蔣子傲，崔雙喜

(新疆大學 電氣工程學院，烏魯木齊 830047)

0 引 言

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)優(yōu)點是有功無功解耦控制、調(diào)速范圍寬，缺點是定子繞組與電網(wǎng)直接相連，使其對電網(wǎng)電壓故障尤為敏感[1-2]。實現(xiàn)風力發(fā)電機組HVRT功能的方法主要從增加外部硬件電路和改進系統(tǒng)控制策略方面著手，改進控制策略，成本較低但只適用于故障穿越較輕情況。相反，需要添加相應(yīng)硬件裝置來提高故障穿越能力。

電網(wǎng)電壓升高的主要原因有：(1)大電容投切；(2)大量甩負荷；(3)單相對地故障時，引起非故障相的電壓升高等[3]，對雙饋機組來說，直流母線電壓穩(wěn)定是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。文獻[4-5]提出斬波電路作為卸荷電路，用來抑制直流母線電壓波動，但是Chopper保護往往需要閉鎖RSC。文獻[6]為提高網(wǎng)側(cè)變流器動態(tài)控制性能，對其進行雙 PI 控制，以消除風電系統(tǒng)輸出功率波動；在文獻[7]中提出一種反電流跟蹤法，即用轉(zhuǎn)子電流反向跟蹤定子電流的控制方法；文獻[8]提出在故障期間將電網(wǎng)側(cè)變流器切換為無功支撐模式，但需要通過電流限制來控制。在文獻[9]中，提出基于直接功率控制?？刂艱C母線電容的瞬時有功功率為零。文獻[8-9]提出的控制策略在實際中容易產(chǎn)生誤差，需要引入補償控制器來補償電網(wǎng)電壓。

針對以上問題，文章以DFIG的數(shù)學模型為基礎(chǔ)，提出一種改進控制策略和混合儲能相結(jié)合的HVRT方法。蓄電池采用恒壓限流的控制策略，超級電容采用功率前饋控制策略。上述文獻提出的網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器傳統(tǒng)控制策略并未與并網(wǎng)規(guī)范的動態(tài)無功功率支持相結(jié)合，通過電網(wǎng)電壓驟升來深入分析電磁暫態(tài)過程。分析定子磁鏈的動態(tài)變化對用功、無功解耦的影響，對傳統(tǒng)的功率外環(huán)進行傳統(tǒng)的矢量控制策略進行改進[10-11]，提出對功率外環(huán)加前饋補償。仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

1 DFIG數(shù)學模型

HVRT以DFIG數(shù)學模型為基礎(chǔ)進行暫態(tài)分析，忽略磁飽和，采用電動機慣例。電壓方程和磁鏈方程為：

(1)

(2)

式中Lm為定轉(zhuǎn)子間互感；R、L為電阻和電感；U、I、ψ分別為電壓、電流、磁鏈矢量；p為微分算子；下標s、r分別表示定、轉(zhuǎn)子分量。

當t=t0時刻，電網(wǎng)電壓上升，定子電壓方程為：

(3)

式中Use為定子電壓矢量幅值；P為電壓驟升度,P=(Us-Use)/Use。由式(1)、式(2)可得定子磁鏈方程為：

(4)

因此，當電壓上升時定子磁鏈方程為：

(5)

圖1是雙饋發(fā)電系統(tǒng)[12-15]的基本拓撲結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)主要有風力機、DFIG、雙向PWM可控變流器、傳動系統(tǒng)、并聯(lián)的超級電容和蓄電池混合儲能系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 逆變器級混合儲能系統(tǒng)組合示意圖

1.1 蓄電池儲能系統(tǒng)控制

蓄電池的控制目標是穩(wěn)定DC母線電壓并平衡發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部功率，考慮到風能瞬時出力的大幅波動，充放電過程中會頻繁進行大電流充放電且端電壓大幅抬升和降低造成蓄電池壽命的降低，因此，本文采用的控制策略是蓄電池恒壓限流來限制大電流的沖擊?？刂扑惴ㄈ鐖D2所示。

圖2 蓄電池恒壓充放電控制算法

圖2中，Imax為充放電電流上限，Ib為充放電電流實際值，Iref為內(nèi)環(huán)充放電電流參考值，Udc和Udc-ref分別為直流母線電壓的實際值和參考值。Dboost和Dbuck分別為放電和充電模式下的占空比信號。

1.2 超級電容儲能系統(tǒng)控制

電流內(nèi)環(huán)控制基礎(chǔ)上加一個功率前饋控制，如圖3所示，儲能系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到大大提高。

圖3中，Pm和Pg分別為機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器功率，Usc為電容器兩端電壓，isc為電容器電流，iref為給定值，isc-f為反饋電流。

圖3 超級電容控制算法

1.3 協(xié)調(diào)控制策略

如圖4所示，UL1和UL3分別為母線電壓波動上下限，UL1和UL2為啟動超級電容的臨界值。 其中,UL3

圖4 協(xié)調(diào)控制示意圖

(1)限流充電模式：當發(fā)生高電壓穿越故障時，直流母線電壓急劇上升，當上升峰值超過額定值Udc-ref時，蓄電池通過恒壓限流穩(wěn)定母線電壓在Udc-ref，此時超級電容不投入運行;

(2)協(xié)調(diào)充電模式：當直流母線電壓超過上限值UL1，蓄電池電流達到上限Imax時，超級電容投入工作并和蓄電池一起穩(wěn)定直流母線電壓，此時儲能系統(tǒng)從限流充電過渡到協(xié)調(diào)充電模型，當DC母線電壓低于UL1時，超級電容退出，系統(tǒng)恢復(fù)至限流充電模式;

(3)限流放電模式：當發(fā)生低電壓穿越時，DC母線電壓突然下降，并且當DC母線電壓低于額定值時，蓄電池通過恒壓限流穩(wěn)定母線電壓在Udc-ref，此時超級電容不投入運行;

(4)協(xié)調(diào)放電模型：當DC母線電壓低于下限并且蓄電池電流達到上限時，超級電容投入運行并和蓄電池一起把直流母線電壓穩(wěn)定在UL2，此時儲能系統(tǒng)從限流放電過渡到協(xié)調(diào)放電模式，當DC母線電壓高于UL2時，超級電容退出，系統(tǒng)恢復(fù)至限流放電模式;

2 改進網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)控制策略

如圖5所示，改變GSC傳統(tǒng)控制策略有功電流參考值，進一步對傳統(tǒng)控制策略進行優(yōu)化。

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器改進控制策略

根據(jù)直流母線和電網(wǎng)電壓矢量控制的數(shù)學模型，忽略開關(guān)和線損得：

Pc=UdcCdcpUdc=Pg-Pr=(idcg-idcr)Udc

(6)

(7)

(8)

式中idcg和idcr分別為網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)直流電流，igd和igq為網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)dq軸電流。由式(6)～式(8)可以得到：

(9)

通過前饋補償來優(yōu)化網(wǎng)側(cè)變流器有功電流的參考值，目的是減小由轉(zhuǎn)子電流沖擊引起的DC母線電壓波動。系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，DC母線電壓為定值，電容兩端電壓PC=0可以得到PUdc=0則得：

(10)

即igd=2Udcidcr/3Us，原理：前饋補償量和PI調(diào)節(jié)器輸出的直流母線電壓疊加作為新的有功電流的參考值，不僅提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度而且還減小了流入電容的瞬態(tài)電流。

3 改進轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RSC)控制策略

由定子磁鏈定向矢量控制模型得：ψsd=ψs、usd=0，由式(2)可知定子、轉(zhuǎn)子間電流關(guān)系為：

(11)

(12)

當發(fā)生高電壓穿越時，定子磁鏈不在為零，進而usd=0不成立，Ps和Qs在定子側(cè)的值也發(fā)生相應(yīng)的變化。

(13)

通過式(12)、式(13)對比，可以看出定子磁鏈變化對有功功率和無功功率的影響，Ps和Qs分別增加usd[(ψsd-Lmird)/Ls]和-usd[(Lmirq)/Ls]。系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，這兩項都是零，但是在高電壓穿越期間，這兩個附加量不能忽略，文中將附加量作為功率外環(huán)的前饋補償分量，但是大多數(shù)文獻在改進網(wǎng)側(cè)變流器控制策略時，只考慮定子磁鏈變化對電流內(nèi)環(huán)的影響，而忽略對功率外環(huán)的影響。改進后的控制策略如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器改進控制策略

4 仿真實驗與分析

4.1 仿真分析

為驗證混合儲能的協(xié)調(diào)控制策略，僅考慮高電壓穿越(即充電模式)。表1為風電系統(tǒng)仿真參數(shù)。圖7為參數(shù)波形圖。

圖7 參數(shù)波形圖

表1 風電系統(tǒng)仿真參數(shù)

在MATLAB/Simulink平臺進行仿真，設(shè)定的DC母線額定電壓Ue=540 V,蓄電池充電電流的上限為Imax=20 A。協(xié)調(diào)充電的超級電容啟動電壓設(shè)為648 V(1.2Ue)。仿真過程中，借助于MCGS和MATLAB得DEE通訊設(shè)計，可以實現(xiàn)對超級電容、蓄電池、母線在內(nèi)的電壓，電流，功率等電氣參數(shù)進行記錄。

從圖7可知，當系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，發(fā)電功率等于負載功率，直流母線電壓穩(wěn)定在540 V，設(shè)負載從最大負載變?yōu)樽钚∝撦d，在00:50:38時刻，負載功率突然降低，蓄電池進入限流充電模式，當充電電流達到上限(20 A)，維持母線電壓穩(wěn)定，在00:51:18時刻，負載功率減小到零，并且蓄電池仍以最大電流值充電，此時啟動超級電容開始投入工作，混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制直流母線電壓，維持母線電壓穩(wěn)定。

4.2 仿真分析

電網(wǎng)電壓從0.8 s驟升至1.3 p.u.，1.7 s故障結(jié)束。傳統(tǒng)控制策略下直流母線電壓、網(wǎng)側(cè)無功、網(wǎng)側(cè)有功、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子電流波形，如圖8所示。母線電壓的驟升程度和波動比較大，電磁轉(zhuǎn)矩和有功功率波動較大，提供的無功功率較小。

圖8 傳統(tǒng)控制策略波形

圖9所示的改進控制策略+混合儲能方案能迅速穩(wěn)定直流母線電壓，故障恢復(fù)階段波動比較小。

圖9 改進控制策略波形

圖9所示的是GSC有功功率、無功功率曲線相比于傳統(tǒng)控制策略，有功功率從0.95 MW降到0.75 MW，波動較小。由無功功率的波形得出，在電網(wǎng)電壓驟升過程中，采用改進的控制策略+混合儲能較傳統(tǒng)控制策略能夠輸出更多的感性無功功率，避免系統(tǒng)無功過剩，電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩幅度也較傳統(tǒng)控制策略有所降低，更好抑制轉(zhuǎn)子電流的波動，減小對直流母線電壓的沖擊。

5 結(jié)束語

(1)在雙饋機組控制直流母線電壓波動方面，相比傳統(tǒng)控制策略，混合儲能+改進控制策略的組合響應(yīng)更快，能更好地抑制DC母線電壓波動;

(2)在雙饋機組出力方面，傳統(tǒng)控制策略和改進控制策略+混合儲能電路都能控制有功輸出，提供感性無功來幫助電網(wǎng)恢復(fù)，改進控制策略較傳統(tǒng)控制能提供更大的網(wǎng)側(cè)有功功率約3 MW;

(3)就雙饋機組電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子電流而言，改進控制策略+混合儲能可以更好地控制轉(zhuǎn)矩的波動，減小對直流母線電壓的沖擊。