied at grid side,and the stator flux oriented vector control and direct power control strategy are used at rotor side.Then the transient properties of wind turbine based on different control strategies when different mild and serious voltage dip caused by symmetric fault are analyzed based on the different control strategies.And the characteristic of short-circuit current for wind turbine based on different control strategies is analyzed when the crowbar circuit is put into at different times.The stabilizing effect on DC bus voltage when grid-side converter doesn’t output reactive power based on different control strategies is analyzed as well as the supporting effect on network voltage when grid-side converter outputs reactive power.In the end,the impact of different control strategies on fault transient characteristics of DFIG is summarized.

DFIG; vector control; direct power control; Crowbar circuit; reactive power; transient characteristics

1007-2322(2016)04-0072-07

A

TM713

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(JB17201300189)

2015-07-02

王燕萍(1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉措娏ο到y(tǒng)的保護(hù)與控制，E-mail:942652275@qq.com；

鄭濤(1975-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制，E-mail:zhengtao_sf@126.com；

王增平(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲C(jī)保護(hù)、變電站綜合自動(dòng)化等，E-mail:wangzp1103@sina.com。