趙長(zhǎng)風(fēng)

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0　引　言

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因其高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量逐年上升，世界各國(guó)電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力要求也越來越嚴(yán)格。對(duì)于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障容易導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓跌落,造成發(fā)電機(jī)定子電流突然增加。由于轉(zhuǎn)子與定子之間的強(qiáng)耦合性,快速增加的定子電流會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流急劇上升[1]。所以必須采取有效的控制策略限制 DFIG 在電網(wǎng)電壓驟降時(shí)的轉(zhuǎn)子電流沖擊,避免對(duì)變頻器造成危害,另外還要盡可能減少機(jī)械轉(zhuǎn)矩越變,防止齒輪箱和風(fēng)機(jī)產(chǎn)生機(jī)械損害。

現(xiàn)有技術(shù)中，提高DFIG的低電壓穿越能力的方式大致可以分為三類：一是對(duì)風(fēng)機(jī)本體增加硬件保護(hù)設(shè)備，通過增加額外耗能以消耗DFIG多余的能量，保護(hù)變頻器的安全[2]。二是使用能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，提高風(fēng)電場(chǎng)整體故障穿越能力[3]。三是在不增加硬件的基礎(chǔ)上改進(jìn)電網(wǎng)故障時(shí)刻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略。前兩種都存在其局限性，不僅會(huì)增加風(fēng)電機(jī)組成本，降低可靠性，而且不能有效解決低電壓穿越過程中電流激增的問題。隨著我國(guó)風(fēng)電行業(yè)逐步向西南地區(qū)等第四類風(fēng)區(qū)發(fā)展，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越要求也在發(fā)生變化。西南高原地區(qū)極易受到雷擊影響，因此機(jī)組過電流保護(hù)定值設(shè)定相對(duì)較低以保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。以貴州地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)故障為例，該風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)波動(dòng)致使風(fēng)速較低的集電I、II線(平均風(fēng)速<3.5 m/s)機(jī)組均順利完成低電壓穿越過程后35 kV低頻低壓解列裝置低壓減載動(dòng)作集電線斷路器跳閘，但風(fēng)速較高的集電III線(平均風(fēng)速>7.5 m/s)卻有三臺(tái)風(fēng)機(jī)在故障期間跳閘。事后查明三臺(tái)風(fēng)機(jī)在低電壓穿越過程中產(chǎn)生大電流致使風(fēng)機(jī)箱變過電流保護(hù)動(dòng)作跳閘。風(fēng)電場(chǎng)已對(duì)箱變定值進(jìn)行調(diào)整但若要徹底解決此問題需對(duì)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

本文針對(duì)電網(wǎng)故障時(shí)DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制策略進(jìn)行研究，在不增加硬件保護(hù)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行范圍。設(shè)計(jì)電網(wǎng)電壓變化下的DFIG數(shù)學(xué)模型并基于滑模控制原理設(shè)計(jì)控制策略；基于抑制電磁功率傳遞的原理提出了電網(wǎng)故障時(shí)刻改進(jìn)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制策略；針對(duì)本文所設(shè)計(jì)低電壓穿越方案的有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1　DFIG數(shù)學(xué)模型

從 DFIG 的運(yùn)行原理和等效電路出發(fā), 通常選用Park模型進(jìn)行分析。根據(jù)電動(dòng)機(jī)慣例， DFIG在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下定、轉(zhuǎn)子電壓方程和磁鏈方程可表示為[4]

(1)

(2)

由式子(1)、(2)可得轉(zhuǎn)子電壓方程：

(3)

由式(1)、(2)、(3)可得狀態(tài)方程：

(4)

(5)

2　滑模控制器設(shè)計(jì)

若采用傳統(tǒng)控制，穩(wěn)態(tài)時(shí)使用一種正常控制策略，出現(xiàn)故障時(shí)配合增加硬件電路切換到相應(yīng)的故障控制策略。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略的切換或者重新投入運(yùn)行，會(huì)給系統(tǒng)帶來不必要的沖擊。為增強(qiáng)DFIG控制的相應(yīng)速度和抗干擾能力，本節(jié)根據(jù) DFIG 的數(shù)學(xué)模型,對(duì)基于 DFIG 傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的控制策略加以改進(jìn),不用進(jìn)行控制策略的切換也不用增加任何硬件電路。既為控制策略的實(shí)施提供了方便也降低了成本。

定義切換函數(shù)如下：

(6)

對(duì)式(6)求導(dǎo)得

(7)

為減弱抖振并改善趨近運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)性能，采用指數(shù)趨近律，則由式(7)可得

(8)

其中， sat(s)為

(9)

聯(lián)立式(4)、(5)、(7)、(8)得轉(zhuǎn)子電壓方程:

(10)

由式(10)可得電網(wǎng)正常情況下轉(zhuǎn)子側(cè)變流器基于滑?？刂破鞯目刂品匠獭Ｆ淇刂圃韴D如圖1所示。

圖1　基于滑模控制器的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器功率控制原理圖

3　轉(zhuǎn)子回路過電流抑制機(jī)理

DFIG實(shí)際上是一個(gè)三端口能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),轉(zhuǎn)子軸端輸入機(jī)械能,定子向電網(wǎng)輸出電能,轉(zhuǎn)子的能量流動(dòng)方向由 DFIG 的運(yùn)行狀況決定。電動(dòng)機(jī)慣例下DFIG的能量流動(dòng)如圖2所示。當(dāng)DFIG超同步運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)輪所捕獲的風(fēng)能，通過機(jī)械能的方式輸入到機(jī)電耦合系統(tǒng)，經(jīng)電磁能量轉(zhuǎn)換，以電能的形式從定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)饋入到電網(wǎng)。其關(guān)系如下：

(11)

(12)

式中：Ws、Wr、Wm為定子輸入電能、轉(zhuǎn)子輸入電能和風(fēng)輪輸入的機(jī)械能；es、er為定、轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

在電網(wǎng)電壓故障時(shí), 定、轉(zhuǎn)子輸出的電能減少而風(fēng)輪輸入的機(jī)械能不變。電壓變化導(dǎo)致了定子磁鏈的變化,此時(shí)定、轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將發(fā)生變換，以使電端口輸出更多的能量，從而造成了定、轉(zhuǎn)子回路的浪涌電流。

轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)即為變頻器電動(dòng)勢(shì)組成，當(dāng)磁鏈中的直流暫態(tài)磁鏈衰減向外釋放能量時(shí)，變頻器電動(dòng)勢(shì)向外輸出能量。因此，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可控部分只有運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)。定子勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)必須加以考慮,加入該補(bǔ)償量,可以反映定子電流的變化,進(jìn)而通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓來限制電流的沖擊。為減小這一部分感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可得轉(zhuǎn)子電流參考值為：

(13)

結(jié)合式(2)對(duì)式(13)進(jìn)行修正，得由定子磁鏈表示的轉(zhuǎn)子電流參考值：

(14)

將式(14)代入到電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子電磁功率表達(dá)式，可得

(15)

(16)

式(15)、(16)即為DFIG的控制策略，若轉(zhuǎn)子電流能快速跟蹤給定值，則電網(wǎng)故障時(shí)，轉(zhuǎn)子回路輸出的電磁功率為零，且電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩能得到抑制。有效地減小了電網(wǎng)電壓驟降下 DFIG 轉(zhuǎn)子過電流和直流側(cè)過電壓的危害,并且能有效地克服系統(tǒng)的抖振。

圖2　電動(dòng)機(jī)慣例下DFIG的能量流動(dòng)

4　MATLAB仿真驗(yàn)證

本文采用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真研究，以驗(yàn)證所改進(jìn)低電壓穿越控制方案的正確性，以1臺(tái)2 MW的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)對(duì)稱故障時(shí)為例。

實(shí)驗(yàn)對(duì)本章所改進(jìn)的控制策略和在傳統(tǒng)模型基礎(chǔ)采用的控制策略進(jìn)行了比較。當(dāng)t=0.2 s時(shí)機(jī)端電壓跌落到25%時(shí)的仿真結(jié)果，如圖3所示。設(shè)轉(zhuǎn)子側(cè)電流最大不超過2 p.u.。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)故障時(shí)，轉(zhuǎn)子電流參考值切換到公式(14)。由圖3(a)可知，采用帶前饋補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)矢量控制，電網(wǎng)故障時(shí)刻，轉(zhuǎn)子電流峰值為4 p.u.，電磁轉(zhuǎn)矩振蕩反向最大幅值達(dá)到1 p.u.。采用文獻(xiàn)[5]所提“滅磁”控制策略時(shí)，如圖3(b)所示，轉(zhuǎn)子電流峰值被限制在了2 p.u.，電磁轉(zhuǎn)矩的反向振蕩幅值達(dá)到了0.45 p.u.。圖3(c)所示采用本文所選控制策略時(shí)，轉(zhuǎn)子電流峰值減小到1.72 p.u.，且抑制電磁轉(zhuǎn)矩振蕩的控制效果明顯，電磁轉(zhuǎn)矩保持為零。電網(wǎng)電壓跌落至電壓恢復(fù)時(shí)刻，圖3(c)所示功率波形，相比(a)、(b)所示功率波形，滑模控制下轉(zhuǎn)子電流沖擊的幅值比傳統(tǒng)控制下其振蕩幅度和進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的速度明顯縮短，轉(zhuǎn)子電流沖擊的幅值得到了很大的削弱,表明控制策略可對(duì)轉(zhuǎn)子電流實(shí)現(xiàn)有效的控制,可以防止故障時(shí)轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的過電流。同時(shí)，可看出滑?？刂撇呗韵码姶呸D(zhuǎn)矩的波動(dòng)幅值明顯減小，因而有效減少對(duì)齒輪箱、轉(zhuǎn)軸等機(jī)械部件的沖擊，從而有效延長(zhǎng)機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命。

圖3　電壓對(duì)稱跌落到25%時(shí)DFIG仿真結(jié)果

5　結(jié)束語

本文基于滑?？刂圃碓O(shè)計(jì)了電流控制器，通過提高控制的響應(yīng)速度，減少DFIGD對(duì)電網(wǎng)的電流沖擊。從抑制能量向轉(zhuǎn)子側(cè)流動(dòng)的角度考慮，根據(jù)DFIG 能量流動(dòng)關(guān)系，提出了電網(wǎng)故障時(shí)刻轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的改進(jìn)控制策略。針對(duì)電壓對(duì)稱跌落進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，證明了該方法能有效抑制電網(wǎng)故障時(shí)刻轉(zhuǎn)子側(cè)過電流，并對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩有很好的抑制效果，提高了在電網(wǎng)電壓驟降故障下的不間斷運(yùn)行能力和低電壓穿越能力。

參考文獻(xiàn)：

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