李 程，廖 勇

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400044）

引言

隨著風(fēng)電裝機容量增大，電網(wǎng)與風(fēng)電場之間的相互影響也越來越大。現(xiàn)行的風(fēng)電場接入電網(wǎng)的方式存在著許多問題，如低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）［1-3］， 現(xiàn)有文獻針對作為主流機型的DFIG 的 LVRT 能力進行了討論［4-9］。文獻［4-5］應(yīng)用外部無功補償技術(shù)提高端電壓。文獻［6］以DFIG的精確數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，提出了計及定子勵磁電流動態(tài)過程的改進勵磁控制策略。文獻［7］應(yīng)用附加網(wǎng)側(cè)變流器進行無功補償來提高端電壓。文獻［8-9］應(yīng)用轉(zhuǎn)子側(cè)改進電流控制調(diào)節(jié)定子磁通，但上述文獻無法適用于發(fā)電機母線電壓嚴(yán)重驟降的場合。為解決這個問題，更好的風(fēng)電場接入電網(wǎng)方式受到人們廣泛關(guān)注。

柔性高壓直流輸電便于連接弱交流系統(tǒng)，以其為基礎(chǔ)的風(fēng)電場并網(wǎng)方式得到了深入研究［10］。但當(dāng)直流鏈電壓一定時，兩側(cè)交流電壓的幅值將受到限制。而SST不僅有隔離故障作用，還有升壓功能。因此風(fēng)電場采用SST的并網(wǎng)方式受到學(xué)術(shù)界的重視［11］。 文獻［12］依靠單相 d-q 矢量控制，提出電壓和功率平衡控制策略來控制級聯(lián)多電平SST。文獻［13］借助SST的多個變流器的控制，滿足光伏發(fā)電的最大功率跟蹤、單位功率因數(shù)發(fā)電并網(wǎng)等要求。文獻［14］則引入SVPWM控制技術(shù)提高SST的性能。但DFIG機組并入電網(wǎng)有其特點及控制需求，上述文獻無法解決其存在的問題。文獻［15］利用SST的故障隔離功能緩解公共耦合點電壓的下降對風(fēng)力發(fā)電機端電壓的影響，但這僅適用于電網(wǎng)電壓輕度跌落的場合。

本文針對風(fēng)場側(cè)電網(wǎng)電壓突然跌落引起的DFIG風(fēng)力發(fā)電機電壓、電流及電磁轉(zhuǎn)矩沖擊，采用SST將DFIG風(fēng)電場接入電網(wǎng)，通過SST控制風(fēng)場側(cè)電網(wǎng)電壓，抑制DFIG定、轉(zhuǎn)子過電壓、過電流，使風(fēng)機變流器功率器件免受沖擊，從而提高并網(wǎng)DFIG的LVRT能力。同時為避免SST的功率器件受過電壓和過電流的沖擊，本文進一步分析風(fēng)場側(cè)換流器輸出電壓變化斜率與能量傳遞、直流鏈等效電容容值的關(guān)系，以及風(fēng)場側(cè)電壓下降與電網(wǎng)電壓下降的關(guān)系，以尋求最佳SST下降、上升斜率；最后建立了DFIG系統(tǒng)、SST及其控制系統(tǒng)的模型，并對電網(wǎng)故障進行了仿真，驗證所提SST控制策略的正確性和有效性。

1 固態(tài)變壓器及其控制

固態(tài)變壓器把電力電子變換技術(shù)和基于電磁感應(yīng)原理的高頻電能變換技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了電壓（或電流）幅值、頻率、相位的變換。圖1顯示了級聯(lián)型三相SST的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第1階段是三相全控整流器，第2階段是隔離型高頻直流/直流轉(zhuǎn)換器，由雙向有源橋（dual active bridge，DAB）轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，高頻變壓器主要起到電氣隔離和電壓等級變換的作用。第3階段是三相全控逆變器。圖1中Vhabc為公共耦合點（point of common coupling，PCC）的電壓，ihabc為從PCC流入SST的電流，Vhdc為高壓直流鏈電壓，Vldc為低壓直流鏈電壓，Vlabc和ilabc分別為逆變器的輸出電壓和電流。由于系統(tǒng)的功率雙向傳輸特性，功率還可從低壓側(cè)傳輸?shù)礁邏簜?cè)。

圖1 三相SST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SST的基本工作原理為將原邊的工頻信號由電力電子電路升頻轉(zhuǎn)化為高頻信號，然后由中間高頻隔離變壓器耦合到副邊，再通過電力電子電路降頻還原成工頻信號。

圖2（a）為整流單元d、q解耦控制框圖?？刂葡到y(tǒng)采用電網(wǎng)電壓定向控制，其中d軸控制回路調(diào)節(jié)直流母線電壓，以使有功功率及時傳送至電網(wǎng)，q軸控制回路實現(xiàn)無功功率傳輸，控制這兩分量可控制電網(wǎng)側(cè)輸入端的功率因數(shù)。DAB中逆變器和整流器的驅(qū)動信號是占空比為50%的互補觸發(fā)脈沖。當(dāng)傳輸?shù)挠泄蚔hdc保持不變時，通過控制原副邊調(diào)制信號的移相角差Ddc即可調(diào)節(jié)Vldc，控制系統(tǒng)如圖2（b）所示。三相SST的逆變單元的控制系統(tǒng)采用一個恒定的定向在d軸的虛擬電壓矢量V*labc為參考（如圖2（c）所示），使風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)這個無源網(wǎng)絡(luò)的電壓矢量也定向在d軸上，進而實現(xiàn)了有功和無功的解耦控制，此時 V*l，q＝0。

圖2 SST控制框圖

2 電網(wǎng)故障情況下SST控制策略

電網(wǎng)對稱故障的過渡過程包括電網(wǎng)電壓驟降后，風(fēng)電場從正常運行過渡到故障運行，以及電網(wǎng)電壓突然恢復(fù)后，風(fēng)電場從故障運行恢復(fù)到正常運行。雙饋風(fēng)電場采用傳統(tǒng)變壓器時，定子電壓幅值會隨著電網(wǎng)電壓驟降而驟降，進而引發(fā)發(fā)電機定子磁鏈出現(xiàn)較大暫態(tài)直流分量。因為故障期間定子磁勢產(chǎn)生的電樞磁場分量只能經(jīng)過轉(zhuǎn)子繞組的漏磁路，所以轉(zhuǎn)子繞組中必將感應(yīng)出較大的電流才能產(chǎn)生足夠的磁鏈來平衡定子磁鏈。另外，若電網(wǎng)故障過程中發(fā)電機仍舊輸出較大功率，則由于發(fā)電機定子電壓的降低，定子電流必將增大，發(fā)電機轉(zhuǎn)子切割定子磁場也將在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)差頻率電流分量?，F(xiàn)代的風(fēng)機能在此情況下自動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子電流的恒流控制。

SST的整個運行工況要求其中的兩直流鏈電壓的波動盡可能小，它的穩(wěn)定是網(wǎng)側(cè)換流器（grid side voltage source converter，GSVSC）和風(fēng)場側(cè)換流 器 （wind farm side voltage source converter，WFVSC）互不干擾，獨立控制的前提條件。電網(wǎng)電壓因故障發(fā)生深度跌落后，GSVSC的輸出功率將受到限制，從WFVSC輸送到DAB的有功無法全部饋入電網(wǎng)。功率的不平衡使多余的有功在電容積累而引發(fā)充電電流，導(dǎo)致其電壓隨時間大幅上升，威脅直流環(huán)節(jié)的安全運行，降低系統(tǒng)在電網(wǎng)故障下的穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)脫網(wǎng)。

要實現(xiàn)低電壓穿越，SST需轉(zhuǎn)換控制策略。在GSVSC直流電壓控制系統(tǒng)、DAB轉(zhuǎn)換器副邊電壓控制系統(tǒng)和WFVSC交流電壓控制系統(tǒng)分別引入超馳控制模塊，使得故障發(fā)生后，控制系統(tǒng)一旦接到高壓直流鏈電壓超過安全上限這類偏差越限的異常信號，超馳邏輯將根據(jù)事故發(fā)生的原因立即執(zhí)行優(yōu)先增、優(yōu)先減、禁止增、禁止減等邏輯功能，強制系統(tǒng)運行在預(yù)先設(shè)定好的安全狀態(tài)。

2.1 風(fēng)場側(cè)換流器控制策略

DFIG的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器通常采用IGBT作為功率開關(guān)器件，為保證故障過渡過程中轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的安全運行，關(guān)鍵是要限制在此期間的轉(zhuǎn)子電流小于IGBT允許的最大暫態(tài)峰值電流。對采用SST的DFIG系統(tǒng)，控制WFVSC的輸出空間電壓矢量即可改變風(fēng)場側(cè)電網(wǎng)電壓。當(dāng)電網(wǎng)故障時，若能有效控制SST，改變發(fā)電機定子磁鏈的變化過程，進而改變發(fā)電機的電磁暫態(tài)過渡過程，使輸出電壓抵消掉發(fā)電機定子磁鏈中的暫態(tài)直流分量，則可有效“阻隔”電網(wǎng)電壓突變對發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)的不良影響，從而避免過渡期間轉(zhuǎn)子側(cè)過電流的出現(xiàn)。為了確保發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子電流均過渡平穩(wěn)，應(yīng)充分利用緩沖時間，現(xiàn)表述影響最大緩沖時間Tmax的因素。

由于SST是由功率器件組成的，無法像傳統(tǒng)變壓器一樣承受大于額定值幾倍的電壓和電流，其中DAB兩側(cè)電容器所能承受的電壓上限是依照系統(tǒng)正常運行時各直流鏈電壓大小設(shè)定的。在兆瓦級全功率的應(yīng)用上，通過增加電容容量來吸收多余能量無法滿足運行的經(jīng)濟效益，只有將從WFVSC流入到直流鏈的有功在規(guī)定的緩沖時間內(nèi)降低到故障后的平衡功率值才能根本解決問題。風(fēng)機轉(zhuǎn)子電流在故障過程中被控恒定，于是其輸出的有功隨著定子電壓降低而降低。SST可以通過控制風(fēng)場側(cè)電網(wǎng)電壓來控制傳輸?shù)街绷麈湹挠泄β剩怪c被限制的由GSVSC輸?shù)诫娋W(wǎng)的有功一致，在電網(wǎng)故障和恢復(fù)過程中依據(jù)電容電壓的運行狀況進行有功減小和恢復(fù)控制。充分利用SST內(nèi)逆變器與整流器的動態(tài)信息，借助主-從控制思想使兩者傳輸?shù)墓β蕪娭破ヅ?，以適應(yīng)電網(wǎng)故障下的運行。

DC/DC單元的低壓直流鏈相比于高壓直流鏈需承受更大的直流電流，為保持電壓穩(wěn)定，低壓側(cè)的電容值比高壓側(cè)電容值大很多。電網(wǎng)故障情況下，可利用低壓直流鏈儲存一部分多余的有功，以分擔(dān)一定高壓側(cè)電容的壓力，相當(dāng)于增加了該單元的電容值，延長了最大緩沖時間。

電網(wǎng)發(fā)生故障后，如果檢測到的高壓直流鏈電壓幅值高于門限值Vhdc_th，WFVSC的控制系統(tǒng)需在Tmax秒內(nèi)完成電網(wǎng)故障情況下的控制，以保證兩側(cè)直流鏈電壓大小均不超過上限值，計算Tmax的直流鏈動態(tài)方程為

式中：Pw_n和Pw_f分別為故障前后輸入到DC/DC單元的有功；PG_n和PG_f分別為故障前后輸出到電網(wǎng)的有功；Ch、Cl分別為高壓直流鏈和低壓直流鏈的電容容值。由式（1）和式（2）可得到高壓直流鏈電壓從門限值Vhdc_th以及低壓直流鏈電壓從正常運行值Vldc_n同時達到各自上限值Vhdc_max、Vldc_max所用的時間，即最大緩沖時間為

選擇合適的小于Tmax的緩沖時間T后，可得到故障發(fā)生后風(fēng)機定子電壓由正常運行值Vs_n開始降低的降壓曲線斜率ks_d和故障消除后風(fēng)機定子電壓增壓曲線斜率ks_i的整定方式分別為

控制策略的變換最終是確保風(fēng)電場有功輸出降低到故障時的平衡功率。故障情況下GSVSC饋入電網(wǎng)的有功隨著電網(wǎng)電壓跌落而降低，本文用電網(wǎng)電壓跌落因子ku來衡量電網(wǎng)電壓跌落程度，ku定義為

式中：ug_f為電網(wǎng)電壓故障時的電壓幅值；ug_d為電網(wǎng)電壓正常時的d軸分量大小。

控制WFVSC輸出的電壓幅值，按電網(wǎng)電壓跌落因子 ku比例降低， 即令此時 Vl，d的給定 V*l，d_f=kuV*l，d_n。 其中，V*l，d_n為正常運行時Vl，d的給定，降低到該指令的斜率由式（4）確定?？刂颇Ｊ降霓D(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)故障下風(fēng)場側(cè)換流器的故障穿越控制

2.2 雙向有源橋轉(zhuǎn)換器控制策略

緩沖時間T也是低壓側(cè)電容電壓變化的重要依據(jù)，得到的低壓直流鏈電壓的增壓曲線斜率kdc_i和降壓曲線斜率kdc_d分別為

電網(wǎng)故障下低壓直流鏈電壓超弛控制原理如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)故障下雙向有源橋的故障穿越控制

控制系統(tǒng)檢測到異常信號后啟動該模塊，根據(jù)檢測到的高壓直流鏈電壓的標(biāo)幺值確定低壓直流鏈電壓標(biāo)幺值的給定。其中，兩個標(biāo)幺值的基準(zhǔn)值均是正常運行時各自電壓大小。低壓側(cè)電容電壓從正常運行值增加，斜率由式（6）確定，直到兩邊電容電壓的標(biāo)幺值相同后，低壓側(cè)電容電壓開始與高壓側(cè)電容電壓保持同步上升或下降，以達到兩邊電容器依照各自緩沖能力承擔(dān)多余有功功率的效果。

2.3 電網(wǎng)側(cè)換流器控制策略

為幫助電網(wǎng)建立電壓，加快故障清除，希望SST能在故障期間向電網(wǎng)提供一定無功支持。又為防止換流器電流過大而導(dǎo)致?lián)p壞，GSVSC需變換到恒流控制，因此，其輸出的無功有限。SST要向電網(wǎng)優(yōu)先提供盡可能多的無功補償，超弛控制模塊會相對放開對ih，q的限制。無功功率可達的最大值和相應(yīng)電流q軸分量可達的最大值分別為

式中：Smax為GSVSC輸出視在功率最大值，一般取Smax=1.2Pmax，Pmax為其輸出最大有功功率值；Pg為當(dāng)下GSVSC傳輸?shù)挠泄β?；ig_max為變換器所能承受的最大電流；ih，d為當(dāng)下?lián)Q流器電流的d軸分量。 選擇 i*h，q小于但又接近于 ih，q_max，使傳輸?shù)臒o功小于但又接近于Qg_max。在這種限定下，GSVSC的無功電流達到盡可能大的同時，還不會出現(xiàn)過電流。

此外，為使直流鏈電壓在故障消除后盡快恢復(fù)，需在GSVSC的直流電壓外環(huán)控制回路引入超弛控制模塊。電網(wǎng)故障前，GSVSC的直流電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器投入PI1，調(diào)節(jié)器參數(shù)kpn、kin按照穩(wěn)態(tài)無差跟蹤控制要求選取。當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障時，迅速切換至調(diào)節(jié)器PI2，調(diào)節(jié)器參數(shù)kpf、kif以電壓不失穩(wěn)控制原則選取。對應(yīng)的超弛控制模塊如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)故障下網(wǎng)側(cè)換流器的故障穿越控制

3 仿真分析

本文所提的故障穿越運行控制策略的可行性由圖6所示的2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機組驗證。其中，有兩個DFIG通過SST連接到電網(wǎng)。風(fēng)力發(fā)電機組的基本風(fēng)速、切入風(fēng)速、切出風(fēng)速分別為9 m/s、4 m/s、25 m/s。將風(fēng)速為基準(zhǔn)值時的風(fēng)機角速度標(biāo)幺值設(shè)為1，在基準(zhǔn)風(fēng)速下風(fēng)機產(chǎn)生額定功率及功率因數(shù)。

圖6 采用固態(tài)變壓器的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組

三相SST的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依照圖1，控制系統(tǒng)依照圖2，并根據(jù)圖3～圖5對應(yīng)3部分的控制系統(tǒng)進行改進。第1階段的整流單元將11 kV工頻交流電轉(zhuǎn)換為30 kV高壓直流電；第2階段的DC/DC變換單元中，高頻變壓器頻率為5 kHz，原邊電壓為30 kV，副邊電壓為1 200 V；第3階段的逆變單元將1 200 V低壓直流電轉(zhuǎn)換為690 V的工頻交流電。

針對上述系統(tǒng)，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，選用的單個風(fēng)機參數(shù)為：額定功率Pn=1 MW，功率因數(shù) cos φ=0.9，定子端額定電壓 Vn=690 V，電網(wǎng)的額定線電壓為Vs=11 kV，且在1 s時階躍到2.2 kV，1.625 s時又階躍回 11 kV。 整個 SST 容量為2.4 MW，高壓直流鏈電壓的門限值設(shè)定為1.1 p.u.，上限值設(shè)為 1.2 p.u.，低壓直流鏈電壓的上限值也設(shè)為 1.2 p.u.。 對電網(wǎng)電壓 625 ms 的 80%三相對稱跌落進行仿真驗證，仿真波形如圖7所示。

圖7（a）為電網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路故障時采用傳統(tǒng)變壓器的DFIG仿真結(jié)果。DFIG機組轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)過電流，系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩大幅震蕩，直流母線電壓快速泵生。隨著暫態(tài)直流磁鏈的衰減，轉(zhuǎn)子過電流及電磁震蕩均相應(yīng)衰減。

圖7（b）為電網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路故障時采用SST的DFIG仿真結(jié)果。故障發(fā)生和切除時，在SST的隔離作用下，定子電壓的變化較為緩慢。整個故障過程中，發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子電流均過渡平穩(wěn)，故障電流峰值僅在額定值附近，有效地抑制了轉(zhuǎn)子側(cè)過電流的出現(xiàn)。直流母線電容電壓波動不大，處于安全范圍內(nèi)。發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩在所提故障控制策略下波動較小，因此對風(fēng)機的機械沖擊較小。電磁轉(zhuǎn)矩的減小使其與原有風(fēng)機軸上的機械轉(zhuǎn)矩形成了不平衡，造成了風(fēng)機轉(zhuǎn)速的短暫上升，完成了將多余的能量轉(zhuǎn)換為風(fēng)機葉輪機械能的過程。由于風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣性，在短暫的情況下，風(fēng)機角速度上升幅度相對比較小，而且風(fēng)機是變速恒頻控制方式，轉(zhuǎn)速的上升不會帶來風(fēng)機穩(wěn)定控制方面的問題。故障排除后，靠WFVSC的控制，機組迅速恢復(fù)正常運行，為故障后電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供支持。

圖7 電網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路故障時采用傳統(tǒng)變壓器和采用SST的DFIG機組仿真結(jié)果對比

圖7（c）為對應(yīng)的SST仿真結(jié)果，電網(wǎng)電壓跌落后，GSVSC輸送到電網(wǎng)的有功明顯下降。在恒流控制作用下，GSVSC的電流過沖沒有超出30%，在短暫的過渡后平穩(wěn)在大約高于額定電流20%處。電流的增大一是為了提供無功補償，其q軸分量變大；二是為了盡量輸出更多的有功，其d軸分量也變大。故障消除后都恢復(fù)到正常運行值。在超弛控制的作用下，WFVSC輸出的交流電壓緩慢下降，傳輸?shù)挠泄σ哺陆?，這樣的下降配合了GSVSC的有功傳輸，使兩直流鏈母線電壓過多的上升被抑制，增幅都不足17%，有效地保護了電容。低壓側(cè)電容電壓的上升吸收了一部分有功，緩解了高壓側(cè)電容的壓力，且由于移相角差的調(diào)節(jié)作用，低壓側(cè)電容電壓的波動比高壓側(cè)的小。

4 結(jié)語

通過對比可知，采用SST以及本文的控制方案，避免了DFIG風(fēng)力發(fā)電機電壓、電流及電磁轉(zhuǎn)矩的沖擊，使整個DFIG系統(tǒng)具有良好的低電壓穿越運行性能。故障發(fā)生后，風(fēng)場側(cè)電網(wǎng)電壓下降斜率的大小與流通過DAB兩側(cè)的有功及直流鏈等效電容容值有關(guān)，下降值的大小與電網(wǎng)電壓跌落因子有關(guān)。仿真結(jié)果表明，改進的SST控制策略減小了crowbar在某些情況下投入的機率，提高了雙饋風(fēng)力發(fā)電機低電壓穿越的能力。

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