雙饋風電機組低/高電壓復合穿越的控制策略研究

嚴雨豪，周步祥，陳實，董申，劉治凡，臧天磊

（1.四川大學電氣工程學院，四川 成都 610065；2.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021）

隨著并網(wǎng)風電系統(tǒng)中雙饋風電機組（doubly fed induction generator，DFIG）裝機容量的不斷增加，人們開始逐漸關注DFIG的運行狀態(tài)對系統(tǒng)的影響[1-2]。目前，關于風電低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）性能的研究已日益成熟。相比之下，DFIG高電壓穿越（high voltage ride through，HVRT）還有諸多相關問題亟待解決[3]?，F(xiàn)階段有關HVRT的問題極大多數(shù)是圍繞大型負荷瞬間切除或大容量電容設備投入引發(fā)的單次高壓型故障，然而，電網(wǎng)電壓二次驟升故障多發(fā)生于LVRT之后的恢復階段，這是由于無功補償裝置未能及時退出等原因致使系統(tǒng)無功過剩所致。因此，為防止電網(wǎng)電壓驟升時DFIG出現(xiàn)大面積脫網(wǎng)事故，需重點研究LVRT恢復階段對機組HVRT的影響。

在單次電壓驟升下對DFIG的研究主要有兩種方法：1）當電網(wǎng)受到小擾動時，通過改進控制方案提升風電機組變流器的控制能力；2）當電網(wǎng)受到大擾動時，通過附加硬件電路保證機組在故障期間繼續(xù)并網(wǎng)運行。文獻[4-5]分別采用轉(zhuǎn)子側(cè)串聯(lián)阻容與轉(zhuǎn)子側(cè)串聯(lián)限流電阻的技術來改善機組HVRT性能；文獻[6-7]對轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（rotor-side converter，RSC）與網(wǎng)側(cè)變流器（gridside converter，GSC）的控制策略進行改進，從而抑制機組高電壓故障穿越期間的過電流，實現(xiàn)機組的HVRT。上述文獻都以不同的切入點對DFIG的暫態(tài)特性進行了研究，并提出相應的優(yōu)化方案，但是沒有對HVRT期間暫態(tài)過程進行精確分析。考慮到機組對無功補償?shù)男枨?，文獻[8-9]在電網(wǎng)電壓驟升過程中，采用靜止無功補償裝置吸收多余無功功率，維持母線電壓的穩(wěn)定進而完成機組HVRT。但是，該方法增加了設備投資，降低了經(jīng)濟效益。

針對DFIG低/高壓連鎖故障的研究中，文獻[10]提出了一種適用于LVRT和HVRT的變流器協(xié)同控制算法，通過仿真驗證了該協(xié)同控制算法的故障穿越能力。文獻[11]提出一種新型自適應撬棒控制方法，利用動態(tài)撬棒阻值同時兼顧了DFIG轉(zhuǎn)子電流與直流母線電壓的抑制問題，但文獻[10-11]均未涉及對低壓恢復階段的分析。

截止目前，低壓恢復階段會影響機組HVRT性能這一結論已在相關文獻中得到驗證。文獻[12]分析了風機LVRT期間及低壓恢復階段的有功/無功輸出特性，指出了低壓恢復階段對于機組并網(wǎng)點電壓驟升的影響。文獻[13]建立了考慮低壓恢復階段的DFIG暫態(tài)模型，重點分析定子自由分量，研究多種故障參數(shù)對DFIG高電壓故障穿越性能的影響，然而上述研究并未針對二次電壓驟升情況制定相應的DFIG故障穿越策略。文獻[14]在考慮低壓恢復階段的前提下得到了機組HVRT期間撬棒電阻的最優(yōu)阻值，但此方法在電網(wǎng)電壓非嚴重驟升時無法充分調(diào)動機組無功支持能力。

基于此，本文在考慮低壓恢復階段的前提下，對電網(wǎng)電壓二次驟升時的轉(zhuǎn)子電流公式進行推導。在不增添硬件設備情況下，提出轉(zhuǎn)子過電流抑制策略并加入到轉(zhuǎn)子側(cè)完成控制功能。然后對GSC的控制方式進行調(diào)節(jié)，從而在最大程度減小HVRT期間轉(zhuǎn)子過電流的同時避免了撬棒電路頻繁投切，還能充分調(diào)動機組無功支持能力，提升DFIG高電壓穿越性能。

1 DFIG低/高壓復合型故障的暫態(tài)過程分析

1.1 DFIG低/高壓復合故障全過程

通過文獻[2-3]中風電機組未成功實現(xiàn)HVRT而引起風機脫網(wǎng)事故的分析可知，發(fā)生低電壓故障之后并網(wǎng)點的電壓會出現(xiàn)快速上升的現(xiàn)象。在低電壓故障恢復過程中，補償裝置與具備LVRT功能的風電機組會向電網(wǎng)給予無功支持，若投入的無功補償裝置不能及時撤出，將導致系統(tǒng)無功過剩，從而并網(wǎng)點電壓迅速增大，形成低/高電壓復合故障。圖1為發(fā)生DFIG低/高壓復合故障下的電壓波形。

圖1 DFIG低/高壓復合故障下的電壓波形圖Fig.1 Voltage waveforms of DFIG under low/high voltage composite fault

由圖1可知：電網(wǎng)電壓在t0時刻出現(xiàn)跌落，該幅值由p表示，此刻撬棒電路投入保護；t1時刻撬棒電路斷開，DFIG在低壓情況下穩(wěn)定運行；t2時刻在故障保護裝置的作用下完成低壓穿越過程使其電壓開始逐漸恢復，并且在t3時刻電壓恢復到故障前水平；然而，由于控制功能的滯后性，在低壓故障穿越時無功補償裝置不能立即撤出，將引起風電場無功過剩從而導致t4時刻并網(wǎng)點電壓抬升，此次驟升幅度用m表示，假如轉(zhuǎn)子電流高于規(guī)定限值，要迅速連接撬棒電路實施保護，于t5時刻將其切除，DFIG在經(jīng)過HVRT后于t6時刻恢復正常穩(wěn)態(tài)運行。

1.2 電網(wǎng)電壓二次驟升時DFIG轉(zhuǎn)子電流

2 電網(wǎng)電壓二次驟升故障下DFIG控制策略

2.1 轉(zhuǎn)子過電流抑制策略

假設在電網(wǎng)電壓二次驟升階段僅使用撬棒電路進行保護，且撬棒電路啟動閾值設定為2（標幺值），由式（13）可計算出撬棒保護投入時刻電壓驟升幅度為

由式（15）計算可得：m＞0.12，表示電壓驟升幅度高出額定電壓12%的條件下，則立刻啟用撬棒電路。

基于低壓恢復階段的電網(wǎng)電壓二次驟升暫態(tài)分析及對轉(zhuǎn)子電流的影響，在傳統(tǒng)的RSC控制策略中加入轉(zhuǎn)子過電流抑制控制器。利用RSC解耦控制DFIG的無功分量與有功分量，即控制轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)控制系統(tǒng)上的q分量與d轉(zhuǎn)子電流，達到調(diào)節(jié)DFIG無功與有功輸出的作用。圖2為DFIG的RSC控制框圖。

圖2 DFIG的RSC控制框圖Fig.2 RSC control block diagram of DFIG

設定DFIG處于正常運行狀態(tài)或電網(wǎng)電壓受到小擾動，即Ug＜1.1（標幺值）時，經(jīng)過比較器將信號輸出至轉(zhuǎn)子過電流抑制控制器，使其工作在模式0狀態(tài)下，輸出K=1，RSC與GSC分別進行最大風能追蹤及單位功率因數(shù)控制。電網(wǎng)電壓二次驟升檢測結果顯示Ug的值高于1.1（標幺值），此時需將轉(zhuǎn)子過電流控制器的模式轉(zhuǎn)換為模式1，再向轉(zhuǎn)子過電流抑制控制器中輸入驟升幅度m、定子電壓Us、二次驟升電壓前ir（0-）轉(zhuǎn)子電流瞬時值，進而輸出K值，并根據(jù)限幅環(huán)節(jié)對K值進行整定，防止超過RCS的功率調(diào)節(jié)容量，使RCS在二次驟升期間輸出的有功、無功轉(zhuǎn)子電流指令值均在正常范圍內(nèi)，從而有效抑制HVRT期間轉(zhuǎn)子過電流對系統(tǒng)的沖擊。

在電網(wǎng)電壓發(fā)生二次驟升故障時，RSC中轉(zhuǎn)子過電流抑制控制器會根據(jù)并網(wǎng)點電壓不同變化情況，切換對應工作模式，通過抑制轉(zhuǎn)子過電流大小減輕對系統(tǒng)的沖擊，并且避免撬棒電路的頻繁投入，增強了機組自身的無功支撐能力。

2.2 GSC改進控制策略

電網(wǎng)電壓發(fā)生二次驟升故障時，若轉(zhuǎn)子電流上升至撬棒電路啟動閾值，DFIG將在異步電機模式下運行，無法有效控制RSC旁路。若此時GSC受單位功率因數(shù)限制，難以向系統(tǒng)給予所需的無功支持。則需對GSC控制策略進行改進，保證在DFIG異步運行期間盡可能提供無功支持，同時維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

電網(wǎng)電壓超過限定值1.1（標幺值）時，GSC不再以單位功率因數(shù)模式運行，而是通過無功補償指令值充分為系統(tǒng)提供無功支持，并將前饋補償項加入到GSC電壓外環(huán)控制上，從而可降低電網(wǎng)電壓驟升后對直流母線電壓穩(wěn)定性的影響。若不計線路與開關產(chǎn)生的損耗，即可得出直流母線電壓Udc與電網(wǎng)輸出GSC的有功功率Pg之間的關系[16]：

式中：Cdc為DC-link電容器值；irdc為轉(zhuǎn)子側(cè)直流電流。

由于GSC在電網(wǎng)電壓定向矢量控制下，那么：

因此，將前饋分量igd加入到GSC外環(huán)輸出上，從而減小注入DC-link電容的瞬態(tài)電流值，以此來保持直流母線電壓的相對穩(wěn)定。圖3為DFIG的GSC改進控制策略圖。

圖3 DFIG的GSC改進控制策略Fig.3 Improved control strategy of DFIG grid-side converter

GSC外環(huán)電網(wǎng)電壓控制策略在為DFIG提供無功補償?shù)耐瑫r，通過附加前饋補償項改變電流內(nèi)環(huán)控制的參考值達到穩(wěn)定母線電壓的目的。此策略經(jīng)濟有效，控制簡單，同時也減少了直流側(cè)卸荷電路的投入次數(shù)，為DFIG在電網(wǎng)電壓二次驟升故障穿越提供了保障。

2.3 DFIG高壓故障穿越控制步驟

將電網(wǎng)電壓驟降恢復過程考慮在內(nèi)，進一步分析電網(wǎng)電壓二次驟升時RSC與GSC的控制過程，通過調(diào)整使DFIG在電壓二次驟升期間抑制轉(zhuǎn)子過電流的同時充分調(diào)動無功支撐能力。圖4為DFIG高電壓故障穿越控制流程圖。

圖4 DFIG控制步驟圖Fig.4 DFIG control step

DFIG高電壓故障穿越控制步驟如下：

1）首先通過電壓測量環(huán)節(jié)檢測電網(wǎng)電壓Ug，判斷其幅值是否在本文設定正常范圍1.1（標幺值）之內(nèi)。

2）若Ug＜1.1（標幺值），則RSC，GSC分別以最大風能追蹤模式和單位功率因數(shù)控制模式運行；若Ug＞1.1（標幺值），GSC側(cè)切換為外環(huán)電網(wǎng)電壓控制模式，而RSC側(cè)切換為轉(zhuǎn)子過電流抑制模式運行。成功抑制轉(zhuǎn)子電流后，GSC和RSC可充分發(fā)揮自身無功補償作用，提供感性無功協(xié)助電網(wǎng)電壓在短時間內(nèi)迅速恢復正常狀態(tài)。

3）電網(wǎng)電壓驟升后，如果經(jīng)RSC轉(zhuǎn)子過電流抑制調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)子電流仍然比撬棒電路上的驅(qū)動閾值高，則RSC被迫短接，撬棒電路立刻投入保護，此時GSC仍可在維持母線電壓穩(wěn)定基礎上通過無功指定值向電網(wǎng)輸出感性無功。

根據(jù)上述控制流程，在電網(wǎng)電壓二次驟升過程中，一方面DFIG采用轉(zhuǎn)子過電流抑制器減小過電流，同時調(diào)動GSC，通過發(fā)送無功功率，從而對電網(wǎng)電壓起到支撐作用；另一方面電壓出現(xiàn)驟升故障后對轉(zhuǎn)子過電流起到一定抑制作用，導致撬棒投入降低。

3 仿真分析

本節(jié)通過在PSCAD平臺上搭建DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)改進后的仿真模型，對暫態(tài)過程進行仿真分析。DFIG的參數(shù)如表1所示，各故障參數(shù)與前文默認參數(shù)保持一致。

表1 DFIG基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of DFIG

3.1 低壓恢復階段及運行參數(shù)對HRVT影響驗證

為深入揭示運行參數(shù)中風速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對HVRT的影響，以額定頻率下的同步旋轉(zhuǎn)速度為基準值，風速vw為7.0～12 .0 m/s時相對應的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速標幺值ωr為0.7～1.2[17]。由于故障穿越期間，暫態(tài)過程時間較短，本文僅考慮恒定風速對HRVT性能的影響。表2給出了當風速vw為8.0 m/s和12.0 m/s時與之對應轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr、轉(zhuǎn)差率s的標幺值。

表2 DFIG不同運行工況下參數(shù)值Tab.2 DFIG parameter values under different operating conditions

因此，為驗證低壓恢復階段及運行參數(shù)對DFIG高電壓故障穿越的影響，圖5給出了機組分別運行于超同步（s=-0.2）與欠同步（s=0.2）工況時，在不同驟升程度下，發(fā)生單次電網(wǎng)電壓驟升與二次驟升（本文僅考慮最嚴重電壓跌落情況）的轉(zhuǎn)子電流峰值仿真對比結果。

圖5 轉(zhuǎn)子電流峰值對比Fig.5 Rotor current peak comparison

從圖5中可以看出，在不同電壓驟升幅度下，考慮低壓恢復階段的轉(zhuǎn)子電流峰值明顯大于單次高電壓穿越時的峰值，即是否考慮低壓恢復過程關系到高電壓穿越故障期間暫態(tài)分析的精準性。若忽略低壓恢復階段，則故障保護裝置可能誤動，導致DFIG高壓故障穿越失敗?？梢姡蛪夯謴碗A段相當重要，分析機組HVRT過程不可忽略低壓恢復階段。同樣，從圖5中可見，在相同電壓驟升幅度下，機組故障前不同的運行工況也會對DFIG的瞬態(tài)響應產(chǎn)生影響。雙饋風電機組在HRVT期間，超同步（s=-0.2）運行下轉(zhuǎn)子電流峰值明顯高于欠同步（s=0.2）運行下的轉(zhuǎn)子電流峰值，進而說明超同步工況下更加威脅機組的穩(wěn)定運行。

3.2 改進控制策略有效性驗證

設置機組故障前轉(zhuǎn)速為1.2（標幺值），t=2.5 s時電網(wǎng)電壓發(fā)生二次驟升故障，故障持續(xù)時間為0.5 s。當驟升幅度m=0.2（標幺值）時，電網(wǎng)電壓受到小擾動，采用本文策略控制前后的仿真結果如圖6所示。

圖6 電網(wǎng)電壓亊次驟升至1.2（標幺值）時DFIG仿真結果Fig.6 Simulation results of the DFIG for secondary grid voltage swell to 1.2

由圖6a、圖6b可知，在轉(zhuǎn)子過電流抑制控制器的作用下，故障期間DFIG轉(zhuǎn)子電流峰值明顯降低，過電流得到有效的抑制。圖6c、圖6d表示直流母線在控制前后的電壓幅值情況，本文策略將前饋補償量添加到GSC，使得直流母線電壓波動幅度明顯下降，且降至安全范圍內(nèi)。圖6e、圖6f表示控制前后撬棒電路投切情況。其中，縱坐標1表示轉(zhuǎn)子電流高于撬棒啟動閾值，撬棒電路可迅速進行保護；0表示轉(zhuǎn)子電流比設定啟動閾值低，需要迅速去除撬棒電路。根據(jù)該圖，電網(wǎng)電壓擾動較小的情況下，采用本文策略可減少撬棒電路投切次數(shù)，電網(wǎng)電壓二次驟升過程中RSC可以一直向電網(wǎng)提供感性無功，有利于快速恢復電網(wǎng)電壓。

當驟升幅度m=0.3（標幺值）時，電網(wǎng)電壓二次深度驟升，采用本文策略控制前后的仿真結果如圖7所示。

圖7 電網(wǎng)電壓亊次驟升至1.3（標幺值）時DFIG仿真結果Fig.7 Simulation results of the DFIG for secondary grid voltage swell to 1.3

由圖7a、圖7b可知，當電網(wǎng)電壓二次嚴重驟升時，本文策略仍然保持了對轉(zhuǎn)子過電流抑制的有效性，盡可能降低了轉(zhuǎn)子過電流對RSC的沖擊。由圖7c、圖7d可知，采用本文策略后可有效抑制直流母線電壓的波動幅度，但深度驟升時，母線電壓仍會超出其安全范圍。由圖7e、圖7f可知，轉(zhuǎn)子電流在本文策略控制下依然超過了撬棒電路啟動閾值，使得撬棒保護立刻投入以便保護RSC。但采用本文控制策略后，撬棒電路在電網(wǎng)電壓二次深度驟升期間投入頻率明顯降低。

以上結果表明：在電網(wǎng)電壓受到小擾動情況下，本文控制策略能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子電流、直流母線電壓穩(wěn)定在安全限度內(nèi)，驗證了策略的有效性；在電網(wǎng)電壓二次嚴重驟升情況下，本文策略仍需要撬棒電路參與保護，但在一定程度上避免了撬棒電路的頻繁投切，從而減少了因RSC旁路造成的不可控情況；此外，在DFIG異步運行方式期間，改進GSC能夠通過優(yōu)化無功指令值穩(wěn)定并網(wǎng)點電壓，有助于電網(wǎng)電壓迅速恢復。

4 結論

本文在考慮低壓恢復階段的前提下，經(jīng)過推導得到電網(wǎng)電壓二次驟升時最大轉(zhuǎn)子電流公式，并提出轉(zhuǎn)子過電流抑制策略。然后基于故障穿越時系統(tǒng)的無功需求，改進GSC的控制策略。通過在PSCAD平臺上搭建改進DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)改進后的仿真模型，對暫態(tài)過程進行仿真分析。得出的結論如下：

1）DFIG低壓恢復階段是低/高電壓連鎖故障穿越研究中需要認真考慮的過程，對于HVRT期間暫態(tài)過程分析及數(shù)值整定有較大的影響。

2）本文策略可有效抑制電網(wǎng)電壓二次驟升過程中的轉(zhuǎn)子電流。當受到小擾動時，撬棒電路不需要投入；當電網(wǎng)電壓二次嚴重驟升時，能夠避免撬棒電路頻繁投入的同時，最大程度提升RSC的無功支撐能力。

3）DFIG異步運行時改進GSC控制策略能夠保持母線電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時運用無功支持功能向系統(tǒng)持續(xù)提供無功功率，有利于電網(wǎng)電壓快速恢復。