馮野

國(guó)華（乾安）風(fēng)電有限公司 吉林松原 131400

當(dāng)前情況下，在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，雙饋感性發(fā)電機(jī)獲得了較為廣泛的應(yīng)用，它獨(dú)有的并網(wǎng)形式以及功率控制方法，可以快速感知電壓波動(dòng)情況，尤其是在電網(wǎng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致電壓跌落時(shí)。電網(wǎng)運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題，就很有可能會(huì)導(dǎo)致電壓跌落問(wèn)題的出現(xiàn)，引起相應(yīng)的轉(zhuǎn)子組過(guò)電流，如果不能及時(shí)采取相應(yīng)的控制方法，長(zhǎng)期下去，就會(huì)造成轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的熱效應(yīng)情況出現(xiàn)問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致風(fēng)電機(jī)運(yùn)行故障，最終影響到電網(wǎng)的有序運(yùn)行。目前，我國(guó)較多相關(guān)方面的學(xué)者都對(duì)于改善雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越性能給予了較多的關(guān)注，具體來(lái)說(shuō)，我們可以將此項(xiàng)研究細(xì)分為硬件實(shí)施方案以及控制策略改善方案兩大類(lèi)型，盡管各具優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也或多或少的都存在著一些問(wèn)題。為了有效改善這一方面的性能，我們?cè)谶@篇文章當(dāng)中提出了一種多開(kāi)關(guān)故障穿越方案，從而實(shí)現(xiàn)控制電流的目的。

1 機(jī)端電壓跌落轉(zhuǎn)子電路的瞬態(tài)性能

通常情況下，我們?cè)俜治鲭妷汉碗娏鲿r(shí)都是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的慣例來(lái)進(jìn)行判定的。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)了對(duì)稱(chēng)故障情況時(shí)，依據(jù)幅值的變化情況和磁鏈?zhǔn)睾阍?，在忽略電阻值變化情況的條件下，可以計(jì)算出定子參考坐標(biāo)系下的定子磁鏈數(shù)值。機(jī)端電壓在跌落之前，通常是由轉(zhuǎn)子側(cè)變換器向轉(zhuǎn)子繞組提供電壓，我們假定機(jī)端電壓在跌落前后的額定電壓不會(huì)發(fā)生變化，可以十分精準(zhǔn)的計(jì)算出電壓值。當(dāng)電網(wǎng)中的機(jī)端電壓出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)跌落情況時(shí)，機(jī)端電壓的幅值也會(huì)有所下降，依據(jù)相應(yīng)的對(duì)稱(chēng)分量理論可以測(cè)算出相應(yīng)的相量[1]。氣隙磁鏈?zhǔn)怯呻妷荷傻?，而氣隙磁鏈的總和又?huì)構(gòu)成強(qiáng)制分量。值得注意的是，零序電壓不會(huì)構(gòu)建起氣隙磁鏈。

機(jī)端電壓對(duì)稱(chēng)跌落時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生較高的峰值電流，但是能夠持續(xù)的時(shí)間相對(duì)較短。當(dāng)出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)跌落情況時(shí)，整體的電壓跌落，轉(zhuǎn)子鐘都會(huì)產(chǎn)生較高扶植的振蕩電流。如果不經(jīng)過(guò)特別處理，系統(tǒng)的運(yùn)行情況就會(huì)始終停留在電動(dòng)機(jī)模式，始終從電網(wǎng)中獲取無(wú)功功率，長(zhǎng)期下去，對(duì)電網(wǎng)的發(fā)展和電壓的恢復(fù)來(lái)說(shuō)都是十分不利的。

2 多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器

針對(duì)參考電壓矢量的確定系列問(wèn)題，我們選擇采取一種新型的雙滯環(huán)電流時(shí)段控制策略來(lái)進(jìn)行研究。具體來(lái)說(shuō)，在轉(zhuǎn)子的三相坐標(biāo)當(dāng)中需要使用不同的兩組轉(zhuǎn)子電流滯環(huán)。而參考電壓的矢量應(yīng)當(dāng)依靠空間位置的變化以及較大帶寬的外電流滯環(huán)來(lái)進(jìn)行確定，在此基礎(chǔ)之上，方可測(cè)算出轉(zhuǎn)資側(cè)變換器所輸出的最優(yōu)電壓矢量。而想要對(duì)于轉(zhuǎn)子參考電流進(jìn)行跟蹤只需要合理利用較小帶寬的那電流滯環(huán)即可，通過(guò)對(duì)于電壓矢量組合進(jìn)行測(cè)定饑渴測(cè)算出轉(zhuǎn)子策變換器鎖輸出的最為適宜的電壓矢量。隨著內(nèi)容改革的不斷深入，我們?cè)诖嘶A(chǔ)之上又提出了更具實(shí)用性的三態(tài)滯環(huán)電流矢量控制方法，但這一方案中仍然存在著一些問(wèn)題。舉例來(lái)說(shuō)，從最優(yōu)空間電壓的矢量組合選擇最優(yōu)空間電壓不確定性的問(wèn)題仍然難以解決，滯環(huán)電流矢量控制策略的運(yùn)行效率也會(huì)隨之而受到影響[2]。

針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的滯環(huán)電流矢量控制器缺陷問(wèn)題，我們提出了一個(gè)更具優(yōu)勢(shì)性的多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器，參考電壓矢量空間位置的確定，通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)多態(tài)滯環(huán)電流比較器的輸出情況來(lái)進(jìn)行判斷，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行更新，無(wú)需依靠空間位置的偵測(cè)外環(huán)即可促進(jìn)系統(tǒng)有序運(yùn)行。除此之外，通過(guò)觀測(cè)比較器的輸出狀態(tài)也可以測(cè)算出最優(yōu)的空間電壓矢量，無(wú)需依靠傳統(tǒng)矢量控制中的調(diào)劑單元，即可有效提升系統(tǒng)的響應(yīng)速率。在多態(tài)電流矢量控制器當(dāng)中空間電壓矢量是被動(dòng)引入到控制過(guò)程當(dāng)中的，可以有效削弱轉(zhuǎn)子側(cè)變換器開(kāi)關(guān)動(dòng)作的頻率。

合理運(yùn)用多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器，可以有消消除三相坐標(biāo)系統(tǒng)下所產(chǎn)生的相互影響。多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器主要由兩個(gè)比較器以及一個(gè)開(kāi)關(guān)共同構(gòu)成，調(diào)整開(kāi)關(guān)狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于電壓矢量的控制調(diào)整。當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器上的開(kāi)關(guān)中有兩個(gè)處于閉合狀態(tài)時(shí)，則系統(tǒng)中所運(yùn)行的電壓矢量為零。

3 故障穿越策略分析

與其他種類(lèi)的控制器進(jìn)行對(duì)比，PI控制器的調(diào)節(jié)性能較為穩(wěn)定，但其同樣也存在著明顯的優(yōu)勢(shì)，那就是調(diào)節(jié)性能相對(duì)較差。多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的帶寬較大，因而此類(lèi)控制器具有較為優(yōu)質(zhì)的瞬態(tài)響應(yīng)性能。想要有效解決系統(tǒng)的故障問(wèn)題，就應(yīng)當(dāng)發(fā)揮現(xiàn)有控制策略中的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展復(fù)合電流控制的方法[3]。具體來(lái)說(shuō)，就是在機(jī)端電壓跌落之前以及跌落后處于穩(wěn)定狀態(tài)的階段，充分利用PI控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)子電流的調(diào)節(jié)作用，從而確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)機(jī)端電壓跌落，仍然處于暫態(tài)恢復(fù)期間時(shí)，激活多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的作用，可以有效提升瞬態(tài)性能的維持轉(zhuǎn)子電流精確控制作用，提升轉(zhuǎn)子電流的精確性。同時(shí)，為了確保機(jī)端電壓在跌落區(qū)間不會(huì)出現(xiàn)失控問(wèn)題，還需要再轉(zhuǎn)子電路中串聯(lián)能夠起到控制作用的動(dòng)態(tài)電阻器，從而起到分壓和限流的作用，限制轉(zhuǎn)子電壓和電流保障其處于標(biāo)準(zhǔn)限制范圍內(nèi)。

3.1 動(dòng)態(tài)電阻器的串聯(lián)作用

依據(jù)轉(zhuǎn)子電流設(shè)計(jì)的限定值，轉(zhuǎn)子繞組中的動(dòng)態(tài)電阻器會(huì)受到電力電子開(kāi)關(guān)的控制，當(dāng)動(dòng)態(tài)電阻器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，動(dòng)態(tài)電阻器被旁路。而當(dāng)。機(jī)端電壓跌落并處于恢復(fù)暫態(tài)的情況下時(shí)，如果電流達(dá)到了規(guī)定的限制，那么只需要根據(jù)電壓跌落監(jiān)控單元來(lái)控制開(kāi)關(guān)即可，可以講動(dòng)態(tài)電阻放置與轉(zhuǎn)子繞組當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)子電流的控制作用。

3.2 開(kāi)關(guān)控制方法分析

在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的故障穿越策略主要涉及到開(kāi)關(guān)控制的三個(gè)方法。當(dāng)機(jī)端電壓在跌落前或是在跌落后保持穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程中，可以充分利用最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)性能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于轉(zhuǎn)子電流的調(diào)節(jié)和控制。而當(dāng)機(jī)端電壓處于跌落狀態(tài)和跌落恢復(fù)狀態(tài)期間時(shí)，可以根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流限制來(lái)調(diào)動(dòng)響應(yīng)速率較快的多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制策略。通常情況下，多態(tài)之環(huán)電流的矢量控制器都需要設(shè)定相應(yīng)的延時(shí)時(shí)間，最主要的目的就是為了減少轉(zhuǎn)子電流中所存在的低階諧波電流[4]。

經(jīng)過(guò)大量的仿真分析，在非低電壓故障擾動(dòng)情況下引起的轉(zhuǎn)子過(guò)電流不會(huì)觸發(fā)多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制。多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的作用時(shí)間設(shè)定一個(gè)短延時(shí)的主要目的是盡量減小轉(zhuǎn)子電流中的低階諧波電流。由于文中所推薦的多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的開(kāi)關(guān)頻率不是常數(shù)，為限制轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的最大開(kāi)關(guān)頻率，多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器的誤差帶設(shè)計(jì)得比PI控制器大，在轉(zhuǎn)子電流中這將導(dǎo)致大量的低階諧波電流。在較嚴(yán)重的電網(wǎng)故障情況下引起的轉(zhuǎn)子過(guò)電流不致頻繁觸發(fā)動(dòng)態(tài)電阻器，可防止控制狀態(tài)頻繁切換引起的振蕩。

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)研究

想要充分發(fā)揮故障穿越策略對(duì)于故障穿越性能的改善作用，我們?cè)诒敬窝芯慨?dāng)中設(shè)置了相應(yīng)的仿真軟件，并構(gòu)建起了評(píng)估故障穿越性能的仿真模型。在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程當(dāng)中，我們需要保障輸出功率以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，調(diào)整三相電壓的跌落情況。在機(jī)端三相電壓跌落時(shí)多態(tài)滯環(huán)電流控制器僅在電壓跌落和恢復(fù)初始期間被激活，而在機(jī)端電壓不對(duì)稱(chēng)跌落時(shí)多態(tài)滯環(huán)電流控制器幾乎作用于整個(gè)電壓跌落期間，其原因在于機(jī)端三相電壓跌落時(shí)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的過(guò)電流

持續(xù)時(shí)間較短，而機(jī)端電壓不對(duì)稱(chēng)跌落時(shí)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的振蕩過(guò)電流持續(xù)整個(gè)電壓跌落期間。并且不同的機(jī)端電壓跌落類(lèi)型，動(dòng)態(tài)電阻器的激活次數(shù)也不相同。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，想要有效改善當(dāng)前雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越性能，多態(tài)滯環(huán)電流矢量控制器是一個(gè)有效的工具。本文就立足于多開(kāi)關(guān)的控制策略，提出了一系列有效的故障穿越控制方法，但仍然存在著一系列不夠完善的地方。在未來(lái)的發(fā)展與研究過(guò)程中，我們?nèi)匀恍枰槍?duì)這一問(wèn)題開(kāi)展更為深入的研究，希望可以為改善雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越性能起到一份有力的推動(dòng)作用。