基于反電流跟蹤的低電壓穿越控制研究

毛劍波，吳國祥，吳國慶，茅靖峰，張旭東

(1. 南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通 226019； 2.南通大學 電子信息學院，江蘇 南通 226019)

0 引 言

風能等新型能源逐步受到人們青睞，至2015年年底，全球風電累計裝機容量持續大幅上升，風力發電已經成為當今最矚目的發電方式之一。由于實際工程應用中電網故障頻發，尤其是電壓跌落，故電機必須具備一定的低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)能力，保證系統平穩持續運行。作為大型風電場主流機型的雙饋感應電機(doubly-fed induction generator，DFIG)，其變換器小巧、輕便、經濟[1]，但其定子側直接與電網相連，對電網電壓波動敏感。電網電壓若發生瞬時跌落故障，會引起機側電磁暫態過程，威脅機組和變流器的安全。電網電壓輕度跌落時可通過改善軟件控制算法實現DFIG故障穿越，但深度跌落時該方法受轉子側換流器(rotor side converter，RSC)容量約束無法滿足要求。此時一般采用外拓硬件電路的方式實現LVRT，但提高了設計難度和運行成本，降低了控制的靈活性。

針對電機故障穿越問題，國內外相關研究人員提出了一系列控制方法。文獻[2]中的磁鏈追蹤控制策略，通過控制轉子磁鏈盡可能快地追蹤定子磁鏈，使兩者差值穩定在很小范圍內，從而抑制轉子過流。該方法需要附加磁鏈觀測器，增加了控制的復雜性。文獻[3]提出的去磁控制利用轉子電流產生的漏磁分量抵消定子磁鏈中的零序分量，使其暫態磁鏈快速衰減，實現LVRT控制。該方法依賴定子磁鏈的觀測計算，魯棒性較差。文獻[4]在轉子側增加了crowbar保護電路，但該控制策略需要選取合適的crowbar電阻值，確定crowbar的投入時間，時間過長會引起電機吸收無功增多，影響電網恢復。相關研究成果還包括SC-DVR控制[5]、PI-R控制[6]、暫態磁鏈補償[7]、滑動模態控制[8]及轉子側crowbar直流側卸荷電路組合控制[9]等。

文章在對DFIG復雜瞬態響應特性分析基礎之上，以減小轉子暫態電壓沖擊、提升DFIG低穿能力為目的，在電網電壓突降時，采用反電流跟蹤控制策略，根據定、轉子電流變化關系設計電流跟蹤系數，當該跟蹤系數為負數時，轉子電流可反向追蹤定子電流的變化，從而有效抑制轉子過壓過流。通過對雙饋風電系統的仿真研究，結果表明該方法能較好抑制轉子電流，改善電流波動性，緩和轉矩振蕩，實現DFIG故障穿越。

1 雙饋電機矢量模型

定、轉子均采用電動機慣例，定子軸系下的電壓、磁鏈方程如下：

(1)

(2)

式中上標“s”表示定子軸系下的矢量參數；下標“s”和“r”分別表示定子和轉子；Rs，Rr，Ls，Lr，Lm分別為定、轉子電阻、電感及互感；us，ur，is，ir，ψs，ψr分別為定、轉子電壓、電流和磁鏈矢量；ωr為轉子旋轉的電角速度。

根據式(2)，消去定子電流可得：

(3)

(4)

可以看出，轉子電壓主要由兩部分組成：第一部分由定子磁鏈產生；第二部分由轉子電流產生，該部分為轉子電阻上的壓降及轉子瞬態電感上的壓降之和。當轉子開路時，根據式(4)可得到轉子感應電動勢：

(5)

由式(4)、式(5)可得：

(6)

將上式轉換至轉子軸系下可表示為：

(7)

式中上標“r”表示轉子軸系下的矢量參數。由于轉子電阻和瞬態電感上的壓降較小，轉子電壓的大小與轉子感應電動勢非常接近。

根據式(7)，可得轉子軸系下DFIG轉子側等效電路模型，如圖1所示。

圖1 轉子側等效電路模型

2 電網故障下DFIG動態特性分析

DFIG在正常運行時，其定子電壓空間矢量以同步速度ωs旋轉，有：

(8)

式中Us為定子電壓幅值。

由于定子電阻極小，可忽略。由式(1)和式(8)可得：

(9)

假設在t=0時刻，電網電壓發生不對稱跌落故障。根據對稱分量法理論，此時電網電壓應包括正序、零序和負序分量。然而，由文獻[10]可知，如果系統是三角形接法或是沒有中性線的星形接法，三相線電壓之和為零，沒有零序電壓。文中采用Δ-Y式變壓器，因此定子電壓沒有零序分量。

電網故障后定子電壓可寫成：

(10)

將式(10)代入式(9)，可得到定子磁鏈穩態分量

(11)

由于磁鏈為狀態變量，呈連續性變化，故在系統由故障前穩態過渡到故障后穩態過程中，勢必產生定子磁鏈暫態分量。

轉子開路時，根據式(1)和式(2)，得到定子磁鏈和定子電壓的微分方程：

(12)

(13)

式(11)和式(13)相加可得定子磁鏈：

(14)

將式(14)代入式(5)，并轉換到轉子軸系下可得：

(15)

(16)

(17)

選用電壓源型換流器(Voltage Source Converter，VSC)作為雙饋風電系統的RSC。系統穩態運行時，感應電動勢只包括正序分量，由于DFIG轉差率s數值較低，其范圍為|s|≤0.2，故正常情況下轉子感應電動勢較小，維持在RSC最大電壓限UrM以內。電網電壓發生對稱跌落故障時，定子暫態直流磁鏈分量在轉子側感生出與(1-s)成正比的電動勢暫態分量[13]，該值是穩態運行時的數倍。此時轉子感應電動勢包括正序、零序分量，若電網電壓發生深度跌落故障，該量可能超過RSC最大電壓限，引起RSC飽和受限，轉子電流持續上升，最終導致轉子過流，嚴重情況下易損壞RSC。電網電壓不對稱跌落時定子磁鏈中還包含負序分量，在轉子側感應出與(2-s)成正比的負序電勢分量，會加劇過壓過流現象，影響系統平穩持續運行。

忽略轉子電阻上的壓降條件下，式(1)可寫成：

(18)

由式(3)可知，當轉子電流與定子磁鏈反向時，轉子電流在瞬態電感上產生的漏磁可以抵消一部分的定子磁鏈，能有效減小轉子磁鏈，相應減小轉子電壓，確保轉子電壓ur維持在RSC最大電壓限UrM以內。

3 反電流跟蹤控制

為提高DFIG的故障穿越能力，本文研究了一種反電流跟蹤控制策略。依據定、轉子電流變化關系，設計電流跟蹤系數ksr，調節ksr控制定、轉子電流。當定、轉子電流反向時，能較好抑制轉子暫態電壓沖擊，確保系統安全運行。

由式(2)可得：

(19)

定子磁鏈在電網故障瞬間不能發生突變。根據式(19)，定、轉子電流之間相互耦合，將該變化關系表示成：

(20)

式中ksr為電流跟蹤系數。

將式(20)代入式(19)，得：

(21)

根據式(21)，當電流跟蹤系數ksr變化時，定、轉子電流會跟著變化。因此，可以通過調節電流跟蹤系數ksr來控制定、轉子電流。

轉子電阻上的壓降較小，可忽略。根據式(5)、式(6)和式(21)，可得：

(22)

反電流跟蹤控制框圖如圖2所示。

圖2 反電流跟蹤控制框圖

整體僅在定子電流環上增加了一個電流比例控制環節，控制過程簡單。其中，電流跟蹤系數ksr可通過以下方式求得。

根據式(1)、式(19)和式(20)可得：

(23)

(24)

考慮RSC最大電流限irM，有ir≤irM。根據式(21)：

(25)

考慮最嚴重的情況，即電網電壓發生完全跌落。此時，定子磁鏈為最大值ψsM，代入式(25)，得：

(26)

考慮RSC最大電壓限UrM，同時將σ值代入式(22)，化簡得：

(27)

根據式(24)、式(26)和式(27)可確定ksr。

4 仿真研究

為了驗證所研究的反電流跟蹤控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink軟件進行仿真。分別模擬電網電壓對稱跌落70%和單相(A相)跌落80%的情形，將仿真結果與傳統矢量控制下的結果做對比。具體仿真參數如表1所示。假設在第2 s時，電網電壓發生對稱跌落故障，深度為70%，在2.02 s時系統探測出故障，立刻采取反電流跟蹤控制策略，在2.1 s時故障清除，電網緩慢恢復至正常。電流跟蹤系數取ksr=0.9。具體仿真結果如圖3所示。圖3(b)、(d)為傳統矢量控制下的轉子電流及電磁轉矩仿真波形，圖3(c)、(e)為反電流跟蹤控制下的轉子電流及電磁轉矩仿真波形。2.02 s后圖3(b)中轉子電流最大值為17.375 A，圖3(c)中轉子電流最大值為12.77 A，反電流跟蹤控制策略在電壓跌落后有效抑制了轉子電流，且電流波動性得到明顯改善。圖3(d)中電磁轉矩較大，振蕩較為劇烈，故障清除后仍有小幅連續振蕩，而圖3(e)中電磁轉矩大小接近于0，整體較為平緩，僅在第2 s電壓發生跌落和第2.1 s電網恢復后發生小幅振蕩。

表1 仿真參數

圖3 電網電壓對稱跌落70%仿真結果

同樣假設在第2 s時，電網電壓發生單相(A相)跌落故障，深度為80%，在2.02s時采取反電流跟蹤控制策略，在2.1s時故障清除。仿真波形如圖4所示。

圖4(b)、圖4(d)為傳統矢量控制下的仿真結果，圖4(c)、圖4(e)為反電流跟蹤控制下的仿真結果。圖4(b)中轉子電流穩態值為7.975 A，電壓跌落后轉子電流最大值為14.72 A，圖4(c)中轉子電流穩態值為10.579 A，電壓跌落后轉子電流最大值為14.61 A，反電流跟蹤控制對轉子電流抑制作用更為顯著。圖4(d)中電磁轉矩較大，振蕩較為劇烈，電網恢復后仍有小幅振蕩，而圖4(e)中電磁轉矩大小接近于0，2.1 s故障清除后電磁轉矩趨于平穩。

仿真結果表明，在一定故障情況下采用反電流跟蹤控制可有效抑制轉子電流，改善電流波動特性，緩和轉矩振蕩。

5 結束語

基于電網驟降時DFIG電磁暫態過程的分析和討論，研究了一種反電流跟蹤控制策略。該策略保持原矢量控制結構不變，將根據定、轉子電流變化關系設計的電流跟蹤系數作為比例環節加在定子電流環上，調節該跟蹤系數可同時控制定、轉子電流。當定、轉子電流反向，即跟蹤系數為負數時，轉子電流在瞬態電感上產生的磁場可抵消部分定磁，能有效抑制轉子過壓過流，實現DFIG低電壓穿越，緩和轉矩振蕩。仿真驗證了文中所述控制策略的正確性與有效性。