考慮無功支撐的雙饋風機高電壓穿越控制策略

蘭傳盛 潘庭龍

（江南大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院 江蘇省無錫市 214122）

鑒于清潔環(huán)保、建設周期短、運行成本低等優(yōu)點，近幾十年來風力發(fā)電獲得迅猛增長[1]。電網(wǎng)故障下風力發(fā)電機組的故障穿越能力是當前研究的重點，與低壓穿越（LVRT）能力相比，對風電機組在電網(wǎng)電壓驟升條件下的運行控制策略研究尚不深入。在實際風電場系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓驟升是一種常見的電網(wǎng)故障，同樣會導致風機脫網(wǎng)，因此，當前急需分析電壓驟升情況下風力機組的運行工況，并提出相應的改進控制策略，完成高電壓穿越（НVRT）目標[2]。

電網(wǎng)電壓驟升成因一般為低壓故障恢復后無功過補償、負載突降和單相接地故障等。為保證電網(wǎng)運行的安全與穩(wěn)定性，避免風電機組因電壓保護作用而從電網(wǎng)中解列，需要風電場具備高電壓穿越能力[3]，當前各個國家和公司陸續(xù)出臺了高電壓穿越標準，其中以澳大利亞所規(guī)定的并網(wǎng)標準為例[4]，高電壓下風電機組并網(wǎng)運行要求在電網(wǎng)電壓升至1.3pu 情況時風電機組能夠保持長期不脫網(wǎng)運行，并要求高電壓情況下風機需要吸收一定量的無功功率，無功電流與電網(wǎng)電壓的變化率之比為2:1，這涉及到了高電壓穿越過程中無功補償?shù)膯栴}。

目前針對雙饋風力發(fā)電機（DFIG）并網(wǎng)過程中，電壓驟升故障下的電壓穿越研究逐漸深入。主要從以下兩個方面完成НVRT 任務：第一類為增加硬件電路，第二類方法為不加硬件電路的改進系統(tǒng)控制策略方式。文獻[5]分析了在電壓驟降恢復對連鎖脫網(wǎng)中高電壓穿越過程的影響。文獻[6-8]深入分析并研究了外加輔助電路控制策略的工作過程，發(fā)現(xiàn)該方法在故障發(fā)生后會惡化DFIG 定子電流與轉子電流的沖擊，有功與無功波動、電磁轉矩波動都會增加，不利于DFIG 在故障下的安全穩(wěn)定運行。文獻[9]分析了雙饋風力發(fā)電機在НVRT 的整個暫態(tài)過程，并從定子勵磁電流出發(fā)實現(xiàn)故障穿越。文獻[10]采用串聯(lián)網(wǎng)側變換器的方式實現(xiàn)高電壓穿越，但外接輔助器件，增加了系統(tǒng)的成本。文獻[11]采用DFIG 有源阻尼控制策略解決對稱電壓驟升故障問題。文獻[12-13]針對高壓驟升故障下DFIG轉子電壓、轉子電流的波動時間和波動幅度問題進行研究，在RSC系統(tǒng)中變化阻尼和添加虛擬阻抗，設計了一種改進轉子側控制策略的方案，提升了DFIG 系統(tǒng)的高電壓穿越能力，但未考慮轉子容量限制。文獻[14]考慮故障后電網(wǎng)電壓恢復問題，設計了機組提供無功支持的НVRT 控制方案，但未探究直流側電壓波動問題的影響。文獻[15]提出轉子電流抑制和電網(wǎng)電壓抑制方法，與直流斬波器配合使用，解決撬棍裝置頻繁切換問題。文獻[16]基于無源阻尼與改進控制策略相結合的НVRT 方式，降低轉子電流的同時實現(xiàn)轉子電壓的抑制，實現(xiàn)電壓穿越，但未考慮無功需求。

圖1：雙饋風機轉子側等效電路

圖2：雙饋風機轉子側不同等效阻抗下轉子電壓

上述文獻所提控制方案雖然在一定程度上有助于雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)高電壓穿越，但未深入分析НVRT 下無功需求，也未考慮定子側與網(wǎng)側控制無功支持問題，可見目前雙饋電機的高電壓故障穿越運行控制仍舊存在諸多問題需要解決。本文針對以上問題，從不加外部硬件電路方案出發(fā)，分析了電網(wǎng)電壓驟升故障下雙饋風力發(fā)電機的暫態(tài)過程；提出了轉子側模擬電感方法以改善轉子側過電流，并充分考慮模擬電感的限制條件，提出并修正了等效阻抗的范圍，以提升該方法的準確性；最后考慮高電壓穿越對于無功的需求，設計了轉子側變換器（RSC）與網(wǎng)側變換器（GSC）協(xié)同控制方法，添加無功反饋控制部分，在抑制轉子電壓的同時，最大化的提供無功電流支持，提升雙饋風力發(fā)電機的高電壓穿越性能。仿真表明，該綜合控制策略能實現(xiàn)雙饋風力發(fā)電機高電壓穿越目的，也能為電網(wǎng)提供較好的無功支持。

1 電網(wǎng)電壓驟升故障下DFIG特性

建立雙饋風力發(fā)電機數(shù)學模型，不考慮磁飽和，電機的定、轉子側采用電動機慣例，歸算至定子側，有兩相靜止坐標系下DFIG數(shù)學模型[17]：

式中，u、i 和ψ 分別表示電壓矢量、電流矢量和磁鏈矢量，p 表示微分算子，下標s、r 分別表示定子和轉子分量，R 和L 分別表示電阻和電感，ωr表示轉子角速度，lm表示定轉子間互感。

在轉子坐標系下，消去轉子電流，再帶入轉子電壓表達式，有轉子電壓：

式中，Us為電網(wǎng)電壓幅值，h 表示驟升比率，ω1表示同步旋轉角速度。根據(jù)當前國際并網(wǎng)準則，在h 大于0.3 之后，機組可脫網(wǎng)運行[18]，因此本文考慮的驟升比率h 范圍為0 至0.3。忽略定子電阻的影響，根據(jù)公式（1）有定子磁鏈暫態(tài)表達式[19]：

2 轉子側模擬電感高電壓穿越方法及阻抗修正

由式（2）可知轉子電壓由兩部分組成，分別為定子磁鏈感應電動勢er和轉子電阻和暫態(tài)電感上的壓降uRL，有：

為抑制轉子過電流及電磁轉矩的振蕩，將RSC 的等效阻抗表示為：

將式（5）、（6）帶入公式（2），有：

由圖2 可知，依據(jù)數(shù)學關系，若α=90 度，即等效阻抗Leq是純電感，則uRL將與er方向相反，此時所需的轉子電壓ur最小。同時，若等效阻抗Leq是相同轉子電壓下等效純電感，感應電動勢er不變，驟升故障后轉子電流ir也可抑制到最小。因此有結論，本文將RSC的等效阻抗模擬為電感，所需的轉子電壓和故障后的轉子電流都將降低。

圖3：轉子側高電壓穿越控制策略框圖

圖4：協(xié)同無功控制策略

因此，可將轉子側等效總阻抗Ztotal表示為等效電感Leq與瞬態(tài)電感之和，據(jù)式（5）和（7）可得轉子電流的參考值為：

下面求解轉子側等效總阻抗Ztotal取值范圍，若考慮RSC 端轉子電流的限制，轉子過電流的瞬態(tài)最大值不超過變流器的安全閾值，有：

其中Irm1、λ 為轉子電流的安全閾值與裕度系數(shù)，Irmax為ir的最大值。綜合（8）和（9）有轉子側等效總阻抗Ztotal的最小值為：

考慮直流側電壓限制因素，依據(jù)文獻[15]中最小直流側電壓Udcmin應滿足GSC 和RSC 電壓振幅要求。在線性空間矢量調制（SVM）范圍內，最小直流鏈路電壓Udcmin與GSC 和RSC 端電壓的關系描述為[15]：

因此轉子電壓幅值Ur需小于最小直流鏈路電壓Udcmin，有：

其中，Udcmin和ε 為最小直流鏈路電壓與裕度系數(shù)。且由公式（6）和（7）有定子磁鏈感應電動勢er與轉子電壓ur的關系式：

根據(jù)式（12）和式（13）有轉子側等效總阻抗Ztotal最大值為：

其中，|Ermax|表示故障期間轉子電壓允許的最大值，|Udcmin|表示直流側所允許的電壓最小值。

表1：雙饋風電機組參數(shù)表

因此控制策略中轉子側等效總阻抗Ztotal的值，需在式（10）與式（14）之間，轉子側等效總阻抗Ztotal越大，則電流抑制效果越好，但轉子電壓會有所增加，轉子側等效總阻抗Ztotal越小，轉子電壓抑制效果越好，但轉子故障電流會越大，整個控制策略框圖如圖3 所示。當電網(wǎng)發(fā)生驟升故障，電壓驟升至110%以上，故障檢測模塊[20]檢測到故障后立即切換為本文轉子側模擬電感的控制方法。

3 網(wǎng)側與轉子側協(xié)同無功控制方式

為滿足高電壓穿越中對于無功功率的要求，電網(wǎng)電壓高于1.1倍標稱值時，電網(wǎng)電壓每驟升1%，機組需至少提供2%的額定感性無功電流[14]。正常工作下，為了減少兩個變換器的損耗，轉子側變換器（RSC）與網(wǎng)側變換器（GSC）的參考無功功率設定為0。據(jù)此設計了如圖4 所示的分級協(xié)調控制方案，添加一個無功反饋控制，可實現(xiàn)定子與GSC 間的協(xié)調無功控制。將GSC 輸出的部分無功當做RSC 無功控制的輸入，可實現(xiàn)電網(wǎng)電壓驟升至1.1 倍后的無功補償。

在發(fā)生電網(wǎng)電壓驟升后，故障檢測模塊[20]工作，轉換為協(xié)同無功控制策略，吸收的參考無功Q*由額定并網(wǎng)電壓u*s 與故障電壓us的差值確定，其設定u*s 為額定電壓1.1 倍的標稱值。圖中指數(shù) β用于調整產生的無功功率，以滿足并網(wǎng)規(guī)范要求。通常RSC 的容量要比GSC 大，因此要靠RSC 控制為故障穿越提供較多的無功支持[20]。

主要工作原理如下：在電壓驟升至1.1 倍限定值之后，首先設定網(wǎng)側無功參考信號igq為0，控制定子側提供主要的無功支持，有公式：

其中，isq表示定子側需提供的無功電流，igq表示故障后GSC提供的無功電流，IN表示DFIG 的額定電流。根據(jù)定轉子間的互感，有q 軸轉子電流為[18]：

其中，irq表示轉子側需設定的無功電流。

定子側吸收的無功功率受到了轉子變換器電流的限制：

其中，Irmax轉子側變流器的電流最大值。

在電壓驟升故障不嚴重時，由RSC 控制定子側可提供全部的無功支持；在嚴重故障時，如并網(wǎng)點電壓驟升至額定電壓的1.2 倍以上，受到模擬電感策略中轉子電流和轉子變換器電流限制的影響，定子側無法提供足夠的無功補償[14]。

此時可控制網(wǎng)側變換器補償剩余所需的無功功率，即加入一個反饋控制：

其中，Qs*表示初始給定的額定定子無功功率，Qs表示此時定子側所能吸收的最大無功功率，表示此時網(wǎng)側變換器吸收的無功功率。只有在Qg*大于零時，即定子側無法吸收全部的無功功率，才會修正網(wǎng)側無功參考信號，根據(jù)修正網(wǎng)側無功參考信號，有：

如圖4 所示，本文添加無功反饋控制部分，實現(xiàn)協(xié)同無功控制，在RSC 控制定子端輸出大部分無功電流之后，若仍需無功支持，則需要控制GSC 端提供剩余無功。

Qs*與必須相應地低于定子和電網(wǎng)側的最大允許無功功率，據(jù)分配好相應無功后，RSC 與GSC 端控制定子與網(wǎng)側變換器提供相應無功電流。

采用提出的網(wǎng)側與轉子側協(xié)同控制無功補償方式，主要是控制q 軸方向的電流參考值，其中采用模擬電感方式確定轉子電流值，根據(jù)下式確定d 軸方向轉子電流值：

而網(wǎng)側變換器q 軸方向的電流參考值由式（19）確定，d 軸電流主要目的是維持直流母線電壓穩(wěn)定。

4 仿真分析

為分析本文設計的高電壓控制策略的有效性和可行性，在Matlab/Simulink 環(huán)境下搭建了1.5MW 的雙饋風電機組仿真模型，雙饋風電機組的主要參數(shù)如表1 所示。雙饋發(fā)電機組工作在額定電壓條件下，其中輸出有功功率Ps為0.7p.u.，輸出無功功率Qs為0p.u.，機組轉差率為-0.2。在t=1s 時，發(fā)生130%的對稱電壓驟升故障，采用上述故障檢測方法，若檢測到電網(wǎng)故障，啟用НVRT 控制策略，持續(xù)300ms，故障清除。此外，仿真還選取了文獻[20]傳統(tǒng)控制策略下雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)生對稱高電壓故障下的工作情況，與本文綜合控制策略進行如下比較。

圖5 為130%對稱故障下定子電壓波形，假定轉子電壓與轉子電流的裕度系數(shù)分別為0.95，根據(jù)公式（10）及（14）得出等效電感值Leq范圍為0.162p.u.～0.328p.u.，本次仿真實驗取Leq=0.3p.u.，比較以下兩種方案，第一種為文獻[20]傳統(tǒng)控制策略，第二種為本文加入?yún)f(xié)同無功方式的НVRT 控制策略。

圖5：傳統(tǒng)控制策略仿真結果

圖6：模擬電感的協(xié)同無功控制策略仿真結果

由圖5 可以看出，在1.0s 電網(wǎng)側電壓出現(xiàn)130%幅度的突變，傳統(tǒng)控制策略下，風機轉子電壓上升，轉子電流峰值最高突增到2.5p.u.左右。如圖6 所示，采用本文控制策略后，由于模擬電感的存在，轉子電壓會增加，而故障后轉子電流能抑制在1.5p.u.內，轉子電流得到抑制，滿足高電壓穿越的需求，其中故障下轉子電壓增加的原因是轉子電流很低，導致轉子瞬態(tài)阻抗上的電壓降也很低，在這種情況下轉子電壓必須抵消大部分電動勢，因此故障后的轉子電流相對較低，但轉子電壓較大。

若參考國外并網(wǎng)準則中對于無功的需求，在電壓驟升至110%之后，電網(wǎng)電壓每驟升1%，機組需提供2%的額定感性無功電流，因此130%對稱電壓驟升故障后需有0.6p.u.無功功率以滿足并網(wǎng)準則。如圖5（c）、圖6（c）所示，將傳統(tǒng)控制策略與本文改進的控制策略進行無功比較，可知本文加入?yún)f(xié)同無功的控制策略相比于傳統(tǒng)控制方案，能在130%的對稱電壓驟升故障下為電網(wǎng)提供0.611p.u.左右的無功功率支持，與參考值相差不大，在加入?yún)f(xié)同無功控制方式后，支持電網(wǎng)電壓恢復，提升了高電壓穿越性能，滿足了并網(wǎng)需求。

5 結論

本文從技術原理和仿真驗證兩個方面，提出了一種基于模擬電感和協(xié)同無功支持的НVRT 綜合控制方案，詳細介紹了網(wǎng)側、轉子側無功協(xié)同的控制策略，從轉子電壓、轉子電流、無功功率等方面對該方案進行了評價，通過仿真驗證了所提НVRT 綜合控制策略的優(yōu)越性。

（1）與傳統(tǒng)控制方案相比，本文提出的綜合控制方案不僅考慮到轉子側電流的突變情況，也兼顧無功支持需求，所設計的方案將轉子電流抑制在允許水平內，對于其他高電壓控制策略的設計有指導意義。

（2）采用模擬電感控制方法，實現(xiàn)了故障下轉子電流抑制，且充分考慮模擬電感的限制條件，修正了等效阻抗的范圍，對后續(xù)相關НVRT 控制策略設計具有指導作用；與協(xié)同無功控制方式配合，產生足夠的感性電流，滿足了電網(wǎng)規(guī)范要求，實現(xiàn)無功功率支持目的，證明了該方案在提高НVRT 能力方面的有效性和優(yōu)越性。

（3）本文設計的綜合控制方案，由于模擬電感的存在，會出現(xiàn)轉子電壓惡化的情況。該方案無需補充其他硬件保護設備，可彌補原有的НVRT 控制策略的不足，實現(xiàn)雙饋風電機組的電壓穿越需求。