史俊華，余龍輝，李文武

(1. 江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 管理工程系，南昌 330032；2.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔、無污染且極具商業(yè)化開發(fā)前景的發(fā)電方式，其需求在世界范圍內(nèi)顯著增長[1-2]。2013年,我國風(fēng)電總裝機(jī)容量超過91.41 GW，成為全球風(fēng)電裝機(jī)容量最大的國家[3]。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Double Fed Induction Generator，DFIG)以其良好的運(yùn)行及調(diào)節(jié)性能成為風(fēng)電市場的主流機(jī)型，隨著并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，提高DFIG的故障穿越能力一直是研究的熱點(diǎn)[4-5]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對DFIG低壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)的研究成果主要分為兩類：當(dāng)電網(wǎng)電壓略有下降時(shí)，由改進(jìn)控制策略來提高DFIG故障穿越能力；電網(wǎng)電壓大幅度降落時(shí)，主要由撬棒(Crowbar)確保DFIG的不脫網(wǎng)運(yùn)行。但Crowbar保護(hù)電路的投入使轉(zhuǎn)子側(cè)換流器封鎖，DFIG作為感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行，無功需求增大，不利于電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定[6-9]。鑒于傳統(tǒng)撬棒保護(hù)的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[10]提出了一種定子Crowbar模式切換的DFIG故障控制策略，使其在感應(yīng)發(fā)電機(jī)模式下仍能對換流器進(jìn)行無功控制；文獻(xiàn)[11]在分析電網(wǎng)電壓跌落期間轉(zhuǎn)子電流驟升機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出一種定子串聯(lián)電抗的低電壓穿越綜合控制策略，在確保DFIG故障穿越的同時(shí)提高了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[12]基于電網(wǎng)電壓跌落程度提出采用定子動(dòng)態(tài)變阻值的撬棒保護(hù)電路來提升機(jī)組的低電壓穿越能力和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行能力；文獻(xiàn)[13]中，基于故障期間轉(zhuǎn)子短路電流和開路電壓的暫態(tài)特性，提出了使用定子串聯(lián)阻抗的DFIG低壓有源穿越技術(shù)來實(shí)現(xiàn)LVRT。

文獻(xiàn)[14]提出采用轉(zhuǎn)子串電阻電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)Crowbar保護(hù)實(shí)現(xiàn)DFIG故障穿越，但僅給出限流電阻取值的下限，且未涉及DFIG的功率分配問題；在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[15]完善了設(shè)定限流電阻器電阻的方法，但并未評(píng)估限流電阻阻值選取的不同對機(jī)組瞬態(tài)性能的影響及其最優(yōu)阻值選取原則；此外，文獻(xiàn)[15]利用了LVRT期間轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的可控性，并提出了一種功率協(xié)調(diào)控制策略，該策略給出了故障期間有功和無功功率分配的原理。但仿真分析僅對定、轉(zhuǎn)子電流和直流母線電壓進(jìn)行了說明，并沒有給出有功、無功功率的仿真波形來支撐理論分析的正確性；在轉(zhuǎn)子串電阻電路退出運(yùn)行但電網(wǎng)電壓尚未恢復(fù)期間卻使轉(zhuǎn)子側(cè)換流器恢復(fù)至正常的控制模式，不利于無功功率和電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的抑制。

針對以上不足，本文在文獻(xiàn)[15]對轉(zhuǎn)子串電阻電路分析的基礎(chǔ)上，考慮限流電阻阻值對低電壓穿越期間DFIG瞬態(tài)性能的影響，權(quán)衡轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓、無功功率、電磁轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系，對限流電阻阻值的選取原則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)子串電阻電路退出時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的功率協(xié)調(diào)控制策略有所改善；在此基礎(chǔ)上，利用變流器對DFIG的控制靈活性，提出一種無需定子磁鏈觀測且控制算法簡單的換流器改進(jìn)控制策略。本文所提LVRT優(yōu)化控制策略在提高機(jī)組瞬態(tài)性能的同時(shí)兼顧了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

1 DFIG數(shù)學(xué)模型

按照電動(dòng)機(jī)慣例，且將轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)則算到定子側(cè)，忽略磁飽和現(xiàn)象后DFIG在定子坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

(1)

(2)

式中,Us、Is、ψs分別為定子電壓、電流、磁鏈?zhǔn)噶?；Ur、Ir、ψr分別為轉(zhuǎn)子電壓、電流、磁鏈?zhǔn)噶?；Rs、Ls、Rr、Lr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻和電感；Lm為定轉(zhuǎn)子間互感；ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。

2 轉(zhuǎn)子串電阻電路

2.1 轉(zhuǎn)子串電阻電路分析

由式(1)和式(2)可得轉(zhuǎn)子電壓方程為

(3)

(4)

式中,Rrσ=Rr+(Lm/Ls)2Rs為轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電阻。

由式(3)可知，增大Rrσ，能夠?qū)收掀陂g的轉(zhuǎn)子過電流起到一定的抑制作用，且電網(wǎng)電壓跌落過程中轉(zhuǎn)子側(cè)換流器可控，避免了撬棒保護(hù)的失控問題。雖然定子串電阻電路可以在一定程度上增加轉(zhuǎn)子瞬態(tài)電阻，但是該方法所需的器件的額定容量很大，致使系統(tǒng)成本增加、損耗大、效率低。因此，本文采用轉(zhuǎn)子串電阻電路來實(shí)現(xiàn)DFIG故障穿越。基于轉(zhuǎn)子串電阻電路的DFIG系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 DFIG結(jié)構(gòu)圖

2.2 限流電阻阻值優(yōu)化

文獻(xiàn)[15]依據(jù)故障期間轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流的安全邊界條件對限流電阻阻值的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，這里只給出了最終的推導(dǎo)結(jié)果(詳細(xì)推導(dǎo)過程參見文獻(xiàn)[15])。

(5)

(6)

式中，Imax為RSC所允許的最大電流；Urlim為轉(zhuǎn)子電壓的安全限值；Xs為定子等效電抗；λ為安全裕量系數(shù)。

文獻(xiàn)[15]雖給出了限流電阻的上限值，完善了Rrsr阻值的整定方法，但并未分析Rrsr阻值對機(jī)組暫態(tài)特性的影響和其最優(yōu)選取原則。本文在考慮Rrsr阻值對低電壓穿越期間DFIG瞬態(tài)性能影響的基礎(chǔ)上，對Rrsr阻值的選取原則進(jìn)行優(yōu)化。

表1給出了電網(wǎng)電壓對稱跌落至0.4pu(仿真參數(shù)見第4章)，限流電阻取值不同時(shí)，轉(zhuǎn)子電流、無功功率、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子三相電壓峰值。

表1 不同限流電阻取值對暫態(tài)性能影響

由表1可以看出，隨限流電阻阻值增大，轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩幅度明顯變小；但對電網(wǎng)的無功支撐能力減弱，轉(zhuǎn)子電壓顯著增加。綜合考慮Rrsr阻值對低電壓穿越期間DFIG瞬態(tài)性能的影響，提出以下Rrsr阻值的優(yōu)化選取原則：

(1)較大的Rrsr阻值對故障期間轉(zhuǎn)子過電流的抑制能力越強(qiáng)；較小的Rrsr阻值對故障期間的無功支撐能力越強(qiáng)，這更利于故障的快速恢復(fù)。因此，限流電阻阻值的選取因在不超過轉(zhuǎn)子電壓安全限值的條件下盡量選擇較大的Rrsr電阻。

(2)為了避免轉(zhuǎn)子電流在限流電阻Rrsr上產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)子電壓，引起直流母線鉗位效應(yīng)，應(yīng)根據(jù)式(6)選擇Rrsr的上限；

(3)考慮限流電阻對電磁轉(zhuǎn)矩的影響，為減小暫態(tài)過程對DFIG軸系的沖擊和機(jī)械系統(tǒng)的損傷，Rrsr阻值的選取不宜過小，避免電磁轉(zhuǎn)矩的劇烈振蕩對主軸、齒輪箱造成扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力沖擊。

3 功率優(yōu)化控制策略

電網(wǎng)電壓跌落會(huì)造成DFIG內(nèi)部能量不平衡，LVRT過程中，DFIG轉(zhuǎn)子吸收的動(dòng)能為[16]

(7)

式中，J由總慣性時(shí)間常數(shù)H決定的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωa、ωb分別為故障前、后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；Δt為電網(wǎng)電壓跌落時(shí)間。由上式可得ωb為

(8)

由于總慣性時(shí)間常數(shù) 較大，故障持續(xù)時(shí)間Δt較短，且K的取值范圍在0-1之間，所以，能夠不考慮DFIG的超速脫網(wǎng)問題。因此，可以充分利用DFIG在低電壓穿越期間的可控性來執(zhí)行對轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)換器的功率協(xié)調(diào)控制。

文獻(xiàn)[15]依賴于故障期間限流電阻Rrsr消耗的有功功率和電網(wǎng)恢復(fù)所需的無功功率，提出了在轉(zhuǎn)子串電阻電路輸入期間RSC的有功、無功電流約束：

(9)

(10)

其中，s為轉(zhuǎn)差頻率。

在限流電阻退出運(yùn)行但電網(wǎng)電壓尚未恢復(fù)時(shí)，卻使轉(zhuǎn)子側(cè)換流器恢復(fù)至正常的控制模式，這并沒有充分利用故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的可控性來對故障電網(wǎng)進(jìn)行無功支撐。本文在上述文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，對電網(wǎng)故障尚未恢復(fù)但轉(zhuǎn)子串電阻電路退出運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的功率協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行優(yōu)化和完善，使其繼續(xù)發(fā)出一定的無功功率，利于故障電網(wǎng)的快速恢復(fù)。

4 LVRT控制策略

雖然在文獻(xiàn)[15]中提出了限流電阻輸入期間轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的功率協(xié)調(diào)控制策略，但轉(zhuǎn)子側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略尚未得到改進(jìn)，本文充分利用換流器的可控性對其控制策略進(jìn)行改進(jìn)，以提高DFIG的瞬態(tài)響應(yīng)性能。

4.1 RSC改進(jìn)控制策略

目前已有較多文獻(xiàn)提出了故障期間轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的改進(jìn)控制策略[17-18]，但大都對電機(jī)參數(shù)具有較強(qiáng)的依賴性，并且有必要實(shí)時(shí)觀察ψs的動(dòng)態(tài)變化，控制算法更加復(fù)雜。本文從抑制轉(zhuǎn)子電流旋轉(zhuǎn)分量的角度提出一種無需ψs觀測的RSC改進(jìn)控制策略，在簡化控制算法的同時(shí)，提高了DFIG故障穿越能力。

(11)

式中，irdDC、irqDC為ird、irq經(jīng)低通濾波后獲得的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流分量的直流量；ird、irq通過減去irdDC、irqDC，可以獲得轉(zhuǎn)子電流旋轉(zhuǎn)分量。改進(jìn)的RSC控制策略如圖2所示。

圖2 RSC改進(jìn)控制策略

4.2 GSC改進(jìn)控制策略

電網(wǎng)電壓跌落導(dǎo)致機(jī)側(cè)無法傳送更多的能量，致使DFIG兩換流器間功率流動(dòng)不平衡，直流母線電壓大幅度波動(dòng)。由于網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器電壓的外環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比電流的內(nèi)環(huán)慢得多，為提高其瞬態(tài)響應(yīng)性能，將轉(zhuǎn)子側(cè)直流電流irdc經(jīng)低通濾波后獲得的分量作為前饋項(xiàng)引入電流內(nèi)環(huán)控制回路，這樣，改善了網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略。該控制策略能夠消除轉(zhuǎn)子電流擾動(dòng)對系統(tǒng)的影響，降低直流母線電壓的波動(dòng)幅度以及換流器的開通和關(guān)斷損耗，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。改進(jìn)的GSC控制策略如圖3所示。

圖3 GSC改進(jìn)控制策略

4.3 LVRT改進(jìn)控制策略

轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器改進(jìn)控制策略的應(yīng)用能在一定程度上減小限流電阻的投入時(shí)間，最小化附加硬件電路的負(fù)面影響，結(jié)合功率協(xié)調(diào)控制策略，圖4為本文中使用的LVRT方案的控制流程圖。

圖4 LVRT方案控制流程圖

5 仿真分析

為了驗(yàn)證所提的LVRT優(yōu)化控制策略的有效性，圖1所示的模型建立在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上，其中DFIG參數(shù)：額定功率為1.5 MW，額定頻率為50 Hz，定子額定線電壓為690 V，直流母線額定電壓為1200 V，定子電阻為0.00706 pu，轉(zhuǎn)子電阻為0.005 pu，定子漏感為0.171 pu，轉(zhuǎn)子漏感為0.156 pu，定轉(zhuǎn)子間的互感為2.9 pu，轉(zhuǎn)差率s=-0.2。限流電阻采取最優(yōu)整定阻值0.6 pu，在故障過程中認(rèn)為DFIG轉(zhuǎn)速恒定。

5.1 改進(jìn)控制策略分析

表2給出了電網(wǎng)電壓對稱跌落至0.5pu時(shí)，換流器分別采用文獻(xiàn)[15]原始控制策略(1)、考慮定子勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)變化的控制策略(2)和本文所提控制策略(3)，比較了轉(zhuǎn)子電流、直流母線電壓和定子三相電流峰值。

表2 不同控制策略下DFIG暫態(tài)性能對比

由表2可以看出，采用本文所提控制策略能夠最小化轉(zhuǎn)子電流、直流母線電壓、定子三相電流的波動(dòng)幅度，提高DFIG故障穿越的瞬態(tài)響應(yīng)性能。此外，該控制策略不需要通過考慮改進(jìn)的定子勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)變化控制來精確觀察定子磁鏈，這簡化了控制算法。

5.2 LVRT性能分析

t=1.5 s時(shí)，電壓降至0.2pu，t=1.6 s時(shí)故障恢復(fù)，圖5給出了采用本文所提的低電壓穿越優(yōu)化控制策略與文獻(xiàn)[15]所提的轉(zhuǎn)子側(cè)換流器功率協(xié)調(diào)控制策略對比波形。

圖5 LVRT性能對比

在電網(wǎng)電壓故障期間，兩種控制策略的有功功率變化基本相同；從無功功率和并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波形可以看出，兩種控制策略都可以為故障電網(wǎng)提供一些無功功率支持，但本文所提優(yōu)化控制策略充分利用了RSC無功控制能力，能最大限度提升并網(wǎng)點(diǎn)電壓，幫助故障電網(wǎng)快速恢復(fù)。

6 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)撬棒保護(hù)的不足，本文提出基于轉(zhuǎn)子串電阻電路的DFIG低電壓穿越優(yōu)化控制策略，在現(xiàn)有轉(zhuǎn)子串電阻電路分析的基礎(chǔ)上對限流電阻阻值的選取原則、功率協(xié)調(diào)控策略進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用變流器對DFIG控制的靈活性，提出一種改進(jìn)的換流器控制策略。得出以下結(jié)論：

(1)考慮Rrsr阻值對低電壓穿越期間DFIG瞬態(tài)性能的影響，權(quán)衡轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓、無功功率、電磁轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系，對限流電阻阻值的選取原則了進(jìn)行優(yōu)化；

(2)完善了轉(zhuǎn)子串電阻電路退出運(yùn)行但電網(wǎng)電壓尚未恢復(fù)期間轉(zhuǎn)子側(cè)RSC轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的無功控制能力，幫助故障電網(wǎng)快速恢復(fù)；

(3)改進(jìn)的轉(zhuǎn)換器控制策略不需要觀察定子磁鏈，從而提高了DFIG的瞬態(tài)響應(yīng)性能，同時(shí)簡化了控制算法。