高仕紅，張昌華，耿東山，李紹武

（湖北民族學院，湖北 恩施 445000）

0 引言

目前，兆瓦級雙饋異步發(fā)電機(Double-Fed Induction Generator，DFIG)廣泛用于變速風力發(fā)電系統(tǒng)，其特殊的入網(wǎng)方式及功率的調(diào)節(jié)手段，導致機組對電網(wǎng)擾動非常敏感[1]。特別因電網(wǎng)故障引起的DFIG機端電壓跌落，導致DFIG轉(zhuǎn)子繞組的過電流[2-3]，如不采取適當措施加以限制，必引起轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(Rotor-Side Converter，RSC)的熱損壞。近幾年，許多學者對如何提高雙饋異步發(fā)電機故障穿越能力進行了大量的研究，主要研究成果可歸納為三類：(1)在轉(zhuǎn)子側(cè)或 Dc-link直流側(cè)添加 Active crowbar[4-5]，其對電網(wǎng)電壓對稱跌落有效，但在電網(wǎng)電壓嚴重不對稱跌落時，轉(zhuǎn)子繞組中流過較大的負序電流，限制了DFIG的故障穿越能力；(2)在DFIG系統(tǒng)中安裝額外的變換器或動態(tài)電阻器[6-7]，其對各種電網(wǎng)電壓跌落類型都適用，提高了DFIG的故障穿越能力，但增加了DFIG系統(tǒng)的費用和復雜性；(3)對傳統(tǒng)控制策略的改進以及定子磁鏈去磁[8-9]，是目前廣大學者較熱衷的控制策略，但在電網(wǎng)故障期間整個控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能較差，達不到DFIG故障穿越的要求。

針對傳統(tǒng)控制策略瞬態(tài)響應速度慢和控制帶寬窄的缺點，提出一個基于雙滯環(huán)電流矢量控制器的故障穿越控制策略。所提出的雙滯環(huán)電流矢量控制器具有非?？斓乃矐B(tài)響應速度和較寬的控制帶寬，可滿足電網(wǎng)對DFIG故障穿越的要求。

1 DFIG轉(zhuǎn)子開路電壓分析

依據(jù)電動機慣例，在定子坐標系下DFIG定、轉(zhuǎn)子電壓及磁鏈的動態(tài)矢量方程分別為[1-3]

式中：ψiu,,分別為電壓、電流、磁鏈矢量；LR,分別為電阻、電感；下標 mr,s, 分別為定子、轉(zhuǎn)子及激磁參數(shù)；上標s為歸算到定子側(cè)的參數(shù)；rw為轉(zhuǎn)子的電角速度。

對RSC來說轉(zhuǎn)子電壓是最重要的變量，消除式(1)、式(2)中的si及srψ，可得轉(zhuǎn)子電壓sru的表達式[5]為

式中：sr0u為轉(zhuǎn)子開路電壓(由定子磁鏈產(chǎn)生)，，是影響轉(zhuǎn)子電流動態(tài)性能的擾動項；s為轉(zhuǎn)子漏磁系數(shù)

1.1 正常運行時DFIG的轉(zhuǎn)子開路電壓

若忽略定子電阻，DFIG穩(wěn)態(tài)運行時的定子磁鏈矢量為[5,7]

式中：sU為定子電壓幅值；1w為同步電角速度。

因此，由式(3)、式(4)可得定子磁鏈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子開路電壓sr0u為

式中，s為DFIG的轉(zhuǎn)差率，1r/1ww-=s。

由式(5)可知，DFIG在正常運行時，轉(zhuǎn)子開路電壓幅值較小，為定子電壓幅值的倍。

1.2 機端電壓對稱跌落時DFIG的轉(zhuǎn)子開路電壓

電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障是最嚴重的情況，在此只分析這類故障引起的DFIG機端電壓跌落情況。假設(shè)0=t時電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，忽略暫態(tài)過程中轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)子繞組短路時DFIG的定子電壓可近似表示為[5]對應機端對稱短路的故障情況。

若忽略DFIG的定子電阻，其定子磁鏈近似等于定子電壓的積分，定子磁鏈中由定子電壓產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)分量sfψ為

式中，D為電壓跌落系數(shù)，

由磁鏈守恒原理可知，電壓跌落瞬間DFIG定子磁鏈不能突變，因此磁鏈中必出現(xiàn)暫態(tài)直流分量其表達式為

式中，sT￠為定子暫態(tài)時間常數(shù)，其中sL￠為定子瞬態(tài)短路電感。

因此，電網(wǎng)三相短路使DFIG機端電壓跌落后的定子磁鏈可表示為

由式(3)、式(9)可得定子磁鏈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子開路電壓sr0u為

由于定子電阻很小，可忽略s/1T￠。因此，式(10)可簡化為

由式(11)可知，在機端電壓跌落瞬間（0=t），轉(zhuǎn)子開路電壓則轉(zhuǎn)子開路電壓幅值約為正常時的2.3倍。在這樣高的電壓作用下，若電流調(diào)節(jié)器沒有足夠快的瞬態(tài)響應速度，在轉(zhuǎn)子繞組中必將產(chǎn)生過電流。

圖1為 2 MW 雙饋異步發(fā)電機機端電壓跌落1.0 p.u.及電壓恢復時，PI電流調(diào)節(jié)器作用下轉(zhuǎn)子電流的瞬態(tài)響應波形。由此可看出，在機端電壓跌落和恢復期間，由于PI電流調(diào)節(jié)器較慢的瞬態(tài)響應速度和較窄的控制帶寬，轉(zhuǎn)子實際電流不能很好地跟蹤參考電流。因此，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生很大的振，若取3.0-=s，蕩沖擊電流。由此看來，如何提高RSC電流調(diào)節(jié)器的瞬態(tài)響應速度，使轉(zhuǎn)子電流能較好地跟蹤參考電流，可提高DFIG的故障穿越能力。

圖1 轉(zhuǎn)子電流的瞬態(tài)響應波形Fig. 1 Transient response waveforms of rotor current

2 滯環(huán)電流矢量控制的電流調(diào)節(jié)器

滯環(huán)電流矢量控制器最初用于有源電力濾波器，其表現(xiàn)出許多優(yōu)越性能，如：非?？斓乃矐B(tài)響應速度、簡單的硬件實施以及對系統(tǒng)參數(shù)變化的不敏感等[10-11]。

2.1 RSC輸出的離散電壓矢量

引入開關(guān)函數(shù)aS、bS、cS，RSC共有8種開關(guān)模式，由分析可知三相橋臂之間存在關(guān)聯(lián)現(xiàn)象[10]，RSC輸出的各相電壓取決于其三相橋臂的總體狀態(tài)cbaSSS ，其開關(guān)狀態(tài)及輸出的對應電壓見附錄A表A1(以dcU 為基準)。

為了消除相間影響，引入空間矢量，即靜止正交αβ-坐標。當a軸與a軸重合時，根據(jù)表A1可得RSC輸出電壓矢量為[11-12]

在式(12)中，如果考慮所有的開關(guān)狀態(tài)組合，可得RSC輸出的8個離散電壓矢量為

由式(13)可知，RSC輸出的離散電壓矢量由 6個非零電壓矢量(1u~6u)和2個零電壓矢量(70/uu )組成，其空間分布及參考電壓區(qū)間如圖2所示。

圖2 離散電壓矢量的空間分布Fig. 2 Space distribution of discrete voltage vectors

2.2 滯環(huán)電流矢量控制器的實施

在轉(zhuǎn)子參考坐標中，由式(3)可得DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的輸出電壓為

若定義電流誤差，由式(14)可導出DFIG轉(zhuǎn)子電流誤差的矢量方程為

若忽略轉(zhuǎn)子電阻，要使轉(zhuǎn)子電流誤差矢量為零，定義RSC輸出的參考電壓矢量為

由式(15)、式(16)可得簡化的DFIG轉(zhuǎn)子電流誤差矢量方程為

由式(16)、式(17)可知，要完全消除轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的電流跟蹤誤差，必須計算出參考電壓矢量由于在工程實際中準確獲得轉(zhuǎn)子開路電壓r0u和參考電流的導數(shù) td/d*ri 難以實現(xiàn)，所以不可能準確計算出參考電壓矢量*ru。實際上不需要計算參考電壓矢量*ru，只要判斷出參考電壓矢量*ru所處的空間位置，適當?shù)剡x擇轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸出的電壓矢量，控制轉(zhuǎn)子電流誤差矢量riD的變化率td/driD，就可達到控制轉(zhuǎn)子電流誤差矢量riD。雙滯環(huán)電流矢量控制器(Vector-Based Double Hysteresis Current Controller，VBDHCC)的原理圖如圖3所示。

圖3 滯環(huán)電流矢量控制器原理框圖Fig. 3 Principle diagram of VBDHCC

在三相abc轉(zhuǎn)子坐標中，采用兩組滯環(huán)比較器：一組為滯環(huán)帶寬為ddD+的輔滯環(huán)比較器，根據(jù)其輸出的狀態(tài)值coboaoBBB 來確定參考電壓*ru所處的空間位置(如圖2所示)，由此確定出RSC輸出的最優(yōu)電壓矢量集。另一組為滯環(huán)帶寬為d的主滯環(huán)比較器，用于跟蹤參考電流。根據(jù)其輸出的狀態(tài)值利用區(qū)間偵測器所確定的最優(yōu)電壓集，選擇最優(yōu)電壓作為RSC的輸出電壓矢量。在控制過程中為了減少轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的平均開關(guān)頻率，并抑制輸出電流的振蕩，根據(jù)參考電壓*ru所處的空間位置，主動引入零電壓矢量(70/uu )?；陔p滯環(huán)電流矢量控制采用的開關(guān)表如表1所示。

表1 滯環(huán)電流矢量控制的開關(guān)表Table 1 Switching table of VBDHCC

所提出的基于雙滯環(huán)電流矢量控制器僅需測量轉(zhuǎn)子電流的瞬態(tài)值，變換器的門信號直接用開關(guān)表產(chǎn)生，取消了傳統(tǒng)矢量控制的調(diào)制單元，使其具有內(nèi)在的電流限制屬性和非常快的動態(tài)響應速度，由此在DFIG轉(zhuǎn)子等效電路中轉(zhuǎn)子側(cè)變換器可看成一個可控電流源，對系統(tǒng)參數(shù)變化和電壓擾動具有很強的魯棒性。

2.3 兩個控制器的過渡策略

所提出的DFIG故障穿越控制策略由兩個不同的開關(guān)策略組成。正常運行時及電壓跌落穩(wěn)定后，PI電流調(diào)節(jié)器以最優(yōu)穩(wěn)態(tài)性能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流；電壓跌落瞬態(tài)期間，DFIG轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生較大的沖擊振蕩電流，PI電流調(diào)節(jié)器的動態(tài)響應速度不足以維持轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電流的精確控制，電流跟蹤誤差將超過PI調(diào)節(jié)器的誤差帶寬，當觸擊到控制器的電流設(shè)計限值時，電壓跌落監(jiān)控單元激活雙滯環(huán)電流矢量控制器，設(shè)其作用時間為50 ms(目的是考察雙滯環(huán)電流矢量控制器作用的動態(tài)過程以及兩個控制器之間切換的平穩(wěn)性)。電壓恢復過程中兩個開關(guān)控制策略之間的轉(zhuǎn)換原理同電壓跌落期間一樣。采用的開關(guān)策略如圖4所示。

圖4 開關(guān)策略Fig. 4 Switch strategy

由于雙滯環(huán)電流矢量控制器具有非?？斓乃矐B(tài)響應，用可以忽略的響應時間，強迫轉(zhuǎn)子電流保持在滯環(huán)帶寬內(nèi)。但從雙滯環(huán)電流矢量控制器直接過渡到PI控制器是不可取的，由于PI電流調(diào)節(jié)器瞬態(tài)響應速度慢，直接過渡將在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生較大的電流振蕩。因此，為了獲得一個較穩(wěn)定的過渡，過渡時利用雙滯環(huán)電流矢量控制器的門信號，經(jīng)過一階低通濾波器得到RSC的輸出電壓矢量，重新初始化PI電流調(diào)節(jié)器。

3 故障穿越控制策略仿真研究

為了驗證所提出的故障穿越控制策略對提高DFIG故障穿越能力的有效性，在 Matlab/Simulink中構(gòu)建了仿真模型，2 MW雙饋異步風力發(fā)電機參數(shù)見附錄A表A2。仿真時為達到在不同的電流控制器之間的精確比較，保持RSC外部功率控制環(huán)的功率和轉(zhuǎn)子速度為常數(shù)。所提出的DFIG故障穿越控制策略實施框圖如圖5所示。滿載穩(wěn)定運行。0.1 st= 時機端電壓跌落，電壓跌落持續(xù)時間為0.1 s。為評估所提出的故障穿越控制策略在機端電壓深度跌落時的故障穿越能力，在此對機端電壓三種跌落類型情況進行了仿真研究，轉(zhuǎn)子電流rabci 、dc-link電壓dcU 和電磁轉(zhuǎn)矩

圖5 故障穿越控制策略框圖Fig. 5 Block diagram for fault ride-through control strategy

圖6 所提出控制策略下的 rabci 、dcU 和 emTFig. 6 rabci ,dcU andemT for proposed control strategy

一般情況下，在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器過調(diào)制運行下Dc-link的安全限制電壓為額定電壓的1.3倍，允許的轉(zhuǎn)子安全限制電流為額定電流的2倍[10]。由圖6及圖A1的分析比較可知，在所提出的復合控制器作用下，DFIG能很好地滿足電網(wǎng)要求的故障穿越要求，仿真分析比較結(jié)果如表2所示。在機端電壓跌落至電壓恢復期間，對稱跌落時控制器的切換時刻分別為0.100 2 s、0.210 7 s；電網(wǎng)相間故障時控制器的切換時刻分別為0.100 1 s、0.160 5 s；一相跌落時控制器的切換時刻分別為0.100 4 s、0.164 9 s。

表2 仿真結(jié)果Table 2 Simulation results

4 結(jié)論

為深入理解 PI電流調(diào)節(jié)的雙饋式風力發(fā)電機故障穿越能力弱的原因，詳細分析了因電網(wǎng)三相短路導致DFIG機端電壓對稱跌落時轉(zhuǎn)子開路電壓的動態(tài)特性。由于PI電流調(diào)節(jié)器有限的瞬態(tài)響應速度和控制帶寬，機端電壓跌落時在轉(zhuǎn)子端感應較高的開路電壓是引起轉(zhuǎn)子繞組過電流的本質(zhì)原因。

為提高雙饋異步風力發(fā)電機組的故障穿越能力，在此提出了基于雙滯環(huán)電流矢量控制的故障穿越策略。電網(wǎng)故障及故障清除期間，應用兩個不同的開關(guān)控制策略。在兩個控制器切換時應用了重新初始化技術(shù)，使其達到一個穩(wěn)定的過渡。為評估所提出的DFIG故障穿越策略，對電網(wǎng)對稱和不對稱短路故障引起的機端電壓跌落進行了仿真研究，通過圖6及圖A1的對比分析，所提出的基于雙滯環(huán)電流矢量控制器的故障穿越策略具有非?？斓乃矐B(tài)響應速度，有效地限制了轉(zhuǎn)子中的振蕩沖擊電流和Dc-link直流電壓的沖擊值，使其保持在安全限度以下，提高了DFIG的故障穿越能力。

附錄A

(1) RSC的開關(guān)狀態(tài)及輸出電壓

表A1 開關(guān)狀態(tài)及RSC輸出電壓Table A1 Switching modes and output voltages of RSC

(2) 2 MW雙饋式風力發(fā)電機主要參數(shù)

表A2 雙饋異步風力發(fā)電機主要參數(shù)Table A2 DFIG main parameters

(3) PI電流調(diào)節(jié)器作用下的rabci 、dcU 和emT 的波形

圖A1 PI控制下的 rabci 、dcU 和 emT 的波形圖Fig. A1 rabci ,dcU andemT for PI control

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