三相風力發電機低電壓穿越控制方法仿真

唐文秀，李長宇

(東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引言

所謂低電壓穿越是一種不間斷的風電機組并網運行行為，可在電網故障或發生擾動的情況下，抑制由風電場并網點引起的電壓跌落現象。，在光伏電站或電力系統發生事故或擾動的過程中，低電壓穿越行為可以有效應對并網電壓值的快速跌落，并且能夠保障所有發電機組在不脫網的情況下，維持連續運轉狀態。通常情況下，電網電壓大幅跌落會對并網風電機組的正常運行產生較大的負面影響，且在特定狀態下，定向的暫態低電壓穿越有可能引起瞬時電流的大幅度增加，進而導致電力電子器件損壞[1]。因此可認為，適量的低電壓穿越確實會減緩并網點電壓的不斷跌落，但強度過大也有可能增加發電機器件的磨損速率。

為將風電機組低電壓穿越水平控制在合理范圍內，現有技術手段主要通過MPPT、PWM、PCC三種控制方法對這種并網點電壓行為進行協調分配。MPPT控制方法以平均化模型作為調節基礎，對風力發電機并網點進行跌落電壓分量的同時，控制低電壓穿越進程中的正序與負序跌落狀態。PWM控制方法可根據風力發電機組有功功率的振蕩情況，調節無功電流的基礎注入量，進而實現對低電壓穿越的控制處理。PCC控制方法注重對輸出端電壓的分群建模，通過并網點有功、無功動態特性的進行分配比例，實現對低電壓穿越能力的適配調節。但隨著科學技術手段的進步，這三種方法都不能有效解決局部電壓過高的問題，進而導致發電機并網環境中的電子跳躍行為出現過量攀升。

為更好適應發電機并網環境下跳躍電子對局部電壓的限定需求，設計一種新型的三相風力發電機低電壓穿越控制方法。通過逆變器設備的選擇、電壓開關切換等操作，完成相關控制步驟的實施，并通過設計仿真對比實驗的方式，突出說明新型方法與三種傳統方法間的應用差異性。

2 三相風力發電機的低電壓建模

根據逆變器選擇結果，建立完整的三相低電壓矩陣，實現對正負序電壓的完善，完成三相風力發電機的低電壓建模操作。

2.1 三相低電壓矩陣建立

(1)

(2)

其中，w1、w2代表兩個不同的低電壓節點數值，λ代表風力發電量的物理傳輸系數。在式(2)的基礎上，設r1-r3分別代表不同的低電壓節點系數，q1-q3分別代表低電壓偏移量的定點向量條件，利用上述物理參數可將三相低電壓矩陣表示為

(3)

式中，Eq代表三相低電壓矩陣的數值表示結果，偏移量q則表示對該數值結果的物理限定條件。

2.2 正負序電壓的分量

正負序電壓分量是三相風力發電機低電壓建模操作中的重要處理環節，以低電壓矩陣作為重要依據，嚴格限制低電壓節點的穿越幅度。在三相低電壓矩陣中，所有分子系數均保持著關聯分配狀態，且隨著發電機運行時間的不斷延長，相鄰系數分子間會出現完全相反的穿越性變化趨勢，即隨著頭分子數量級條件的增加，后續分子會呈現減少、呈現為交替出現的變化趨勢[6-7]。設β代表正序電壓量影響系數，β′代表負序電壓量影響系數，聯立式(3)可將正負序電壓的邊界物理條件表示為

(4)

(5)

式中，p代表正序低電壓的最大偏移量，a代表正序低電壓的最小偏移量，p′代表負序低電壓的最大偏移量，a′代表負序低電壓的最小偏移量。d表示電壓偏移系數。至此，實現三相風力發電機低電壓的建模處理。

3 基于低電壓模型的穿越控制方法

3.1 低電壓開關切換

低電壓開關切換是實現穿越控制方法搭建的首要電分量處理環節，既要考慮三相風力發電機低電壓模型的合理性，也要判定控制電路中的流通電子量是否滿足發電機的調節執行需求。在風力發電機保持正常執行連接狀態時，逆變器會根據并網接點的上限分解標準，選擇是否要與低電壓控制組件建立物理連接[8]。判斷結果為“是”時，現存的三相低電壓矩陣才具備應用連接價值，且只有在此狀態下，才可以進行后續的正負序電壓分量操作處理；判斷結果為“否”時，現存三相低電壓矩陣中至少存在一個元素分子會使后續的正負序電壓分量操作出現較大物理偏差。低電壓開關作為矩陣向量之間的利用元件，可按照與正負序電壓值相關的系數規則，建立三相風力發電機與低電壓端設備間的物理連接。從執行性功能角度來看，切換是一項必要的穿越控制策略，既能大量消耗并網接點中累積的電量穿越分子，也能使正、負序端電力組織具備更強的穿越控制能力。圖1為完整的低電壓開關切換處理流程。

圖1 低電壓開關切換流程圖

3.2 電壓穿越關系分析

電壓穿越關系是對三相風力發電機高、低側端用電電壓的精準分析。在低電壓開關具有良好切換能力的前提下，電壓穿越現象的平均水平總是與最大升電壓值、最大降電壓值保持正相關影響關系，且隨著發電運行時間的延長，三者之間的制約關聯程度也會隨之提升。已知正負序電壓分量標準可作為低壓側電量的累積影響條件，在平均發電系數|T|的影響下，聯立式(5)可將低壓側電量累積的影響條件表示為

(6)

(7)

式中，g代表高壓側的最大電分子量。在高、低壓側電量累積影響條件保持相互獨立的前提下，設j代表低電壓分子所具備的穿越能力條件，l代表平均穿越向量，聯立式(6)、式(7)可將標準的電壓穿越關系描述為

(8)

其中，μ代表低電壓的穿越級別條件，c代表平均穿越向量的補充描述量，A同一時刻完成低電壓穿越行為的電力分子數量，s、z代表兩個不同的電壓量描述指標。

3.3 穿越穩定性控制

穿越穩定性控制，需要在電壓穿越關系等多項物理系數的支持下，確定最適宜的干預控制力度。已知h代表電壓穿越關系的基本利用系數，Δx代表低電壓分子在穿越過程中的基本變化量，聯立式(8)可將最終的穿越穩定性控制結果表示為

(9)

其中，v1、v2代表兩個不同的下限調節數值參量，ω代表控制比重權限系數。至此，完成所有執行理論系數計算，但是為了保證三相風力發電機低電壓穿越控制效果，需要進一步利用風力發電機逆變器對低電壓穿越調節。

3.4 風力發電機逆變器選擇

風力發電機逆變器是三相低電壓環境中的重要調節設備，可實現對不合理電子分量的定向物理轉化。滿足三相處理需求的發電機逆變器必須包含三條獨立的穿越控制電路，每條電路中只能包含兩個阻值相同、電量相等的消耗電阻，且為了保證低電壓穿越控制過程中的電量均等分配，每條電路中的兩個消耗電阻只能保持串聯傳輸關系。作為發電機并網環境中的唯一動態元件，逆變器以基爾霍夫設備作為核心搭建裝置，在DC-AC電路的促進下，三條獨立穿越控制電路可分別與基爾霍夫設備相連，隨著三相風力發電時間的不斷延長，控制電路中流通的電力分子數量也隨之增加。逆變器會使消耗電阻兩端所得到的分配電壓不斷減小，直至電路中的流通電流達到電阻元件所能承受的理論下限條件，以此實現三相風力發電機低電壓穿越調節，選擇合理的風力發電機逆變器能夠進一步提升穿越控制的穩定性。下圖為完整的風力發電機逆變器結構。

圖2 風力發電機逆變器結構圖

通過低電壓控制理論的分析以及風力發電機逆變器的選擇實現了三相風力發電機低電壓穿越控制。

4 實驗結果與討論

為突出說明三相風力發電機的低電壓穿越控制方法、MPPT控制方法、PWM控制方法、PCC控制方法間的應用差異性，利用理想物理平臺設計如下仿真對比實驗。令配置相同的計算機裝置模擬三相風力發電機的正常運轉狀態，采取人工干預的手段，阻礙運行過程中的發電機低電壓穿越行為。其中，實驗組搭載新型穿越控制方法、對照組1搭載MPPT控制方法、對照組2搭載PWM控制方法、對照組3搭載PCC控制方法。

4.1 物理環境設置

為全面提升實驗結果的真實性，可按照下表完成相關仿真物理環境設置操作。

表1 仿真參數表

出于公平性考慮，實驗組、對照組實驗參數始終保持一致。

4.2 發電機局部電壓高次項極值對比

在低電壓高階識別系數等于0.65的條件下，以60min作為實驗時間，分別記錄該段時間內，應用實驗組、對照組1、對照組2、對照組3的控制方法后，發電機局部電壓高次項極值的變化情況，實驗詳情如表2所示。

表2 發電機局部電壓高次項極值對比表

對比表1、表2可知，在60min的實驗時間內，實驗組發電機局部電壓的高次項極值始終未超過190V，最低時甚至達到176V，與理想極值200V相比，下降了24V；三個對照組發電機局部電壓的高次項極值始終高于190V，且超過一半時間的物理數值都超過理想極值200V，最大數值條件更是達到了212V，超過理想極值12V。綜上可知，在低電壓高階識別系數等于0.65的條件下，應用三相風力發電機的低電壓穿越控制方法，確實能夠抑制發電機局部電壓高次項極值不斷攀升。

4.3 發電機局部電壓低次項極值對比

在低電壓低階識別系數等于0.37的條件下，以60min作為實驗時間，分別記錄該段時間內，應用實驗組、對照組1、對照組2、對照組3的控制方法后，發電機局部電壓低次項極值的變化情況，實驗詳情如圖3-圖6所示。

圖3 實驗組發電機局部電壓低次項極值變化圖

圖4 對照組2發電機局部電壓低次項極值變化圖

圖5 對照組2發電機局部電壓低次項極值變化圖

圖6 對照組3發電機局部電壓低次項極值變化圖

對比圖3-圖6可知，實驗組發電機局部電壓低次項極值在整個實驗過程中，始終保持較低的變化水平，78V是本次實驗組出現的最大數值，與理想極值140V相比，下降了62V；對照組1、對照組2、對照組3發電機局部電壓低次項極值全部呈現較高的變化水平，整個實驗過程中出現的最大數值分別為146V、151V、149V，與理想極值140V相比，分別上升了6V、11V、9V，遠高于實驗組數值情況。綜上可知，在低電壓低階識別系數等于0.37的條件下，應用三相風力發電機的低電壓穿越控制方法，可以有效控制發電機局部電壓低次項極值的上升幅度。

5 結論

三相風力發電機的低電壓穿越控制方法在保留MPPT、PWM、PCC三種控制方法應用優勢的基礎上，對電壓穿越關系進行定向分析，又通過穿越控制功率調節的方式，使新方法的控制精準性得到不斷提升。從實用性角度來看，發電機局部電壓的高、低次項極值均得到一定程度的降低，局部電壓也不再出現異常過高現象，電子跳躍行為的發生幾率得到良好控制。