李 偉

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司培訓中心，杭州 310015)

0 引 言

雙饋感應風力發(fā)電機(Double Fed Induction Generator，DFIG)以其換流器容量小，調(diào)速范圍寬，有功無功解耦控制，成本較低等諸多優(yōu)點成為風電市場的主流機型。但同時由于DFIG特殊的拓撲結(jié)構(gòu)，使其對電網(wǎng)電壓故障尤為敏感。近年來，低電壓穿越技術(shù)研究較多且取得了一定成果，但高電壓穿越(High Voltage Ride-Through，HVRT)技術(shù)研究甚少[1-4]。若DFIG不具備高電壓穿越能力，會使其因系統(tǒng)無功過剩而造成電網(wǎng)電壓驟升，供電可靠性降低。

電磁暫態(tài)過程是研究DFIG高電壓穿越運行的基礎和依據(jù)，文獻[5]利用常規(guī)的電磁暫態(tài)中定子磁鏈理論分析HVRT過程中DFIG的暫態(tài)特性；文獻[6]對電壓驟升時DFIG的運行行為進行了分析，給出不同轉(zhuǎn)差率和電壓升高幅度對轉(zhuǎn)子端電壓的影響；文獻[7]分析了DFIG在廣義電壓驟升故障下的過渡過程，并評估了影響HVRT運行的因素。在HVRT控制策略上，文獻[8]分析了靜止無功補償器和動態(tài)電壓恢復器的高電壓穿越效果。文獻[9]采用并網(wǎng)逆變器的HVRT控制策略，提高故障期間變流器可控性，防止能量倒灌而引起過電壓和過電流現(xiàn)象。然而，增加輔助裝置的高電壓穿越方案在增加系統(tǒng)成本的同時，也對系統(tǒng)造成了一定程度的擾動，且附加電路與發(fā)電系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制也較為復雜。電壓升高時DFIG與電網(wǎng)間相互影響會導致其暫態(tài)特性及電流分布發(fā)生顯著變化，研究DFIG的暫態(tài)過程及其HVRT控制策略具有一定意義。

此外，DFIG運行環(huán)境較差，故障發(fā)生機率較高。其中，定子繞組匝間短路( Stator Winding Inter-Turn Short Circuit, SWITSC)故障是DFIG一種常見的、破壞性極強的內(nèi)部故障[10]。大量文獻對此進行了研究[11-14]，但都集中于故障特征的分析及故障診斷，并未涉及發(fā)生SWITSC的DFIG運行情況的分析。文獻[15]指出，DFIG是可以帶SWITSC故障“病態(tài)”運行的，且DFIG特殊的運行環(huán)境導致維護人員無法及時進行維護，這更增加了DFIG發(fā)生SWITSC故障后“病態(tài)”運行的機率，對電力系統(tǒng)的安全運行帶來極大的危害[16]。目前，鮮有文獻對此問題進行研究，因此，分析發(fā)生SWITSC故障的DFIG在電網(wǎng)電壓驟升期間的運行狀況及其控制策略具有一定的實際意義。

本文利用疊加原理將電網(wǎng)電壓驟升后的轉(zhuǎn)子暫態(tài)過程處理為穩(wěn)態(tài)分量和定子側(cè)電壓故障分量零狀態(tài)響應的疊加，以此求解轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流。分析DFIG換流器的控制策略對電網(wǎng)電壓驟升過程的影響機制，在此基礎上提出附加控制環(huán)節(jié)，使DFIG工作于無功支撐狀態(tài)，實現(xiàn)HVRT。此外，基于多回路理論，建立了SWITSC的DFIG數(shù)學模型，并驗證該模型的正確性，在此基礎上仿真分析了附加控制策略對發(fā)生SWITSC故障的DFIG高壓穿越的影響。本文對正常和發(fā)生SWITSC故障DFIG高電壓穿越的運行研究具有一定指導意義。

1 電壓驟升時DFIG暫態(tài)特性

DFIG數(shù)學模型的建立是分析電壓驟升過程中暫態(tài)特性的基礎。按照電動機慣例，將轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)折算到定子側(cè)，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系下DFIG數(shù)學模型為：

(1)

式中，u、i、ψ分別為電壓、電流、磁鏈矢量，R、L為電阻和電感；Lm為勵磁電感；ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；p為微分算子；下標s、r分別為定、轉(zhuǎn)子分量，上標r為位于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系下的量值。圖1給出了DFIG的等效電路。

圖1 DFIG等效電路

1.1 穩(wěn)態(tài)響應

(2)

(3)

(4)

(5)

式(3)中的系數(shù)行列式與DFIG參數(shù)有關(guān)，并不等于零，可以對其求解得出穩(wěn)態(tài)運行時的轉(zhuǎn)子電流：

(6)

1.2 定子側(cè)電壓故障分量作用的零狀態(tài)響應

(7)

圖2 定子側(cè)故障分量單獨作用等效電路

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

1.3 轉(zhuǎn)子電流

將式(6)和式(13)的疊加得轉(zhuǎn)子電流：

(15)

可以看出，利用疊加原理計算的轉(zhuǎn)子電流和仿真結(jié)果基本吻合，本文所推導的轉(zhuǎn)子電流表達式具有較高的精確度。

圖3 最大轉(zhuǎn)子電流仿真和計算結(jié)果

2 附加控制策略

2.1 附加控制

電網(wǎng)電壓驟升故障中，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器(RSC)的控制系統(tǒng)將依據(jù)轉(zhuǎn)子電流的變化情況調(diào)整其輸出電壓，進而控制轉(zhuǎn)子電流。RSC主要采用定子磁鏈或定子電壓定向的矢量控制策略，圖4給出了基于定子電壓定向的串級控制。有功/無功功率的參考值影響轉(zhuǎn)子的d/q軸電流參考值，即在電網(wǎng)驟升故障相同情況下有功/無功功率參考值越大，轉(zhuǎn)子d/q軸電流越大，反之亦然。

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制策略

在此基礎上，將附加控制環(huán)節(jié)添加到RSC，并且通過PI調(diào)節(jié)器的定子電壓偏差設置無功功率參考值，以控制接入點附近的電壓。當電網(wǎng)電壓驟升時，無功功率的參考值由并網(wǎng)點電壓的變化進行調(diào)整，此時無功功率基準值為負(容性)，DFIG可以吸收一定量的無功功率，幫助故障電網(wǎng)快速恢復，實現(xiàn)HVRT。但無附加控制環(huán)節(jié)時，DFIG根據(jù)設定好的不變的無功基準值吸收或輸出無功功率。可見，附加控制環(huán)節(jié)的選取，能夠改善DFIG在HVRT過程中與系統(tǒng)的無功交換。

2.2 仿真分析

在Matlab/Simulink下搭建DFIG仿真模型，如圖5所示，DFIG參數(shù)為：額定功率1.5 MW，定子額定線電壓575 V，額定頻率50 Hz，直流母線電壓1150 V，定子電阻0.023 pu，轉(zhuǎn)子電阻為0.016 pu，定子漏感0.18 pu，轉(zhuǎn)子漏感0.16 pu，定子和轉(zhuǎn)子間的互感2.9 pu；由于風電機組轉(zhuǎn)動慣量較大且暫態(tài)過程較短，在仿真中認為風速恒定。

圖5 DFIG仿真模型

圖6給出了2 s時電壓升高到1.3 pu，2.1 s時故障恢復，采用傳統(tǒng)矢量控制策略與本文所提的附加控制策略進行對比下的并網(wǎng)點電壓、無功功率、直流母線電壓、轉(zhuǎn)子電流的瞬態(tài)響應波形。

圖6 DFIG瞬態(tài)響應波形

由無功功率和并網(wǎng)點電壓的波形可以看出，電網(wǎng)電壓驟升故障期間，附加控制策略下DFIG能夠從電網(wǎng)吸收更多的無功功率，并網(wǎng)點電壓有所降低，實現(xiàn)HVRT。電網(wǎng)電壓正常時，不同的控制策略下轉(zhuǎn)子電流相等，電網(wǎng)電壓驟升后，附加控制策略下轉(zhuǎn)子電流的驟升幅度減小。此外由Udc波形可以看出，附加控制策略下Udc動幅度減小，DFIG具有相對較好瞬態(tài)響應。

3 SWITSC的DFIG數(shù)學模型

基于考慮氣隙磁場的空間諧波和繞組分布聯(lián)結(jié)方式在內(nèi)的多回路理論[17]建立了發(fā)生SWITSC的DFIG數(shù)學模型。假設SWITSC故障發(fā)生在定子A相繞組上，如圖7所示。

圖7 DFIG定子A相繞組匝間短路故障示意圖

在發(fā)生SWITSC故障之后，匝間短路作為新電路添加到定子側(cè)：

0=pψg+(Rg+rsg)ig+rsgisA

(16)

此時，定子A相回路的電壓方程為

usA=pψsA+rsisA+rsgig

(17)

式中，ψg、ig為定子A相匝間短路回路磁鏈、電流；Rg為匝間短路回路過渡電阻；rsg為定子A相SWITSC的電阻；ψsA、usA、isA為定子A相繞組磁鏈、電壓、電流。

SWITSC故障的DFIG在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型為

UF=RFIF+pψF

(18)

ψF=MFIF

(19)

(20)

式中，ψF、UF、IF、RF、MF分別為磁鏈、電壓、電流、電阻、電感矩陣。

為簡化分析并實現(xiàn)功率解耦控制，將上述微分方程轉(zhuǎn)換到dq0坐標系下，其具體轉(zhuǎn)換過程參見文獻[18]。在上述得到的SWITSC故障風電機組模型的基礎上，利用S-函數(shù)編寫仿真模塊，用SWITSC故障電機模塊代替正常的DFIG，嵌入到風力發(fā)電系統(tǒng)。圖8給出了仿真模型中DFIG的S-函數(shù)模塊。

圖8 DFIG的S-函數(shù)模塊

為驗證所搭模型的正確性，將其與MATLAB自帶例程進行對比，如圖9所示，驗證了本文所搭S-函數(shù)模型的正確性。

圖9 DFIG仿真結(jié)果

含S-函數(shù)的SWITSC風電機組的直流母線電壓、轉(zhuǎn)子電流、并網(wǎng)點電壓、無功功率波形的“毛刺”較多，主要因為：自帶仿真例程在仿真前會進行潮流的初始化，而含S-函數(shù)的SWITSC風電機無法進行，其初始值是事先仿真得到的；Matlab自帶仿真模型是由狀態(tài)空間方程構(gòu)建的，仿真是連續(xù)的，而本文含S-函數(shù)的SWITSC風電機是基于Simulink模塊搭建的，仿真是離散的。

4 仿真驗證

為驗證附加控制策略對發(fā)生SWITSC故障的DFIG高壓穿越的影響，對SWITSC故障風機在施加附加控制策略前后進行仿真對比。其中短路比μ=0.15，匝間短路回路的過渡電阻為 。DFIG一直處于SWITSC故障狀態(tài)，2 s時電壓升高到1.3 pu，2.1 s故障切除，在3 s時，在DFIG上實施附加的控制策略，且電壓再次上升到1.3 pu，故障在3.1 s時消除。，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 DFIG定子A相繞組匝間短路故障示意圖

從Iabcs_a波形可以看出，由于有效匝數(shù)減小，等效阻抗減小，造成電網(wǎng)電壓驟升時Iabcs_a明顯增大，在施加附加控制策略后對Iabcs_a有一定抑制作用。高電壓穿越過程中，兩換流器間功率交換的不平衡，造成Udc驟升，對比圖5(f)可知，SWITSC故障的DFIG較正常DFIG穩(wěn)定性變差，且直流母線電壓驟升幅度更高，達1.35 pu，增加了HVRT的難度，但在附加控制策略下有所降低。電壓升高造成并網(wǎng)點電壓升高，發(fā)生SWITSC故障的DFIG在故障期間同樣可以吸收一定無功功率，但較正常的DFIG無功支撐能力變?nèi)酰辉诟郊涌刂撇呗韵?，DFIG能夠吸收更多的無功，使并網(wǎng)點電壓有所降低，幫助故障電網(wǎng)的快速恢復；但對發(fā)生SWITSC故障的DFIG有功功率變化的影響不明顯。

5 結(jié) 語

在本文中，基于DFIG的暫態(tài)特性，推導電網(wǎng)電壓驟升故障時轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流時域表達式；分析換流器控制策略對電網(wǎng)電壓故障的影響機制，在此基礎上提出附加控制環(huán)節(jié)；基于多回路理論建立了含SWITSC故障的DFIG數(shù)學模型，仿真分析了附加控制環(huán)節(jié)對SWITSC故障的影響，得出以下結(jié)論得出：

(1)根據(jù)疊加原理，電壓突然升高后轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)電流分解為穩(wěn)態(tài)電流分量和定子側(cè)電壓故障分量的疊加，以此推導轉(zhuǎn)子暫態(tài)電流時域表達式；

(2)對換流器施加附加控制環(huán)節(jié)，使DFIG工作于無功支撐模式，幫助故障電網(wǎng)電壓快速恢復，實現(xiàn)高電壓穿越；

(3)發(fā)生SWITSC故障的DFIG在故障穿越過程中，無功支撐能力減弱，穩(wěn)定性變差，增加了高電壓穿越的難度；附加控制策略對發(fā)生SWITSC故障的DFIG高電壓穿越也有改善作用。

本文對正常和發(fā)生SWITSC故障的DFIG高電壓穿越運行研究具有一定指導意義。