陳鑒慶 鄒旭東 梁宗澤 童 力 熊 威 朱東海

（強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）武漢 430074）

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基于反向電流跟蹤的雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越控制策略

陳鑒慶 鄒旭東 梁宗澤 童 力 熊 威 朱東海

（強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）武漢 430074）

摘要通過(guò)勵(lì)磁控制實(shí)現(xiàn)雙饋機(jī)組的低電壓穿越（LVRT）是風(fēng)力發(fā)電的熱點(diǎn)問(wèn)題之一?，F(xiàn)有的改進(jìn)勵(lì)磁控制策略一般需要磁鏈的準(zhǔn)確觀測(cè)和相序的快速分離，不易實(shí)現(xiàn)，并且存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。同時(shí)根據(jù)轉(zhuǎn)子端口等效阻抗特性分析，提出了一種轉(zhuǎn)子電流反向跟蹤定子電流的電流跟蹤控制策略。該策略將定子電流乘上適當(dāng)系數(shù)后作為轉(zhuǎn)子電流的指令值，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且理論上能消除電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略能在深度故障下實(shí)現(xiàn)機(jī)組的LVRT可控運(yùn)行，并能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在超同步20%時(shí)，能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落80%或單相全跌落的LVRT。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)機(jī) 低電壓穿越 深度故障 楞次定律

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2012CB215100）和國(guó)家自然科學(xué)基金（51477064）資助項(xiàng)目。

0 引言

近年來(lái)，風(fēng)能作為可再生能源的重要組成部分受到了廣泛的關(guān)注[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2012年底，全世界風(fēng)電裝機(jī)容量占電力系統(tǒng)總能量的12%[2]。這一新能源的大量接入，使得電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)提出了更多的要求[3]。其中一個(gè)基本要求就是實(shí)現(xiàn)故障下的低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT），保證在一定故障下風(fēng)機(jī)的不脫網(wǎng)運(yùn)行[4-6]。

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）是當(dāng)今風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用中的主流發(fā)電機(jī)類型[7,8]，其定子直接與電網(wǎng)相連，抗電網(wǎng)擾動(dòng)能力相對(duì)較弱[9]。由于定、轉(zhuǎn)子之間的強(qiáng)耦合，電網(wǎng)電壓發(fā)生深度跌落時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)會(huì)感應(yīng)出較高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而導(dǎo)致直流母線電壓的飆升。而且，定、轉(zhuǎn)子電流的大幅波動(dòng)會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)主軸、齒輪箱等產(chǎn)生很大的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力沖擊[10,11]。

現(xiàn)有的雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越方案可以分為改進(jìn)勵(lì)磁控制和增加硬件電路兩種方式[12]。增加硬件較為常用的方法是在轉(zhuǎn)子側(cè)投入Crowbar電阻并封鎖轉(zhuǎn)子側(cè)變流器[5,12]（Rotor Side Converter,RSC）。這種方法雖然能有效保護(hù)變流器，但Crowbar投入后的暫態(tài)過(guò)程中存在劇烈的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[13,14]。

相比較而言，通過(guò)改進(jìn)勵(lì)磁控制實(shí)現(xiàn)LVRT無(wú)需增加硬件，而且在故障期間可對(duì)暫態(tài)分量進(jìn)行控制，維持機(jī)組的可控運(yùn)行。截止目前，國(guó)內(nèi)外提出了各種LVRT勵(lì)磁控制策略。文獻(xiàn)[15]提出了滅磁控制，利用轉(zhuǎn)子電流在漏感上產(chǎn)生的磁場(chǎng)去消除定子磁鏈的直流和負(fù)序分量對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的影響，能實(shí)現(xiàn)較深度故障下的LVRT，但其需要準(zhǔn)確的磁鏈觀測(cè)和相序分離，對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴性較強(qiáng)，并且存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[16]在滅磁控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬阻抗的概念可降低轉(zhuǎn)子電流需求，但仍存在和滅磁控制相同的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[17]提出了磁鏈跟蹤控制策略，利用轉(zhuǎn)子磁鏈部分跟蹤定子磁鏈來(lái)間接控制定、轉(zhuǎn)子電流，能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但必須同時(shí)對(duì)定、轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行準(zhǔn)確觀測(cè)，并且取消了轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)，故障前后存在明顯的勵(lì)磁策略切換，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和控制難度。文獻(xiàn)[18]提出轉(zhuǎn)子電流直接同向跟蹤定子電流的控制策略，實(shí)現(xiàn)了次同步運(yùn)行時(shí)的80%深度故障下的LVRT，但超同步運(yùn)行工況下，需要異常高的直流母線電壓才能抑制過(guò)電流。

本文從轉(zhuǎn)子變流器等效阻抗出發(fā)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的典型控制策略的機(jī)側(cè)變流器等效阻抗的分析，得出最有利于實(shí)現(xiàn)穿越的等效阻抗，并分析如何控制轉(zhuǎn)子電流才能得到這一阻抗特性，進(jìn)而分析利用有限變流器電壓、電流容量實(shí)現(xiàn)深度故障下LVRT的根本要求。在此基礎(chǔ)上，提出了一種轉(zhuǎn)子電流反向成比例跟蹤定子電流的勵(lì)磁控制策略，該策略能有效抑制故障沖擊電流，并且理論上電磁轉(zhuǎn)矩恒等于零，因而能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

1 機(jī)側(cè)變流器等效阻抗分析

1.1 端口等效阻抗分析

忽略磁飽和等因素影響，理想條件下DFIG的等效模型如圖1所示，定、轉(zhuǎn)子參數(shù)分別在定、轉(zhuǎn)子靜止坐標(biāo)系下表示，轉(zhuǎn)子變流器等效為一個(gè)阻抗形式的負(fù)載。

圖1　轉(zhuǎn)子側(cè)等效電路Fig.1 The equivalent circuit of the rotor side

圖1中，上標(biāo)“s”、“r”分別表示定、轉(zhuǎn)子靜止坐標(biāo)系，上下標(biāo)對(duì)應(yīng)相同，因此在下文公式中均省略上標(biāo)。ψs、ψr分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?；Us、分別為定、轉(zhuǎn)子電壓矢量；is、ir分別為定、轉(zhuǎn)子電流矢量；Rs、Rr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻；Lm、Lsσ和Lrσ分別為定、轉(zhuǎn)子間互感和定、轉(zhuǎn)子漏感；Zr為轉(zhuǎn)子側(cè)等效阻抗。

本文采用空間矢量的方法對(duì)電機(jī)各參數(shù)進(jìn)行表示，按電動(dòng)機(jī)慣例，定、轉(zhuǎn)子靜止坐標(biāo)系下DFIG的磁鏈和電壓方程分別為

式中，rω表示轉(zhuǎn)子電角速度；Ls、Lr分別為定、轉(zhuǎn)子繞組全自感。

根據(jù)磁鏈、電壓方程式（1）、式（2），可推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子電流、電壓的表達(dá)式，然后結(jié)合式（3）計(jì)算出轉(zhuǎn)子端口的等效阻抗為

根據(jù)上述分析思路，下文對(duì)典型的控制策略的端口特性進(jìn)行分析。根據(jù)圖1所示的端口等效圖和文獻(xiàn)[15]中電機(jī)參數(shù)，取。典型控制策略的轉(zhuǎn)子端口等效阻抗對(duì)比見(jiàn)表1，其中，取漏感，根據(jù)文獻(xiàn)[15-17]中參數(shù)選取原則，kd＝0.6，，kT＝0.45。

表1　轉(zhuǎn)子端口等效阻抗對(duì)比Tab.1 The equivalent impedance comparsison of the rotor part

由表1可知，上述控制策略在轉(zhuǎn)子端口上呈現(xiàn)的等效阻抗值均為一個(gè)固定的值，并且阻性部分為負(fù)阻性，與轉(zhuǎn)子電阻相互抵消。而感性部分，磁鏈跟蹤和虛擬阻抗較為接近，文獻(xiàn)[16,17]中的控制效果也相對(duì)較好。滅磁控制的感性部分較小，其電流相對(duì)大一些，而正向電流跟蹤的感性部分為一個(gè)較大的負(fù)值，所以需要較高的直流母線電壓才能得到這一阻抗特性。

1.2 基于楞次定律的轉(zhuǎn)子電流需求分析

不難發(fā)現(xiàn)，上文所列舉的控制策略在端口等效阻抗特性上有相似之處。

雙饋電機(jī)定子磁鏈在定子短路時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)分量，經(jīng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)楞次定律，如果轉(zhuǎn)子側(cè)存在電流回路，其感應(yīng)電流激勵(lì)的磁場(chǎng)會(huì)阻礙磁通的變化，即轉(zhuǎn)子電流激勵(lì)的磁場(chǎng)與定子磁鏈變化的方向相反。根據(jù)式（1）定、轉(zhuǎn)子電流共同維持磁鏈的約束條件，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流與定子電流反向且略小于定子電流時(shí)，轉(zhuǎn)子電流能夠減小定子電流對(duì)定子磁鏈的影響，減小定子磁鏈中的暫態(tài)分量?？刂贫?、轉(zhuǎn)子電流間比例就相當(dāng)于分別控制了定、轉(zhuǎn)子電流。因此，對(duì)于矢量控制而言，在本文所示的參考方向下，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流大小一定時(shí)，定、轉(zhuǎn)子電流方向完全相反的情況下這種阻礙作用最為顯著，此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)端口等效為純感性負(fù)載。所以各種LVRT勵(lì)磁控制都是順從楞次定律的趨勢(shì)，用一個(gè)等效的小阻抗提供感應(yīng)電流通路。

在可控范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以近似認(rèn)為不受轉(zhuǎn)子電流的影響[19]。轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)只能作用在漏阻抗和變流器上，而變流器電壓輸出能力有限，不管如何控制都會(huì)產(chǎn)生電流，因而變流器呈現(xiàn)出一定的阻抗特性。關(guān)鍵在于找出合適的阻抗類型和大小，以及如何實(shí)現(xiàn)，使其電壓、電流特性滿足LVRT要求。設(shè)轉(zhuǎn)子電流幅值不變，并忽略較小的轉(zhuǎn)子電阻，轉(zhuǎn)子端口電壓隨電流相角的變化如圖2所示。結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)子端口等效為純感性負(fù)載，即定、轉(zhuǎn)子電流方向完全相反時(shí)，變流器輸出電壓需求最小，這是所有勵(lì)磁控制在實(shí)現(xiàn)深度故障下的最根本要求。

圖2　轉(zhuǎn)子端口矢量圖Fig.2 Vector diagram of rotor side

滅磁控制是提供大的電流通路去阻礙轉(zhuǎn)子磁鏈的變化，而且本身的阻抗值也較小，所以能夠限制轉(zhuǎn)子側(cè)的端口電壓。而虛擬阻抗這種方式則是限制了電流的大小，限制了這種阻礙磁通變化的能力，轉(zhuǎn)子磁鏈的直流分量產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大，端口電壓也隨之增大。

從端口阻抗特性和楞次定律關(guān)于電流方向的角度去分析LVRT勵(lì)磁控制策略的機(jī)理，可作為評(píng)判某種勵(lì)磁控制策略是否可行的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

2 反向電流跟蹤控制策略

基于對(duì)各種典型控制策略的總結(jié)，結(jié)合轉(zhuǎn)子電流需求的分析，本文提出了一種基于定子電壓定向的反向電流跟蹤控制策略。

2.1 控制原理及參數(shù)選取

當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓正序矢量的模長(zhǎng)小于0.9倍的額定電壓矢量模長(zhǎng)時(shí)，即可認(rèn)為電網(wǎng)電壓發(fā)生了跌落故障，此時(shí)立刻以定子電流乘上一個(gè)跟蹤系數(shù)k作為轉(zhuǎn)子電流的指令值，在保留原有矢量控制轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，其控制框圖如圖3所示。

相對(duì)于滅磁控制需要復(fù)雜的磁鏈觀測(cè)和分離，該策略從正?？刂频焦收峡刂浦恍枰淖冝D(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)的指令值，易于實(shí)現(xiàn)。該方法結(jié)合了正向電流跟蹤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和磁鏈跟蹤效果顯著的優(yōu)點(diǎn)，其轉(zhuǎn)子電流指令為

根據(jù)指令得到定、轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)定子靜止坐標(biāo)系下的矢量圖如圖4所示。

圖3　反向電流跟蹤控制框圖Fig.3 The control block of proposed method

圖4　定、轉(zhuǎn)子物理量矢量圖Fig.4 Vector diagram of both sides

將式（4）代入式（1）、式（2）中，得到轉(zhuǎn)子電壓的表達(dá)式為

那么，s域下的轉(zhuǎn)子端口等效阻抗為

根據(jù)表1總結(jié)的轉(zhuǎn)子端口等效阻抗可知，感性部分略小于漏感值。故可得k的取值約為

式（6）中的負(fù)阻性部分和轉(zhuǎn)子電阻Rr抵消，從定子側(cè)看，轉(zhuǎn)子側(cè)相當(dāng)于一個(gè)純感性的負(fù)載。原本的二階系統(tǒng)變成了一個(gè)一階系統(tǒng)，根據(jù)一階系統(tǒng)的響應(yīng)公式求得定子磁鏈的暫態(tài)表達(dá)式為

根據(jù)對(duì)稱空間矢量的概念，且DFIG中性點(diǎn)通常不接地，所以忽略零序分量。故障發(fā)生時(shí)刻，定子電壓矢量由正、負(fù)序分量組成，對(duì)稱跌落是負(fù)序分量為零的工況。

定子磁鏈的穩(wěn)態(tài)分量為

式中

為了簡(jiǎn)化分析，公式推導(dǎo)都是基于轉(zhuǎn)子實(shí)際電流能夠完全跟上指令值的基本假設(shè)，得到定子電流的表達(dá)式為

式中，定子電流的穩(wěn)態(tài)分量為

將式（12）代入式（1）和式（2）中，計(jì)算得到轉(zhuǎn)子電壓、電流的表達(dá)式為

式中，1ω表示定子電角速度；isu＋、isu-分別表示定子電流穩(wěn)態(tài)正、負(fù)序分量。結(jié)合不同系統(tǒng)的參數(shù)和電壓、電流的極限值，即可根據(jù)式（15）得到k值的取值范圍。

式中，ir（pu）表示轉(zhuǎn)子電流標(biāo)幺值；Udc、Urline分別為直流母線電壓，轉(zhuǎn)子線電壓。

2.2 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析

消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是LVRT的重要目標(biāo)之一，電磁轉(zhuǎn)矩在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，恒功率變換得到的表達(dá)式為

式中，np表示極對(duì)數(shù)。把式（4）轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，得到

將式（17）代入到式（16）中可得

只要定、轉(zhuǎn)子電流之間存在一個(gè)常系數(shù)關(guān)系，電磁轉(zhuǎn)矩都為零，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)必然也為零。所以從電磁轉(zhuǎn)矩的角度來(lái)說(shuō)，控制策略如果符合式（4），即可避免對(duì)電機(jī)的機(jī)械應(yīng)力沖擊。本文提出的控制策略符合式（17）所示的條件，理論上可以消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

3 仿真研究

3.1 參數(shù)選取仿真

本文在Matlab/Simulink中，以一臺(tái)1.5MW風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行了仿真，模型參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　仿真參數(shù)Tab.2 Parameters of simulation

電網(wǎng)電壓跌落時(shí)刻轉(zhuǎn)子電流矢量的初始位置不確定，所以最壞的情況就是轉(zhuǎn)子電流矢量的峰值出現(xiàn)在某一相的線電流上，此時(shí)線電流達(dá)到最大值，也就是最嚴(yán)重的情況，因此取轉(zhuǎn)子電流矢量模長(zhǎng)的峰值作為是否過(guò)電流的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)式（12）、式（14）的電壓、電流表達(dá)式，在轉(zhuǎn)子電流可控的條件下，得到轉(zhuǎn)子端口電壓、電流峰值關(guān)于k的變化曲線如圖5所示。

圖5　k取值對(duì)電壓、電流峰值的影響（對(duì)稱跌落70%）Fig.5 Influence of k on the voltage and current（70% failure）

圖5中縱坐標(biāo)取過(guò)電壓、過(guò)電流極限值為基準(zhǔn)。在保證可控和電流極限范圍內(nèi)，k的取值范圍為0.892～0.926。仿真中取k ＝0.9，故障發(fā)生前風(fēng)機(jī)以額定功率輸出，在0.2s時(shí)刻發(fā)生故障。此時(shí)端口的等效阻抗

仿真和公式計(jì)算得到的波形對(duì)比如圖6所示。風(fēng)機(jī)在0.1s并網(wǎng)并以額定功率為控制目標(biāo)輸出，在0.2s發(fā)生跌落故障并持續(xù)到0.5s。

圖6　定子磁鏈和轉(zhuǎn)子電壓、電流的仿真和計(jì)算結(jié)果Fig.6 Comparison of simulation and calculation

轉(zhuǎn)子電流指令的突變，導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子電壓限幅輸出，故轉(zhuǎn)子電壓波形在故障后第一個(gè)波峰附近存在較大的偏差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流在一段時(shí)間內(nèi)較快上升。轉(zhuǎn)子電流的第一個(gè)波峰和相位都存在偏差，但波形基本相符，可作為參數(shù)選取的依據(jù)。

3.2 故障跌落仿真

在三相對(duì)稱跌落70%和單相跌落90%的工況下，分別以反向電流跟蹤和滅磁控制為例進(jìn)行了對(duì)比仿真，仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。在0.1s時(shí)刻風(fēng)機(jī)以額定功率為功率指令正常工作，在0.2s時(shí)刻電網(wǎng)發(fā)生跌落故障。

對(duì)稱故障下，反向電流跟蹤和滅磁控制的轉(zhuǎn)子電流都被抑制在2（pu）以內(nèi)，反向電流跟蹤的衰減速率相對(duì)較快。但是從圖6反向電流轉(zhuǎn)子電流矢量波形可知，矢量峰值略微超過(guò)了最大允許電流值，只是仿真中所取的故障時(shí)刻并非最嚴(yán)重的情況。滅磁控制的電壓需求較小，但需要較大的轉(zhuǎn)子電流去消除定子磁鏈的直流分量。兩種方案的轉(zhuǎn)子電壓、電流波形在峰值和衰減過(guò)程差異不是非常顯著，但是電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)差異較大。理論上，反向電流跟蹤不存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而滅磁控制的定子電流中存在正序分量，轉(zhuǎn)子電流中不存在正序分量，根據(jù)式（16）的表達(dá)式，電磁轉(zhuǎn)矩必然存在工頻脈動(dòng)。兩種方法都會(huì)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，這和等效阻抗為感性的分析結(jié)果一致，因此需要考慮何時(shí)改變控制目標(biāo)，轉(zhuǎn)而為電網(wǎng)提供無(wú)功支撐。

圖7　三相對(duì)稱跌落70%Fig.7 Three-phase syrnmetrical drop to 30%

圖8　單相跌落90%Fig.8 One-phase drop to 10%

不對(duì)稱故障下，兩種方法的轉(zhuǎn)子電流峰值都在2（pu）的限制范圍以內(nèi)。由于滅磁控制的轉(zhuǎn)子電流中沒(méi)有正序分量，正序等效電路的機(jī)側(cè)變流器相當(dāng)于開(kāi)路，因此需要更高的轉(zhuǎn)子電壓去抑制正序電流。滅磁控制的電流波形衰減更為顯著，這是由于滅磁控制轉(zhuǎn)子電流中沒(méi)有正序分量，直流分量所占的比重較大，轉(zhuǎn)子電流隨著直流分量的衰減而衰減。而反向電流跟蹤控制中含有較大的正序分量，直流分量的衰減對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子電流的衰減影響不顯著。由于單相跌落故障的正序分量較大，滅磁控制存在比對(duì)稱跌落時(shí)更顯著的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而反向電流跟蹤基本沒(méi)有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由于負(fù)序分量的存在，有功、無(wú)功的脈動(dòng)更加顯著。

針對(duì)k的取值對(duì)控制效果的影響，分別取k為0.86和0.93進(jìn)行了一組對(duì)比仿真，如圖9所示。

圖9　不同k值下轉(zhuǎn)子電壓、電流對(duì)比（對(duì)稱跌落70%）Fig.9 The comparison of voltge and current with diffenent k（symmetrical drop to 30%）

仿真結(jié)果表明，對(duì)于電流峰值而言，在一定范圍內(nèi)，k的取值對(duì)其影響不大。原因是在故障后的一小段時(shí)間內(nèi)，變流器電壓輸出能力有限，指令值在一定范圍內(nèi)的大小對(duì)其影響較小，完全靠變流器自身的容量限制過(guò)電流。而在可控范圍內(nèi)，k值對(duì)電壓、電流的影響較為顯著。k值越大，則轉(zhuǎn)子電流越大，轉(zhuǎn)子電壓越小，吸收無(wú)功功率越大，這和端口阻抗特性分析結(jié)果一致。

對(duì)比式（19）和表1端口等效阻抗，本文的方法和滅磁控制、磁鏈跟蹤沒(méi)有物理本質(zhì)的區(qū)別，參數(shù)取值也比較接近，但控制方法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，不需要復(fù)雜的磁鏈觀測(cè)，并且可以很好地消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。而和正向電流跟蹤控制相比，雖然控制方法類似，但正向電流跟蹤需要很高的母線電壓來(lái)抑制電流，只能實(shí)現(xiàn)跌落深度較淺的故障。反向電流跟蹤結(jié)合了這些控制策略的優(yōu)點(diǎn)，物理意義清晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在一定跌落深度內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓穿越。

4 實(shí)驗(yàn)研究

本文在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)反向電流跟蹤控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖10所示。雙饋發(fā)電機(jī)由一臺(tái)籠型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，變流器機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)分別由兩塊DSP（TMS320F28335）獨(dú)立控制。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要參數(shù)見(jiàn)表3。

圖10　雙饋式風(fēng)力發(fā)電示范系統(tǒng)Fig.10 Demonstration wind power generation system of DFIG

表3　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)Tab.3 Experimental platform parameters

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上分別做了對(duì)稱跌落80%和單相全跌落實(shí)驗(yàn)。故障發(fā)生前，DFIG以1（pu）有功功率和0（pu）無(wú)功功率穩(wěn)定輸出。原動(dòng)機(jī)設(shè)置為定轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)差率為-0.2。由于實(shí)驗(yàn)電機(jī)的漏感相對(duì)較大，k應(yīng)該比仿真中小，設(shè)為0.8。

從圖11中的實(shí)驗(yàn)波形可得，在對(duì)稱跌落80%和單相全跌落故障下，轉(zhuǎn)子三相電流峰值被抑制在了2（pu）之內(nèi)，并且其矢量的模長(zhǎng)也在2（pu）之內(nèi)。定子電流也很快衰減，并趨于穩(wěn)定。轉(zhuǎn)子電壓中存在轉(zhuǎn)速頻率的電壓分量用以控制轉(zhuǎn)子電流的直流分量。對(duì)稱故障下，電磁轉(zhuǎn)矩的波形在故障后的兩到三個(gè)工頻周期內(nèi)已經(jīng)基本為零；單相跌落故障下，由于負(fù)序分量的控制難度較大，轉(zhuǎn)矩仍然存在小的脈動(dòng)。各個(gè)分量的波形衰減速度都比仿真中快，這是由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備的電阻值相對(duì)較大。

圖11　實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Experimental waveforms

在常規(guī)參數(shù)下，改進(jìn)勵(lì)磁幾乎不可能實(shí)現(xiàn)零電壓穿越，只有把電阻和漏感取大，或提高直流電壓，才能實(shí)現(xiàn)零電壓穿越。

5 結(jié)論

本文歸納了現(xiàn)有的勵(lì)磁控制策略在轉(zhuǎn)子端口等效阻抗特性上的共同特性，并基于對(duì)楞次定律的理解，結(jié)合雙饋電機(jī)短路故障暫態(tài)過(guò)程的分析，從故障下變流器提供感應(yīng)電流通路的角度對(duì)勵(lì)磁控制的物理意義進(jìn)行了分析和總結(jié)。分析結(jié)果表明，典型的LVRT勵(lì)磁控制策略都是順應(yīng)楞次定律的趨勢(shì)為轉(zhuǎn)子電流提供一個(gè)一定阻抗的通路，并且當(dāng)?shù)刃ё杩篂榧兏行詴r(shí)，即定、轉(zhuǎn)子電流方向完全相反時(shí)，控制效果最好。該分析方法可以作為評(píng)判某種控制策略是否可行的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)而本文提出了一種轉(zhuǎn)子電流指令反向跟蹤定子電流的控制策略，并分析了該策略的物理意義及相對(duì)于其他控制策略的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)暫態(tài)過(guò)程的分析，得出了關(guān)鍵參數(shù)k的選取原則，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其結(jié)果均表明了該控制策略的有效性。

該控制策略具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①原理清晰，無(wú)需磁鏈觀測(cè)，容易實(shí)現(xiàn)。②保留正?？刂频霓D(zhuǎn)子電流閉環(huán)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。③能夠有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

在深度故障發(fā)生后的一段時(shí)間內(nèi)，勵(lì)磁控制都需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率才能保持不脫網(wǎng)運(yùn)行，二者存在不可調(diào)和的矛盾。

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陳鑒慶 男，1990年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡p饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障穿越及其變流器控制。

E-mail:773651696@qq.com（通信作者）

鄒旭東 男，1974年生，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娔艽鎯?chǔ)與變換、新能源發(fā)電、電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等。

E-mail:xdzou@mail.hust.edu.cn

An Improved Control Strategy of Doubly-Fed Wind Turbine under Voltage Dips Based on Reverse Current Tracking

Chen Jianqing Zou Xudong Liang Zongze Tong Li Xiong Wei Zhu Donghai
（State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）

AbstractThe low voltage ride through（LVRT）of doubly-fed induction generator（DFIG）via excitation control during severe faults is one of the highlights in wind energy conversion system（WECS）.In current most control strategies need accurate observation and fast sequence separation of flux,and will lead to the torque pulsation.After summarizing the common characteristics of various efficient low voltage ride-through control strategies on the port from the perspective of physics principle,a reverse current tracking control strategy is then proposed in this paper.The stator current multiplied by a certain coefficient is set as the reference of rotor current during the faults,which is simple in structure and can restrain the torque pulsation effectively.Case study verifies the effectiveness of the improved method.It is shown that using the proposed method,at 20% over-synchronous speed,the DFIG can achieve LVRT under 80% symmetrical fault or 100% single phase fault.

Keywords：Doubly-fed induction generator,low voltage ride through,evere faults,Lenz law

作者簡(jiǎn)介

收稿日期2013-11-18 改稿日期 2014-01-02

中圖分類號(hào)：TM712；TM614