鄒文仲，袁 越，2，季澤宇，傅質(zhì)馨

（1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京211100；

2.可再生能源發(fā)電技術(shù)教育部工程研究中心，南京210098）

21世紀(jì)以來(lái)，雙饋風(fēng)機(jī)得到了十分廣泛的應(yīng)用［1］。DFIG不僅可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻，且變頻器的容量也只有其額定容量的1／4左右，節(jié)約了投資。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落后雙饋風(fēng)機(jī)定轉(zhuǎn)子電流急劇增加［2］，為了保護(hù)雙饋風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)通常采取脫網(wǎng)的方法來(lái)進(jìn)行自我保護(hù)。然而隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)將對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定造成嚴(yán)重威脅，所以要求風(fēng)機(jī)具有低電壓穿越能力［3，4］。

雙饋風(fēng)機(jī)組常用的LVRT措施是當(dāng)電網(wǎng)電壓輕微跌落后，通過(guò)改變控制策略以協(xié)調(diào)電壓和電流［5～8］，使它們都在允許的范圍內(nèi)；當(dāng)出現(xiàn)大值跌落后，通過(guò)撬棒保護(hù)［9，10］電路（Crowbar）對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行短接保護(hù)。這樣雖然保護(hù)了變頻器，但是此時(shí)的雙饋風(fēng)機(jī)將運(yùn)行在異步電機(jī)狀態(tài)，要從電網(wǎng)吸收大量無(wú)功［11］。因此，在電網(wǎng)電壓嚴(yán)重跌落的情形下，如何控制雙饋風(fēng)機(jī)不出現(xiàn)過(guò)電流和過(guò)電壓，并讓變頻器發(fā)出一定無(wú)功以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)成為雙饋風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)LVRT的關(guān)鍵所在。

本文應(yīng)用網(wǎng)側(cè)變頻器新型無(wú)功控制策略，在電網(wǎng)電壓大值跌落期間通過(guò)網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變頻器的并聯(lián)運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，并且直流側(cè)此時(shí)投入額外的直流電容來(lái)減少振蕩，以穩(wěn)定變頻器的無(wú)功輸出。仿真結(jié)果表明本文控制策略的合理性及有效性。

1 雙饋風(fēng)機(jī)模型及其控制策略

圖1是雙饋風(fēng)機(jī)示意圖：

圖1 雙饋風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of DFIG

雙饋風(fēng)機(jī)主要包括風(fēng)輪、異步機(jī)、變頻器等，為了便于研究，假定DFIG定轉(zhuǎn)子側(cè)電壓、電流正方向按電動(dòng)機(jī)慣例，則DFIG的模型方程可表示為［12，13］：

式中：U、I、Ψ、L分別代表電壓、電流、磁鏈、電感矢量；下標(biāo)s、r分別表示定轉(zhuǎn)子側(cè)的各電氣量，P為微分算子，ω1為同步角速度，ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度。

其中轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器采用文獻(xiàn)［14］中的定子電壓定向控制策略，基本原理是通過(guò)MPPT模塊得出某一風(fēng)速下的最大有功功率，與實(shí)際功率比較后，經(jīng)PI環(huán)節(jié)輸出定子有功電流的給定值，再加上前饋解耦補(bǔ)償項(xiàng)，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子有功電流的給定值。無(wú)功功率的給定值可以根據(jù)系統(tǒng)的要求而定，然后和有功電流同樣解耦計(jì)算過(guò)程，得到轉(zhuǎn)子無(wú)功電流的給定值。

網(wǎng)側(cè)變頻器的主要任務(wù)是維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，保持有功無(wú)功輸入輸出的平穩(wěn)，所以控制策略與轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器不同，圖2是網(wǎng)側(cè)變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2 DFIG網(wǎng)側(cè)變頻器主電路Fig.2 Main circuit of DFIG＇s grid－side converter

變頻器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型：

式中：ud，uq，id，iq為電網(wǎng)電壓和電流的d，q分量；vd，vq為橋壁輸出電壓的d，q分量；udc為直流母線電壓。采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，即將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定在電網(wǎng)電壓矢量us上，則網(wǎng)側(cè)變頻器從電網(wǎng)吸收的有功和無(wú)功功率可分別表示為

雙饋風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)變頻器的無(wú)功給定值為0，將導(dǎo)致故障期間雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行極不穩(wěn)定，故在故障期間根據(jù)電壓跌落的程度給網(wǎng)側(cè)變頻器一個(gè)無(wú)功給定值。同時(shí)為了充分發(fā)揮網(wǎng)側(cè)變頻器無(wú)功補(bǔ)償能力，在電網(wǎng)故障期間網(wǎng)側(cè)變頻器采用無(wú)功電流優(yōu)先原則［15］，即當(dāng)變頻器給定的視在功率超過(guò)其額定值時(shí)，則優(yōu)先滿足無(wú)功電流。綜合以上原則得到如圖3網(wǎng)側(cè)變頻器的控制框圖。

圖3 網(wǎng)側(cè)變頻器控制框圖Fig.3 Control block diagram for grid－on converter

正常運(yùn)行時(shí)K3斷開，K1和K2直接接通PI環(huán)節(jié)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致電網(wǎng)電壓跌落后，K1和K2轉(zhuǎn)向無(wú)功電流優(yōu)先判定環(huán)節(jié)，K3導(dǎo)通。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)，控制策略恢復(fù)到初始狀態(tài)。

2 新型控制策略分析

當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器閉鎖或是與網(wǎng)側(cè)變頻器并聯(lián)發(fā)無(wú)功時(shí)，此時(shí)沒(méi)有負(fù)載電流，則：

當(dāng)新投入一個(gè)新的直流側(cè)電容C后，則直流側(cè)電容變大，從上式可以看出，隨著C的增大，直流側(cè)電壓更趨于平緩。

另外，若把IGBT當(dāng)作理想的通斷開關(guān)，則其中一相可以等效成如圖4的電路。

圖4 變頻器某一相等效電路Fig.4 Equivalent circuits of grid－on converter

通過(guò)二階電路響應(yīng)的求解方法，得特征方程為

解出特征根為

特征根可能出現(xiàn)的情況有：（a）兩個(gè)不相等的負(fù)實(shí)根；（b）一對(duì)實(shí)部為負(fù)的共軛復(fù)根；（c）一對(duì)相等的負(fù)實(shí)根?？梢缘贸觯?/p>

傳統(tǒng)控制策略中，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器故障情況下是進(jìn)行閉鎖控制的，但為了使轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器在電網(wǎng)故障后與網(wǎng)側(cè)變頻器并聯(lián)向電網(wǎng)輸送無(wú)功，若同一時(shí)刻共用直流母線電容并聯(lián)運(yùn)行的逆變器開關(guān)狀態(tài)保持一致，理論上不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流［15］。

關(guān)于Crowbar電阻的整定問(wèn)題主要包括：期望的轉(zhuǎn)子衰減時(shí)間常數(shù)T′r和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器能承受的最大電壓Urmax。當(dāng)投入阻值為Rc的撬棒保護(hù)電路后，轉(zhuǎn)子衰減時(shí)間常數(shù)變?yōu)椋篢′r＝L′r／（Rr＋Rc），所以Rc越大，則轉(zhuǎn)子電流衰減的越快，但是伴隨著的是保護(hù)電阻兩端電壓的升高，可能會(huì)對(duì)直流側(cè)進(jìn)行逆向充電，所以Rc又受制于Urmax，一般來(lái)講Rc最大值的估算式如下［9］：

式中Irmax是轉(zhuǎn)子變頻器能承受的最大電流。但當(dāng)把轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器與網(wǎng)側(cè)并聯(lián)時(shí)，不必考慮保護(hù)電阻的壓降對(duì)變頻器的沖擊，保護(hù)電阻阻值的選擇更加靈活。

綜合以上措施，得到雙饋風(fēng)機(jī)新型控制策略如圖5所示。

圖5 雙饋風(fēng)機(jī)總體控制框圖Fig.5 Control block diagram for DFIG

電網(wǎng)電壓未跌落前，S1和S3接在A端，S2斷開，K1和K3斷開，K2導(dǎo)通，雙饋風(fēng)機(jī)處在正常運(yùn)行發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)控制中心檢測(cè)到電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)將S1和S3接通B端，其它開關(guān)反向動(dòng)作，此時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)工作在異步機(jī)狀態(tài)，變頻器則按照指令值對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)，控制策略恢復(fù)到初始狀態(tài)。

3 仿真分析

仿真系統(tǒng)的簡(jiǎn)化連接如圖6所示，模擬一臺(tái)DFIG接在配電網(wǎng)中，風(fēng)機(jī)出口電壓是575V，經(jīng)過(guò)變壓器T1，線路L和變壓器T2連接無(wú)窮大電網(wǎng)。風(fēng)機(jī)出口母線接有一負(fù)載。

圖6 DFIG仿真系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of simulated system for a DFIG wind power generation system

風(fēng)機(jī)的額定功率1.5MW，極對(duì)數(shù)P＝3，額定頻率60Hz，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量5.04kg·m2，直流母線電壓額定值為1200V，風(fēng)速設(shè)為11m／s，電機(jī)設(shè)為超同步運(yùn)行，初始轉(zhuǎn)速為1.09p.u.，電機(jī)的其他參數(shù)如表1所示。

表1 雙饋風(fēng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of DFIG

以上參數(shù)均是標(biāo)幺值，系統(tǒng)120kV 2.5GVA母線在0.2s時(shí)發(fā)生電壓對(duì)稱跌落故障，跌落至正常水平的40%，并在此時(shí)網(wǎng)側(cè)變頻器給定有功電流0.3p.u.，0.6s 時(shí) 電 壓 恢 復(fù) 到 正 常 水 平。Crowbar保護(hù)電路電阻值R＝0.8Ω。

為了比較以上各種控制策略的效果，現(xiàn)設(shè)置如下四種方案：

方案1：風(fēng)機(jī)的控制策略未進(jìn)行任何改動(dòng)。

方案2：電網(wǎng)故障時(shí)投入Crowbar保護(hù)電路，機(jī)側(cè)變頻器與網(wǎng)側(cè)變頻器并網(wǎng)發(fā)無(wú)功，直流側(cè)額外電容未投入。

方案3：電網(wǎng)故障時(shí)投入Crowbar保護(hù)電路，投入額外的電容，機(jī)側(cè)變頻器在電網(wǎng)故障時(shí)閉鎖。

方案4：電網(wǎng)故障時(shí)投入所有保護(hù)措施。

圖7～9分別給出了四種方案的直流電壓比較，風(fēng)機(jī)母線電壓比較、風(fēng)機(jī)母線無(wú)功功率。

直流側(cè)電壓的波形如圖7，可看出方案4在最大電壓和恢復(fù)時(shí)間方面稍優(yōu)于方案2（圖7（a）），但是相對(duì)于方案3來(lái)說(shuō)，方案4的優(yōu)勢(shì)很明顯，無(wú)論是在恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間抑或抑制直流電壓波動(dòng)方面，方案4都比方案3更加符合要求（圖7（b））。圖7（c）是總的控制效果與初始條件下的比較，可看出方案4減緩了直流電壓對(duì)電容的沖擊。

圖7 四種方案直流電壓的比較Fig.7 Contrast for DC－link voltage between four technologies

由圖8（a）和（b）可以看出方案4比方案2有更快的電壓恢復(fù)時(shí)間，比方案3有更好故障期間運(yùn)行穩(wěn)定的能力。圖8（c）表明方案4對(duì)機(jī)端電壓的提升作用，在沒(méi)有任何保護(hù)電路的條件下，機(jī)端電壓將跌落至0.4p.u.，但是進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償后，電壓僅跌落至0.6p.u.，提高了雙饋風(fēng)機(jī)的LVRT能力。

圖8 四種方案風(fēng)機(jī)母線電壓的比較Fig.8 Contrast for grid voltage between four technologies

圖9表明在方案4的情況下一臺(tái)DFIG在故障期間可以穩(wěn)定提供近0.4p.u.的無(wú)功功率，增強(qiáng)了電網(wǎng)電壓的恢復(fù)能力。

方案2提供的無(wú)功比方案4稍少，并且在電壓恢復(fù)階段會(huì)有比方案4更大的波動(dòng)，這也間接說(shuō)明第2節(jié)中增加電容可以減少振蕩分析的正確性。

方案1和方案3都會(huì)導(dǎo)致無(wú)功的劇烈波動(dòng)，在工程實(shí)際應(yīng)用中要盡量避免此種情況的發(fā)生。

圖9 四種方案下風(fēng)機(jī)母線無(wú)功功率Fig.9 Contrast for DFIG＇s reactive power between four technologies

由圖10可以看出，相比方案1、2、3，方案4中的GSC可以提供更加穩(wěn)定的無(wú)功來(lái)支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。

圖11表明電網(wǎng)故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器工作在發(fā)無(wú)功的狀態(tài)，也表示了控制策略是有效的。

圖10 四種方案下GSC的無(wú)功功率Fig.10 Contrast for GSC＇s reactive power between four technologies

圖11 開關(guān)K3的無(wú)功功率Fig.11 Reactive power of switch K3

圖12是GSC有功功率示意圖，0.2s以前，雙饋風(fēng)機(jī)工作在超同步速狀態(tài)，故雙饋風(fēng)機(jī)定轉(zhuǎn)子都向電網(wǎng)饋送能量，由圖12可以看出GSC約向電網(wǎng)饋送0.04p.u.的有功功率。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落后，由于網(wǎng)側(cè)變頻器沒(méi)有使用無(wú)功電流優(yōu)先的控制策略，所以可能繼續(xù)發(fā)出有功，但是當(dāng)使用方案4后，無(wú)功電流優(yōu)先原則發(fā)揮作用，由于故障階段定子電流的增大，id和iq也相應(yīng)增大，由無(wú)功電流優(yōu)先的判定原則可知有功功率會(huì)迅速減少，圖12充分支持了以上分析。

圖13可以看出方案2、3、4都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速的迅速上升，但方案4可使DFIG的轉(zhuǎn)速加速過(guò)程盡早結(jié)束，且恢復(fù)最快。

圖12 GSC的有功功率Fig.12 Active power of GSC

圖13 雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比較Fig.13 Contrast for rotation speed between four technologies

圖14和15分別是風(fēng)機(jī)出口母線電流的波形和電壓的頻譜圖。

從圖15（a）中可以看出方案4在改善風(fēng)機(jī)出口母線的電能質(zhì)量方面比方案2的優(yōu)勢(shì)不是很明顯，僅高次諧波的含量有所減少。

但方案4相對(duì)于方案3優(yōu)勢(shì)明顯，從圖14（b）和15（b）中可以清楚的看出無(wú)論是電流故障期間的穩(wěn)定程度還是電壓故障期間的諧波含量，方案4都優(yōu)于方案3。

圖14（c）和15（c）是初始控制狀態(tài)和方案4的比較，可以看出故障期間母線電流的幅值在方案4的控制下和正常時(shí)基本一致，方案1則高于正常值50%左右。

從電壓頻譜圖也看出方案4的基波幅值約是方案1的2倍，高次諧波含量也相對(duì)較少，方案4對(duì)機(jī)端電壓的提升效果明顯。

圖14 四種方案下風(fēng)機(jī)母線電流比較Fig.14 Contrast for DFIG＇s busbar current between four technologies

圖15 風(fēng)機(jī)母線電壓頻譜圖比較Fig.15 Contrast for DFIG＇s busbar voltage frequency spectrum between four technologies

以上方案均可提升DFIG的LVRT能力，其中方案4的效果最好，對(duì)機(jī)端電壓的提升效果明顯，方案2次之，而DFIG在方案3控制下各電氣量會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，工程實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免。

4 結(jié)論

本文對(duì)DFIG在電網(wǎng)電壓跌落情形下不同的無(wú)功控制策略進(jìn)行了仿真，在幾乎不增加硬件的情況下，對(duì)DFIG的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改動(dòng)，使其在電網(wǎng)電壓跌落期間不僅不脫網(wǎng)，而且可以充分發(fā)揮網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變頻器的無(wú)功補(bǔ)償能力對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。在此基礎(chǔ)上，本文分析了直流側(cè)故障期間振蕩的原因，并提出了改進(jìn)措施。仿真結(jié)果表明，電網(wǎng)故障期間網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)變頻器都可以對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功支撐，提升了機(jī)端電壓，增強(qiáng)了雙饋風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力。

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