基于18相風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容錯控制策略研究

周詩嘉，黃守道，榮飛，楊光源，辛清明

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；3.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510663)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電網(wǎng)的數(shù)量越來越多，單機(jī)容量越來越大。多相永磁電機(jī)繞組數(shù)量多、容錯性高，同等容量下定子繞組電流小，特別適合低壓大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，目前已逐步應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中[1-3]。為充分利用多相風(fēng)機(jī)容錯性好的優(yōu)勢，文獻(xiàn)[4-5]提出了在直流并網(wǎng)系統(tǒng)中采用容錯控制。文獻(xiàn)[6]提到了一種將多相風(fēng)機(jī)與MMC結(jié)合起來的系統(tǒng)拓?fù)洌麄€系統(tǒng)具有容錯性高、風(fēng)機(jī)繞組電壓應(yīng)力低、直流輸電電壓升壓比高、變流器成本低等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]提出一種多相風(fēng)機(jī)通過MMC交流接入的拓?fù)?，主要適用于中低壓系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]設(shè)計了基于上述拓?fù)涞目刂撇呗?，但在容錯控制策略的研究中僅模擬了切除并聯(lián)隔離型 H 橋 DC/DC 變流器的故障工況，證明了該控制策略在一定故障工況下呈現(xiàn)了很好的容錯性，但對多相風(fēng)機(jī)的故障類型分析和容錯控制策略的論證不夠充分。

多相電機(jī)包含多個繞組，相數(shù)多于傳統(tǒng)電機(jī)，當(dāng)定子繞組出現(xiàn)開路故障時[5，8]，通過硬件電路電氣隔離的方式，電機(jī)部分繞組開路和匝間短路故障、功率器件開路和短路故障，最終都可轉(zhuǎn)化為開路故障，等效為電機(jī)的缺相運(yùn)行，通過合適的容錯控制策略可以使剩余的正常相補(bǔ)償故障引起的轉(zhuǎn)矩脈動，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[10-12]。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1所示的多相風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將多相風(fēng)機(jī)與MMC結(jié)合起來，具有風(fēng)機(jī)繞組電壓應(yīng)力低、直流輸電電壓升壓比高、容錯性高、變流器成本低等優(yōu)點(diǎn)[6，13-14]。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 繞組故障的容錯控制技術(shù)

2.1 繞組故障的特性分析

當(dāng)多相電機(jī)出現(xiàn)某一相開路故障時，屬于繞組故障的工況，最簡單的控制方法就是直接切除出現(xiàn)故障的那一套三相繞組，保留剩下的一套或多套繞組運(yùn)行。如在6相電機(jī)中，切除出現(xiàn)故障的一套三相繞組后，只剩下一套三相繞組運(yùn)行，這時可以直接看作傳統(tǒng)三相電機(jī)，采用三相電機(jī)的控制策略。這種工況下，在控制輸出功率不變的條件下，每一相輸出電流將上升至原先的兩倍。選用這種控制策略，易導(dǎo)致定子繞組電流應(yīng)力增加，而且沒有充分利用多相電機(jī)獨(dú)特的相數(shù)冗余優(yōu)勢，該控制方法并不是多相風(fēng)機(jī)的最優(yōu)解決方案[4-5]。

繞組發(fā)生故障時，風(fēng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流均會出現(xiàn)較大的波動，因此勢必會造成轉(zhuǎn)矩波動增大，影響風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的整體性能[11，13-18]。

2.2 繞組故障的控制策略設(shè)計

檢測多相風(fēng)機(jī)的風(fēng)速v，根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片半徑R和最佳葉尖速比λ(R、λ可通過查詢風(fēng)機(jī)說明書得到[19-21])計算電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度給定值ωref：

(1)

檢測18相直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度ω，將ωref和ω進(jìn)行比較，比較結(jié)果通過第一PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到輸出結(jié)果為電流參考值iref，如式(2)所示：

(2)

式中：KP1和KI1分別是第一PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；1/s是積分因子。

分別檢測18相直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)各定子繞組電流，當(dāng)檢測到某套定子繞組持續(xù)2 ms電流為0時，判定該套定子繞組開路。以檢測到第p套三相繞組的第q相定子繞組開路為例，三相橋式不控整流器DRp輸出電流參考值為：

(3)

其他各組三相橋式不控整流器輸出電流參考值為：

(4)

式中：下標(biāo)r=1，2，…，6，且r≠p。

檢測各三相橋式不控整流器DRm的輸出電流im，將各三相橋式不控整流器DRm的輸出電流參考值iref_m和im進(jìn)行比較，比較結(jié)果通過第二PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到輸出結(jié)果Sm，如式(5)所示：

(5)

式中：KP2和KI2分別是第二PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；下標(biāo)m表示第m個三相橋式不控整流器；Sm是DCm的調(diào)制信號。

將Sm和三角載波進(jìn)行比較，得到隔離型H橋DC/DC變流器DCm的觸發(fā)脈沖信號。由此可得繞組開路故障下，多相風(fēng)機(jī)缺相運(yùn)行控制框圖如圖2所示。

圖2 多相風(fēng)機(jī)缺相運(yùn)行控制框圖

3 仿真分析

為驗(yàn)證所提控制方法的可行性，在仿真軟件中搭建了基于多相風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

1)額定工況

在額定風(fēng)速10.4 m/s的工況下，多相風(fēng)機(jī)的高壓直流側(cè)電流、定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和定子電流波形的仿真結(jié)果(標(biāo)幺值)如圖3所示。由圖可知，多相風(fēng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時，電磁轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩可以迅速調(diào)整為穩(wěn)定狀態(tài)，并且轉(zhuǎn)矩幾乎無脈動，高壓直流側(cè)并網(wǎng)電流幅值穩(wěn)定在1 p.u.附近，紋波在1.8%左右，波動較小，能夠滿足高壓并網(wǎng)的要求。

(a)高壓直流側(cè)電流

(b)定子磁鏈

(c)電磁轉(zhuǎn)矩

(d)定子電流

2)故障工況

保持與額定工況下參數(shù)一致，在系統(tǒng)運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)后，在t=1.5 s斷開風(fēng)機(jī)第一套繞組的A相，用以實(shí)現(xiàn)多相風(fēng)機(jī)定子繞組單相開路故障，可以得到多相風(fēng)機(jī)從額定工況到故障工況的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)波形；在t= 3 s處采用定子繞組開路控制策略，用以驗(yàn)證所提繞組開路故障控制策略的有效性和正確性。仿真結(jié)果如圖4所示。

(a)高壓直流側(cè)電流

(b)定子磁鏈

(c)電磁轉(zhuǎn)矩

(d)三相橋式不控整流器輸出電流

當(dāng)穩(wěn)定運(yùn)行過程中發(fā)生多相風(fēng)機(jī)單相繞組開路故障后，風(fēng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、高壓直流側(cè)電流和定子電流均會出現(xiàn)較大的波動，電磁轉(zhuǎn)矩的脈動約為31.7%，定子磁鏈的波動約為15%，高壓直流側(cè)電流振動大幅度增加，定子電流的諧波畸變率增大，高壓直流側(cè)電流多相風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)在故障工況下可以達(dá)到新的平衡狀態(tài)，但是系統(tǒng)的各相性能急劇下降。在系統(tǒng)單相繞組開路后t=3 s時，采用所提的定子繞組開路控制策略，多相風(fēng)機(jī)可以快速從故障狀態(tài)過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)，定子磁鏈、電流的波動和高壓并網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變均有所降低，約降低1/3。采用開路故障控制策略后的系統(tǒng)性能對比情況見表2。

表2 采用開路故障控制策略后的系統(tǒng)性能對比 %

通過對定子繞組開路故障情況下多相風(fēng)機(jī)缺相運(yùn)行控制策略的仿真研究，可保證多相風(fēng)機(jī)在定子繞組發(fā)生故障時，仍可以由無故障不間斷切換至缺相故障狀態(tài)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各隔離型H橋DC/DC變流器之間的功率平衡和高壓直流并網(wǎng)的穩(wěn)定，有效提高了系統(tǒng)的容錯性。相比傳統(tǒng)三相發(fā)電機(jī)，在相同的定子電壓下，傳輸?shù)墓β矢螅姶呸D(zhuǎn)矩脈動更低，可靠性大大提高。

4 結(jié)論

針對多相電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以根據(jù)開路故障對定子磁動勢影響的差異，對多相電機(jī)的故障工況進(jìn)行等效劃分，大大縮短研究周期。利用矢量疊加的原理，研究并分析了多相風(fēng)機(jī)缺相故障工況下，定子電流合成磁鏈的變化特征及轉(zhuǎn)矩脈動規(guī)律。在缺相故障下，以電流的比值作為各繞組能量分配的比值，實(shí)現(xiàn)整體繞組能量的最優(yōu)分配，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)矩脈動。

針對系統(tǒng)中繞組開路及變流模塊發(fā)生故障的問題，通過分析機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)能量傳輸機(jī)理，對故障后的三相不控整流器的輸出電流參考值進(jìn)行重新整定，提出相應(yīng)的容錯控制方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在故障工況下的穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性。針對直流網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生的短時降落或直流短路故障，設(shè)計低電壓穿越控制策略，通過降低風(fēng)機(jī)側(cè)輸入功率保證機(jī)側(cè)網(wǎng)側(cè)功率平衡，實(shí)現(xiàn)直流電壓故障穿越。最后，通過仿真對變流模塊故障的電流重分配控制策略及直流短路故障控制策略的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明提出的控制策略效果滿足系統(tǒng)需求，提高了大功率多相電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。