雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)故障穿越性能改善的控制策略

馮野

國華（乾安）風電有限公司 吉林松原 131400

當前情況下，在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)當中，雙饋感性發(fā)電機獲得了較為廣泛的應用，它獨有的并網(wǎng)形式以及功率控制方法，可以快速感知電壓波動情況，尤其是在電網(wǎng)出現(xiàn)故障導致電壓跌落時。電網(wǎng)運行出現(xiàn)問題，就很有可能會導致電壓跌落問題的出現(xiàn)，引起相應的轉子組過電流，如果不能及時采取相應的控制方法，長期下去，就會造成轉子側變換器的熱效應情況出現(xiàn)問題，嚴重時甚至會導致風電機運行故障，最終影響到電網(wǎng)的有序運行。目前，我國較多相關方面的學者都對于改善雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越性能給予了較多的關注，具體來說，我們可以將此項研究細分為硬件實施方案以及控制策略改善方案兩大類型，盡管各具優(yōu)勢，但同時也或多或少的都存在著一些問題。為了有效改善這一方面的性能，我們在這篇文章當中提出了一種多開關故障穿越方案，從而實現(xiàn)控制電流的目的。

1 機端電壓跌落轉子電路的瞬態(tài)性能

通常情況下，我們再分析電壓和電流時都是根據(jù)電動機的慣例來進行判定的。當電網(wǎng)出現(xiàn)了對稱故障情況時，依據(jù)幅值的變化情況和磁鏈守恒原理，在忽略電阻值變化情況的條件下，可以計算出定子參考坐標系下的定子磁鏈數(shù)值。機端電壓在跌落之前，通常是由轉子側變換器向轉子繞組提供電壓，我們假定機端電壓在跌落前后的額定電壓不會發(fā)生變化，可以十分精準的計算出電壓值。當電網(wǎng)中的機端電壓出現(xiàn)不對稱跌落情況時，機端電壓的幅值也會有所下降，依據(jù)相應的對稱分量理論可以測算出相應的相量[1]。氣隙磁鏈是由電壓生成的，而氣隙磁鏈的總和又會構成強制分量。值得注意的是，零序電壓不會構建起氣隙磁鏈。

機端電壓對稱跌落時轉子會產(chǎn)生較高的峰值電流，但是能夠持續(xù)的時間相對較短。當出現(xiàn)不對稱跌落情況時，整體的電壓跌落，轉子鐘都會產(chǎn)生較高扶植的振蕩電流。如果不經(jīng)過特別處理，系統(tǒng)的運行情況就會始終停留在電動機模式，始終從電網(wǎng)中獲取無功功率，長期下去，對電網(wǎng)的發(fā)展和電壓的恢復來說都是十分不利的。

2 多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器

針對參考電壓矢量的確定系列問題，我們選擇采取一種新型的雙滯環(huán)電流時段控制策略來進行研究。具體來說，在轉子的三相坐標當中需要使用不同的兩組轉子電流滯環(huán)。而參考電壓的矢量應當依靠空間位置的變化以及較大帶寬的外電流滯環(huán)來進行確定，在此基礎之上，方可測算出轉資側變換器所輸出的最優(yōu)電壓矢量。而想要對于轉子參考電流進行跟蹤只需要合理利用較小帶寬的那電流滯環(huán)即可，通過對于電壓矢量組合進行測定饑渴測算出轉子策變換器鎖輸出的最為適宜的電壓矢量。隨著內(nèi)容改革的不斷深入，我們在此基礎之上又提出了更具實用性的三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制方法，但這一方案中仍然存在著一些問題。舉例來說，從最優(yōu)空間電壓的矢量組合選擇最優(yōu)空間電壓不確定性的問題仍然難以解決，滯環(huán)電流矢量控制策略的運行效率也會隨之而受到影響[2]。

針對現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的滯環(huán)電流矢量控制器缺陷問題，我們提出了一個更具優(yōu)勢性的多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器，參考電壓矢量空間位置的確定，通過兩個或多個多態(tài)滯環(huán)電流比較器的輸出情況來進行判斷，并在此基礎之上進行更新，無需依靠空間位置的偵測外環(huán)即可促進系統(tǒng)有序運行。除此之外，通過觀測比較器的輸出狀態(tài)也可以測算出最優(yōu)的空間電壓矢量，無需依靠傳統(tǒng)矢量控制中的調(diào)劑單元，即可有效提升系統(tǒng)的響應速率。在多態(tài)電流矢量控制器當中空間電壓矢量是被動引入到控制過程當中的，可以有效削弱轉子側變換器開關動作的頻率。

合理運用多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器，可以有消消除三相坐標系統(tǒng)下所產(chǎn)生的相互影響。多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器主要由兩個比較器以及一個開關共同構成，調(diào)整開關狀態(tài)即可實現(xiàn)對于電壓矢量的控制調(diào)整。當轉子側變換器上的開關中有兩個處于閉合狀態(tài)時，則系統(tǒng)中所運行的電壓矢量為零。

3 故障穿越策略分析

與其他種類的控制器進行對比，PI控制器的調(diào)節(jié)性能較為穩(wěn)定，但其同樣也存在著明顯的優(yōu)勢，那就是調(diào)節(jié)性能相對較差。多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的帶寬較大，因而此類控制器具有較為優(yōu)質的瞬態(tài)響應性能。想要有效解決系統(tǒng)的故障問題，就應當發(fā)揮現(xiàn)有控制策略中的優(yōu)勢，開展復合電流控制的方法[3]。具體來說，就是在機端電壓跌落之前以及跌落后處于穩(wěn)定狀態(tài)的階段，充分利用PI控制器來實現(xiàn)對于轉子電流的調(diào)節(jié)作用，從而確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。當機端電壓跌落，仍然處于暫態(tài)恢復期間時，激活多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的作用，可以有效提升瞬態(tài)性能的維持轉子電流精確控制作用，提升轉子電流的精確性。同時，為了確保機端電壓在跌落區(qū)間不會出現(xiàn)失控問題，還需要再轉子電路中串聯(lián)能夠起到控制作用的動態(tài)電阻器，從而起到分壓和限流的作用，限制轉子電壓和電流保障其處于標準限制范圍內(nèi)。

3.1 動態(tài)電阻器的串聯(lián)作用

依據(jù)轉子電流設計的限定值，轉子繞組中的動態(tài)電阻器會受到電力電子開關的控制，當動態(tài)電阻器處于運行狀態(tài)時，動態(tài)電阻器被旁路。而當。機端電壓跌落并處于恢復暫態(tài)的情況下時，如果電流達到了規(guī)定的限制，那么只需要根據(jù)電壓跌落監(jiān)控單元來控制開關即可，可以講動態(tài)電阻放置與轉子繞組當中，從而實現(xiàn)對于轉子電流的控制作用。

3.2 開關控制方法分析

在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中的故障穿越策略主要涉及到開關控制的三個方法。當機端電壓在跌落前或是在跌落后保持穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，可以充分利用最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)性能來實現(xiàn)對于轉子電流的調(diào)節(jié)和控制。而當機端電壓處于跌落狀態(tài)和跌落恢復狀態(tài)期間時，可以根據(jù)相應的轉子電流限制來調(diào)動響應速率較快的多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制策略。通常情況下，多態(tài)之環(huán)電流的矢量控制器都需要設定相應的延時時間，最主要的目的就是為了減少轉子電流中所存在的低階諧波電流[4]。

經(jīng)過大量的仿真分析，在非低電壓故障擾動情況下引起的轉子過電流不會觸發(fā)多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制。多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的作用時間設定一個短延時的主要目的是盡量減小轉子電流中的低階諧波電流。由于文中所推薦的多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的開關頻率不是常數(shù)，為限制轉子側變換器的最大開關頻率，多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的誤差帶設計得比PI控制器大，在轉子電流中這將導致大量的低階諧波電流。在較嚴重的電網(wǎng)故障情況下引起的轉子過電流不致頻繁觸發(fā)動態(tài)電阻器，可防止控制狀態(tài)頻繁切換引起的振蕩。

3.3 仿真實驗研究

想要充分發(fā)揮故障穿越策略對于故障穿越性能的改善作用，我們在本次研究當中設置了相應的仿真軟件，并構建起了評估故障穿越性能的仿真模型。在進行仿真實驗研究的過程當中，我們需要保障輸出功率以及轉子轉速的穩(wěn)定，調(diào)整三相電壓的跌落情況。在機端三相電壓跌落時多態(tài)滯環(huán)電流控制器僅在電壓跌落和恢復初始期間被激活，而在機端電壓不對稱跌落時多態(tài)滯環(huán)電流控制器幾乎作用于整個電壓跌落期間，其原因在于機端三相電壓跌落時在轉子中產(chǎn)生的過電流

持續(xù)時間較短，而機端電壓不對稱跌落時在轉子中產(chǎn)生的振蕩過電流持續(xù)整個電壓跌落期間。并且不同的機端電壓跌落類型，動態(tài)電阻器的激活次數(shù)也不相同。

4 結語

綜上所述，想要有效改善當前雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越性能，多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器是一個有效的工具。本文就立足于多開關的控制策略，提出了一系列有效的故障穿越控制方法，但仍然存在著一系列不夠完善的地方。在未來的發(fā)展與研究過程中，我們?nèi)匀恍枰槍@一問題開展更為深入的研究，希望可以為改善雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越性能起到一份有力的推動作用。