三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越控制方法仿真

唐文秀，李長宇

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引言

所謂低電壓穿越是一種不間斷的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行行為，可在電網(wǎng)故障或發(fā)生擾動(dòng)的情況下，抑制由風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)引起的電壓跌落現(xiàn)象。，在光伏電站或電力系統(tǒng)發(fā)生事故或擾動(dòng)的過程中，低電壓穿越行為可以有效應(yīng)對并網(wǎng)電壓值的快速跌落，并且能夠保障所有發(fā)電機(jī)組在不脫網(wǎng)的情況下，維持連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。通常情況下，電網(wǎng)電壓大幅跌落會(huì)對并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，且在特定狀態(tài)下，定向的暫態(tài)低電壓穿越有可能引起瞬時(shí)電流的大幅度增加，進(jìn)而導(dǎo)致電力電子器件損壞[1]。因此可認(rèn)為，適量的低電壓穿越確實(shí)會(huì)減緩并網(wǎng)點(diǎn)電壓的不斷跌落，但強(qiáng)度過大也有可能增加發(fā)電機(jī)器件的磨損速率。

為將風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越水平控制在合理范圍內(nèi)，現(xiàn)有技術(shù)手段主要通過MPPT、PWM、PCC三種控制方法對這種并網(wǎng)點(diǎn)電壓行為進(jìn)行協(xié)調(diào)分配。MPPT控制方法以平均化模型作為調(diào)節(jié)基礎(chǔ)，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行跌落電壓分量的同時(shí)，控制低電壓穿越進(jìn)程中的正序與負(fù)序跌落狀態(tài)。PWM控制方法可根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有功功率的振蕩情況，調(diào)節(jié)無功電流的基礎(chǔ)注入量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對低電壓穿越的控制處理。PCC控制方法注重對輸出端電壓的分群建模，通過并網(wǎng)點(diǎn)有功、無功動(dòng)態(tài)特性的進(jìn)行分配比例，實(shí)現(xiàn)對低電壓穿越能力的適配調(diào)節(jié)。但隨著科學(xué)技術(shù)手段的進(jìn)步，這三種方法都不能有效解決局部電壓過高的問題，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)并網(wǎng)環(huán)境中的電子跳躍行為出現(xiàn)過量攀升。

為更好適應(yīng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)環(huán)境下跳躍電子對局部電壓的限定需求，設(shè)計(jì)一種新型的三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越控制方法。通過逆變器設(shè)備的選擇、電壓開關(guān)切換等操作，完成相關(guān)控制步驟的實(shí)施，并通過設(shè)計(jì)仿真對比實(shí)驗(yàn)的方式，突出說明新型方法與三種傳統(tǒng)方法間的應(yīng)用差異性。

2 三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓建模

根據(jù)逆變器選擇結(jié)果，建立完整的三相低電壓矩陣，實(shí)現(xiàn)對正負(fù)序電壓的完善，完成三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓建模操作。

2.1 三相低電壓矩陣建立

(1)

(2)

其中，w1、w2代表兩個(gè)不同的低電壓節(jié)點(diǎn)數(shù)值，λ代表風(fēng)力發(fā)電量的物理傳輸系數(shù)。在式(2)的基礎(chǔ)上，設(shè)r1-r3分別代表不同的低電壓節(jié)點(diǎn)系數(shù)，q1-q3分別代表低電壓偏移量的定點(diǎn)向量條件，利用上述物理參數(shù)可將三相低電壓矩陣表示為

(3)

式中，Eq代表三相低電壓矩陣的數(shù)值表示結(jié)果，偏移量q則表示對該數(shù)值結(jié)果的物理限定條件。

2.2 正負(fù)序電壓的分量

正負(fù)序電壓分量是三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓建模操作中的重要處理環(huán)節(jié)，以低電壓矩陣作為重要依據(jù)，嚴(yán)格限制低電壓節(jié)點(diǎn)的穿越幅度。在三相低電壓矩陣中，所有分子系數(shù)均保持著關(guān)聯(lián)分配狀態(tài)，且隨著發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的不斷延長，相鄰系數(shù)分子間會(huì)出現(xiàn)完全相反的穿越性變化趨勢，即隨著頭分子數(shù)量級條件的增加，后續(xù)分子會(huì)呈現(xiàn)減少、呈現(xiàn)為交替出現(xiàn)的變化趨勢[6-7]。設(shè)β代表正序電壓量影響系數(shù)，β′代表負(fù)序電壓量影響系數(shù)，聯(lián)立式(3)可將正負(fù)序電壓的邊界物理?xiàng)l件表示為

(4)

(5)

式中，p代表正序低電壓的最大偏移量，a代表正序低電壓的最小偏移量，p′代表負(fù)序低電壓的最大偏移量，a′代表負(fù)序低電壓的最小偏移量。d表示電壓偏移系數(shù)。至此，實(shí)現(xiàn)三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓的建模處理。

3 基于低電壓模型的穿越控制方法

3.1 低電壓開關(guān)切換

低電壓開關(guān)切換是實(shí)現(xiàn)穿越控制方法搭建的首要電分量處理環(huán)節(jié)，既要考慮三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓模型的合理性，也要判定控制電路中的流通電子量是否滿足發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)執(zhí)行需求。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持正常執(zhí)行連接狀態(tài)時(shí)，逆變器會(huì)根據(jù)并網(wǎng)接點(diǎn)的上限分解標(biāo)準(zhǔn)，選擇是否要與低電壓控制組件建立物理連接[8]。判斷結(jié)果為“是”時(shí)，現(xiàn)存的三相低電壓矩陣才具備應(yīng)用連接價(jià)值，且只有在此狀態(tài)下，才可以進(jìn)行后續(xù)的正負(fù)序電壓分量操作處理；判斷結(jié)果為“否”時(shí)，現(xiàn)存三相低電壓矩陣中至少存在一個(gè)元素分子會(huì)使后續(xù)的正負(fù)序電壓分量操作出現(xiàn)較大物理偏差。低電壓開關(guān)作為矩陣向量之間的利用元件，可按照與正負(fù)序電壓值相關(guān)的系數(shù)規(guī)則，建立三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)與低電壓端設(shè)備間的物理連接。從執(zhí)行性功能角度來看，切換是一項(xiàng)必要的穿越控制策略，既能大量消耗并網(wǎng)接點(diǎn)中累積的電量穿越分子，也能使正、負(fù)序端電力組織具備更強(qiáng)的穿越控制能力。圖1為完整的低電壓開關(guān)切換處理流程。

圖1 低電壓開關(guān)切換流程圖

3.2 電壓穿越關(guān)系分析

電壓穿越關(guān)系是對三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)高、低側(cè)端用電電壓的精準(zhǔn)分析。在低電壓開關(guān)具有良好切換能力的前提下，電壓穿越現(xiàn)象的平均水平總是與最大升電壓值、最大降電壓值保持正相關(guān)影響關(guān)系，且隨著發(fā)電運(yùn)行時(shí)間的延長，三者之間的制約關(guān)聯(lián)程度也會(huì)隨之提升。已知正負(fù)序電壓分量標(biāo)準(zhǔn)可作為低壓側(cè)電量的累積影響條件，在平均發(fā)電系數(shù)|T|的影響下，聯(lián)立式(5)可將低壓側(cè)電量累積的影響條件表示為

(6)

(7)

式中，g代表高壓側(cè)的最大電分子量。在高、低壓側(cè)電量累積影響條件保持相互獨(dú)立的前提下，設(shè)j代表低電壓分子所具備的穿越能力條件，l代表平均穿越向量，聯(lián)立式(6)、式(7)可將標(biāo)準(zhǔn)的電壓穿越關(guān)系描述為

(8)

其中，μ代表低電壓的穿越級別條件，c代表平均穿越向量的補(bǔ)充描述量，A同一時(shí)刻完成低電壓穿越行為的電力分子數(shù)量，s、z代表兩個(gè)不同的電壓量描述指標(biāo)。

3.3 穿越穩(wěn)定性控制

穿越穩(wěn)定性控制，需要在電壓穿越關(guān)系等多項(xiàng)物理系數(shù)的支持下，確定最適宜的干預(yù)控制力度。已知h代表電壓穿越關(guān)系的基本利用系數(shù)，Δx代表低電壓分子在穿越過程中的基本變化量，聯(lián)立式(8)可將最終的穿越穩(wěn)定性控制結(jié)果表示為

(9)

其中，v1、v2代表兩個(gè)不同的下限調(diào)節(jié)數(shù)值參量，ω代表控制比重權(quán)限系數(shù)。至此，完成所有執(zhí)行理論系數(shù)計(jì)算，但是為了保證三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越控制效果，需要進(jìn)一步利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆變器對低電壓穿越調(diào)節(jié)。

3.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆變器選擇

風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆變器是三相低電壓環(huán)境中的重要調(diào)節(jié)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對不合理電子分量的定向物理轉(zhuǎn)化。滿足三相處理需求的發(fā)電機(jī)逆變器必須包含三條獨(dú)立的穿越控制電路，每條電路中只能包含兩個(gè)阻值相同、電量相等的消耗電阻，且為了保證低電壓穿越控制過程中的電量均等分配，每條電路中的兩個(gè)消耗電阻只能保持串聯(lián)傳輸關(guān)系。作為發(fā)電機(jī)并網(wǎng)環(huán)境中的唯一動(dòng)態(tài)元件，逆變器以基爾霍夫設(shè)備作為核心搭建裝置，在DC-AC電路的促進(jìn)下，三條獨(dú)立穿越控制電路可分別與基爾霍夫設(shè)備相連，隨著三相風(fēng)力發(fā)電時(shí)間的不斷延長，控制電路中流通的電力分子數(shù)量也隨之增加。逆變器會(huì)使消耗電阻兩端所得到的分配電壓不斷減小，直至電路中的流通電流達(dá)到電阻元件所能承受的理論下限條件，以此實(shí)現(xiàn)三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越調(diào)節(jié)，選擇合理的風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆變器能夠進(jìn)一步提升穿越控制的穩(wěn)定性。下圖為完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆變器結(jié)構(gòu)。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆變器結(jié)構(gòu)圖

通過低電壓控制理論的分析以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆變器的選擇實(shí)現(xiàn)了三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為突出說明三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越控制方法、MPPT控制方法、PWM控制方法、PCC控制方法間的應(yīng)用差異性，利用理想物理平臺設(shè)計(jì)如下仿真對比實(shí)驗(yàn)。令配置相同的計(jì)算機(jī)裝置模擬三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，采取人工干預(yù)的手段，阻礙運(yùn)行過程中的發(fā)電機(jī)低電壓穿越行為。其中，實(shí)驗(yàn)組搭載新型穿越控制方法、對照組1搭載MPPT控制方法、對照組2搭載PWM控制方法、對照組3搭載PCC控制方法。

4.1 物理環(huán)境設(shè)置

為全面提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，可按照下表完成相關(guān)仿真物理環(huán)境設(shè)置操作。

表1 仿真參數(shù)表

出于公平性考慮，實(shí)驗(yàn)組、對照組實(shí)驗(yàn)參數(shù)始終保持一致。

4.2 發(fā)電機(jī)局部電壓高次項(xiàng)極值對比

在低電壓高階識別系數(shù)等于0.65的條件下，以60min作為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，分別記錄該段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組、對照組1、對照組2、對照組3的控制方法后，發(fā)電機(jī)局部電壓高次項(xiàng)極值的變化情況，實(shí)驗(yàn)詳情如表2所示。

表2 發(fā)電機(jī)局部電壓高次項(xiàng)極值對比表

對比表1、表2可知，在60min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組發(fā)電機(jī)局部電壓的高次項(xiàng)極值始終未超過190V，最低時(shí)甚至達(dá)到176V，與理想極值200V相比，下降了24V；三個(gè)對照組發(fā)電機(jī)局部電壓的高次項(xiàng)極值始終高于190V，且超過一半時(shí)間的物理數(shù)值都超過理想極值200V，最大數(shù)值條件更是達(dá)到了212V，超過理想極值12V。綜上可知，在低電壓高階識別系數(shù)等于0.65的條件下，應(yīng)用三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越控制方法，確實(shí)能夠抑制發(fā)電機(jī)局部電壓高次項(xiàng)極值不斷攀升。

4.3 發(fā)電機(jī)局部電壓低次項(xiàng)極值對比

在低電壓低階識別系數(shù)等于0.37的條件下，以60min作為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，分別記錄該段時(shí)間內(nèi)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)組、對照組1、對照組2、對照組3的控制方法后，發(fā)電機(jī)局部電壓低次項(xiàng)極值的變化情況，實(shí)驗(yàn)詳情如圖3-圖6所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)組發(fā)電機(jī)局部電壓低次項(xiàng)極值變化圖

圖4 對照組2發(fā)電機(jī)局部電壓低次項(xiàng)極值變化圖

圖5 對照組2發(fā)電機(jī)局部電壓低次項(xiàng)極值變化圖

圖6 對照組3發(fā)電機(jī)局部電壓低次項(xiàng)極值變化圖

對比圖3-圖6可知，實(shí)驗(yàn)組發(fā)電機(jī)局部電壓低次項(xiàng)極值在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，始終保持較低的變化水平，78V是本次實(shí)驗(yàn)組出現(xiàn)的最大數(shù)值，與理想極值140V相比，下降了62V；對照組1、對照組2、對照組3發(fā)電機(jī)局部電壓低次項(xiàng)極值全部呈現(xiàn)較高的變化水平，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的最大數(shù)值分別為146V、151V、149V，與理想極值140V相比，分別上升了6V、11V、9V，遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組數(shù)值情況。綜上可知，在低電壓低階識別系數(shù)等于0.37的條件下，應(yīng)用三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越控制方法，可以有效控制發(fā)電機(jī)局部電壓低次項(xiàng)極值的上升幅度。

5 結(jié)論

三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越控制方法在保留MPPT、PWM、PCC三種控制方法應(yīng)用優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，對電壓穿越關(guān)系進(jìn)行定向分析，又通過穿越控制功率調(diào)節(jié)的方式，使新方法的控制精準(zhǔn)性得到不斷提升。從實(shí)用性角度來看，發(fā)電機(jī)局部電壓的高、低次項(xiàng)極值均得到一定程度的降低，局部電壓也不再出現(xiàn)異常過高現(xiàn)象，電子跳躍行為的發(fā)生幾率得到良好控制。