王艾萌，郗文遠(yuǎn)(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定　071003)

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基于滑?？刂破鞯碾p饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制策略*

王艾萌，郗文遠(yuǎn)
(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

摘要:為增強(qiáng)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(DFIG)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，設(shè)計(jì)了滑模電流控制器。分析了DFIG能量流動(dòng)關(guān)系，并從抑制能量向轉(zhuǎn)子側(cè)流動(dòng)的角度考慮，提出了電網(wǎng)故障時(shí)刻轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的改進(jìn)控制策略。對(duì)所提改進(jìn)控制策略進(jìn)行了對(duì)比仿真分析。結(jié)果表明，該方法能有效地抑制轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電流和電磁轉(zhuǎn)矩振蕩，動(dòng)態(tài)性能好，提高了DFIG的低電壓穿越能力。

關(guān)鍵詞:雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī);低電壓穿越;滑?？刂?能量流動(dòng)

郗文遠(yuǎn)(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制、新能源發(fā)電技術(shù)。

0　引言

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Doubly-Fed Induction Generator，DFIG)組應(yīng)用廣泛，但低電壓穿越問(wèn)題也最為嚴(yán)重。典型的DFIG機(jī)組，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)電力電子變流器與電網(wǎng)相連，定子側(cè)則直接接入電網(wǎng)，使得其對(duì)電網(wǎng)故障異常敏感。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，會(huì)使DFIG產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁暫態(tài)過(guò)程，引起定、轉(zhuǎn)子的過(guò)流和直流母線電壓泵升［1-5］。

近年來(lái)，各類方案相繼被提出以提高DFIG的低電壓穿越能力?？梢源笾路譃?類:第1類通過(guò)增加硬件保護(hù)設(shè)備，如Crowbar電路［3-4］，DC-chopper電路［5］等，通過(guò)增加額外的耗能設(shè)備消耗DFIG多余的能量，保護(hù)變流器的安全。但這類方案各有其局限性，且會(huì)增加風(fēng)電機(jī)組成本，降低其可靠性。第2類是在風(fēng)電場(chǎng)安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器［1］(SVC)、靜止同步補(bǔ)償器［6］(STATCOM)、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器［7］(DVR)等。這一類方案能有效地提高風(fēng)電場(chǎng)的故障穿越能力，但這一類設(shè)備往往成本過(guò)高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。第3類方案為改進(jìn)電網(wǎng)故障時(shí)刻的控制策略。文獻(xiàn)［8-12］從不同的角度考慮，得到電網(wǎng)故障時(shí)刻抑制轉(zhuǎn)子過(guò)電流的控制方法，如文獻(xiàn)［8］提出控制轉(zhuǎn)子電壓電流，產(chǎn)生與定子暫態(tài)直流分量和負(fù)序分量相反的轉(zhuǎn)子磁鏈，從而達(dá)到抑制轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電流的效果。文獻(xiàn)［9］中，通過(guò)將定子磁鏈作為前饋量，控制轉(zhuǎn)子磁鏈跟蹤定子磁鏈，從而起到減小轉(zhuǎn)子過(guò)流、抑制電磁轉(zhuǎn)矩振蕩的作用。這類方案受變流器容量的限制，電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，并不能保證變流器的安全。

本文對(duì)電網(wǎng)故障時(shí)DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略進(jìn)行研究，力圖在不觸發(fā)硬件保護(hù)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大DFIG安全運(yùn)行范圍?；诨？刂圃碓O(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子變流器功率控制策略;基于抑制電磁功率向轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞的觀點(diǎn)提出了電網(wǎng)故障時(shí)刻改進(jìn)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略;對(duì)本文所設(shè)計(jì)低電壓穿越方案的有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1　電網(wǎng)故障下DFIG的控制策略

1.1DFIG數(shù)學(xué)模型

Park模型通常用于分析DFIG的運(yùn)行特性。采用電動(dòng)機(jī)慣例，則在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中DFIG的定、轉(zhuǎn)子電壓方程和磁鏈方程可表示為［13］

式中: U——電壓;

R——電阻;

I——電流;

Ψ——磁鏈;

ωs——同步電角速度;

ωsl——轉(zhuǎn)差電角速度，ωsl=ω－ωr;

Ls、Lr——定、轉(zhuǎn)子繞組自感，其中Ls= Lm+ Lsσ、Lr= Lm+ Lrσ，Lm、Lsσ、Lrσ為定轉(zhuǎn)子間互感、定子漏感、轉(zhuǎn)子漏感。σ=1－(Lm

2/(LsLr) ) ;

s、r——定、轉(zhuǎn)子相應(yīng)量。

由式(1)、(2)可得轉(zhuǎn)子電壓方程:

由式(1)、(2)、(3)可得狀態(tài)方程:

1.2滑模控制器設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略的切換或者重新投入運(yùn)行，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)不必要的沖擊。為增強(qiáng)DFIG控制的響應(yīng)速度和抗擾能力，本節(jié)基于滑?？刂圃碓O(shè)計(jì)電流控制器。

定義如下切換函數(shù):

對(duì)式(6)求導(dǎo)得

為減弱抖振并改善趨近運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)性能，采用指數(shù)趨近律［14］，則由式(7)可得

其中，sat(s)為

聯(lián)立式(4)、(5)、(7)、(8)得轉(zhuǎn)子電壓方程:

由式(10)可得電網(wǎng)正常情況下轉(zhuǎn)子側(cè)變流器基于滑?？刂破鞯目刂品匠獭Ｆ淇刂圃韴D如圖1所示。

圖1　基于滑?？刂破鞯霓D(zhuǎn)子側(cè)變流器功率控制原理圖

1.3轉(zhuǎn)子回路過(guò)電流抑制機(jī)理

將DFIG作為1個(gè)具有1個(gè)機(jī)械端口和2個(gè)電端口的能量轉(zhuǎn)換裝置。電動(dòng)機(jī)慣例下DFIG的能量流動(dòng)如圖2所示。當(dāng)DFIG超同步運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能，通過(guò)機(jī)械能的方式輸入到機(jī)電耦合系統(tǒng)，經(jīng)電磁能量轉(zhuǎn)換，以電能的形式從定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)饋入到電網(wǎng)。其能量關(guān)系如下:

圖2　DFIG三端口能量流動(dòng)示意圖

其中:

式中: Ws、Wr、Wm——定子輸入電能、轉(zhuǎn)子輸入電能及風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械能; es、er——定、轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，定、轉(zhuǎn)子端口輸出的電能減少而風(fēng)力機(jī)輸入的機(jī)械能不變，此時(shí)定、轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將發(fā)生變換，以使電端口輸出更多的能量，從而造成了定、轉(zhuǎn)子回路的浪涌電流。

由機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的存在是耦合磁場(chǎng)與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換的必要條件［15］。轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由變壓器電動(dòng)勢(shì)dψr/dt和運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)jωslψr組成，由變壓器電動(dòng)勢(shì)向外輸出的能量，是磁鏈中的直流暫態(tài)磁鏈衰減向外釋放能量的結(jié)果，因此，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可控部分只有運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)。為減小這一部分感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可得轉(zhuǎn)子電流參考值為

結(jié)合式(2)對(duì)式(13)進(jìn)行修正，得由定子磁鏈表示的轉(zhuǎn)子電流參考值:

將式(14)代入到電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子電磁功率表達(dá)式［16］，可得

由式(15)、(16)可知，若轉(zhuǎn)子電流能快速跟蹤給定值，則電網(wǎng)故障時(shí)，轉(zhuǎn)子回路輸出的電磁功率為零，且電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩能得到抑制。

2　 MATLAB仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所改進(jìn)低電壓穿越控制方案的正確性，采用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真研究。以1 臺(tái)1.5 MW的DFIG機(jī)組為例。其主要參數(shù)如下:額定電壓575 V，額定頻率60 Hz，極對(duì)數(shù)2，定、轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)比1∶3，定子電阻0.023，轉(zhuǎn)子電阻0.016，定子漏感0.18，轉(zhuǎn)子漏感0.16，激磁電感2.9(均折算到標(biāo)幺值)。直流母線電壓額定值1 150 V，直流卸荷電路與直流電容并聯(lián)，保護(hù)直流母線電壓不超過(guò)1.1 p.u.?；ｋ娏骺刂破鲄?shù)如下: kp=1，ki= 5，k1=1，k2=15。電網(wǎng)電壓跌落前，DFIG以單位功率因數(shù)向電網(wǎng)輸出有功功率，轉(zhuǎn)差率s =－0.2。

2.1電網(wǎng)對(duì)稱故障

圖3給出了當(dāng)t = 0.2 s時(shí)機(jī)端電壓跌落到25%時(shí)的仿真結(jié)果。設(shè)轉(zhuǎn)子側(cè)電流最大值不超過(guò)2 p.u.。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)故障時(shí)，轉(zhuǎn)子電流參考值切換到式(14)。由圖3(a)可知，采用帶前饋補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)矢量控制，電網(wǎng)故障時(shí)刻，轉(zhuǎn)子電流峰值為4 p.u.，電磁轉(zhuǎn)矩振蕩反向最大幅值達(dá)到了1 p.u.。采用文獻(xiàn)［8］所提“滅磁”控制策略時(shí)，如圖3(b)所示，轉(zhuǎn)子電流峰值被限制在了2 p.u.，電磁轉(zhuǎn)矩的反向振蕩幅值達(dá)到了0.45 p.u.。圖3(c)所示采用本文所提控制策略時(shí)，轉(zhuǎn)子電流峰值減小到1.72 p.u.，且抑制電磁轉(zhuǎn)矩振蕩的控制效果明顯，電磁轉(zhuǎn)矩保持為零。電網(wǎng)電壓跌落及電壓恢復(fù)時(shí)刻，圖3(c)所示功率波形，相比于圖3 (a)、(b)所示功率波形，其振蕩幅度和進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的速度明顯縮短，滑模電流控制器的應(yīng)用能使DFIG快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，減小了DFIG對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

2.2電網(wǎng)不對(duì)稱故障

圖3　電壓對(duì)稱跌落到25%時(shí)DFIG仿真結(jié)果

如圖4所示為電網(wǎng)出現(xiàn)兩相電壓跌落到20%時(shí)的仿真結(jié)果。因受并網(wǎng)變壓器結(jié)構(gòu)的影響，其DFIG機(jī)端電壓跌落情況如圖4所示定子電壓波形。圖4(a)為采用帶前饋補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)矢量控制時(shí)的仿真結(jié)果，電網(wǎng)電壓跌落瞬間，轉(zhuǎn)子側(cè)電流過(guò)電流達(dá)到3.2 p.u.，電磁轉(zhuǎn)矩振蕩幅值達(dá)到了0.95 p.u.。采用文獻(xiàn)［8］所提滅磁控制策略時(shí)，電網(wǎng)故障時(shí)刻，轉(zhuǎn)子電流幅值減小到了1.5 p.u.，如圖4(b)所示。圖4(c)為所提LVRT控制策略控制下的仿真結(jié)果。電網(wǎng)故障時(shí)刻，轉(zhuǎn)子電流峰值為1.5 p.u.，可見電磁轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果為一條值接近于零的直線，電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩得到了很好的抑制。值得注意的是，所提控制策略投入運(yùn)行時(shí)，會(huì)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。

圖4　電壓兩相跌落到20%時(shí)的DFIG仿真結(jié)果

3　結(jié)語(yǔ)

為提高控制的響應(yīng)速度，減小DFIG對(duì)電網(wǎng)的沖擊，基于滑?？刂圃碓O(shè)計(jì)了電流控制器。分析了DFIG能量流動(dòng)關(guān)系，并從抑制能量向轉(zhuǎn)子側(cè)流動(dòng)的角度考慮，提出了電網(wǎng)故障時(shí)刻轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的改進(jìn)控制策略。針對(duì)電壓對(duì)稱、不對(duì)稱跌落進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，證明了該方法能有效抑制電網(wǎng)故障時(shí)刻轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)電流，并對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩有很好的抑制效果，達(dá)到了擴(kuò)大DFIG安全運(yùn)行區(qū)域、提高DFIG低電壓穿越能力的目的。

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A SMC-Based Low Voltage Ride-Through Capability Enhancement for DFIG Wind Turbines

WANG Aimeng，XI Wenyuan
(Electrical＆Electronic Engineering Department，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

Abstract:The SMC current controller to alter the dynamics of doubly-fed induction generator(DFIG) was designed.The flow of energy inner the DFIG was discussed.Then a low voltage ride-through(LVRT) control strategy was modified to suppress the energy flowing to the rotor circuit.The simulation was carried out to verify the effectiveness on restrain the rotor over current and the oscillations of electromagnetic torque.The simulation results demonstrated that the modified control strategy could improve the LVRT capability.

Key words:doubly-fed induction generator(DFIG) ; low voltage ride through(LVRT) ; sliding-mode control(SMC) ; energy flow

收稿日期:2015-09-15

作者簡(jiǎn)介:王艾萌(1963—)，女，博士，教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)及其控制技術(shù)。

*基金項(xiàng)目:河北省自然科學(xué)基金(E2012502018) ;教育部中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2014MS95)

中圖分類號(hào):TM301.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1673-6540(2016) 03-0054-005