電網故障下交流勵磁雙饋風力發電機變流器建模與控制

易 宏，蔣鐵錚，徐蓓蓓，曾 翔

(長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

近年來，風能作為清潔能源倍受關注，隨著風電并網裝機容量的不斷增加，風電在電力系統中的地位發生了明顯的變化，大容量的風電場并網運行對電力系統的影響將不容忽視[1]。在各種類型的風力發電機組中，交流勵磁的變速恒頻雙饋風力發電機 (DFIG)以其調速范圍寬、可以實現最大風能追蹤以及有功功率和無功功率可在四象限獨立調節等優點，取代了傳統的恒速恒頻異步發電機[2]。采用交-直-交雙脈寬調制 (PWM)變換器容量較小，轉速范圍限制在0.75%～1.25%(標幺值)時，轉子側變頻器的容量一般僅為25% ～35%的發電機額定容量[3]。

實際系統運行過程中，電網故障引發的電壓驟降是一種比較常見的故障類型。當故障發生導致定子電壓的驟降時，因為轉子側變換器相比發電機容量較小，對發電系統的控制能力有限，必然引起轉子過電流和隨之帶來的變換器的直流過電壓[4，5]。因此必須采取有效措施來限制故障時轉子過電流及減小直流鏈的電壓波動，并為系統提供一定的頻率和電壓支持，提高交流勵磁風力發電機組不間斷運行能力和電網運行的穩定性。

目前，大型MW級以上交流勵磁的雙饋感應風力發電機組，主要采用轉子短路保護技術(Crowbar Protection)實現電網短路故障時發電機的不間斷運行[6～8]。在該方案中，首先電網故障時保護電阻和勵磁主回路的投切應該滿足嚴格的時序要求，這就需要為Crowbar電路增加相應的硬件電路，必然會增加整個系統的成本，而且在故障過程中，嚴格把握好保護電阻和勵磁主回路投切時間的關系，控制難度也會很大;其次電網故障時，由于切除了發電機變頻器勵磁電源，風力發電機作為感應電動機運行，必須從電網中吸收大量的無功功率進行勵磁，更加不利于電網電壓穩定，而且電網故障時，發電機的電磁轉矩波動比較大，對風力機的機械沖擊比較嚴重。當電網故障切除，風力發電機定子電壓恢復正常時，電網側變換器將重新投入以恢復直流鏈電容電壓，在直流電容電壓重新建立的過程中，直流鏈電壓的波動將可能影響風力發電機重新投入正常運行時的勵磁控制效果[8，9]。文獻[10] 以雙饋發電機的精確數學模型為基礎，考慮了定子暫態勵磁電流改進的勵磁控制策略。僅從轉子側的變換器進行控制，電網故障時將產生轉子功率變化，直流電容電壓出現較大的幅值波動，必然對直流電容造成沖擊，影響發電機的不間斷運行控制效果。文獻[11]所提出的當電網電壓下降到一定值時，即將封鎖網側變換器，讓電容與電網隔離，這時能量只在發電機轉子和電容之間流動，通過控制策略抑制轉子過電流來穩定直流電容電壓。但由于PI的控制能力和電容的容量有限，當電網電壓跌幅比較大時，轉子的功率振蕩劇烈，直流鏈電容電壓也隨之發生波動，從而影響發電機的運行。

考慮到上述情況，為了減小電網電壓驟降下DFIG轉子過電流和直流電容過電壓的危害，對DFIG進行合適的控制十分重要。本文以變換器的數學模型為基礎，從轉子側和電網側變換器兩個方面進行控制，確定了電網故障下，網側變換器采用轉子側變換器輸入瞬時電流波動為前饋量的前饋控制策略;對于轉子側變換器采用以DFIG精確數學模型為基礎的定子磁鏈定向矢量控制策略。

1 雙PWM變換器勵磁的風力發電系統

圖1所示為雙PWM變換器勵磁的變速恒頻雙饋風力發電系統。

圖1 雙PWM變換器勵磁的風力發電系統Fig.1 Wind power generation system of dual PWM converter excitation

發電機的轉子由兩個完全相同的兩電平電壓型雙PWM變換器通過直流母線連接起來。轉子側變換器一是給DFIG的轉子提供勵磁分量的電流，從而可以調節DFIG定子側所發出的無功率;二是通過控制DFIG轉子轉矩分量的電流控制DFIG的轉速，或控制DFIG定子側所發出的有功功率，從而使DFIG運行在風力機的最佳功率曲線上，實現最大風能追蹤 (捕獲)運行。網側變換器一是保證其良好的輸入特性，即輸入電流的波形接近正弦，諧波含量少，功率因數符合要求;二是保證直流母線電壓的穩定，直流母線電壓的穩定是兩個PWM變換器正常工作的前提，是通過對輸入電流的有效控制來實現的。在實際運行過程中，兩個PWM變換器的工作狀態經常發生變換，當發電機亞同步運行狀態時，電網通過變換器向轉子輸入轉差率的能量，轉子側變換器做逆變器運行，此時網側變換器做整流器運行，當發電機超同步運行狀態時，運行狀態剛好相反。當發電機以同步運行狀態時，電網向轉子輸入直流電流進行勵磁，雙PWM變換器實際作斬波器運行。根據轉子側變換器與網側變換器工作狀態完全可逆，和電路的拓撲結構也相同。本文以轉子側變頻器以逆變狀態運行，網側變頻器以整流狀態運行。

2 雙PWM變換器聯合控制策略

2.1 轉子側變換器定子磁鏈定向矢量控制

為了最大限度的捕獲風能，實現雙饋感應風力發電機有功功率和無功功率的解耦控制，采用定子磁鏈定向的同步旋轉d-q坐標系下的風力發電機數學模型。在定子磁鏈定向下，d軸與定子磁鏈矢量Ψs的方向重合，則定子磁鏈在d，q軸上分量為Ψsd=|Ψs|，Ψsq=0。則在定子磁鏈定向坐標系下，雙饋感應風力發電機的轉子電壓為[9，10]:

式 (1)表明可以通過對轉子電壓進行前饋補償來實現對發電機的解耦控制，前饋補償項為:

代入 (1)式進行補償后的電壓和電流關系為:

磁鏈和電磁轉矩方程如下:

定子輸出有功和無功功率分別為:

式中:Vs，Vr分別為定轉子電壓矢量;Is，Ir分別為定轉子電流矢量;Ψs，Ψr分別為定轉子磁鏈矢量;Rs，Rr分別為定轉子電阻;Ls=Lδs+Lm，Lr=Lδr+Lm分別為定轉子繞組全自感，其中 Lm，Lδs和Lδr分別是定轉子間互感、定子漏感和轉子感;以上轉子各量均為折算后的值;ω1為同步電角度;ωr為轉子電角度;ωs=ω1-ωr為轉差電角度。

圖2 電網電壓驟降下轉子側變換器控原理圖Fig.2 Rotor converter control strategy diagram under stator voltage dip fault

式 (2)實現了轉子電壓、電流解耦控制，為消除d，q軸轉子電壓、電流分量間交叉耦合的補償項。將轉子電壓分解為解耦項和補償項后，既簡化了控制，又能保證控制的精度和動態響應的快速性。得出如圖1所示的控制框圖，定子電壓相角采用鎖相環 (PLL)檢測，設計良好的PLL可以消除定子電壓諧波對電壓相角檢測的影響。

2.2 電網側變換器的定子電壓定向前饋控制

電壓型PWM整流器在兩相同步旋轉dq坐標系下，采用定子電壓定向的控制策略，d軸與定子電壓矢量的方向重合，則定子電壓在d，q軸上分量為Vsd=|Us|，Vsq=0。忽略功率器件的開通和關斷損耗，整流器的高頻數學模型可表示如下[12]:

從式 (5)中得出能解除d，q軸間電流耦合和消除電網電壓擾動的控制方法，令

則式 (6)變為

式中:Ed，Eq分別為電網電動勢在d，q軸上的分量;id，iq為饋入整流器的電流ia，ib，ic在d，q上的分量;L為進線電感;R為進線等效電阻。

當電網發生故障時，電網側PWM變換器同時受到電網電壓降落和負載側電流波動兩方面的擾動。直流母線電壓的波動與負載電流iload的突變有直接的關系，轉子側變換器的輸入電流對網側變換器來說就是負載電流，因此，負載電流對于網側PWM變換器來講就是一個外部擾動信號。在傳統的控制控制策略中，未引入負載電流前饋控制時，當負載電流發生突變時，則直流母線電壓首先受到影響，偏離額定值，導致母線電壓與設定的額定值的偏差增加，通過電壓調節器的調節作用，只能在一定程度上逐步減小，直至消除這一偏差，系統再次進入穩定的狀態。但是由于直流鏈電壓調節環調節速度比較滯后，在負載電流突然增大的一段時間內，網側整流器還不能提供負載消耗的能量。這時，直流鏈電容將釋放其所儲存的能量，和網側變換器一起向負載輸送能量。當負載電流突然減小時，由于網側變換器所提供的能量超過了負載所要消耗的能量，多余的能量只有流向直流鏈電容，對其進行充電。正是這種輸入與輸出之間的動態過程不平衡，才造成了直流鏈母線電壓的上下波動。如果電容的容量較小時，電壓的波動就會比較大，就有可能有超出直流鏈電壓的設置范圍。

由以上分析可知，如果將三相整流器中電壓外環的輸出加上前饋分量，即網側變換器所需的負載電流iload，因此，電壓跌落時，電網側變換器可采用電流內環控制，將轉子側變換器輸入瞬時電流iload和直流電壓PI調節器的輸出一起作為網側變換器的d軸電流給定值，而把定子電壓的變化作為一個附加補償量E*。這樣電網側變換器的d軸電流給定量和輸入瞬時電流都將及時跟隨轉子功率變化，將直流鏈電壓的波動限制在一定范圍內。圖3給出了定子電壓跌落時電網側變換器控制原理框圖。

圖3 定子電壓跌落時電網側變換器控制原理圖Fig.3 Grid converter control strategy diagram under stator voltage dip fault

3 仿真分析

為了驗證所使用的定轉子變換器聯合控制策略在電網電壓驟降情況的有效性，本文在Matlab的Simulink軟件環境下，與傳統定子和轉子側的控制策略進行比較。傳統的控制策略是網側變換器沒有考慮前饋控制，轉子側變換器忽略了轉子電阻。圖4所示為1.5 MW風力發電機組接入電網的系統圖，建立了變速恒頻雙饋風力發電機組的仿真模型。風力發電機組的參數如下:

圖4 含風電廠的電網系統圖Fig.4 Grid system diagram connected with wind power plant

風力機:風輪半徑R=17 m，額定功率1 600 kW，最佳風能利用系數Crmax=0.73，齒輪箱增速比N=6.254，空氣密度r=1.25 kg/m3。

雙饋感應發電機:額定功率1 500 kW，定子額定電壓575 V，額定頻率60 Hz，極對數3，定子電阻0.023 p.u.，定子漏感0.18 p.u.，轉子電阻0.016 p.u.，轉子漏感0.16 p.u.，互感2.9 p.u.，轉動慣量0.685 p.u.，摩擦系數0.01 p.u.。

雙PWM變換器:進線電感0.003 p.u.，電阻0.3 p.u.，直流電容電壓1 150 V，電容0.01F，器件開關頻率1 620 Hz。

圖5給出定子電壓驟降下，傳統與改進控制策略的仿真波形。需要說明的是:

(1)網側變換器按照功率因素為1進行控制。

(2)有功功率為正，表示發電機定子向電網輸出有功功率;而無功功率為正，表示發電機從電網吸收的無功功率。

在0.1 s時電網發生對稱性接地性故障，持續時間為0.1 s。定子電壓降低至0.4 p.u.，如圖5(c)所示，此時發電機輸出的有功功率，由于沒有及時輸出而出現輕微的波動，然后迅速減小如圖5(b)所示，發電機定子將從電網中吸收更多的無功功率來支持電壓如圖5(a)所示，從而導致定子側產生過電流如圖5(d)所示。進而引起轉子側電流的迅速增加，將導致直流電壓的升高，以致發電機側變流器的電流及有功、無功功率都會發生振蕩。

當吸收的無功功率迅速增加和轉子側矢量控制使轉子勵磁電流迅速減小，這時要求雙PWM變換器提供的瞬時功率也就相應減小，采用了轉子側瞬時功率反饋控制，能迅速傳送到網側變換器，這樣輸入電流也就減小，使得直流電壓得到了穩定控制，保證了系統的安全運行。

如圖5(e)所示，改進的控制策略更能有效控制轉子沖擊電流，轉子電流的幅值得到了抑制，表明了改進的控制策略能有效防止故障時轉子和轉子側變換器的過電流。

如圖5(g)所示，改進的控制策略更能有效地控制直流鏈電壓的幅值，表明了改進的控制策略可以有效控制防止故障時變換器直流電壓波動較大而無法提供勵磁功率支持。

如圖5(f)所示，改進的控制策略更能有效地控制電磁轉矩的幅值波動，進而有效的減小了風電機組軸系傳動系統的機械沖擊，因而對延長機械系統的壽命是非常有利的。

如圖5(h)所示，改進的控制策略更能及時跟蹤發電機轉子功率的變化，能有效控制網側變換器的輸入電流，能更好地保護變換器，因此對延長變換器的壽命是非常有利的。

4 結論

隨著風力發電在電網中的比重越來越大，電網在發生故障時風電機組的低電壓穿越能力顯得十分重要。本文設計的雙饋風力發電機轉子側變換器輸入電流波動，為附加前饋量的雙環電壓控制策略和轉子側變換器考慮定子磁鏈暫態的定子磁鏈定向控制策略聯合起來控制，能在電網故障時有效控制轉子電流和雙PWM變換器的直流電壓，保證了發電機的不脫網運行，提高了電力系統運行的穩定性和可靠性。

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