王曉蘭，鮮龍，包廣清，張曉英，馬呈霞

（1.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅蘭州730050；2.甘肅電力科學研究院，甘肅蘭州730050）

1 引言

雙饋風力發(fā)電機（DFIG）由于其變流器容量小、造價相對較低、且可以很好地實現(xiàn)變速恒頻運行，成為風力發(fā)電中的主流機型［1］。但是因其定子繞組直接與電網(wǎng)相連、勵磁變流器容量小，導致其抗電網(wǎng)擾動的能力薄弱。電網(wǎng)發(fā)生故障時，雙饋機組內(nèi)會產(chǎn)生過電流、過電壓，同時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩暫態(tài)沖擊、輸出有功與無功功率波動等問題，嚴重地影響了雙饋風力發(fā)電機組的安全運行和輸出電能質(zhì)量［2-3］。

為了保證雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的安全可靠運行，行業(yè)規(guī)程要求，在電網(wǎng)故障期間，并網(wǎng)的風力發(fā)電機組能夠?qū)﹄娋W(wǎng)提供有效支持，即要求并網(wǎng)的風力發(fā)電機組具備低電壓穿越（LVRT）能力［4-5］。因此，如何進一步提高雙饋發(fā)電機組的低電壓穿越能力，以滿足日趨嚴格的電網(wǎng)規(guī)程要求，是風力發(fā)電中必須研究的問題［6］。國內(nèi)外的專家學者從不同的角度出發(fā)，提出了各種措施以提高雙饋發(fā)電機組的低電壓穿越能力［7-14］。

目前大部分的研究報道，主要集中于電網(wǎng)出現(xiàn)對稱故障的情況。實際上，電網(wǎng)出現(xiàn)不對稱故障的幾率要比出現(xiàn)對稱故障的幾率高很多，分析和研究不對稱電網(wǎng)故障情況下的低電壓穿越技術(shù)，更具有實際意義。

文獻［15-16］采用了正負序分解、雙d-q軸解耦、雙PI電流調(diào)節(jié)器控制的方式。這種基于雙PI電流內(nèi)環(huán)的控制方式，能在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，實現(xiàn)DFIG運行的有效控制，但是在工程實現(xiàn)中，這種方法存在正、負序PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)配合問題。文獻［17-18］在電流控制環(huán)中引入諧振控制器，構(gòu)成比例-諧振或比例-積分-諧振控制器，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器。無需轉(zhuǎn)子電流的正、負序分解，僅使用一個控制器來實現(xiàn)對正、負序電流的同時控制，在不對稱電網(wǎng)故障下，獲得了很好的動、靜態(tài)性能。但是該控制策略中的一些具體問題還有待于進一步深化研究。文獻［19-20］則提出了直接功率控制策略，具有簡單、動態(tài)響應(yīng)快、對電機參數(shù)依賴小、魯棒性好等優(yōu)點，但實現(xiàn)比較復雜。

本文針對雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中的不對稱電網(wǎng)電壓故障，基于正負序分解的思想，提出了一種正序電壓分量補償法，將不對稱故障問題轉(zhuǎn)化為對稱故障處理，簡化了控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)正序電壓分量補償方法，在網(wǎng)側(cè)變流器GSC的直流側(cè)接入了由DC-DC 變換器控制的超級電容器，研究了新的拓撲結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)側(cè)變流器GSC 的控制策略以及DC-DC 變換器的控制策略。確定了正序電壓的參考值的計算方法。采用Matlab/Simulink 構(gòu)建了相應(yīng)的仿真模型，驗證了該方法的正確性。研究結(jié)果表明，采用本文的方法，在電網(wǎng)電壓跌落80%的情況下，可以將故障相的電壓迅速地恢復至正常值的80%以上，同時保證非故障相電壓不超過正常值的120%。

2 不對稱故障分析

假設(shè)電網(wǎng)在某一時刻發(fā)生了不對稱故障為單相電壓跌落，以使后續(xù)的分析直觀明了。并以A 相為故障相，其電壓值跌落至正常電壓值的k倍，即故障后的三相電網(wǎng)電壓為

按照對稱分量法得到相應(yīng)的正序分量電壓與負序分量電壓，即

很顯然，正序電壓的幅值是負序電壓幅值的(k+2)/(k-1)倍，系數(shù)k通?？扇?.2～1，則(k+2)/(k-1)的值約為3～∞，即的幅值是幅值的3～∞倍。雙饋發(fā)電機定子側(cè)無功功率可用下式表示，即：

式中：Q為定子側(cè)的無功功率；Xm為勵磁電抗值；X為定子電抗X1與轉(zhuǎn)子電抗X2歸算至定子側(cè)的值之和；s 為電機轉(zhuǎn)差率為轉(zhuǎn)子側(cè)電阻歸算至定子側(cè)的值；U為定子側(cè)的電網(wǎng)電壓的有效值。

當上式中電機的參數(shù)一定時，無功功率的值將與U2成正比。即與補償正序電壓對應(yīng)的無功功率是與負序電壓對應(yīng)的無功功率的9～∞倍。

若補償后的正序電壓與負序電壓分別為和，并定義需要的電壓補償度為

則由前面的關(guān)系可得Δu+?Δu-，也就是說對負序電壓的補償度相比于對正序電壓的補償度可以忽略不計。

而故障電壓的負序分量為

令正序電壓恢復系數(shù)為p，即補償后的正序電壓為正常值的p倍，則有下式：

而負序電壓保持不變，仍為式（6）。則補償后的三相電壓為

式中：α為120°旋轉(zhuǎn)因子。

則補償后的三相電壓與正常值時的三相電壓的幅值關(guān)系為

由上述可以看出，若僅僅將正序電壓補償至正常值（p=1）時，由于補償階段并沒有將較小的負序電壓消除掉，從而導致最終合成的電壓情況為：故障相電壓將低于正常值，而非故障相電壓高于正常值，并且隨著k的減小而愈加嚴重。從對稱分量法的角度來分析，因為k越小，故障越嚴重，負序分量的比重也就越大，導致負序分量影響最終合成電壓的效果就更加明顯。

為了在補償故障相電壓的同時，不讓非故障相發(fā)生過電壓，依據(jù)故障穿越規(guī)范的要求，對非故障相電壓進行限制，使故障期間的電壓不超過正常值的125%，為了留有一定的裕量，將其限制為不能超過正常值的120%。則有

而要將故障相恢復至正常值，應(yīng)使得下式成立，即：

求解式（11），得到

當k在0.2～1 范圍內(nèi)取值時，按照式（12）所確定的p值并不全都滿足式（10）。需要降低對故障相的恢復要求以保障非故障相不發(fā)生過電壓。

經(jīng)過相應(yīng)的分析與調(diào)整可以得出確定正序電壓恢復系數(shù)p的步驟為：將k代入式（11）確定出p，并記為p1，將k代入式（12）確定出p 并記為p2，則p最終的取值為

確定出p值也就意味著確定了正序電壓的參考電壓值。這樣，只需相應(yīng)的控制策略提供對應(yīng)的無功功率，將故障時的正序電壓補償至所確定的參考電壓值即可，不必同時考慮負序分量的影響。本文將該方法稱為正序電壓分量補償法。使用該方法，將不對稱故障情況下的補償問題，簡化為對電壓正序分量的補償，降低了系統(tǒng)的復雜程度。

3 實現(xiàn)正序電壓分量補償法的拓撲結(jié)構(gòu)

在電網(wǎng)電壓發(fā)生故障期間，為了快速恢復電網(wǎng)故障電壓，網(wǎng)側(cè)變流器GSC 將運行于STATCOM模式，從而為電網(wǎng)提供無功功率，以快速恢復故障電壓。但影響了網(wǎng)側(cè)變流器GSC 維持直流母線電壓穩(wěn)定的能力，而直流母線電壓的不穩(wěn)定又會反過來影響GSC 輸出無功功率的能力，使電網(wǎng)電壓難以快速恢復。其根本原因是維持直流母線電壓穩(wěn)定和向電網(wǎng)提供持續(xù)穩(wěn)定的無功功率都是由控制網(wǎng)側(cè)變流器GSC 來實現(xiàn)的，使二者之間相互耦合。因此，在故障期間，若將維持直流母線電壓的穩(wěn)定和向電網(wǎng)提供無功功率分別獨立完成，將能夠使故障電壓快速恢復。

基于以上分析，在網(wǎng)側(cè)變流器GSC的直流側(cè)加入由DC-DC變換器控制的超級電容器，如圖1所示。加入超級電容器之后，不論是否在故障期間，網(wǎng)側(cè)變流器不再負責維持直流母線電壓的穩(wěn)定，而將此任務(wù)交由雙向DC-DC 變換器進行控制。網(wǎng)側(cè)變流器GSC的任務(wù)是在電網(wǎng)正常時，負責轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率的傳輸，而在電網(wǎng)發(fā)生故障時，運行于STATCOM 模式，而此時由于有DC-DC 變換器控制的超級電容器，維持了直流母線電壓的恒定，故而網(wǎng)側(cè)變流器GSC可以很好地運行于STATCOM 模式，為電網(wǎng)提供持續(xù)穩(wěn)定的無功功率，進而加快電網(wǎng)故障電壓的恢復。達到了維持直流母線電壓穩(wěn)定和向電網(wǎng)提供持續(xù)穩(wěn)定無功功率分別進行控制的目的。

圖1 實現(xiàn)正序電壓分量補償法的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of implement the compensation method based on positive sequence voltage component

4 實現(xiàn)正序電壓分量補償法的控制策略

針對圖1所示實現(xiàn)正序電壓分量補償法的拓撲結(jié)構(gòu)，進一步研究其網(wǎng)側(cè)變流器和DC-DC 變換器的控制策略。其中最為關(guān)鍵的是網(wǎng)側(cè)變流器相應(yīng)的控制策略。

與傳統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變流器GSC的控制相比較，圖1 中所示實現(xiàn)正序電壓分量補償法的控制策略，主要是確定有功電流與無功電流的參考值，也就是在電網(wǎng)正常與故障情況下，合理確定有功與無功電流的參考值。

首先分析電網(wǎng)故障時的情況。此時網(wǎng)側(cè)變流器GSC 將運行于STATCOM 模式，因此，在這種情況下的有功電流參考值為0。而對于無功電流參考值的確定，采用前面提出的正序電壓分量補償法。即在電網(wǎng)發(fā)生非對稱故障時，按照式（10）～式（13）確定出相應(yīng)的電壓恢復系數(shù)p，從而確定出相應(yīng)正序分量的參考電壓其中為電網(wǎng)額定電壓，p為前面提到的正序電壓恢復系數(shù)。將此電壓參考值與實際電網(wǎng)正序電壓相減，差值經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器之后得到故障情況下的無功電流參考值，如圖2 所示的故障狀態(tài)部分。從而控制網(wǎng)側(cè)變流器提供無功功率，使發(fā)電機網(wǎng)側(cè)電壓的正序分量快速恢復至相應(yīng)的參考值。

圖2 網(wǎng)側(cè)變流器的控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Control diagram of GSC

其次對于電網(wǎng)電壓正常的情況，網(wǎng)側(cè)變流器GSC 直流側(cè)的電壓由超級電容器通過雙向DC-DC變換器控制。當超級電容器工作電壓低于其參考值時，網(wǎng)側(cè)變流器GSC 向直流側(cè)輸送能量，使直流側(cè)電壓升高，直流側(cè)對超級電容器進行充電，使超級電容器的電壓升高。當超級電容器工作電壓高于參考值時，其工作原理與之類似。

從以上的分析可以看出，在電網(wǎng)電壓正常時，超級電容器的電壓和直流側(cè)電壓是相互影響的。使直流側(cè)電壓的控制響應(yīng)速度慢，波動較大，超級電容器充放電次數(shù)多。

為了克服上述問題，加入一個轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率的補償項，使引起直流側(cè)電壓變化的轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率直接被網(wǎng)側(cè)變流器GSC 交換到電網(wǎng)中，減小直流側(cè)電壓的波動，從而加快直流側(cè)電壓控制的響應(yīng)速度，減少超級電容器充放電次數(shù)。

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC中交換的有功功率為

式中：Pr為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC 的有功功率；ura，urb，urc，ira，irb，irc分別為轉(zhuǎn)子側(cè)的三相電壓與三相電流。

將Pr作為網(wǎng)側(cè)變流器需要補償?shù)挠泄β蔖g，即

由式（15）計算出此時網(wǎng)側(cè)的有功電流值igd，即有

另外，在電網(wǎng)正常時，網(wǎng)側(cè)變流器GSC 將間接影響超級電容器的電壓穩(wěn)定。通過超級電容器電壓參考值與其實際值usc的差值經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器之后，再與上述參考有功電流值相加，得到電網(wǎng)正常時的有功電流參考值。而無功電流的參考值設(shè)置為0。得到電網(wǎng)電壓正常時，有功與無功電流參考值確定的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示的正常狀態(tài)部分。

在圖2 所示網(wǎng)側(cè)變流器GSC 的控制系統(tǒng)中，無功電流的參考值與有功電流的參考值的確定分為電網(wǎng)電壓正常和故障兩種情況。在電網(wǎng)電壓正常的情況下，圖2 中的開關(guān)S 接通至1 位置。而當電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，開關(guān)S 接通至2 位置。從而分別確定出電網(wǎng)電壓正常和故障的情況下，相應(yīng)的有功電流與無功電流參考值，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變流器GSC 控制狀態(tài)的切換。

而對于雙向DC-DC 變換器的控制，其控制策略與傳統(tǒng)的控制方法一致，故此處不再贅述。

5 仿真分析

在Matlab/Simulink 環(huán)境下，搭建相應(yīng)的仿真模型。其中，發(fā)電機的參數(shù)為：額定電壓690 V，額定頻率50 Hz，轉(zhuǎn)子電阻0.005（標幺值），定子漏感0.171（標幺值），轉(zhuǎn)子漏感0.156（標幺值），極對數(shù)3，參數(shù)均折算到定子側(cè)。電網(wǎng)在3～3.625 s 發(fā)生單相的電壓跌落，故障相為A 相，其電壓跌落依次設(shè)置為80%，50%和20%。

為了說明問題，仿真分兩種情況進行。情況1 為采用不加超級電容器的拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)側(cè)變流器GSC 采用傳統(tǒng)的控制方式。情況2 是應(yīng)用本文提出的正序電壓分量補償法，即采用圖1 所示的拓撲結(jié)構(gòu)，按照圖2 和傳統(tǒng)的DC-DC 控制策略進行控制。得到情況1 下的仿真波形如圖3～圖5 所示，而情況2 下的仿真波形如圖6～圖8所示。

圖3 情況1下A相電壓跌落80%時的響應(yīng)曲線Fig.3 Response curves with voltage dip 80%of A phase in case 1

圖4 情況1下A相電壓跌落50%時的響應(yīng)曲線Fig.4 Response curves with voltage dip 50%of A phase in case 1

圖5 情況1下A相電壓跌落20%時的響應(yīng)曲線Fig.5 Response curves with voltage dip 20%of A phase in case 1

圖6 情況2下A相電壓跌落80%時的響應(yīng)曲線Fig.6 Response curves with voltage dip 80%of A phase in case 2

圖7 情況2下A相電壓跌落50%時的響應(yīng)曲線Fig.7 Response curves with voltage dip 50%of A phase in case 2

圖8 情況2下A相電壓跌落20%時的響應(yīng)曲線Fig.8 Response curves with voltage dip 20%of A phase in case 2

在情況1下，當A相發(fā)生80%電壓跌落時，由圖3a可以看出，故障相電壓僅恢復到額定電壓的50%，非故障相電壓為額定值的150%。A相發(fā)生50%電壓跌落的情況，由圖4a 可以看出，故障相電壓恢復到額定電壓的70%，非故障相電壓為額定值的130%。對于A 相發(fā)生20%電壓跌落的情況，從圖5a 中可知，故障相電壓恢復到額定電壓的90%，非故障相則為額定值的110%。從圖3b～圖5b 可以看出，不同電網(wǎng)電壓故障情況下，網(wǎng)側(cè)變流器GSC直流側(cè)電壓為正常值的1.65～1.7倍。

在情況2 下，A 相發(fā)生80%電壓跌落時，由圖6a 可以看出，故障相電壓恢復到額定電壓的80%，非故障相電壓為額定值的120%。在A相發(fā)生50%電壓跌落的情況，由圖7a 可以看出，故障相電壓恢復到額定電壓的90%，非故障相電壓為額定值的110%。而對于A 相發(fā)生20%電壓跌落的情況，從圖8a 中可知，故障相電壓恢復到額定電壓的95%，非故障相則為額定值的105%。從圖6b～圖8b 可以看出，不同電網(wǎng)電壓故障情況下，網(wǎng)側(cè)變流器GSC直流側(cè)電壓在正常值的1.15倍以內(nèi)。

對于兩相故障的情況，經(jīng)過仿真分析同樣可以得到以上比較明顯的現(xiàn)象，從而驗證了該方法的合理性與正確性。

6 結(jié)論

本文提出一種正序電壓分量補償法，在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)非對稱故障時，只需將正序電壓補償至所需要的參考電壓值，從而將不對稱故障問題簡化為對稱故障問題進行處理，簡化了系統(tǒng)的控制策略。

各種故障情況下的研究結(jié)果表明，本文所述實現(xiàn)正序電壓分量補償法的拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略，以及正序電壓的參考值的計算方法簡單有效。

研究結(jié)果表明，采用本文的方法，在不同電壓跌落程度的情況下，能夠快速地恢復故障電壓，降低發(fā)電機定子側(cè)電壓的不對稱程度。如在電網(wǎng)電壓跌落80%的情況下，可以將故障相的電壓迅速地恢復至正常值的80%以上，同時保證非故障相電壓不超過正常值的120%。

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