基于比例諧振控制的DVR的風(fēng)電機(jī)組LVRT研究

孫　偉，任永峰，郭　鯤，劉海濤，柳　福

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010080;2.呼和浩特市供電局金橋分局，內(nèi)蒙古呼和浩特010040; 3.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院,內(nèi)蒙古呼和浩特010020)

基于比例諧振控制的DVR的風(fēng)電機(jī)組LVRT研究

孫偉1，任永峰1，郭鯤2，劉海濤3，柳福1

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010080;2.呼和浩特市供電局金橋分局，內(nèi)蒙古呼和浩特010040; 3.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院,內(nèi)蒙古呼和浩特010020)

針對動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)傳統(tǒng)PI控制器在跟蹤快速變化的正弦信號時存在穩(wěn)態(tài)誤差和抗干擾性能差等方面的缺點(diǎn)，提出了基于比例諧振(PR)控制的DVR復(fù)合控制策略，可實(shí)現(xiàn)對DVR指令補(bǔ)償電壓的無靜差跟蹤，并且設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)控制器及分析了比例諧振復(fù)合控制策略的性能。仿真結(jié)果驗(yàn)證了DVR能夠很好地補(bǔ)償各種電壓跌落狀況，保證了風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行，提高了雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。

動態(tài)電壓恢復(fù)器；比例諧振；雙饋風(fēng)電機(jī)組；低電壓穿越

隨著單臺風(fēng)電機(jī)組容量不斷地增大,風(fēng)電場的數(shù)量和規(guī)模也在不斷地?cái)U(kuò)大，使得并網(wǎng)風(fēng)電場對電網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性影響越來越大。為此，我國根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及風(fēng)電發(fā)展情況制定了風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定，包括風(fēng)電機(jī)組LVRT(Low voltage ride-through)能力[1]，即要求風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落時仍能夠保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，并持續(xù)地向電網(wǎng)輸送功率以輔助電網(wǎng)恢復(fù)[2-3]。

動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR(Dynamic voltage restorer)用來提高風(fēng)電機(jī)組LVRT，近些年來逐漸得到國內(nèi)外重視。DVR串聯(lián)于電網(wǎng)和風(fēng)電機(jī)組機(jī)端之間，在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)瞬時跌落時，通過注入所需的補(bǔ)償電壓，與故障電網(wǎng)電壓相疊加，使得機(jī)側(cè)電網(wǎng)電壓恢復(fù)到期望值，并且DVR吸收風(fēng)電機(jī)組輸送到電網(wǎng)多余的有功功率，從而保證了風(fēng)電機(jī)組的不脫網(wǎng)運(yùn)行[4]。DVR的核心是其控制方式，控制方式?jīng)Q定著補(bǔ)償電壓的快速性和準(zhǔn)確性。電壓電流的反饋是交流瞬態(tài)，PI控制并不能實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差，因而不適用補(bǔ)償精度和魯棒性要求較高的DVR應(yīng)用場合[5]。比例諧振PR(Proportional-resonant)控制器可實(shí)現(xiàn)在靜止坐標(biāo)下對交流信號的無靜調(diào)節(jié)，具有動態(tài)響應(yīng)快、輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度高等特點(diǎn)，使其在高質(zhì)量電能質(zhì)量控制中得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]基于單閉環(huán)電壓加前饋PR控制，并未反饋電流，容易出現(xiàn)器件過流和暫態(tài)震蕩；文獻(xiàn)[7]采用PI控制器存在穩(wěn)態(tài)誤差及抗干擾性能差等缺點(diǎn)且沒有考慮利用PR諧波補(bǔ)償導(dǎo)致補(bǔ)償后DFIG并不能達(dá)到理想運(yùn)行。

本文利用波特圖比較了PR與PI控制器的特點(diǎn)，為了使PR控制器更好發(fā)揮性能，對內(nèi)環(huán)比例參數(shù)做了精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)選取，并對電壓電流反饋加電網(wǎng)電壓前饋的復(fù)合控制性能進(jìn)行了分析。最后通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了DFIG可以實(shí)現(xiàn)各種故障理想穿越運(yùn)行。

1　DFIG-DVR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DVR用于增強(qiáng)DFIG風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越運(yùn)行能力，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的DVR結(jié)構(gòu)包括：靜態(tài)開關(guān)柜、單相全橋逆變器、LC濾波器、直流電路、DC/DC變換器、儲能等部分組成[8]，雙向DC/DC變換器用來穩(wěn)定DVR直流側(cè)電壓。圖1中給出了三單相DVR獨(dú)立補(bǔ)償中的其中一相，其他兩相與這一相的結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同。在電網(wǎng)電壓理想的條件下靜態(tài)開關(guān)柜導(dǎo)通，DVR被旁路不工作；當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓有對稱、不對稱跌落時，開關(guān)柜迅速關(guān)閉使DVR通過耦合電容注入電網(wǎng)補(bǔ)償電壓，以確保DFIG機(jī)側(cè)電壓的平衡和穩(wěn)定。

圖1　DFIG-DVR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2　控制系統(tǒng)分析

2.1比例諧振控制器

PR控制器可克服PI控制器的自身缺陷，在基波頻率處利用諧振可實(shí)現(xiàn)增益無窮大，而在非基頻處則增益特別小，因此，PR能夠直接控制交流量，在基頻處實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差的目的[9]。與基波補(bǔ)償思想相同，可并列加入諧波補(bǔ)償控制項(xiàng)[10]，則PR控制器結(jié)合諧波補(bǔ)償傳遞函數(shù)如式(1)所示：

式中：嵌入截止頻率為ωc的2ωcs衰減項(xiàng)，有助于降低受電網(wǎng)頻率波動的影響。PR控制器中kp、kn分別為比例諧振控制器的比例、諧振系數(shù)；截止頻率ωc影響比例諧振控制器的增益和帶寬，實(shí)際系統(tǒng)中ωc取值范圍為5～15 rad/s；n為指定需要補(bǔ)償?shù)闹C波次數(shù)，對應(yīng)的kn根據(jù)不同的諧波次數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

PI及PR控制器(當(dāng)n=1時)的開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖如圖2所示。從波特圖中可以看出，兩控制器的最大不同在諧振頻率處，PR控制器的幅值在諧振頻率處變得有限大，然而，34 dB的諧振峰值仍然相當(dāng)大，能夠滿足消除穩(wěn)態(tài)誤差的要求。因此，將PR控制器應(yīng)用到DVR輸出補(bǔ)償電壓的控制策略中，能夠根據(jù)參考補(bǔ)償電壓實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤。

圖2　PI和PR控制器波特圖

2.2復(fù)合控制策略

為了提高雙饋風(fēng)電機(jī)組LVRT的能力，本文采用復(fù)合控制策略控制DVR。復(fù)合控制策略采用電網(wǎng)電壓前饋加機(jī)組的出口電壓和電容電流雙閉環(huán)反饋控制的方式，控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　DVR復(fù)合控制策略結(jié)構(gòu)框圖

前饋控制消除了電網(wǎng)電壓的擾動并且提高了動態(tài)響應(yīng)速度；反饋控制提高了DVR輸出電壓的精度及所需補(bǔ)償電壓的適應(yīng)能力。圖3中機(jī)端電壓反饋控制使用PR控制器，其傳遞函數(shù)如式(1)。電容電流反饋控制采用比例(P)控制器，如式(2)所示：

在圖3所示復(fù)合控制策略框圖中，通過前饋控制消除了電網(wǎng)電壓的擾動，因此可以不考慮電網(wǎng)電壓的干擾，將機(jī)組機(jī)端參考電壓Ug*視為系統(tǒng)輸入，機(jī)端電流Ig視為系統(tǒng)擾動，機(jī)端實(shí)際電壓Ug視為系統(tǒng)輸出。分別求出機(jī)端電壓對機(jī)端參考電壓與機(jī)端電壓對機(jī)端電流的傳遞函數(shù)，分別定義為G1、G2：

由式(3)、(4)可以看出，當(dāng)GPR為無窮大時，式(3)傳遞函數(shù)等效為1，說明Ug在穩(wěn)態(tài)下能夠無靜差地跟蹤參考Ug*；當(dāng)GPR為無窮大時，式(4)傳遞函數(shù)為0，因此Ug在穩(wěn)態(tài)下能夠完全抑制由機(jī)組電流帶來的干擾。為了進(jìn)一步表明PR控制器在復(fù)合控制策略的性能，根據(jù)所給參數(shù)和傳遞函數(shù)式(3)和(4)可得機(jī)端電壓對機(jī)端參考電壓與機(jī)端電壓對機(jī)端電流的傳遞函數(shù)的波特圖，分別如圖4、圖5所示。

從圖4可見，復(fù)合控制系統(tǒng)機(jī)端電壓對參考電壓穩(wěn)定裕度非常大，并且在低頻段控制系統(tǒng)性能很好。從圖5可見，傳遞函數(shù)G2的增益在所有頻率范圍內(nèi)尤其在工頻處都很小，說明能很好地抑制由機(jī)組電流帶來的干擾。整個控制系統(tǒng)參數(shù)選擇合理，性能良好。

圖4　G1的波特圖

3　仿真實(shí)驗(yàn)與分析

本文在PSCAD/EMTDC仿真軟件中建立了仿真模型。DVR濾波器及PR控制器參數(shù)為：濾波電容、電感、電阻分別為180 μF、0.03 H、0.02 Ω，PR控制器kp、k1、ωc和ω0,分別為1、100、5和314.16，P控制器的比例增益kc為30。DFIG仿真參數(shù)如下：額定功率為2 MW；定子額定電壓為690 V；定子電阻為0.010 8 pu;定子電感為3.464 pu;轉(zhuǎn)子電阻為0.012 1 pu；轉(zhuǎn)子電感為3.472 pu；直流側(cè)電容為0.016 F;額定頻率為50 Hz;慣性時間常數(shù)為0.5 s。

圖5　G2的波特圖

仿真圖6為三相電壓對稱跌落80%補(bǔ)償圖；圖7為三相不對稱電壓跌落80%補(bǔ)償圖，其中a、b、c三相電壓分別跌落80%、60%、24.4%。圖中故障起始時刻都為3 s,按照LVRT要求，持續(xù)時間625 ms。

圖6　補(bǔ)償三相對稱電壓跌落的仿真結(jié)果

圖7　補(bǔ)償三相不對稱電壓跌落的仿真結(jié)果

從仿真圖可以看出，比例諧振控制的DVR補(bǔ)償效果較好，對于不同電網(wǎng)電壓跌落狀況，對應(yīng)不同的指令輸出電壓都能達(dá)到很好的跟蹤精度，圖6驗(yàn)證了DVR恢復(fù)了電網(wǎng)嚴(yán)重的三相對稱電壓跌落的定子端電壓，而且DFIG風(fēng)電能夠正常地并網(wǎng)運(yùn)行。圖7在電網(wǎng)三相電壓不對稱電壓跌落工況下，三單相DVR依然能夠補(bǔ)償不平衡定子電壓，保證了風(fēng)電機(jī)組不受電網(wǎng)電壓不對稱跌落的干擾。在復(fù)合控制策略下，DFIG機(jī)端電壓經(jīng)過低于0.5個工頻周期就進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，具有滿意的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。

綜上所述，這些優(yōu)勢使DFIG機(jī)端電壓始終維持在正常水平，是風(fēng)電機(jī)組正常并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)LVRT的前提條件。

4　結(jié)束語

本文運(yùn)用比例諧振控制器來控制動態(tài)電壓恢復(fù)器輸出補(bǔ)償電壓，可以實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤DVR指令輸出電壓。通過對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析表明，復(fù)合控制方法保證DVR系統(tǒng)具有很高穩(wěn)定裕度，同時具有動態(tài)響應(yīng)速度快、抗干擾性能好、穩(wěn)態(tài)精度高等優(yōu)點(diǎn)，從而在電網(wǎng)電壓發(fā)生對稱或不對稱跌落情況下，通過投切DVR始終維持風(fēng)電機(jī)組定子端電壓的恒定，輔助風(fēng)電機(jī)組正常并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)LVRT。

致謝：

本文的研究工作得到了內(nèi)蒙古自治區(qū)草原英才(2013)、內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校青年科技英才支持計(jì)劃(2013)和內(nèi)蒙古人才開發(fā)基金(2011)的資助，特此致謝！

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Study of LVRT of wind turbine based on DVR of proportional-resonant control

SUN Wei1,REN Yong-feng1,GUO Kun2,LIU Hai-tao3,LIU Fu1
(1.Electric Power College,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot Inner Mongolia 010080,China;2.Jinqiao Bureau of Hohhot Power Supply Bureau,Hohhot Inner Mongolia 010040,China;3.Inner Mongolia Electric Power Research Institute,Hohhot Inner Mongolia 010020,China)

Due to the shortcomings of steady-state error and poor interference performance of the traditional PI controllers for dynamic voltage restorer(DVR)to track a rapidly changing sinusoidal signal,the complex control strategies based on proportional-resonant(PR)was proposed to control DVR,including a detailed analysis about transfer function and Bode plots of the control system,which could realize no static error compensation voltage according DVR instruction.The simulation results show the DVR can well compensate the voltage drop,ensuring the normal operation of the wind turbine,which improves the LVRT ability of double-fed wind turbine.

dynamic voltage restorer;proportional resonant;doubly fed induction generator;low voltage ride-through

TM 614

A

1002-087 X(2016)10-2017-03

2016-03-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51367012)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-11-1018)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011BS0903,2015MS0532)；內(nèi)蒙古自治區(qū)"草原英才"工程資助(CYYC2013031)；風(fēng)能太陽能利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(201403)

孫偉（1987—），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電低電壓穿越。