萬(wàn)子鏡，田 震，王 偉，查曉明，黃 萌，劉思杰

（1.綜合能源電力裝備及系統(tǒng)安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北省武漢市 430072；2.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院,湖北省武漢市 430072；3.國(guó)電南瑞科技股份有限公司,江蘇省南京市 211106）

0 引言

直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)（D-PMSG）具有響應(yīng)速度快、輸出功率穩(wěn)定、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)［1-2］,直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中得到廣泛應(yīng)用［3］。直驅(qū)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)存在網(wǎng)側(cè)變流器過(guò)電流以及直流側(cè)電壓升高的問(wèn)題。當(dāng)電壓跌落幅度較大時(shí),若不對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器采取過(guò)電流和過(guò)電壓抑制措施,將會(huì)導(dǎo)致變流器和直流側(cè)電容損壞,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)脫網(wǎng),給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)［4］。因此,隨著風(fēng)電規(guī)模的迅速擴(kuò)大［5］,中國(guó)制定了關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則,對(duì)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力提出了明確要求［6］。

為保障電壓跌落和過(guò)電壓故障期間風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng),故障穿越控制得到了大量研究。傳統(tǒng)的故障穿越控制策略［7］通常是機(jī)側(cè)整流器實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的有功控制,網(wǎng)側(cè)逆變器按文獻(xiàn)［6］中所述,隨電壓變化程度改變無(wú)功電流增量以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功支撐。此外,還可通過(guò)在直流側(cè)增設(shè)耗能撬棒電阻抑制直流側(cè)過(guò)電壓［8］。值得注意的是,風(fēng)電匯集區(qū)域常存在三相電壓不平衡現(xiàn)象,如不平衡短路故障及不平衡負(fù)荷引起的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓不平衡情況等［9］。傳統(tǒng)故障穿越控制大多考慮三相平衡故障工況,或僅考慮不平衡工況下抑制有功功率波動(dòng)的單一控制目標(biāo)［10-11］,對(duì)于不平衡工況下直驅(qū)風(fēng)機(jī)的多目標(biāo)協(xié)同控制策略目前鮮有報(bào)道。文獻(xiàn)［12］在靜止坐標(biāo)系下建立了并網(wǎng)逆變器有功/無(wú)功功率控制與負(fù)序電流抑制之間的聯(lián)系,采用加權(quán)系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)逆變器的多目標(biāo)協(xié)同控制,但對(duì)加權(quán)系數(shù)的選取方式何時(shí)最優(yōu)未做解釋。文獻(xiàn)［13］在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,采用通過(guò)果蠅算法優(yōu)化加權(quán)系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)逆變器的多目標(biāo)優(yōu)化控制。文獻(xiàn)［10-13］均未提及如何避免嚴(yán)重不平衡工況下電流指令值飽和的問(wèn)題。目前,尚未見(jiàn)文獻(xiàn)綜合考慮電流飽和、多目標(biāo)控制以及無(wú)撬棒故障穿越控制。

本文分析了直驅(qū)風(fēng)機(jī)在不對(duì)稱故障穿越過(guò)程中的運(yùn)行特性。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了不平衡工況下直驅(qū)風(fēng)機(jī)多目標(biāo)協(xié)同控制策略,實(shí)現(xiàn)了正常工況與故障工況下多控制模式之間的平滑切換。通過(guò)最小二乘法優(yōu)化電流參考值以達(dá)到同時(shí)抑制有功功率、無(wú)功功率二倍頻波動(dòng)以及并網(wǎng)電流負(fù)序分量的目標(biāo)及避免出現(xiàn)電流指令值飽和現(xiàn)象,并實(shí)現(xiàn)無(wú)撬棒直流電壓控制。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作如下:1）與現(xiàn)有的不平衡工況下直驅(qū)風(fēng)機(jī)故障穿越控制不同,在避免病態(tài)電流解問(wèn)題的同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同控制目標(biāo)協(xié)同控制；2）充分考慮了故障暫態(tài)下直流電壓穩(wěn)定及網(wǎng)側(cè)電流控制問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了無(wú)撬棒故障穿越控制以及策略間的平滑切換。最后,基于PSCAD/EMTDC 仿真平臺(tái)驗(yàn)證所提多目標(biāo)協(xié)同控制策略的有效性。

1 不平衡電網(wǎng)條件下直驅(qū)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性分析

直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器等效電路圖［14］如圖1 所示,電流的正方向已在圖中標(biāo)出,下文中計(jì)算均以此為 電 流 正 方 向。圖1 中:Ea、Eb、Ec表 示 電 網(wǎng) 三 相 電壓；iga、igb、igc表示網(wǎng)側(cè)三相電流；Ua、Ub、Uc表示逆變器輸出三相電壓；L、R分別為線路電感、電阻；Udc為直流側(cè)電壓。

圖1 直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器等效電路Fig.1 Equivalent circuit of grid-side converter of direct-driven wind turbine

由圖1 以及瞬時(shí)功率理論［15］可得在電網(wǎng)電壓不平衡工況下,直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)逆變器輸出的復(fù)功率為:

將式（1）進(jìn)一步展開(kāi)為代數(shù)形式,可得有功功率Pg以及無(wú)功功率Qg分別為:

式中:P0、Q0分別為網(wǎng)側(cè)逆變器輸出瞬時(shí)有功、無(wú)功功率的直流分量；P1、Q1分別為網(wǎng)側(cè)逆變器輸出瞬時(shí)有功、無(wú)功功率的二倍頻余弦波動(dòng)分量幅值；P2、Q2分別為網(wǎng)側(cè)逆變器輸出瞬時(shí)有功、無(wú)功功率的二倍頻正弦波動(dòng)分量幅值。

假定電流無(wú)差跟蹤指令值,即認(rèn)為電流實(shí)際值ig等于電流設(shè)定值ig,ref,于是式（3）可改寫(xiě)為矩陣方程的形式:

式中:下標(biāo)ref 表示參考值。

由于直流電容的存在,機(jī)側(cè)受電網(wǎng)電壓不平衡的影響很小,因而,在不采取任何措施的情況下機(jī)側(cè)在故障工況下仍然保持輸出額定功率。由附錄A圖A2 所示的直流側(cè)電路不難看出,不平衡工況下直流側(cè)的運(yùn)行特性可以表述為:

式中:C為直流側(cè)電容值；Pm為機(jī)側(cè)整流器向直流側(cè)輸入的功率。由此,在機(jī)側(cè)保持輸出功率不變的情況下,直流側(cè)電容電壓會(huì)受不平衡工況影響而產(chǎn)生兩倍工頻的振蕩。傳統(tǒng)故障穿越控制策略［7］通常只考慮三相對(duì)稱工況,對(duì)上述所提到的電流以及功率不平衡均無(wú)法起到抑制作用。

為使得直驅(qū)風(fēng)機(jī)適應(yīng)不平衡工況下的不同運(yùn)行要求,已有文獻(xiàn)［12-13］指出直驅(qū)風(fēng)機(jī)存在以下3 種不同的控制目標(biāo):

1）通過(guò)適當(dāng)控制電網(wǎng)正負(fù)序電流,抑制網(wǎng)側(cè)變換器的二倍頻有功功率脈動(dòng),從而抑制直流側(cè)電壓二倍頻波動(dòng)以使得直流電壓滿足要求；

2）通過(guò)適當(dāng)控制電網(wǎng)正負(fù)序電流,抑制網(wǎng)側(cè)變換器的二倍頻無(wú)功功率脈動(dòng),以滿足電網(wǎng)電壓不平衡條件下無(wú)功功率支撐的要求；

3）通過(guò)控制電網(wǎng)負(fù)序電流為零,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器電流平衡,以滿足電網(wǎng)電壓不平衡條件下仍然輸出三相平衡電流的要求。

由上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方式不難看出,對(duì)電網(wǎng)正負(fù)序電流的控制是關(guān)鍵。傳統(tǒng)控制策略下網(wǎng)側(cè)逆變器有功電流受到直流電壓外環(huán)的鉗制,其電流調(diào)控裕度受到限制。因此,本文還需研究滿足正常工況和不平衡故障工況運(yùn)行的平滑切換控制策略。

2 不平衡工況下直驅(qū)風(fēng)機(jī)多目標(biāo)協(xié)同故障穿越控制策略

如前文所述,不平衡電網(wǎng)條件下,直驅(qū)風(fēng)機(jī)故障穿越控制的關(guān)鍵是并網(wǎng)正負(fù)序電流的控制,要實(shí)現(xiàn)對(duì)功率二倍頻波動(dòng)以及并網(wǎng)負(fù)序電流的抑制需要分別對(duì)正序、負(fù)序電流進(jìn)行控制。以下對(duì)正負(fù)序電流控制所需控制器、指令值以及完整的故障穿越控制策略進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.1 比例-積分-諧振(PI-R)控制器

負(fù)序分量在正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下表現(xiàn)為二倍頻的波動(dòng)分量,使用比例-積分（PI）控制器無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)正負(fù)序電流的無(wú)靜差跟蹤,于是引入非理想諧振控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)正負(fù)序分量的無(wú)靜差跟蹤?？刂破鱾鬟f函數(shù)如下:

式中:Kr為諧振系數(shù)；ωc、ωr分別為截止頻率、諧振頻率,可以通過(guò)更改截止頻率來(lái)改變控制器帶寬,以彌補(bǔ)理想諧振控制器對(duì)于信號(hào)頻率變化過(guò)于敏感的缺點(diǎn),提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性［16］。

將上述諧振控制器與PI 控制器相結(jié)合,構(gòu)成正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PI-R 控制器,圖2 為采用PIR 控制器的電流環(huán)控制框圖。圖中:igd和igq分別為網(wǎng)側(cè)電流的d、q軸分量,igd,ref為igd的參考值；egd為網(wǎng)側(cè)電壓的d軸分量；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；vgd,ref為網(wǎng)側(cè)逆變器輸出電壓d軸分量參考值。

圖2 PI-R 電流控制器Fig.2 PI-R current controller

2.2 基于最小二乘估計(jì)的多目標(biāo)協(xié)同電流指令值計(jì)算

傳統(tǒng)單獨(dú)抑制有功功率二倍頻波動(dòng)或無(wú)功功率二倍頻波動(dòng)目標(biāo)下,電流參考值如下［16］:

式中:eg為網(wǎng)側(cè)電壓矢量幅值,其上標(biāo)P、N 分別表示正、負(fù)序分量。

將式（9）代入式（4）,并且為同時(shí)抑制有功、無(wú)功功率二倍頻波動(dòng),使方程左側(cè)有功功率二倍頻波動(dòng)分量幅值P1、P2與無(wú)功功率二倍頻波動(dòng)分量幅值Q1、Q2均為0,可得到如下超定方程:

式中:A、B、C為系數(shù)矩陣。

從式（10）可以看出,式（7）及式（8）易出現(xiàn)病態(tài)解的原因是矩陣方程式（10）的系數(shù)矩陣A會(huì)出現(xiàn)不滿秩的情況?？紤]到r（CCT）=r（C）=4（其中,r表示求矩陣的秩）,因此,可以利用最小二乘法求解原方程,在得到多目標(biāo)優(yōu)化解的同時(shí)避免出現(xiàn)病態(tài)解,即令系數(shù)矩陣CCT恒滿秩,從而避免電流解中出現(xiàn)分母項(xiàng)D1。

本文提出基于最小二乘估計(jì)的多目標(biāo)協(xié)同電流指令值計(jì)算方法,避免出現(xiàn)上述指令值飽和現(xiàn)象。值得注意的是,本文所述多目標(biāo)協(xié)同是通過(guò)利用最小二乘法求解超定方程最優(yōu)解的形式實(shí)現(xiàn),是利用了最小二乘法本身特性而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)同控制的目標(biāo),超定方程的求解過(guò)程即為多個(gè)相互矛盾控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)協(xié)同的過(guò)程。

對(duì)方程式（10）進(jìn)行最小二乘處理［18］,可得:

在控制電流無(wú)靜差跟蹤以上指令值時(shí),不可避免會(huì)使得網(wǎng)側(cè)電流存在較大的負(fù)序分量。為抑制負(fù)序電流,對(duì)最小二乘方程式（11）進(jìn)一步修正如下:

再對(duì)方程式（14）中超定方程進(jìn)行最小二乘處理,并求解得到最優(yōu)的電流設(shè)定值為:

可知,式（15）中電流指令值避免了前文單獨(dú)抑制有功功率二倍頻波動(dòng)或無(wú)功功率二倍頻波動(dòng)中在嚴(yán)重不平衡工況下出現(xiàn)的電流設(shè)定值飽和的問(wèn)題,并且計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單。

2.3 網(wǎng)側(cè)變流器多目標(biāo)協(xié)同故障穿越控制策略

由不平衡工況下直驅(qū)風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器工作特性可知,不對(duì)稱故障工況下存在有功功率引起的直流側(cè)電壓二倍頻波動(dòng)、無(wú)功功率二倍頻波動(dòng)以及負(fù)序電流含量大等問(wèn)題。由于負(fù)序分量在正序dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下表現(xiàn)為二倍頻的波動(dòng)分量,即角頻率為2ωg的交流信號(hào),引入PI-R 控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)正負(fù)序電流的無(wú)差跟蹤。

網(wǎng)側(cè)變流器正序dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程如式（16）所示,引入PI-R 控制器后,其電流環(huán)控制方程如式（17）所示。

式中:vg表示網(wǎng)側(cè)逆變器輸出電壓；egq為網(wǎng)側(cè)電壓的q軸分量。

結(jié)合上述分析給出基于PI-R 控制器的正負(fù)序電壓定向網(wǎng)側(cè)變流器故障穿越控制策略,如附錄A圖A3 所示。

2.4 機(jī)側(cè)變流器故障穿越控制策略

鑒于直驅(qū)風(fēng)機(jī)背靠背變流器的拓?fù)涮匦?機(jī)側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器之間由直流環(huán)節(jié)銜接,電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時(shí),若不采取控制措施,機(jī)側(cè)變流器將與故障前輸出的功率一致,導(dǎo)致直流側(cè)電壓升高。而由式（5）不難看出,無(wú)論是網(wǎng)側(cè)逆變器還是機(jī)側(cè)整流器在控制直流電容電壓穩(wěn)定時(shí),所遵循的原則均為維持直流側(cè)輸入、輸出功率的平衡,即在網(wǎng)側(cè)控制直流電壓與機(jī)側(cè)控制直流電壓切換前后直流側(cè)功率輸入、輸出相同,所以使得切換控制對(duì)直流側(cè)電壓穩(wěn)定帶來(lái)的沖擊較小。關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)控制策略的平滑切換,將在第3 章進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

為了配合網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱故障下的故障穿越,改由機(jī)側(cè)變流器承擔(dān)直流電壓控制,使得網(wǎng)側(cè)變流器有更大的電流調(diào)控裕度,以適應(yīng)各種不同故障工況。因此,機(jī)側(cè)變流器在故障工況下需要切換為直流電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制策略,如附錄A圖A4 所示。

3 基于狀態(tài)跟隨的整體平滑切換控制策略

本文不平衡工況下采用切換控制來(lái)實(shí)現(xiàn)正常工況和故障工況下的控制目標(biāo)。在正常工況下,考慮到風(fēng)機(jī)功率的波動(dòng)性,網(wǎng)側(cè)控制直流電壓更合理,于是網(wǎng)側(cè)逆變器控制方式采用直流電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán),機(jī)側(cè)整流器采用傳統(tǒng)的功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。而在故障工況下,為了使得網(wǎng)側(cè)逆變器有充足的正負(fù)序電流調(diào)控裕度,以更好承擔(dān)正負(fù)序電流控制的任務(wù),網(wǎng)側(cè)逆變器切換為基于PIR 控制器的單電流內(nèi)環(huán)控制策略（見(jiàn)附錄A 圖A3）,同時(shí)機(jī)側(cè)逆變器切換為電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略（見(jiàn)附錄A 圖A4）。

對(duì)于上述切換控制策略,首先,對(duì)切換控制的必要性做出解釋。在電網(wǎng)發(fā)生單相或兩相短路接地故障時(shí),正序電壓幅值跌落。此時(shí),由于變流器的限流保護(hù)作用,機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)的有功輸出將不再相等［19］,且在不附加額外耗能或儲(chǔ)能設(shè)施時(shí),無(wú)法穩(wěn)定直流電壓,進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。另外,此時(shí)電流觸發(fā)限幅,即有功電流指令不再是所求參考值,則所期望的控制效果也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。其次,解釋切換控制的可行性。切換前后穩(wěn)定直流電壓由網(wǎng)側(cè)逆變器切換至機(jī)側(cè)整流器,而兩者直流電壓控制機(jī)理均為功率平衡使得切換成為可能。由附錄A 圖A2 可知,直流側(cè)電容的電壓可表示為:

由式（18）可知,網(wǎng)側(cè)逆變器與機(jī)側(cè)整流器在調(diào)控直流電壓時(shí)所起的作用并不完全相同。再考慮到控制及切換的延時(shí)效應(yīng),當(dāng)從正常工況的網(wǎng)側(cè)控制直流電壓切換至故障工況下的機(jī)側(cè)控制直流電壓時(shí),會(huì)導(dǎo)致電流設(shè)定值出現(xiàn)暫態(tài)尖峰（故障恢復(fù)后切換至正常工況控制時(shí)同理）,從而影響電流內(nèi)環(huán)的控制效果和直流電壓的暫態(tài)穩(wěn)定。為此,本文通過(guò)設(shè)計(jì)圖3 所示狀態(tài)跟隨環(huán)節(jié),在故障期間將網(wǎng)側(cè)逆變器直流電壓外環(huán)輸入（直流電壓采樣值）替換為狀態(tài)跟隨環(huán)節(jié)輸出（直流電壓計(jì)算值Udc,calc）,使得直流電壓外環(huán)中的狀態(tài)變量始終處于控制直流電壓穩(wěn)定的狀態(tài)下,以減小策略切換對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊,從而實(shí)現(xiàn)平滑切換。同理,機(jī)側(cè)在正常工況下采用狀態(tài)跟隨環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)不同工況之間控制的平滑切換。圖3 中:下標(biāo)calc 表示相應(yīng)變量為計(jì)算值；vsd表示機(jī)側(cè)d軸電壓。網(wǎng)側(cè)及機(jī)側(cè)基于狀態(tài)跟隨的平滑切換控制策略如附錄A 圖A5、圖A6 所示。

圖3 狀態(tài)跟隨環(huán)節(jié)Fig.3 State following links

值得注意的是,本文雖針對(duì)不平衡工況提出改進(jìn)協(xié)同控制策略,但由于故障穿越過(guò)程中機(jī)側(cè)變流器對(duì)直流電壓穩(wěn)定的控制作用［20］,本文策略仍適用于對(duì)稱故障下的直驅(qū)風(fēng)機(jī)故障穿越。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證不對(duì)稱故障工況下本文所提多目標(biāo)協(xié)同控制策略的有效性,采用PSCAD/EMTDC 搭建了一臺(tái)2 MW 的直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。同時(shí),比較分析了傳統(tǒng)故障穿越控制策略和本文所提協(xié)同控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)。仿真模型的主要參數(shù)見(jiàn)表1,為更好地體現(xiàn)2.2 節(jié)中所述電流指令值飽和問(wèn)題,故障類型設(shè)為電壓不平衡較為嚴(yán)重的兩相接地短路故障,風(fēng)機(jī)并網(wǎng)及故障詳情如附錄A 圖A7 所示。故障發(fā)生前直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行于額定工況。

表1 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of wind turbine gridconnection system

圖4 為網(wǎng)側(cè)發(fā)生兩相接地短路故障時(shí),采用文獻(xiàn)［7］中傳統(tǒng)故障穿越控制策略時(shí)的仿真波形,從圖中可以看出存在較大的負(fù)序電流（幅值為0.1 p.u.）,提供了0.1 p.u.的無(wú)功功率支撐,但存在明顯的二倍頻波動(dòng)分量（波峰與波谷之間相差0.06 p.u.）。同時(shí),直流側(cè)電壓上升至1.10 p.u.并存在較為明顯的二倍頻波動(dòng)分量（波峰與波谷之間相差0.11 p.u.）。

圖4 采用傳統(tǒng)故障穿越控制策略的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results with traditional fault ridethrough control strategy

圖5 為網(wǎng)側(cè)發(fā)生兩相接地短路故障時(shí),采用本文所提多目標(biāo)協(xié)同控制策略的仿真結(jié)果。從圖中可以看出,負(fù)序電流基本消除（幅值為0.02 p.u.）,并提供了0.11 p.u.的無(wú)功功率支撐且對(duì)二倍頻分量有明顯的抑制作用（波峰與波谷之間相差0.04 p.u.）。同時(shí),直流側(cè)電壓穩(wěn)定在1.0 p.u.附近,直流電壓的二倍頻波動(dòng)（波峰與波谷之間相差0.06 p.u.）得到有效抑制,能在一定程度上同時(shí)滿足并網(wǎng)無(wú)功功率、直流電壓以及并網(wǎng)電流的要求。

圖5 采用本文所提多目標(biāo)協(xié)同控制策略的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results with proposed multi-objective cooperative control strategy

網(wǎng)側(cè)發(fā)生單相接地短路故障時(shí),兩種不同策略的仿真結(jié)果對(duì)比如附錄A 圖A8 所示。從圖中結(jié)果可以得出與上述相似的結(jié)論。

對(duì)于上文所述的單獨(dú)抑制有功功率二倍頻或者無(wú)功功率二倍頻波動(dòng)時(shí)易出現(xiàn)的電流給定值飽和現(xiàn)象,以下給出同樣工況和參數(shù)下的仿真結(jié)果,如圖6所示。圖中:D1=(ePg)2-(eNg)2為式（7）與式（8）中易接近于0 的分母項(xiàng)。顯然,由圖6 可以看出,在上述給出的兩相接地短路故障工況以及參數(shù)下D1接近于0,從而導(dǎo)致電流給定值飽和,使得控制策略失效,即并未達(dá)成抑制有功或者無(wú)功功率二倍頻波動(dòng)的控制目標(biāo),更嚴(yán)重的是進(jìn)一步引起了系統(tǒng)振蕩失穩(wěn)。

圖6 單一控制目標(biāo)下的電流飽和及系統(tǒng)失穩(wěn)Fig.6 Currer saturation and system instability with single control objective

為了證實(shí)前文關(guān)于切換控制必要性的解釋,給出電網(wǎng)發(fā)生單相接地短路故障且網(wǎng)側(cè)逆變器控制直流電壓時(shí)的仿真結(jié)果,如附錄A 圖A9 所示,此時(shí)的電流參考值由式（7）確定,控制結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)［16］。由圖A9 中結(jié)果可以看出,此時(shí)有功電流由于變流器電流限制而達(dá)到限幅,而消除有功功率二倍頻波動(dòng)的控制目標(biāo)由于電流限幅未能達(dá)成,直流電壓的穩(wěn)定完全依賴于直流側(cè)的撬棒電路,從而證實(shí)了切換控制的必要性以及優(yōu)越性。

上文所述不平衡工況下多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略的仿真結(jié)果均建立在平滑切換的基礎(chǔ)上,以下給出采用直接切換控制與采用平滑切換控制后的對(duì)比仿真結(jié)果,如圖7、圖8 所示。由圖7 仿真結(jié)果可知,采用直接切換控制時(shí),機(jī)側(cè)變流器d軸電流指令值在由正常工況變?yōu)楣收瞎r時(shí)會(huì)有較大的突變,從而影響直流電容電壓穩(wěn)定,而由故障恢復(fù)至正常工況時(shí)網(wǎng)側(cè)逆變器d軸電流指令值同樣會(huì)發(fā)生突變,以至于對(duì)直流電壓穩(wěn)定造成不利影響。相比之下,如圖8 所示,采用本文提出的基于狀態(tài)跟隨的平滑切換策略后,機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變流器d軸電流指令值均未發(fā)生突變,有利于維持直流電壓穩(wěn)定。

圖7 采用直接切換控制的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results with direct switching control

圖8 采用平滑切換控制的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results with smooth switching control

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了不平衡工況下直驅(qū)風(fēng)機(jī)的多目標(biāo)協(xié)同故障穿越問(wèn)題,提出了基于最小二乘法的最優(yōu)電流設(shè)定值求解方法和基于狀態(tài)跟隨的平滑切換控制策略,得到以下結(jié)論:

1）不平衡電流、有功功率以及無(wú)功功率波動(dòng)可以通過(guò)合理控制網(wǎng)側(cè)變流器正負(fù)序電流來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)同抑制；

2）不平衡工況下,采用單一目標(biāo)的故障穿越控制策略更容易出現(xiàn)電流指令值飽和,降低故障穿越期間的控制效果及動(dòng)態(tài)特性；

3）采用狀態(tài)跟隨方法,可以實(shí)現(xiàn)正常工況與故障工況下控制模式之間的平滑切換控制,可有效減小切換帶來(lái)的暫態(tài)電流峰值,提高系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)特性。

本文主要研究了基于跟網(wǎng)型逆變器的直驅(qū)風(fēng)機(jī)在不平衡工況下的多目標(biāo)協(xié)同低電壓穿越控制策略,而未對(duì)目前受到廣泛關(guān)注的構(gòu)網(wǎng)型控制直驅(qū)風(fēng)機(jī)故障穿越進(jìn)行深入研究。本文所述控制策略是否可拓展應(yīng)用于構(gòu)網(wǎng)型直驅(qū)風(fēng)機(jī),仍有待進(jìn)一步研究。

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