基于轉(zhuǎn)子無功電流動態(tài)調(diào)整的DFIG 全過程高電壓穿越策略

張 旭，王 怡，劉伯文，丁睿婷，劉 江，程雪婷

（1. 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京市 102206；2. 國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西省 太原市 030001）

0 引言

高比例可再生能源將成為新型電力系統(tǒng)電源側(cè)的主要特征［1］。隨著風(fēng)電滲透率的提升，風(fēng)電接入對電網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性的影響備受關(guān)注。雙饋?zhàn)兞髌鞯耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)使得雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（doubly-fed induction generator，DFIG）在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用廣泛。DFIG 的基本結(jié)構(gòu)中，定子直接與電網(wǎng)相連，來自電網(wǎng)的擾動可能危及機(jī)組安全，甚至引發(fā)大面積連鎖脫網(wǎng)［2］。事故研究表明，大規(guī)模脫網(wǎng)的典型過程為風(fēng)電機(jī)組低壓脫網(wǎng)、場內(nèi)電壓升高、機(jī)組高壓脫網(wǎng)。其中，高壓脫網(wǎng)的風(fēng)機(jī)數(shù)量甚至與低壓脫網(wǎng)的相當(dāng)［3］。

引發(fā)電網(wǎng)電壓驟升的原因可分為兩類：一是電容器投入、負(fù)荷切除、直流閉鎖等事件引起的高電壓［4］；二是短路故障切除后，電壓恢復(fù)過程中出現(xiàn)無功功率過剩導(dǎo)致的過電壓。故障發(fā)生時，風(fēng)機(jī)難以維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓，且其中電力電子設(shè)備過流耐受能力弱于同步發(fā)電機(jī)［5］。當(dāng)前，DFIG 的高電壓穿越（high voltage ride-through，HVRT）研究可分為兩類：改進(jìn)變流器控制和添加硬件保護(hù)［6］。本文聚焦于改進(jìn)變流器控制策略。

已有較多學(xué)者對DFIG 的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（rotorside converter，RSC）和 網(wǎng) 側(cè) 變 流 器（grid-side converter，GSC）控制提出了改進(jìn)方法。文獻(xiàn)［7］利用DFIG 轉(zhuǎn)子電壓補(bǔ)償項(xiàng)抑制轉(zhuǎn)子過電流，并提出了考慮動態(tài)電壓區(qū)間的無功支撐方法。文獻(xiàn)［8］提出基于諧振控制器的主動滅磁控制方案，以控制定子磁鏈直流分量、負(fù)序分量。文獻(xiàn)［9］提出了一種虛擬阻抗控制策略，能有效抑制轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)矩振蕩。文獻(xiàn)［10］提出了結(jié)合模糊控制和動態(tài)虛擬電阻的HVRT 方法。通過分析直流雙極閉鎖對DFIG 的影響，文獻(xiàn)［11］研究了電壓驟升時DFIG 電流的可行域，并提出基于模型預(yù)測控制的HVRT 方法。文獻(xiàn)［12］建立以最小化各風(fēng)機(jī)端電壓波動為目標(biāo)的優(yōu)化問題，提出了一種基于模型預(yù)測控制的故障穿越有功、無功控制策略。文獻(xiàn)［13］提出了協(xié)同GSC無功補(bǔ)償和RSC 去磁電流的HVRT 策略。文獻(xiàn)［14］提出RSC 附加阻抗控制、GSC 雙閉環(huán)矢量控制的協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)［15］提出GSC 無功功率優(yōu)先、RSC 引進(jìn)轉(zhuǎn)子附加阻尼的控制策略，以減輕機(jī)組轉(zhuǎn)矩振蕩?；赗SC 和GSC 協(xié)同的動態(tài)無功控制是實(shí)現(xiàn)HVRT 的基本思路，但現(xiàn)有文獻(xiàn)大多僅考慮HVRT 的部分過程，即持續(xù)高電壓過程或電壓驟升/恢復(fù)的瞬間。

近年來，相關(guān)學(xué)者對DFIG 的HVRT 全過程開展了研究。文獻(xiàn)［16］分析了定子磁鏈、轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓和轉(zhuǎn)子電流的暫態(tài)過程，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；文獻(xiàn)［17］分析了直流換相失敗時DFIG 的暫態(tài)特性，并提出了適用于換相失敗的故障穿越方法。文獻(xiàn)［18］分析并量化了電網(wǎng)電壓驟降恢復(fù)階段對DFIG 的暫態(tài)沖擊；文獻(xiàn)［19］分析了HVRT 期間DFIG 定子磁鏈暫態(tài)全過程，但提出的控制策略僅在驟升程度較輕時可行，在機(jī)端電壓升至1.3 p.u.時需配合其他方法實(shí)現(xiàn)HVRT。針對DFIG 的全過程HVRT 問題，尚未發(fā)現(xiàn)完善的研究成果。

針對上述問題，本文提出基于轉(zhuǎn)子無功電流動態(tài)調(diào)整的DFIG 全過程高電壓穿越策略。在暫態(tài)沖擊抑制方面，考慮定子磁鏈對轉(zhuǎn)子電流的影響，提出了定子磁鏈微分補(bǔ)償方法，以在故障發(fā)生時快速響應(yīng)，抑制轉(zhuǎn)子過流；在無功控制方面，計(jì)及變流器控制可行范圍，構(gòu)建了轉(zhuǎn)子電流無功分量動態(tài)調(diào)整方法。轉(zhuǎn)子電流指令值在線計(jì)算和無功增益系數(shù)的設(shè)計(jì)能最大程度利用變流器容量，實(shí)現(xiàn)DFIG 對電網(wǎng)電壓恢復(fù)的自適應(yīng)無功支持。仿真結(jié)果表明，所提策略能在多種故障和工況下提高DFIG 的全過程HVRT 表現(xiàn)。

1 高電壓期間DFIG 暫態(tài)過程分析

1.1 電網(wǎng)電壓驟升時DFIG 定子磁鏈的暫態(tài)過程

高電壓期間，DFIG 的定子磁鏈暫態(tài)過程分析如下。設(shè)風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時機(jī)端電壓矢量為UG，在高電壓故障中，若電壓驟升幅度為h，則機(jī)端電壓可以表示為：

式中：UG為機(jī)端電壓幅值；ω1為同步角速度。

同步速旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下DFIG 的等效電路如附錄A 圖A1 所示，附錄A 式（A1）和式（A2）分別為其電壓、磁鏈方程。假設(shè)t=0 時刻發(fā)生電壓驟升，以UG(0)=UG為初始條件，由文獻(xiàn)［19］可知，定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻的暫態(tài)表達(dá)式為：

式中：Rs和Ls分別為定子繞組電阻和電感。可見，電壓驟升后，ψs可分為兩個部分：一部分是以同步速旋轉(zhuǎn)的交流（強(qiáng)制）分量，幅值為穩(wěn)態(tài)磁鏈的1+h倍；另一部分是衰減的直流（自由）分量，衰減時間常數(shù)為定子時間常數(shù)Ls/Rs。

電網(wǎng)電壓驟升時，DFIG 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的暫態(tài)分量由式（2）中ψs的自由分量產(chǎn)生，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過電壓、過電流，可能超過其限值，影響設(shè)備安全運(yùn)行。轉(zhuǎn)子中的不平衡能量流經(jīng)RSC 之后，將對直流母線電容充電，導(dǎo)致直流電壓過高［20］，威脅變流器安全。

1.2 電網(wǎng)電壓驟升時GSC 無功功率分析

DFIG 的GSC 主要作用之一是維持直流母線電壓的穩(wěn)定，并且有吸收或發(fā)出無功功率的能力，其主電路如附錄A 圖A2 所示。經(jīng)過坐標(biāo)變換，在同步速旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下，GSC 的電壓方程和有功、無功功率Pg、Qg分別為：

式中：ugd和ugq分別為GSC 電壓d、q軸分量；igd和igq分 別 為GSC 電 流d、q軸 分 量；vgd和vgq分 別 為GSC交流側(cè)電壓的d、q軸分量；Lg和Rg分別為GSC 進(jìn)線電感、電阻。

采用基于電網(wǎng)電壓定向（grid voltage orientation，GVO）的GSC 控制，且d軸定向于定子電壓矢量Us時，有ugd=Us，ugq=0，其中Us為定子電壓幅值。

對于式（3）中的ugd，令Δugq=Lgdigq/dt，可得式（5）；對于式（4）中的Qg，忽略電阻Rg，可得式（6）：

由式（5）和式（6）可得：

穩(wěn)態(tài)時，Δugd=0，GSC 的無功功率Qg可以通過vgd來調(diào)節(jié)。但電壓驟升時，Δugd≠0 且不能忽略。

變流器中的功率器件（如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT））是DFIG 中對高電壓最敏感的器件，其耐壓能力有限，過高的直流母線電壓將導(dǎo)致功率器件的損壞。電網(wǎng)高電壓期間，若控制GSC 吸收一定的感性無功電流，不僅可以在進(jìn)線電感上分壓，避免變流器直流母線直接承受過高的電壓，還可以為電網(wǎng)電壓恢復(fù)提供支持。

1.3 電網(wǎng)電壓驟升時轉(zhuǎn)子電流的暫態(tài)過程

基于DFIG 定子磁鏈與定轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系，穩(wěn)態(tài)時，定子磁鏈保持不變，與同步速dq坐標(biāo)系中的DFIG 磁鏈方程聯(lián)立可得穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量ird、irq的表達(dá)式為：

式中：isd和isq分別為定子電流的d、q軸分量；Lm為定轉(zhuǎn)子間互感。

發(fā)生高電壓故障時，定子磁鏈發(fā)生變化，則有：

式中：usd和usq分別為定子電壓的d、q軸分量；ψsd和ψsq分別為定子磁鏈d、q軸分量；D 為微分算子。由式（8）和式（9）對比可知，電壓驟升時，定子磁鏈的微分項(xiàng)Dψsd和Dψsq對轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生沖擊，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的瞬間過電流；除上述微分項(xiàng)，表達(dá)式中的其余項(xiàng)決定了持續(xù)高電壓期間轉(zhuǎn)子電流的給定值。也就是說，高電壓故障給DFIG 帶來的問題包括：1）電壓驟升瞬間的轉(zhuǎn)子電流過沖問題；2）持續(xù)高電壓期間的轉(zhuǎn)子電流控制問題。因此，針對這兩個問題，本文將RSC 的全過程HVRT 控制分為兩部分，并相應(yīng)提出了轉(zhuǎn)子電流定子磁鏈微分補(bǔ)償方法和無功分量的動態(tài)調(diào)整方法。

2 DFIG 的HVRT 控 制 策 略

基于第2 章中對暫態(tài)過程的理論分析，對兩個變流器的控制做出相應(yīng)的改進(jìn)。

由1.2 節(jié)可知，在高電壓期間，GSC 控制的關(guān)鍵在于吸收感性無功電流，以避免直流母線承受過高的電壓。因此，在2.1 節(jié)中提出了GSC 無功電流的比例-積分（PI）控制，以加快響應(yīng)速度，保證直流電壓不越限。

由1.3 節(jié)可知，通過RSC 控制定子側(cè)吸收無功電流，且抑制轉(zhuǎn)子電流的波動，是DFIG 實(shí)現(xiàn)HVRT并提供無功支撐的關(guān)鍵。在2.2 節(jié)中，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子電流q軸分量動態(tài)調(diào)整方法，實(shí)現(xiàn)在不超過容量約束的情況下，控制定子注入無功功率以便電網(wǎng)電壓恢復(fù)；針對電壓驟升瞬間的轉(zhuǎn)子電流過沖，在2.3 節(jié)中通過定子磁鏈微分補(bǔ)償，對轉(zhuǎn)子電流暫態(tài)波動進(jìn)行抑制。

2.1 GSC 電流無功分量PI 控制

GSC 的傳統(tǒng)控制策略常采用電網(wǎng)電壓定向的方法，GSC 的控制可以分為直流母線電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制?；陔娋W(wǎng)電壓定向時，外環(huán)直流母線電壓控制器監(jiān)測直流母線電壓的偏差，輸出GSC 電流d軸分量，即有功分量的參考值；結(jié)合輸入電流無功分量，即GSC 電流q軸分量，對功率因數(shù)進(jìn)行控制。

考慮PI 控制能夠在擾動發(fā)生時快速響應(yīng)，本文提出在GSC 控制中添加電流無功分量PI 控制模塊，使GSC 可以在高電壓故障發(fā)生時快速響應(yīng)，吸收感性無功電流，保持直流電壓的穩(wěn)定。監(jiān)測到電網(wǎng)電壓上升至標(biāo)稱值以上時，無功電流給定值不為0，而是通過機(jī)端電壓幅值與額定值比較，經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器后得到GSC 無功電流給定值，如 式（10）所示。

式中：Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；ΔUG為機(jī)端電壓UG與標(biāo)稱值的偏差。

需要注意的是，GSC 吸收或輸出的功率不應(yīng)超過變流器的最大電流限值Ig，max，所以GSC 的無功電流應(yīng)該滿足：

式中：Igq為GSC 的無功電流有效值；Igd為GSC 電流d軸分量的有效值。在GSC 控制中，還需要設(shè)置限幅環(huán)節(jié)，防止GSC 功率超過其容量。

改進(jìn) 的GSC 控 制 策 略 如 圖1 所 示，其 中，為GSC 電流有功分量的參考值；為機(jī)端電壓幅值的參考值；和分別為GSC 交流側(cè) 電壓d、q軸分量參考值。檢測到機(jī)端電壓大于額定值后，采集電壓偏差輸入PI 調(diào)節(jié)器，控制GSC 吸收無功電流，以降低變流器直接承受的電壓，并由限幅環(huán)節(jié)將無功電流給定值限制在變流器容量范圍內(nèi)。

圖1 引入PI 控制的GSC 控制框圖Fig.1 Control block diagram of GSC with PI control

2.2 轉(zhuǎn)子電流q 軸分量的動態(tài)調(diào)整

GSC 容量較小，約為風(fēng)機(jī)容量的1/3，僅靠GSC無法滿足無功支撐的要求，還需要控制定子提供無功支撐。RSC 控制通常采用定子磁鏈定向控制，包括功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)子電壓參考值，輸出轉(zhuǎn)子電壓的脈寬調(diào)制（PWM）控制信號。控制轉(zhuǎn)子電流q軸分量就可以控制DFIG 向電網(wǎng)輸出的無功功率。

對于高電壓期間轉(zhuǎn)子無功電流的動態(tài)調(diào)整，需要考慮測試規(guī)程對風(fēng)機(jī)無功支撐的要求，以及GSC的無功電流和定子無功電流的極限值。

1）轉(zhuǎn)子電流q軸分量動態(tài)調(diào)整方法

RSC 采用定子電壓定向（stator voltage orientation，SVO）矢量控制，且定向于d軸時，定子電壓Us與其d軸分量Usd相等，且有ψsd=0；穩(wěn)態(tài)時有Dψs為零，忽略定子電阻，由DFIG 矢量電壓方程可得：

將式（13）代入DFIG 矢量磁鏈方程，可以得到轉(zhuǎn)子電流q軸分量有效值Irq與電網(wǎng)電壓、定子無功電流有效值Isq的關(guān)系式：

在GB/T 36995—2018《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 故障電壓穿越能力測試規(guī)程》［21］中，對風(fēng)機(jī)HVRT 期間的無功電流要求為：

式中：IGq為風(fēng)機(jī)吸收的無功電流；Igq為GSC 無功電流有效值，由GSC 無功PI 控制輸出得到；IN為風(fēng)機(jī)額定電流。

定子的無功功率需要由RSC 控制來實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整。DFIG 定子有功功率Ps、無功功率Qs的表達(dá)式為：

將式（14）代入式（16），可以得到Qs與irq的關(guān)系式：

可見，DFIG 的定子無功電流由irq控制。聯(lián)立式（15）—式（17），可以得到HVRT 期間irq的限制條件為：

為充分利用定子的無功調(diào)節(jié)能力，并適應(yīng)不同情況（電網(wǎng)條件、風(fēng)機(jī)型號等），引入無功增益系數(shù)K（K≥1），則高電壓期間irq動態(tài)給定值可以寫為：

發(fā)生高電壓故障時，檢測電網(wǎng)電壓，并結(jié)合PI控制給定的GSC 無功電流，便可得到irq的動態(tài)給定值。K值越大，定子側(cè)吸收的無功功率越多，支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)的效果越好。

2）定子無功電流極限值計(jì)算

同時，對定子無功的控制還應(yīng)考慮定子側(cè)的容量限制。對轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行控制時，也受到轉(zhuǎn)子繞組容量的約束，轉(zhuǎn)子電流Ir不應(yīng)超過轉(zhuǎn)子電流極限值Ir，max：

式中：Ird和Irq分別為轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量的有效值。

由式（9）和式（16）可得如下關(guān)系式：

將式（21）代入式（20）可得：

Ir取 最 大 值Ir，max時，定 子 無 功 電 流Isq的 極 限值為：

由式（14）和式（23）可得Irq的極限值如下：

式（19）中irq的指令值不應(yīng)超過式（24）約束的范圍。

發(fā)生高電壓故障時，GSC 側(cè)PI 控制快速響應(yīng)，控制GSC 吸收無功電流，并將igq的值輸入RSC 指令值計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電流q軸分量irq的動態(tài)調(diào)整，控制定子注入感性無功電流，實(shí)現(xiàn)DFIG 對電網(wǎng)電壓恢復(fù)的無功支撐。

2.3 RSC 定子磁鏈微分補(bǔ)償方法

電網(wǎng)電壓的驟升會引起DFIG 劇烈的暫態(tài)過程，可能造成轉(zhuǎn)子的過電流，甚至風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故。為抑制轉(zhuǎn)子電流的波動，在式（9）的ird與irq中增加定子磁鏈的微分項(xiàng)Δird、Δirq：

其中，Δird和Δirq可以由磁鏈觀測模塊和微分計(jì)算模塊獲?。?2］。考慮到單純的微分計(jì)算會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，本文采用高通濾波器求取上述轉(zhuǎn)子電流補(bǔ)償項(xiàng)?？紤]穩(wěn)態(tài)時磁鏈沒有變化，這個方法不會對風(fēng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行產(chǎn)生影響。如圖2 所示，在ird和irq中加入定子磁鏈的微分補(bǔ)償項(xiàng)Δird、Δirq，以抑制電壓驟升過程給轉(zhuǎn)子電流帶來的沖擊。

2.4 RSC 的HVRT 控 制 框 圖

圖2 RSC 控制框圖Fig.2 Control block diagram of RSC

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提HVRT 控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 平臺上搭建了并網(wǎng)風(fēng)電場模型，附錄A 圖A3 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，1.5 MW 機(jī)組的基本參數(shù)如附錄A 表A1 所示。由于DFIG 轉(zhuǎn)動慣量較大，機(jī)電時間常數(shù)遠(yuǎn)大于電磁時間常數(shù)，在故障過程中認(rèn)為DFIG 轉(zhuǎn)速恒定。

本文方法與傳統(tǒng)控制策略的區(qū)別與聯(lián)系在于：傳統(tǒng)的基于電網(wǎng)電壓定向的GSC 控制策略中，igq給定為固定值（通常為0）；本文的改進(jìn)在于，添加GSC無功分量PI 控制模塊，使GSC 可以在高電壓故障發(fā)生時快速響應(yīng)，吸收感性無功電流，不僅可以在進(jìn)線電感上分壓，避免直流母線直接承受過高的電壓，還可以為電網(wǎng)電壓恢復(fù)提供支持。傳統(tǒng)的基于SVO 的RSC 控制策略中，irq僅基于定子電壓變化給定；如式（19）所示，本文提出了計(jì)及GSC 無功電流的irq給定值動態(tài)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)兩變流器的聯(lián)合控制。

為驗(yàn)證不同工況下的HVRT 性能，分別在大功率輸出（P=1.0PN）和小功率輸出（P=0.3PN）的情況下測試風(fēng)電機(jī)組HVRT 過程的響應(yīng)特性，對應(yīng)風(fēng)速分別為12 m/s 和5 m/s。

風(fēng)機(jī)的故障穿越方法中，已有一類滅磁控制方法［23］，其思想是在轉(zhuǎn)子電流中添加與定子磁鏈變化方向相反的電流，以增加系統(tǒng)阻尼，加快暫態(tài)過程衰減。本文對傳統(tǒng)控制策略、滅磁控制中較新的方法［24］以及本文所提策略3 種方法進(jìn)行了仿真分析及對比，分別簡稱為SVO+GVO、滅磁控制和所提策略。

圖3 展示了DFIG 在大功率輸出工況（P=1.0PN）下，分別采用SVO+GVO、滅磁控制以及所提策略（設(shè)置無功增益系數(shù)K=1.0）時，電壓驟升至1.3 p.u.，持續(xù)200 ms 的HVRT 過程中機(jī)端電壓、有功功率、轉(zhuǎn)子電流q軸分量、GSC 電流q軸分量、無功功率和直流母線電壓的暫態(tài)響應(yīng)波形對比。從圖中可以看出，電壓驟升發(fā)生后，傳統(tǒng)策略和滅磁控制下，GSC 電流變化不大；而在所提策略下，PI控制快速響應(yīng)，GSC 電流q軸分量igq約為-0.4 p.u.，控制GSC吸收無功電流。同時，直流母線電壓峰值由SVO+GVO 下的1 301 V 降低到1 253 V，抑制效果優(yōu)于滅磁控制。由于磁鏈微分補(bǔ)償?shù)淖饔?，轉(zhuǎn)子電流q軸分量irq的瞬時峰值明顯降低，由0.18 p.u.降低到0.11 p.u.，轉(zhuǎn)子電流的暫態(tài)過沖得到有效抑制；在持續(xù)高電壓期間，irq保持在（-0.1～0）p.u.之間，控制風(fēng)機(jī)共吸收約（0.4～0.6）p.u.的感性無功功率；由式（15）可知，電壓驟升至1.3 p.u.期間要求風(fēng)機(jī)吸收無功功率不小于0.3 p.u.，可見所提策略滿足測試規(guī)程對無功支撐的要求，為HVRT 提供了無功電流的支持，并使得機(jī)端電壓由1.3 p.u.降低至1.285 p.u.；在整個高電壓期間，DFIG 保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，驗(yàn)證了所提策略的有效性和可行性。

圖3 大功率輸出工況下采用SVO+GVO、滅磁控制和所提策略的DFIG 的HVRT 仿真結(jié)果Fig.3 HVRT simulation results of DFIG with SVO+GVO, demagnetization control and proposed strategy under condition of high power output

圖4展示了DFIG 在小功率輸出工況（P=0.3PN）下，分別采用SVO+GVO、滅磁控制和所提策略（設(shè)置無功增益系數(shù)K=1.0）時，電壓驟升至1.3 p.u.，持續(xù)200 ms 的HVRT 過程中機(jī)端電壓、有功功率、轉(zhuǎn)子電流q軸分量、GSC 電流q軸分量、無功功率和直流母線電壓的暫態(tài)響應(yīng)波形對比。從圖中可以看出，在小功率輸出工況下，由于定子有功功率輸出較小，與大功率輸出工況相比，定子吸收無功功率的能力更強(qiáng)，轉(zhuǎn)子電流q軸分量irq的動態(tài)調(diào)整使定子吸收更多無功電流，使風(fēng)機(jī)吸收的無功功率達(dá)到（0.50～0.67）p.u.，電網(wǎng)電壓由1.3 p.u.減小到1.27 p.u.；GSC 電流q軸分量igq的絕對值由0.4 p.u.增大到0.6 p.u.，GSC 注入更多無功電流，直流母線電壓峰值由1 301 V 降低到1 230 V。所提策略在小功率輸出的工況下同樣滿足HVRT 的要求，且抑制暫態(tài)過程的效果更好。

圖4 小功率輸出工況下采用SVO+GVO、滅磁控制和所提策略的DFIG 的HVRT 仿真結(jié)果Fig.4 HVRT simulation results of DFIG with SVO+GVO, demagnetization control and proposed strategy under condition of low power output

滅磁控制的實(shí)質(zhì)是在轉(zhuǎn)子控制中注入滅磁電流，增加系統(tǒng)阻尼，縮短暫態(tài)過程時間。滅磁電流的計(jì)算通常僅基于電網(wǎng)電壓或定子磁鏈的變化［25］，未考慮GSC 的協(xié)同控制。所提策略將GSC 無功電流引入轉(zhuǎn)子側(cè)補(bǔ)償電流計(jì)算中，以協(xié)調(diào)高電壓期間兩變流器的無功功率。實(shí)驗(yàn)中，所提策略的HVRT 性能優(yōu)于滅磁控制和SVO+GVO。

圖5 展示了無功增益系數(shù)K=1.5 時，采用SVO+GVO 與所提策略的DFIG 的HVRT 仿真結(jié)果?？梢钥闯?，無功增益系數(shù)K取值更大時，DFIG在高電壓期間定子吸收了更多的無功功率，機(jī)端電壓、直流母線電壓得到了更有效的抑制。

圖5 K=1.5 時采用SVO+GVO 與所提策略的DFIG 的HVRT 仿真結(jié)果Fig.5 HVRT simulation results of DFIG with SVO+GVO and proposed strategy when K=1.5

圖6 展示了發(fā)生a、b 兩相電壓驟升時，SVO+GVO 與所提策略的DFIG 的HVRT 仿真結(jié)果。在發(fā)生不對稱故障時，風(fēng)機(jī)的暫態(tài)振蕩更加劇烈，所提策略快速響應(yīng)，在控制DFIG 吸收約0.5 Mvar 感性無功功率的同時，有效地將直流母線電壓的峰值由1 348 V 抑制到1 300 V，在多種故障情況下提高了風(fēng)機(jī)的全過程HVRT 能力。

圖6 發(fā)生兩相電壓驟升時SVO+GVO 與所提策略的DFIG的HVRT 仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of DFIG with SVO+GVO and proposed strategy when voltages of two phases suddenly rise

4 結(jié)語

本文針對DFIG 的全過程HVRT 問題，基于對變流器暫態(tài)過程的分析，在RSC 控制中引入了動態(tài)無功調(diào)整方法；為抑制高電壓故障帶來的暫態(tài)沖擊，提出了定子磁鏈微分補(bǔ)償方法，并取得如下結(jié)論：

1）GSC 無功PI 控制模塊可在電壓驟升發(fā)生時快速響應(yīng)，控制GSC 吸收感性無功功率，避免直流母線承受瞬時過電壓；RSC 控制中引入定子磁鏈微分補(bǔ)償項(xiàng)，可有效抑制電壓驟升/恢復(fù)瞬間的轉(zhuǎn)子過電流。

2）計(jì)及網(wǎng)側(cè)無功功率的轉(zhuǎn)子無功電流動態(tài)調(diào)整方法能充分利用DFIG 的無功調(diào)節(jié)能力，在可行范圍內(nèi)盡可能為電網(wǎng)電壓恢復(fù)提供無功支持。

3）仿真結(jié)果顯示，本文所提策略下風(fēng)機(jī)HVRT期間的轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓波動得到抑制，無功支撐能力得到提升，且在多種工況和故障場景下表現(xiàn)良好。

本文僅針對機(jī)端電壓驟升的故障情況提出了控制策略，連鎖故障下的DFIG 故障穿越方法有待進(jìn)一步研究。此外，如何將本文方法推廣到大型風(fēng)電場群控制當(dāng)中是未來的研究方向之一。

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